猴塞雷

科学观察员
科学赐予人类相信真理的力量

美国宇航局2020年雪灾调查结束

美国宇航局2020年雪灾调查结束

随着北半球春季和夏季气温回升,冬季的积雪正在融化,宝贵的淡水被释放到地球的小溪、河流和海洋中。这一年度变化为全世界10多亿人提供了用于饮用、农业和水力发电的液态水。在未来,NASA计划利用卫星任务来测量世界冬季积雪的含水量,要做到这一点,他们需要知道什么样的仪器和技术组合可以有效地从太空测量这些信息。

一起测量雪水

雪水当量,或SWE(读作“swee”),是雪融化后体积中有多少液态水,是由深度和密度推导出来的。

“深度是简单的测量,但深度往往差别很大从一个地方到另一个地方,需要大量的测量在不同的地方获得良好的估计,”Chris Hiemstra说,研究人员在费尔班克斯,阿拉斯加,美国陆军工程兵团的寒冷地区研究和工程实验室(CRREL)。

“密度更具挑战性,因为它会随着雪龄和当地条件的变化而变化。例如,新鲜的寒冷的降雪是轻和通风的,只有5-10%的水在薄片中,你可以轻轻呼吸移动。在地面更温暖的积雪条件下,云载的雪花融合并转变为更大的、密度更高的结合在一起的圆形颗粒。有了风,雪被吹起,破碎,堆积成堆,但即使这样,也只有40-50%的水。深度和密度的变化使得SWE难以绘制。”

在冰点(32度)附近的湿雪通常有8-10英寸的雪密度,相当于1英寸的雪。换句话说,需要8-10英寸的湿雪在低温下才能得到1英寸的融化水。相比之下,在零下4度左右的低温下,雪的密度要小得多:在这种条件下,要从雪中获得1英寸的融水,你可能需要20英寸的融水。

目前的卫星任务很容易测量有多少土地被雪覆盖。但是,目前在轨道上的任何一颗卫星都没有一个或多个用来测量SWE和/或用于计算SWE的雪的特性的仪器。

在SnowEx 2020的密集运行期间,来自世界各地的科学家们前往科罗拉多州的大梅萨(Grand Mesa)进行了为期三周的艰苦数据收集工作。它是世界上最大的平顶山,海拔11000英尺,冬天很长,积雪很深。它的高平坦的表面和各种各样的土地覆盖——从开阔的草地到茂密的森林——使它成为在不同条件下测试仪器的理想场所。

通过咬冷,耀眼的阳光,大雪和强风,地面团队挖,取样,加150多雪坑:汽车大小的洞在雪地里扩展到地上,允许他们进行测量的坑壁,看看雪特征从上到下。其他队员在三个星期的时间里,在一个足球场大小的场地上滑雪或穿雪鞋时,用探针测量了近38000个雪的深度。

美国国家航空航天局的SnowEx运动是一个多年的努力,使用各种技术来研究雪的特征,该团队在2020年3月完成了他们的第二次野外运动。SnowEx正在学习有关雪属性如何随地形和时间变化的有价值的信息,他们还在研究NASA从太空采集雪样本所需的工具、数据集和技术。

今年冬天的SnowEx运动为评估多种积雪遥感技术收集了有价值的数据。如果没有所有参与者和合作伙伴的辛勤工作和支持,这一切都是不可能的。”SnowEx 2020项目副科学家、美国国家航空航天局陆地水文积雪计划首席科学家、马里兰州格林贝尔特美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心物理科学家Carrie Vuyovich说。

“我们可以看到,甚至听到,雪的特征是如何从上到下变化的,”Hiemstra说。“山顶上的新雪松软而安静。在它下面,风把它吹成密集的层,在铲子上刮来刮去。底部的雪是松散的,有尖锐的边缘。当你往下挖的时候,冰点会在碰到铁锹的时候噼啪作响。”

