GPS-Sensor Web hilft Forecasters beim warnen vor Monsun Regenfällen

 

Nasa (Loura Hall) – Im amerikanischen Südwesten und im lewesten Mexikos kommt es oft zu mehr als der Hälfte des jährlichen Niederschlags in Form von sintflutartigen und unvorhersehbaren Regenfällen des nordamerikanischen Monsuns. Wie in den Monsunzeiten über den Tropen führt eine Sommerumkehr der Winde Ströme von Feuchtigkeit über die Ozeane oder in diesem Fall den Golf von Kalifornien und den Golf von Mexiko, und wirft sie kurzerhand auf das sonnenbeschienene Land.

Der Monsun ist vielleicht das am wenigsten verstandene und unberechenbarste Wettermuster in den Vereinigten Staaten. Er bringt Niederschläge hervor, die für die Landwirtschaft und das Ökosystem lebenswichtig sind, birgt aber auch ernsthafte Gefahren für Leib, Leben und Eigentum. Starkes Sturzfluten ist üblich. Straßen werden ausgewaschen. Meilen entfernt vom Wolkenbruch werden trockene Schluchten in Sekundenschnelle zu reißenden Wildbächen. Die Stürme werden oft von Fahrtwind, Hagel und Blitzeinschlägen begleitet.

Credits: D. Glen Offield, Scripps Institution of Oceanography

„Der Monsun ist ziemlich ekelhaftes Zeug, ziemlich hässlich“, sagt Ivory Small, Wissenschafts- und Operationsoffizier für den National Weather Service des San Diego Weather Forecast Office. Er erwähnt einen kürzlichen Tod während einer Sturzflut in Mt. Baldy, nordöstlich von Los Angeles. Das Büro von Small ist eines von zwei Wettervorhersagebüros der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), die vom Geodetic Station Sensor Web der nächsten Generation für Naturgefahrenforschung und -anwendungen profitieren, das vom NASA-Technologiebüro für Erdwissenschaft finanziert wird.

Das vierjährige Projekt, das ein Netzwerk von Sensoren entwickeln sollte, um vor potenziell gefährlichen Wetterereignissen und seismischen Ereignissen zu warnen, startete Mitte 2012, und ein Jahr später profitierten die Wettervorhersagen von San Diego und Los Angeles / Oxnard von genauerer Monsunprognose.

 

Das Projekt nutzt die Tatsache, dass wissenschaftliche GPS-Berechnungen Signalverzögerungen durch Feuchtigkeit berücksichtigen müssen. „Wenn wir nach der Position suchen, müssen wir automatisch nach der Verzögerung durch Wasserdampf suchen“, sagt Angelyn Moore, Forschungswissenschaftlerin der Geodynamik- und Weltraumgeodäsie-Gruppe am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA. Moore, der Co-Investigator des Projekts, führte die Idee ein, neben den seismologischen Plänen des Projekts auch ein meteorologisches Produkt zu integrieren, und nahm die nationalen Wetterdienst-Vorhersagebüros auf.

Weitere Partner sind die Scripps Institution of Oceanography, die seismologische Ereignisse wie Erschütterungen und Erdbeben verfolgt, und das NOAA-Erdsystemforschungslabor in Boulder, Colorado, das seit den frühen 2000er Jahren halbstündliche Wasserdampfschätzungen von einem landesweiten GPS-Netzwerk liefert an Prognostiker und für die Aufnahme in NOAAs Wettermodelle.

Im Rahmen des Projekts wurden dem NOAA-meteorologischen GPS-Netzwerk in Südkalifornien 37 GPS-Stationen hinzugefügt, die entweder mit meteorologischen Sensoren vor Ort oder in der Nähe ausgestattet sind.Mann, der nahe einer überschwemmten Landstraße steht.Monsunregen überflutet Ende Juli 2013 den Highway 78 südlich von Borrego Springs im San Diego County.Credits: Nationale Meeres- und Atmosphärenverwaltung Die GPS-Stationen berechnen Feuchtigkeit indirekt auf der Grundlage, wie lange es dauert, bis die zeitgestempelten Signale aus dem GPS-Satellitennetzwerk sie erreichen.

Die Signale werden auf zwei Frequenzen gesendet, die unterschiedlich mit der Troposphäre interagieren, in der sich Feuchtigkeit befindet, und der Ionosphäre, in der die Ionenaktivität auch Signale verzögern kann. Die geladene Ionosphäre ist dispersiv, was die Verzögerung für die beiden Frequenzen unterschiedlich macht, während in der neutralen, nicht dispersiven Troposphäre die Verzögerung für beide gleich ist. „Unter der Haube, wenn wir die Berechnung machen, können wir den Unterschied zwischen den zwei Quellen der Verzögerung unterscheiden“, sagt Moore. In Kombination mit Temperatur- und Druckdaten, die ebenfalls an jedem Standort gesammelt werden, werden die Ergebnisse zur Berechnung der so genannten integrierten Niederschlagswasser-Schätzungen (IPW) verwendet, die alle halbe Stunde gesendet werden, und Moore sagt, das Team arbeitet daran, das Intervall zu verringern zu fünf Minuten. 

Credits: D. Glen Offield, Scripps Institution of Oceanography

Technologietransfer „Die NASA wollte eine von der Agentur entwickelte Technologie, die für jemanden außerhalb der NASA nützlich ist“, sagt Moore über die Ursprünge des Projekts. Sie stellt fest, dass die NASA und insbesondere das Earth Science Technology Office schon lange daran gearbeitet haben, der Öffentlichkeit bei der Vorhersage und Reaktion auf Naturgefahren zu helfen. Das gesamte Projekt baut auf einem Netzwerk von GPS-Stationen auf, das in den 1990er Jahren für die Untersuchung seismischer Bewegungen installiert wurde und später auch einige meteorologische Daten gesammelt hat.

