科学家部署激光器、GPS技术来改善降雪测量

通过配备专门的激光和GPS技术,国家大气研究中心(NCAR)的科学家们正在与同事一道解决一个关键的冬季天气奥秘:如何准确地测量地面上的降雪量。

运输船员,水资源管理者和其他那些重大安全决策者需要对于积雪深度如何在大范围内分布的精确测量。 但是当积雪量在单一区域或街道变化时,传统的测量设备,如雪压表或尺度杆往往不能够捕获 降雪总量。

[caption id="attachment_1136" align="alignleft" width="375" caption="Ethan Gutmann examines a laser instrument for measuring snow. "]Ethan Gutmann examines a laser instrument for measuring snow. [/caption] 现在,科学家们发现,使用光脉冲、卫星信号和其他技术的原型装置提供了几乎实时测量大面积降雪量的可能性。 随着时间的推移,这种装置甚至可能提供全球积雪深度的图像。

“我们已经准确测量降雨几个世纪了,但降雪量更难测量,因为它受风吹日晒和其他因素的影响”,NCAR的科学家伊桑•葛特曼(Ethan Gutmann),“看起来新技术将最终使我们能够精确地说出多少雪降在地面上。”

NCAR正与几个合作组织,包括美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和科罗拉多大学博尔德大学(University of Colorado Boulder)进行这项研究。 这项工作得到NCAR的赞助商--国家科学基金会的支持。

不确定的深度

在大风暴期间应急管理人员依靠降雪观测来调集雪犁,或决定是否关闭高速和机场。 他们还使用雪总量来决定一个地区是否达到灾难援助的资格。 在山区,官员需要准确的积雪深度报告来评估雪崩或洪水的威胁,并预估从春季和夏季径流可用的水总量。

更精确的测量,还可以帮助气象学家和水文学家更好地了解雪物理和水文过程。

但传统的测雪方法可能极大低估或高估雪总量​​,特别是在恶劣的条件下。 在大风暴中雪仪表可能会缺测几乎三分之一的雪,即使当他们被专门设计的围栏保护起来以减少风的影响。 雪探头或雪尺可以在有限的区域内揭示积雪深度。 但是,这些工具需要不同地点的很多人工测量,这种方法在大雪期间可能无法得到雪总量。

[caption id="attachment_1137" align="alignleft" width="450" caption="Snow dunes. The three-dimensional features of a snow field above treeline is revealed by laser measurements. The laser, installed by NCAR at a test site in the Rocky Mountains, measures snow at more than 1,000 points across an area almost the size of a football field. "]Snow dunes[/caption] 气象专家有时也会监测收集在平坦、白色的被称为雪板的木板上的降雪量,但是这是一个时间密集型的方法,需要人每隔几个小时来检查雪板并清除他们。 两个全国最大的志愿者努力--全国天气服务合作观察员计划和社会协作雨、冰雹和雪网(CoCoRaHS)--每一个涉及全国数千名使用雪板的参与者,但他们的报告通常是仅仅一天提出一次。

最近,超声波装置已部署在一些世界上最寒冷的地区。 就像雷达,这些设备测量携带能量的超声波脉冲抵达雪面并返回到发射器所需的时间长度。 然而,信号可能受不断变化的大气条件(包括温度、湿度和风)的影响。

测试新方法

NCAR正在发展的专门的激光仪器可以纠正这些问题。 一旦设置在一个位置,它们就可以自动测量大面积的积雪深度。不同于超声仪器,激光依靠不受大气条件影响的光脉冲。

[caption id="attachment_1138" align="alignleft" width="350" caption="Ethan Gutmann walks past a snow gauge at a research site in Colorado."]snow gauge[/caption] 古特曼新的测试表明,安装在博尔德以西的落基山脉高于树线以上的激光仪器,可以测量10英尺以上的积雪,和测量半英寸的精度相当或更好。 这种仪器,在一个多小时里,在几乎是一个足球场大小的区域内测量超过1000个点的积雪,产生一个积雪深度及其变化的三维图像。

古特曼的下一步--如果他能获得急需的资金--将是建立和测试可以测量几平方英里的雪的激光仪器。 测量如此大的区域需要一个能够以每秒获取超过12,000个测量的新工具。

“如果我们成功了,一下子这些类型的工具将能够显示横跨整个流域的降雪的图像”他说。

然而,激光器的一个限制是光脉冲不能穿透物体,如树木和建筑物。这可能需要低成本的激光装置网络的发展,它们将记录每一个封闭区域内的积雪深度。另外,未来配备了这种激光器的卫星可能拥有从上面观测整个世界降雪的能力。

古特曼和Kristine拉尔森--在美国科罗拉多州大学的同事--也正在探索如何使用GPS传感器来进行降雪测量。 GPS传感器记录了两个卫星的信号,直接达到雪表面和地面反射的信号。 当地面上有雪,GPS信号用(相比地面是裸露的土壤)不同的频率反射雪,使科学家能够确定在地面之上是多高的雪面。

这些传感单元可能是一个经济有效的测量雪总量的方法,因为气象学家可以利用现有的地面GPS接收机的全球网络。 然而,研究人员正在充分了解雪的密度和其表面粗糙度如何改变GPS信号。

“我们希望建立一个高科技工具,使官员不断监测积雪深度,即使在强烈的风暴期间,”拉森说。 “虽然我们仍然需要做很多工作,该技术非常有前途。”

“我认为这项技术具有很大的可能让应急管理人员和其他决策者受益,就想我们的天气预报”,古特曼说。

原文链接:scientists-deploy-lasers-gps-technology-improve-snow-measurements

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