GPS傳感器網(wǎng)絡(luò)助力洪水預(yù)警

在美國西南部和墨西哥西北部，雨季的降雨量占全年降雨量的一半以上，這些雨季降雨通常強(qiáng)度大且難以預(yù)測。在雨季到來的時(shí)候，來自加利福尼亞灣和墨西哥灣等海洋上的濕潤氣流經(jīng)常會給太陽炙烤的土地帶來暴雨的突襲。這種突發(fā)強(qiáng)降雨可能會沖毀道路，在短時(shí)間內(nèi)誘發(fā)泥石流等自然災(zāi)害，不僅會對農(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)造成重大影響，也嚴(yán)重威脅著人類的生命及財(cái)產(chǎn)安全。此外，暴雨天氣還經(jīng)常伴隨著強(qiáng)風(fēng)、冰雹、閃電等惡劣天氣。但是，雨季的突發(fā)強(qiáng)降雨可能是目前研究人員了解較少，并且沒有規(guī)律可循的天氣類型。為了對突發(fā)強(qiáng)降雨等潛在的災(zāi)害天氣，以及地震等地質(zhì)災(zāi)害事件進(jìn)行預(yù)警，美國國家航空航天局（NASA）地球科學(xué)技術(shù)辦公室資助實(shí)施了一項(xiàng)為期4年的項(xiàng)目，目的是開發(fā)一種可實(shí)時(shí)進(jìn)行測量的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

▲ GPS監(jiān)測站

該項(xiàng)目始于2012年中期，基于在全球定位系統(tǒng)（GPS）計(jì)算位置的過程中必須考慮由濕度引起的信號延遲這一事實(shí)，將位置測算過程中獲得的水蒸氣含量的數(shù)據(jù)應(yīng)用于對天氣的預(yù)測。2013年，美國國家氣象局圣地亞哥氣象預(yù)報(bào)辦公室和洛杉磯/奧克斯納德氣象預(yù)報(bào)辦公室開始從中受益，可更加精確地對雨季突發(fā)性強(qiáng)降水進(jìn)行預(yù)測。

N A S A噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、美國國家氣象局氣象預(yù)報(bào)辦公室、斯克里普斯海洋研究所，以及美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室合作開展了該項(xiàng)目的研究工作。其中，斯克里普斯海洋研究所長期致力于地震學(xué)研究；NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室位于科羅拉多州博得市，從21世紀(jì)初期開始向天氣預(yù)報(bào)研究員提供每半個小時(shí)的基于全國范圍內(nèi)的GPS網(wǎng)絡(luò)估算獲得的空氣濕度情況，并將這些數(shù)據(jù)集成到NOAA的天氣模型中。

在該項(xiàng)目的支持下，南加利福尼亞州的NOAA的氣象學(xué)GPS網(wǎng)絡(luò)增加至37個GPS監(jiān)測站，這些站點(diǎn)或其附近區(qū)域都配備了氣象傳感器。這些GPS監(jiān)測站可基于GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的時(shí)間戳信號傳輸?shù)竭_(dá)GPS監(jiān)測站的時(shí)間間接地計(jì)算空氣濕度。時(shí)間戳信號采用兩種載波頻率，與大氣對流層和電離層會產(chǎn)生不同的相互作用，其中，對流層中含有水分，電離層電離活動頻繁，這些因素都會導(dǎo)致信號的延遲。帶電的電離層具有色散作用，會導(dǎo)致兩種頻率產(chǎn)生不同的延遲，而在不帶電的對流層，不會發(fā)生色散作用，對于兩種頻率的延遲作用則是相同的。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時(shí)，研究人員可進(jìn)行計(jì)算，分辨出兩種頻率信號延遲的不同，然后進(jìn)一步計(jì)算出空氣濕度情況。將通過GPS信號延遲計(jì)算獲得的空氣濕度與觀測站點(diǎn)收集到的氣溫和氣壓數(shù)據(jù)相結(jié)合，即可進(jìn)行降水量的預(yù)測，稱為“大氣總水汽量”估算。通常，大氣總水汽量每半小時(shí)發(fā)布一次，目前，研究人員正在努力使其預(yù)報(bào)時(shí)間間隔縮短至5min。

安吉琳·穆爾（A n g e l y n Moore）是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室地球動力學(xué)和航天測量學(xué)研究組的科學(xué)家，她說：“NASA，特別是地球科學(xué)辦公室一直都在努力開發(fā)有助于預(yù)測和應(yīng)對自然災(zāi)害的技術(shù)。NASA希望開發(fā)一種既能為NASA服務(wù)，也能服務(wù)于其它用戶的技術(shù)，因此，NASA啟動了大氣總水汽量估算技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目?！?/p>

整個項(xiàng)目基于20世紀(jì)90年代安裝的用于開展地震運(yùn)動研究，以及某些氣象數(shù)據(jù)收集的GPS觀測站網(wǎng)絡(luò)而開展。斯克里普斯海洋研究所開發(fā)的測地模塊能夠現(xiàn)場計(jì)算大氣總水汽量并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶，而不是將原始數(shù)據(jù)傳輸回?cái)?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行集中處理。這樣，每個GPS監(jiān)測站點(diǎn)能夠獨(dú)立地計(jì)算其位置和水汽信息，并直接發(fā)送給用戶，能夠提供更為及時(shí)的預(yù)警信息。目前，該系統(tǒng)仍處于原型階段，處于對技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證的測試階段。未來，該系統(tǒng)進(jìn)一步完善后，可以更緊密地與當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)工具，以及美國國家海洋和大氣管理局的先進(jìn)氣象交互處理系統(tǒng)集成起來，為人們提供更新、更快、更準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)服務(wù)。