 

Die vom Scripps-Team entwickelten geodätischen Module berechnen die IPW-Schätzungen vor Ort und übertragen sie, anstatt die Rohdaten zur Auswertung an eine zentrale Einrichtung zu senden. „Jeder Standort berechnet seinen Standort und seinen Wasserdampf und überträgt diesen direkt“, sagt Moore. Das System gilt noch immer als Prototyp und Testumgebung für die Entwicklung und Demonstration der Technologie, die später wahrscheinlich stärker in die Werkzeuge der lokalen Prognostiker und das Advanced Weather Interactive Processing System von NOAA integriert wird.

Leistungen 

Am Nachmittag des 18. Juli 2013 deuteten Wetterballon-Sondierungen darauf hin, dass die Monsun-Feuchtigkeit aus dem Golf von Mexiko Yuma, Arizona, erreicht hatte, um starke Regenfälle zu verursachen, die jedoch nicht oder zumindest noch nicht in San Diego angekommen waren. Es war früh in der Monsunzeit, die in Südkalifornien von Juli bis Mitte September läuft. „In der Meteorologie versuchen wir herauszufinden, wie viel Regen wir aus der Atmosphäre bekommen können, indem wir uns ansehen, wie viel Feuchtigkeit in der Atmosphäre ist“, sagt Small. „Wenn wir sehen, dass IPW wirklich mit den GPS-Daten aufsteigt, dann können wir einige Entscheidungen darüber treffen, wie viel Regen wir bekommen und ob wir eine Sturzflutwache ausstellen sollten.“ 

Ob diese Feuchtigkeit aus dem Golf von Mexiko oder dem Golf von Kalifornien kommt, gibt es kaum Warnungen wegen der geringen meteorologischen Beobachtungen in Mexiko. Bevor das Earth System Research Laboratory begann, Daten aus dem meteorologischen GPS-Netzwerk zu integrieren, stützten sich Meteorologen in Südkalifornien auf Daten von vier Wetterballonstandorten in San Diego, Yuma, Phoenix und Las Vegas, die zweimal am Tag berichten. Nun gab es fünf GPS-Stationen entlang der mexikanischen Grenze zwischen Yuma und San Diego, die jede halbe Stunde Daten ausstrahlten. Am Morgen des 19. Juli zeigte die Ballon-Sondierung in San Diego, dass die Feuchtigkeit angekommen war, aber es war schwierig gewesen, ihre Bewegung und Ausdehnung zu beschreiben, weil noch keine Daten von Yuma verfügbar waren. Mithilfe des GPS-Datensatzes konnten die Meteorologen die Feuchtigkeitsverteilung jedoch in Echtzeit verfolgen.

Credits: D. Glen Offield, Scripps Institution of Oceanography

Der Wasserdampfgehalt stieg um El Centro, Kalifornien, zwischen San Diego und Yuma, auf ein höheres Niveau als in jeder dieser anderen Städte. Basierend auf den Informationen wurde schließlich eine Blitzflutwache für das Gebiet ausgestellt, gefolgt von mehreren Sturzfluten mit großen Steinen auf der Straße, darunter zwei, die etwa 30 Fahrer auf der Route 78 nordöstlich von San Diego und eine weitere, die verstreut war Trümmer über Sunrise Highway, östlich der Stadt. 

 

„Es hat definitiv zu ihrer Fähigkeit beigetragen, Situationsbewusstsein darüber zu haben, wie sich Dunst bewegt und Flashniederschläge vorherzusagen“, sagt Moore. Small sagt, dass die erhöhte Dichte von Sensorstandorten und die Häufigkeit von Berichten dem Büro mit seiner wichtigsten öffentlichen Sicherheitsfunktion geholfen haben, Blitzflutuhren und Warnungen während sich schnell ändernder und schwer vorhersehbarer Ereignisse wie Monsune auszugeben. „Wir können sie wissen lassen, welche Tage keine guten Tage sind, um in den Canyons und Bergen in unseren Wüsten zu wandern.“

Die Warnungen und Prognosen des Büros gehen an alle lokalen Fernseh- und Radiosender. „Es ist ein großer Erfolg bei den Prognostikern“, sagt Small über das neue System. Forecasters arbeiten nun mit den Projektwissenschaftlern zusammen, um die Interpretation von Daten zu verfeinern und Tools zu entwickeln, um diese zu verwenden, einschließlich der IPW-Tools, die für eine Überarbeitung des NOAA-Wetterverarbeitungssystems geplant sind. Mit den Beschleunigungssensoren im GPS-Netzwerk, die seismische Bewegungen erkennen, hoffen JPL und Scripps, eine Technologie zu demonstrieren, die im Falle eines Erdbebens Leben retten kann. Die Fähigkeit, die Ankunft und Intensität des Bebens, das einer primären Welle folgt, vorherzusagen, würde zwischen einer halben Minute und einer anderthalb halben liegen, abhängig von der Entfernung eines Bevölkerungszentrums vom Beben, um Aufzüge und Gaslinien zu schließen, Hochgeschwindigkeitszüge zu bringen zu einem Halt, beenden Sie alle chirurgischen Operationen, und sonst möglicherweise lebensrettende Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, sagt Moore. „Es gibt viele Dinge, die Sie tun können, wenn Sie 30-90 Sekunden haben.“

 
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