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海洋与天空相遇的地方:NASA进行新型雷达试验
时间:2017-11-27

  

美国喷气推进实验室(JPL)研制开发的DopplerScatt雷达将安放至King Air B200飞机底部。 

  图片提供:NASA / JPL-Caltech 

  洋流和风形成一个连续反馈圈:风吹过海洋表面,形成洋流;同时,这些由热水或冷水形成的洋流对风速产生影响。 

  这种微妙的相互作用对于了解全球气候变化至关重要。对洋流和风的互动进行数据收集也可以帮助人们进行石油泄漏跟踪、船舶航线规划以及对海洋与渔业生产力关系的认知。 

  诸如美国航空航天局(NASA)的QuickScat和RapidScat卫星仪器设备已经分别对洋流、或风速等要素进行测量。然而,由位于加州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室(JPL)开发的一项新的机载雷达仪器能够对两者同时进行测量。 

  称为DopplerScat的仪器是一个可以对海洋表面进行声脉冲(pings)的旋转雷达,能够进行多方向即时测量。这是对先前技术的一次增强,原先的技术最多从一个或两个方向同时测量洋流,无法象这一新工具那样对海面其他属性进行完全观测。 

  JPL该仪器开发负责人Ernesto Rodriguez指出,这些监测将使DopplerScat成为未来卫星任务的有益补充。 

  Rodriguez 表示,DopplerScatt提供了前所未有的风和洋流同步观测能力。通过对大幅宽观测结果连结,现在可以基于高分辨率获得海洋和大气相互作用快照,这种结果用之前的观测工具是做不到的。 

  在JPL进行DopplerScatt开发的经费来自JPL地球科学技术办公室。与高速公路测速枪一样,它可以对地物反射雷达信号进行多普勒效应测试。当目标物体靠近或远离时,它监测到这些变化,计算出速度和轨迹。 

  这些测量结果与散射仪的海洋表面反射雷达信号测量数据相结合。雷达观察到的“散射”越多,波浪粗糙度越大。通过粗糙度和波浪方向,可以计算风速和风向。 

  2016年完成2个场站测试之后,今年4月,在DopplerScatt团队与几个研究机构进行墨西哥湾北部海岸外科学研究时,找到了DopplerScatt的理想试验场。 

  称作SPLASH(Submesoscale Processes and Lagrangian Analysis on the Shelf)的研究计划,关注石油溢出和泄漏跟踪。由环境中碳氢化合物运移高级研究联盟(CARTHE)牵头,一个研究小组专注于这些泄漏对环境产生影响问题。 

  SPLASH的设计主要用来对墨西哥湾的石油漂浮物进行观测,被冲上沙滩,还是影响密西西比河口的水质。CARTHE团队研究依赖于“漂流器(drifters)”——附有GPS控制单元的环状漂浮物。 

  作为CARTHE团队成员之一的美国海军研究实验室,提供高分辨率计算机模型,预测洋流和漂流器的位置流向。 

  在加入JPL DopplerScatt团队后,Rodriguez和首席研究员Dragana Perkovic-Martin发现一个证明JPL技术价值的机会。漂流器和建模一起,可以提供DopplerScatt测量结果的独立验证方法,同时,提供他们自己独有的数据集。 

  漂流器存在一些限制因素,只能以几天时间尺度对稀疏区域进行有限的海洋数据收集。而固定在King Air B200飞机底部的DopplerScatt,只要通过一次航空飞行,可以同时对一大片区域的海洋和风力数据进行收集。它描绘出一个大型画面,同时对海军计算机模型进行验证。 

  Perkovic-Martin表示,基本上这是他们做的第一次大规模验证。CARTHE团队使用这些数据来决定放置其漂流器的位置。今后,他们将互相使用数据,来提高建模水平。 

  Rodriguez 指出,他们已能够对覆盖16英里(25公里)范围各个方向的风和洋流进行研究。如果你将这个尺度扩大到太空,替代每隔一周覆盖地球的能力,可以每天一次对地球进行覆盖。 

  这种精度超越了对石油泄漏的环境灾难进行实时跟踪的要求。它可能引导提高石油漂移位置和最危险沿海地区的预测水平。从根本上说,它可以提高对支配地球天气和气候重要机制的认知。它还可以使船舶航线受益,现有测量很大程度上依赖浮标。 

  Rodriguez 提出,高分辨率测量沿海地区洋流能力对于诸如阿拉斯加那样的地区至关重要,那些地区参差不齐的海岸带以外的洋流表现猛烈,并且变化迅速。 

  Perkovic-Martin提到,现在仪器已经得到验证,DopplerScatt将应用于NASA未来机载科学任务。

  QuickScat于1999年发射升空。尽管2009年部分仪器出现故障,它仍继续为国际散射仪卫星任务合作伙伴提供校准数据。2016年,RapidScat成功结束两年期国际空间站海洋风监测任务。 

  原文题目:Where Ocean Meets Sky: New NASA Radar Gets a Tryout

  资料来源:https://climate.nasa.gov/news/2593/where-ocean-meets-sky-new-nasa-radar-gets-a-tryout

  (王化编译,殷永元审核) 

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