2013年7月18日下午，氣象探測氣球發(fā)出警報(bào)，攜帶來自墨西哥灣的大量濕氣的季風(fēng)已經(jīng)到達(dá)美國科羅拉多州尤馬和亞利桑那州，形成了暴雨。但是，此時(shí)，季風(fēng)尚未抵達(dá)圣地亞哥。美國南加利福尼亞州的雨季通常是從7月到9月中旬，此次預(yù)報(bào)正處于雨季的早期。

艾佛瑞·斯莫爾（Ivory Small）是圣地亞哥氣象預(yù)報(bào)辦公室國家氣象服務(wù)中心的科學(xué)與運(yùn)營主任。他說：“在氣象學(xué)中，我們試圖通過研究大氣中的水汽含量來確定降雨量。當(dāng)基于GPS數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的大氣總水汽量開始增加時(shí)，我們就可以對降雨量進(jìn)行估算，作出預(yù)報(bào)，并決定是否要發(fā)布洪災(zāi)預(yù)警?！?/p>

此前，無論這種水汽是來自墨西哥灣還是加利福尼亞灣，由于在墨西哥獲得的氣象觀測數(shù)據(jù)較少，因此，對于突發(fā)強(qiáng)降雨等惡劣天氣的預(yù)警也較少。在地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)入從GPS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得的氣象數(shù)據(jù)之前，南加利福尼亞州的氣象預(yù)報(bào)主要依賴于來自設(shè)立在圣地亞哥、尤馬、鳳凰城和拉斯維加斯等的4個氣象氣球獲得的數(shù)據(jù)，每天進(jìn)行兩次預(yù)報(bào)。不過現(xiàn)在，在尤馬和圣地亞哥之間的墨西哥邊境建立了5個GPS觀測站，每隔半個小時(shí)便更新一次數(shù)據(jù)。

7月19日上午，位于圣地亞哥的氣象氣球探測結(jié)果顯示，降雨云已經(jīng)到達(dá)，但是由于尚未獲得來自尤馬的數(shù)據(jù)，很難確定水汽的運(yùn)動軌跡和影響范圍。但是，利用GPS監(jiān)測系統(tǒng)獲得的氣象數(shù)據(jù)，氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤水汽分布情況。例如，數(shù)據(jù)顯示，圣迭戈和尤馬之間加利福尼亞州埃爾森特羅市周圍的水汽含量處于峰值，高于其它城市。根據(jù)這些信息，氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)發(fā)布了該區(qū)域的洪災(zāi)預(yù)警。隨后，該區(qū)域確實(shí)發(fā)生了多次洪災(zāi)，并且洪水還引發(fā)了泥石流，損壞了道路交通。其中，兩次洪水導(dǎo)致圣地亞哥東北部的78號公路上30多名司機(jī)被困，一次洪水使得圣地亞哥東部的“日出”高速公路受阻。

安吉琳·穆爾說：“對這些洪水的態(tài)勢感知能力歸功于能夠顯示水汽運(yùn)動情況的數(shù)據(jù)，以及對洪水的預(yù)測提供了充分的數(shù)據(jù)支撐?！卑鹑稹に鼓獱栒f：“傳感器網(wǎng)絡(luò)密度的增加，以及預(yù)報(bào)頻率的提高，顯著提高了氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)對洪水等自然災(zāi)害的預(yù)警能力，改善了其公共服務(wù)功能，使其能夠?qū)焖僮兓?、難以預(yù)測的氣象情況進(jìn)行預(yù)測，如雨季的強(qiáng)降雨等。人們可以根據(jù)天氣預(yù)報(bào)決定是否適合出行或者開展某些戶外活動?！?/p>

▲ 2013年7月圣地亞哥波瑞戈泉南部的78號公路因洪水遭到破壞

利用GPS獲得的數(shù)據(jù)，氣象預(yù)報(bào)辦公室能夠做出更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，而公眾可通過當(dāng)?shù)氐碾娨暸_和廣播電臺獲取這些預(yù)警信息。目前，氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)正在與大氣總水汽量估算技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的科學(xué)家合作，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)的處理技術(shù)，并研發(fā)應(yīng)用這些數(shù)據(jù)的工具，包括計(jì)劃用于修正美國國家海洋和大氣管理局的天氣處理系統(tǒng)的大氣總水汽量估算工具等。

除天氣預(yù)報(bào)外，利用GPS網(wǎng)絡(luò)中的加速計(jì)傳感器還能探測地震活動，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和斯克里普斯海洋研究所希望開發(fā)一種能夠在地震中挽救生命的技術(shù)。該技術(shù)能夠預(yù)測地震發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)度，利用地震波間隔時(shí)間（30s～90s，依人口密集區(qū)與地震中心的距離而定），采取緊急救援措施，如關(guān)閉電梯和天然氣、暫停動車、停止外科手術(shù)等。雖然時(shí)間很短，但或許也能挽救很多人的生命。

（唐甜）

GPS Sensor Web Helps Forecasters Warn of Monsoon Flash Floods