工作人员还测量了雪的含水量、温度、反射率和颗粒大小。研究人员使用手持仪器来测量雪坑周围的硬度、微观结构和深度。爱达荷州博伊西州立大学的副教授、CRREL和SnowEx 2020项目科学家的研究员HP Marshall说:“这些点观测的一个挑战是与空中和太空观测的比较,后者的足迹可达数万米至数千米。”

为了了解这些更大的遥感足迹内的雪属性的变化,研究小组驾驶雪地车以精确的螺旋线收集积雪层、深度和含水量的主动和被动雷达测量数据,并进行更连续的采样。

“当你看到整个台地的数据时,你会惊讶于我们所覆盖的面积。在积雪深度数据中有一些有趣的空间模式,这些深度的雪正好在森林地区的边缘形成,”Vuyovich说。“树木之间的积雪厚度较浅,而且在户外比较平均。这种雪深不均一性主要是由于风的重新分布,这确实说明了为什么我们需要如此多的观测来验证遥感观测和测试我们的模型。”

而地面团队工作在雪中,机载团队飞精密飞行线路架空携带仪器组合,使得类似的测量:雷达和激光雷达(光探测和测距)积雪深度、雷达和微波辐射计瑞典文,光学相机拍摄表面红外辐射计测量表面温度和高光谱成像仪记录积雪和组成。七个仪器中的一个是由NASA戈达德研发和制造的:雪水等效合成孔径雷达和辐射计(SWESARR)。另一种无人驾驶飞行器合成孔径雷达(简称UAVSAR)来自NASA的喷气推进实验室。

这些团队还利用了几个NASA卫星的立交桥,包括ICESat-2和NASA/欧洲航天局哨兵任务,来收集更多的数据进行比较。回到地面上,Vuyovich和她的团队运行了一系列的计算机模型,与后来收集的数据进行比较,看看它们如何比较,以及如何结合起来,以供未来的分析。

马歇尔说:“在大梅萨的那段时期过得很好。“整个44人的现场工作人员都非常努力,尤其是许多年轻的学生,他们真的进步了。我对我们这一代积极进取的雪科学家感到兴奋——他们会做出伟大的事情。”

在多云的天空下,一架DHC-6双水獭停在跑道上

马歇尔说,在各种条件和地点协调新的和成熟的仪器是一项挑战。

他说:“对于季节性的降雪空降运动来说,2020年的SnowEx是独一无二的,因为我们在同一地点成功地使用了如此多的仪器,并与广泛的野外观测相协调。”“把这些数据集放在一起使用将会非常令人兴奋。要更好地理解如何开发一种结合多颗卫星数据、现场数据和模型的全球SWE产品,还有很长的路要走。”

随着积雪在春季融化并变得更加湿润,测量就变得更具挑战性。从2019年12月到2020年3月,较小的当地团队每周对美国西部5个州13个跨越不同雪域气候的地点进行地面测量和两月一次的空中调查。

Vuyovich和Marshall说,尽管由于冠状病毒大流行,这一行动很早就结束了,但该小组广泛的取样地点为他们提供了足够的数据进行验证和分析。在每次飞越过程中,每个地点的团队都会测量数据,并将数据输入为SnowEx设计的国家冰雪数据中心(National Snow and Ice data Center)系统,两位科学家都通过视频会议定期进行登记通话。

Vuyovich说:“远程管理如此大规模的活动肯定存在挑战,但这是一个很好的学习经验。”“这种活动是有价值的,所以了解什么可行,什么不可行,有助于我们谈论未来的几年,以及我们可能如何以不同的方式组织事情。”

马歇尔说,研究小组的下一步是处理并自由分发他们在大梅萨和时间序列期间收集的数百万个数据点,他们预计将在今年晚些时候开始发现结果。“这个大的数据集将被用来帮助设计一个未来的太空方法来绘制全球SWE,使用地面观测、模型和卫星测量的组合。2020年的SnowEx数据将提供信息,让我们探索成本、复杂性和准确性之间的权衡。”

猴塞雷 版权所有,未经允许不得转载:猴塞雷 » 美国宇航局2020年雪灾调查结束
分享到: 更多 (0)

猜你也想读下面的文章: