Wetenschap
Het detecteren van zware neerslaggebeurtenissen rechtstreeks met GPS-gegevens
Op 13 juli 2021, kort voor 02.00 uur, raasde een uitzonderlijk zware storm over Zürich, met huilende buien, constante bliksem en stortregens die mensen met een schok wakker maakten.
Benedikt Soja, hoogleraar ruimtegeodesie, heeft die nacht weinig geslapen. "Het was een van de zwaarste stormen die ik ooit heb gezien. Ik werd midden in de nacht wakker en zag de storm door het raam razen", herinnert hij zich.
De omvang van de storm was de volgende ochtend duidelijk:omgevallen bomen op straten en in parken, beschadigde daken en bovengrondse tramlijnen die in verschillende delen van Zürich werden neergehaald. Ook de grond in de omgeving van campus Hönggerberg was bezaaid met takken en zelfs hele bomen. "De storm moet vlak boven ETH zijn gepasseerd", zegt Soja.
GPS-gegevensstoringen
Een GPS-station op het dak van het Instituut voor Geodesie en Fotogrammetrie op de Hönggerberg-campus registreert 24 uur per dag de signalen van verschillende satellietsystemen. Toen Soja en zijn collega's van het Instituut de gegevens van de nacht van de storm nader onderzochten, konden ze hun ogen niet geloven.
"Er waren storingen in de verwerking van GPS-gegevens. We konden aanvankelijk niet begrijpen wat de oorzaak ervan was", zegt Matthias Aichinger-Rosenberger, een voormalig postdoc in de Soja-groep en nu docent aan de ETH Zürich. Toen andere stations ook storingen meldden in het meten van gegevens van GPS en andere satellietnavigatiesystemen voor die nacht, begonnen de onderzoekers de ruwe gegevens van de antenne op de Hönggerberg-campus te analyseren.
Dat hebben ze aangetoond in een onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Geophysical Research Letters , dat extreme weersomstandigheden de kwaliteit van GPS-signalen beïnvloeden en dat deze signalen dus ook geschikt zijn voor het detecteren van stormen. Het zou op een dag zelfs mogelijk kunnen zijn om ze te gebruiken voor het vroegtijdig detecteren en voorspellen van onweersbuien.
De signaal-ruisverhouding daalde
De wetenschappers trokken hun conclusies uit de analyse van de gegevens van de storm van 13 juli en van een nieuwe storm in de zomer van 2021. Het werd duidelijk dat de extreme weersomstandigheden impact hadden op de signaal-ruisverhouding, die aangeeft hoe sterk zijn de satellietsignalen die ons op aarde bereiken. Hoe hoger de verhouding, hoe beter de kwaliteit van het signaal.
“De signaalsterkte die we meten met onze antenne op het dak verandert normaal gesproken maar minimaal”, zegt Aichinger-Rosenberger. Op de twee stormdagen was dit echter niet het geval:“De signaal-ruisverhouding in de GPS-gegevens daalde aanzienlijk ten tijde van de storm. We zagen dat zodra de storm zich had voortgetrokken, deze weer normaal was. bereik."
Om het precieze tijdstip van aankomst van de storm te bepalen en te controleren of dit overeenkwam met het tijdstip waarop de signaal-ruisverhouding daalde, vergeleken de onderzoekers hun gegevens met radargegevens van de Universiteit van Bern.
"Dit bevestigde ons vermoeden dat er een direct verband was", aldus Aichinger-Rosenberger.
Was het zware regen of hagel?
De onderzoekers zijn er zeker van dat hevige neerslag verantwoordelijk is voor de plotselinge daling van de signaal-ruisverhouding. Wat niet duidelijk is, is welk type neerslag – regen of hagel – een grotere impact heeft en waarom. Dit is iets wat de wetenschappers in de toekomst willen leren.
Hoe eenvoudig het resultaat van het onderzoek ook mag klinken, het is een doorbraak voor onderzoek naar ruimtegeodesie.
"Het is nog nooit bewezen dat zware onweersbuien en andere weersomstandigheden met zware neerslag de signaal-ruisverhouding significant beïnvloeden", zegt Aichinger-Rosenberger. Tot nu toe werd aangenomen dat GPS een weersonafhankelijk systeem is. Nu blijkt dat GPS-gegevens gevoelig genoeg zijn om dergelijke atmosferische verstoringen vast te leggen.
Betrouwbaarder neerslag voorspellen
Deze bevindingen zouden nieuwe perspectieven kunnen openen voor het gebruik van satellietnavigatiegegevens in de meteorologie.
“We willen nu meer metingen verzamelen om de neerslagvoorspelling in weermodellen te verbeteren”, zegt Soja. Betrouwbare neerslagvoorspellingen blijven nog steeds een grote uitdaging. "Veel andere meteorologische parameters zoals de temperatuur kunnen inmiddels vrij goed worden bepaald met numerieke weermodellen. Helaas zijn dergelijke modellen echter vaak niet goed genoeg in het geval van neerslag."
Om op een dag gebruik te kunnen maken van de bevindingen van de ETH-onderzoekers voor voorspellingen, moeten ze in verband worden gebracht met een weermodel.
"Om onze waarnemingen over te brengen naar specifieke parameters zoals het water- en ijsgehalte in de lucht of de bewegingsrichting van de storm, moeten we verdere gegevens verzamelen en analyseren. Deze bevindingen kunnen vervolgens worden opgenomen in een computergebaseerd weermodel in om de neerslagvoorspelling te verbeteren", zegt Aichinger-Rosenberger.
Meer ontvangers nodig voor vroege detectie
Stormen moeten nog steeds rechtstreeks over het meetstation passeren om GPS-signalen te kunnen detecteren. Omdat het netwerk van meetstations nog niet voldoende fijnmazig is, is de methode nog niet geschikt voor het vroegtijdig detecteren van stormen.
"Als we bijvoorbeeld dertig tot veertig stationaire ontvangers rond Zürich zouden hebben, zouden we extreme weersomstandigheden in de hele stad nauwkeurig en bovendien zeer kosteneffectief kunnen vastleggen", legt Soja uit. "Een dicht netwerk van stations zou ook kunnen worden gebruikt om te bepalen waar stormen heen gaan en hoe snel."
Een dergelijk systeem voor vroegtijdige detectie zou in de toekomst bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om veilig vliegverkeer te garanderen, zegt Soja:“Een dicht netwerk van GPS-stations rond de luchthaven zou het mogelijk maken een storm in realtime te lokaliseren en hiervoor waarschuwingen te geven. gevolgen."
Naast het verfijnen van de methode zijn de wetenschappers ook van plan hun onderzoekswerk in heel Zwitserland en op Europees niveau uit te breiden, om hun netwerk dienovereenkomstig uit te breiden. Hoewel de zware storm van juli 2021 lokaal veel schade heeft aangericht, is er ook kennis opgedaan die op een dag mondiaal toegepast kan worden.
Ruimtegeodesie
Ruimtegeodesie is een gebied van geodesie dat zich richt op het meten en in kaart brengen van grote gebieden, met name van de aarde, met behulp van ruimtetechnologie. Het belangrijkste doel van ruimtegeodesie is het verkrijgen van nauwkeurige informatie over de vorm, grootte en beweging van de aarde.
GPS is een beslissend onderdeel van de ruimtegeodesie. GPS-satellieten kunnen worden gebruikt om gebruikersposities op aarde met een hoge mate van precisie te bepalen. Dit wordt gebruikt in veel toepassingen zoals navigatie-, landmeetkundige en geografische informatiesystemen.