Registrering af kraftige nedbørshændelser direkte med GPS-data

En usædvanlig hård storm fejede ind over Zürich den 13. juli 2021 kort før kl. 02.00 med hylende byger, konstant lyn og styrtregn, der vækkede folk med en start.

Benedikt Soja, professor i rumgeodæsi, fik lidt søvn den nat. "Det var en af ​​de mest alvorlige storme, jeg nogensinde har været vidne til. Jeg vågnede midt om natten og kunne se stormen rase gennem vinduet," husker han.

Stormens omfang var tydeligt næste morgen - væltede træer på gader og i parker, beskadigede hustage og overliggende sporvognslinjer blev trukket ned i forskellige dele af Zürich. Jorden i nærheden af ​​Hönggerberg campus var også overstrøet med grene og endda hele træer. "Stormen må have passeret lige over ETH," siger Soja.

GPS-dataafbrydelser

En GPS-station på taget af Institut for Geodæsi og Fotogrammetri på Hönggerberg-campus optager signalerne fra forskellige satellitsystemer døgnet rundt. Da Soja og hans kolleger på instituttet undersøgte dataene fra stormnatten mere detaljeret, kunne de ikke tro deres egne øjne.

"Der var udfald i GPS-databehandlingen. Vi kunne først ikke forstå, hvad der havde forårsaget dem," siger Matthias Aichinger-Rosenberger, tidligere postdoc i Sojas gruppe og nu underviser ved ETH Zürich. Da andre stationer også rapporterede udfald i måling af data fra GPS og andre satellitnavigationssystemer for den nat, begyndte forskerne at analysere rådata fra antennen på Hönggerberg-campus.

De var i stand til at vise i en undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Geophysical Research Letters , at ekstreme vejrhændelser påvirker kvaliteten af ​​GPS-signaler, og at disse signaler derfor også er velegnede til at detektere storme. Det kunne en dag endda være muligt at bruge dem til tidlig detektion og prognose af tordenvejr.

Signal-til-støj-forholdet faldt

Forskerne drog deres konklusioner fra analysen af ​​data fra stormen den 13. juli og en anden storm i sommeren 2021. Det blev tydeligt, at de ekstreme vejrbegivenheder havde en indvirkning på signal-støj-forholdet, hvilket indikerer, hvordan stærke satellitsignaler, der når os på Jorden. Jo højere forholdet er, jo bedre er kvaliteten af ​​signalet.

"Signalstyrken, som vi måler med vores antenne på taget, ændrer sig normalt kun minimalt," siger Aichinger-Rosenberger. Det var dog ikke tilfældet på de to stormdage:"Signal-støj-forholdet i GPS-dataene faldt betydeligt på stormtidspunktet. Vi så, at når stormen var gået videre, var den tilbage i sin normale tilstand. rækkevidde."

For at bestemme det præcise tidspunkt for stormens ankomst og for at kontrollere, om dette stemte overens med tidspunktet, hvor signal-til-støj-forholdet faldt, sammenlignede forskerne deres data med radardata fra universitetet i Bern.

"Dette bekræftede vores mistanke om, at der var en direkte forbindelse," sagde Aichinger-Rosenberger.

Var det kraftig regn eller hagl?

Forskerne er sikre på, at kraftig nedbør er skyld i det pludselige fald i signal-til-støj-forholdet. Hvad der ikke er klart er, hvilken type nedbør – regn eller hagl – der har en større indflydelse og hvorfor. Det er noget, forskerne ønsker at lære i fremtiden.

Så enkelt som resultatet af undersøgelsen kan lyde, er det et gennembrud for forskning i rumgeodæsi.

"Det er endnu aldrig blevet bevist, at alvorlige tordenvejr og andre vejrbegivenheder med kraftig nedbør påvirker signal-til-støj-forholdet væsentligt," siger Aichinger-Rosenberger. Det har indtil nu været antaget, at GPS er et vejruafhængigt system. Nu ser det ud til, at GPS-data er følsomme nok til at fange sådanne atmosfæriske forstyrrelser.

Forudsige nedbør mere pålideligt

Disse resultater kunne åbne nye perspektiver for brugen af ​​satellitnavigationsdata i meteorologi.

"Vi ønsker nu at indsamle flere målinger for at forbedre prognosen for nedbør i vejrmodeller," siger Soja. Pålidelig nedbørsprognose er stadig en stor udfordring. "Mange andre meteorologiske parametre såsom temperaturen kan nu forudbestemmes ganske godt med numeriske vejrmodeller. Desværre er sådanne modeller dog ofte ikke gode nok i tilfælde af nedbør."

For en dag at gøre brug af ETH-forskernes resultater til prognoser, skal de bringes i relation til en vejrmodel.

"For at overføre vores observationer til specifikke parametre som vand- og isindholdet i luften eller stormens bevægelsesretning, er vi nødt til at indsamle og analysere yderligere data. Disse fund kan så indarbejdes i en computerbaseret vejrmodel i for at forbedre prognosen for nedbør," siger Aichinger-Rosenberger.

Der er brug for flere modtagere til tidlig detektion

Storme skal stadig passere direkte over målestationen for GPS-signaler for at blive opdaget. Da netværket af målestationer ikke er tilstrækkeligt sammentømret, er metoden endnu ikke egnet til tidlig detektering af storme.

"Hvis vi for eksempel havde tredive til fyrre stationære modtagere rundt omkring i Zürich, ville vi være i stand til at fange ekstreme vejrbegivenheder over hele byen præcist og også meget omkostningseffektivt," forklarer Soja. "Et tæt netværk af stationer kan også bruges til at bestemme, hvor storme bevæger sig hen og hvor hurtigt."

Et sådant tidligt detektionssystem kunne i fremtiden f.eks. bruges til at sikre sikker flytrafik, siger Soja:"Et tæt netværk af GPS-stationer omkring lufthavnen ville gøre det muligt at lokalisere en storm i realtid og udsende advarsler til denne. effekt."

Ud over at forfine metoden planlægger forskerne også at udvide deres forskningsarbejde på tværs af Schweiz og på europæisk plan for at udvide deres netværk tilsvarende. Selvom den voldsomme storm i juli 2021 forårsagede en masse lokal skade, gjorde den det også muligt at opnå viden, som en dag kunne anvendes globalt.

Geodæsi i rummet

Rumgeodæsi er et område inden for geodæsi, der omhandler måling og kortlægning af store områder, især af jorden, ved hjælp af rumteknologi. Hovedmålet med rumgeodæsi er at få præcis information om jordens form, størrelse og bevægelse.

GPS er en afgørende komponent i rumgeodæsien. GPS-satellitter kan bruges til at bestemme brugerpositioner på jorden med et højt niveau af præcision. Dette bruges i mange applikationer såsom navigation, landmåling og geografiske informationssystemer.

Flere oplysninger: Matthias Aichinger‐Rosenberger et al., Detecting Signatures of Convective Storm Events in GNSS‐SNR:Two Case Studies From Summer 2021 in Switzerland, Geophysical Research Letters (2023). DOI:10.1029/2023GL104916

Leveret af ETH Zürich