Ny NASA-undersøgelse kan forbedre fremtidige flodobservationssatellitter

Flodoversvømmelser er en af ​​de mest almindelige og ødelæggende af Jordens naturkatastrofer. I det seneste årti, syndfloder fra floder har dræbt tusindvis af mennesker hvert år rundt om i verden og forårsaget tab i størrelsesordenen titusindvis af milliarder af amerikanske dollars årligt. Klima forandring, som forventes at øge nedbøren i visse områder af planeten, kan gøre flodoversvømmelser på disse steder hyppigere og mere alvorlige i de kommende årtier.

Nu, en ny undersøgelse ledet af forskere ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, analyserer, hvad det ville tage for flodobservationssatellitter at blive et endnu mere nyttigt værktøj til at afbøde oversvømmelsesskader og forbedre reservoirstyring globalt i næsten realtid.

"Tidlige advarselssystemer for oversvømmelser er traditionelt afhængige af målenetværk, der registrerer oversvømmelser længere oppe ad floden, men måledata bliver mere og mere sparsomme, " sagde George Allen, hovedforfatter af den nye forskning og hydrolog ved JPL. "Vores undersøgelse viser, at der er plads til satellitter til at hjælpe med at udfylde hullet. Men for satellitter til at informere oversvømmelsesbegrænsning i realtid, de skal levere data til vandforvaltere inden for en tilstrækkelig kort forsinkelsestid."

Flodoversvømmelser opstår, når en kanal fyldes med vand ud over dens bredders kapacitet, normalt på grund af kraftig nedbør. Oversvømmelsen bevæger sig langs flodens løb som en bølge, bevæger sig hurtigere nedstrøms end selve vandet. Adskillige satellitmissioner har været i stand til at opdage oversvømmelser som pludselige ændringer i højden eller bredden af ​​flodvandet. Når først en oversvømmelse er observeret, det er relativt nemt at forudsige præcist, hvordan den vil bevæge sig ned ad floden. Disse oplysninger er ekstremt nyttige i tidlige oversvømmelsesadvarselssystemer og andre real-time flodhåndteringsapplikationer.

At studere den hastighed, hvormed oversvømmelser forplanter sig gennem planetens floder, Allen og hans kolleger kørte en simpel numerisk model af strømningsbølger, der brugte information såsom bredden, hældning, dybde og ruhed - mængden af ​​friktionsvand, der opleves, når du rejser langs en flod - af floder over hele verden. Efter at have analyseret bølgehastigheder gennem 11 millioner miles (17,7 millioner kilometer) floder rundt om planeten, forskerne fandt ud af, at oversvømmelsesbølger, der rejser med deres maksimale hastighed, tager en mediantid på tre dage for at nå den næste nedstrøms dæmning, fire dage til at ankomme til den næste nedstrøms by og seks dage til at forlade flodsystemet helt.

Holdet sammenlignede deres models resultater med udledningsregistreringer fra mere end 20, 000 U.S. Geological Survey målestationer langs omkring 40, 000 miles (64, 400 kilometer) af forskellige flodsystemer i USA. De fandt ud af, at modellen estimerede hurtigere bølgehastigheder, end målerdataene viste.

"Det var forventet, baseret på det faktum, at vi modellerer bølger, der bevæger sig med maksimal hastighed, der henviser til, at målerdataene ser på alle typer bølgehastigheder:lave hastigheder, høje hastigheder, alt derimellem, " sagde Allen. "På denne måde, vores undersøgelse estimerer et worst-case-scenario af, hvor hurtigt oversvømmelser kan bevæge sig ned ad floder."

Forskerne brugte derefter deres bølgehastighedsfund til at beregne dataforsinkelse - hvor hurtigt satellitdata skal downloades, behandlet og gjort tilgængeligt for offentligheden for at være nyttigt for tidlig varslingssystemer for oversvømmelser og andre oversvømmelsesreduktionsstrategier i realtid, samt reservoirstyring. I særdeleshed, de fokuserede på fremtidige data fra NASAs kommende Surface Water and Ocean Topography (SWOT) mission. SWOT, planlagt til lancering i 2021, er specielt designet til at observere floder. Det er fordi den har en gentagelsesbane på 21 dage og vil være i stand til at detektere oversvømmelsesbølger, især i store floder på højere breddegrader. Forskerne fandt ud af, at det kunne være nyttigt at gøre SWOT-data tilgængelige inden for få dage efter, at de blev erhvervet af rumfartøjet, til at afbøde oversvømmelser i realtid. Sammenlignet med tidligere eller nuværende satellitter, der leverer information om floder og oversvømmelser, SWOT will provide never-before-seen maps of river height, allowing for more reliable prediction of flood timing and magnitude.

If the data were to be processed in two days or less, Allen's team calculated, it would be ready for emergency managers before at least two-thirds of observed waves reached the next downstream city. For dams, the quick turnaround of satellite measurements would give advance notice to downstream reservoirs in at least half of the cases when SWOT detects a flood wave.

"There is a trade-off between data latency and data quality, " said Cédric David of JPL, who directed the new study and is a member of SWOT's science team. "Så, do we want to wait to get the best data possible, or do we want to get a rough version of what's going on now, so we can provide actionable information? As we prepare for new satellite missions like SWOT, that's when we start asking these types of questions."

Satellite data that could inform flood early warning systems would be particularly useful for developing nations, where either there are insufficient river gauges or countries do not share gauge data with their downstream neighbors, Allen said.

Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Geofysiske forskningsbreve .