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暴风之眼

Hurrican

面对大自然的破坏力,我们似乎无能为力。诸如飓风、台风和冬季风暴的恶劣天气系统经常袭击人员密集的地方,所造成影响可能是灾难性的。一直以来,准确预测风暴的到来和可能性是很困难的。虽然你们当中很多人已经听过美国国家海洋和大气管理局(NOAA),这是一个负责预测天气和监测风暴的机构,但是你们可能对美国国家大气研究中心(NCAR)内一支由科学家和工程师组成的团队知之甚少,他们自上世纪70年代起,通过开发和部署小型但强大、名为Dropsonde的传感器,一直在为NOAA预测这些自然天气现象的强度和位置提供支持。
 
地球观察实验室(EOL)
NCAR的地球观察实验室(EOL),位于科罗拉多州景色优美的博尔德,四十多年来一直是航空研究和仪表装置的领导者。  EOL的研究员和工程师组成的团队代表美国科学基金会为大气研究和观察数据采集提供支持。EOL的航空项目不仅提供航空器,而且也提供一系列原位和遥感仪器装置,这为全球气象研究界采集宝贵数据提供了巨大便利。这些仪器之一是GPS Dropsonde,是飓风和台风研究中最重要的工具之一。

定期从载人和无人航空器中投放GPS下投式探空仪。美国空军飓风猎人C‑130机队在暴风眼附近或直接进入暴风眼部署下投式探空仪;美国国家航空航天局(NASA)以及国家海洋和大气管理局(NOAA)全球鹰在热带风暴上方60,000英尺(18,300米)处悬停时,会下落探空仪。在下落过程中,GPS下投式探空仪搜集无法通过其它方式获得的大气信息和详细的高分辨率数据。

三个下投式探空仪的同时使用 可形成飓风的三维演变剖面模型。一旦采集 这些重要的观察数据,不仅可提高美国的飓风预测,而且可帮助科学家分析其它同样棘手的大气现象,例如大气河流、冬季风暴系统和西太平洋的台风。将探空仪数据纳入天气预测模型后,飓风预测轨迹提高了20%。更不用说这些探空仪对社会的巨大影响了:提供的早期预警最大化减少了人员伤亡,并且节省了数百万美元的损失。
 
但是,GPS下投式探空仪究竟是什么样的?
GPS下投式探空仪是更大型空降垂直大气剖面系统(AVAPS)的关键组成部分,或简称为Dropsonde系统。高度精密的GPS下投式探空仪是一个长约30.5厘米的圆柱管,重量仅为165克,配有小型电子设备、电池和一组核心的大气传感器,传感器可测风速和风向、湿度、温度、压力和垂直速度。

当从飞行器上投放时,下投式探空仪电子圆柱连接到快速打开的降落伞上。探空仪在投放前启动,并需要所有传感器包括GPS接收器快速启动。 当投放至飓风眼时,探空仪从高处下落到地球的陆地或海洋表面,每半秒测量一次飓风参数并提供详细准确的大气剖面。

所获取数据通过实时无线电遥测传输到飞机上的数据系统,数据系统显示数据并进行存档。一旦下投式探空仪达到地面,下降过程中所采集的数据通过卫星发送至一个或多个大气研究中心、美国国家飓风中心世界气象组织

GPS dropsonde

没有GPS技术,一切皆无可能。
自1997年首次问世以来,在下投式探空仪所用的技术中,GPS卫星定位一直是提高飓风成功预测的核心部分。将下投式探空仪用于确定飓风的结构和强度。特别是GPS接收器可帮助测量特定高度的风。核心在于接收器测量的水平速度、垂直速度和高度,而实际经度和维度不相关。即使在冷启动的情况下,GPS接收器也必须能进行快速卫星采集。当探空仪下降时,GPS接收器追踪探空仪的位置和速度,其中运动变化与大气风相对应。

4Hz导航率允许对靠近海洋表面(3米)的湍流风进行精确测量。传感器数据、GPS接收器3D位置和3D速度为美国国家飓风中心实时提供关键数据,这对于研究飓风眼墙区域的风结构十分重要。提供给预测计算机模型的该信息,加上分析团队的知识, 可更好地预测飓风的强度和轨迹。

Hurricane Katrina

图片:由NOAA的Sim Aberson和James Franklin提供

展望未来
所需的下投式探空仪数量取决于飞行器任务,其中一些在每次飞行时需要多达90个探空仪。在过去十年中,大约推出了30,000个下投式探空仪,并且这一趋势将延续到未来。

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