美国宇航局的风暴追踪飞机穿越暴风雪以改善降雪预报

美国宇航局的风暴追踪飞机穿越暴风雪以改善降雪预报

上周末,一场大暴风雪席卷了美国东海岸。在一些地方,冬季风速超过每小时 70 英里,而暴风雪则在积雪​​上堆积了超过 12 英寸厚的冰。尽管强风和低能见度导致整个东北部机场有 5,000 多个航班停飞,但两架装载着传感器和科学设备的小型飞机仍在空中飞行,追赶席卷大西洋海岸的暴风雪。

机上的飞行员、技术人员和研究人员必须同时操作飞机和仪器,同时仔细听取地面团队成员的指示。“想象一下,你得到了这些信息,而你却在暴风雪中乘坐飞机,飞机在颠簸中,”北卡罗来纳州立大学的天气和气候专家桑德拉·尤特 (Sandra Yuter) 说,她是负责从地面监督飞行的首席任务科学家。“这非常紧张;你回来时已经筋疲力尽了。”

此次飞行是第二轮空中风暴追逐实验的一部分,该实验于 2020 年开始,旨在为 NASA 的大西洋沿岸威胁性暴风雪微物理和降水调查(IMPACTS)而进行。两架研究飞机在云层之上飞行,具有独特的优势,可以直接收集暴风雪发展过程中的数据,从而为了解这种现象的形成和发展提供了新的视角。

在弗吉尼亚州瓦洛普斯,IMPACTS 团队成员在 P-3 飞机上接受了飞行安全简报,P-3 飞机是此次任务使用的两架飞机之一。NASA/IMPACTS ESPO

通过了解这些冬季风暴的性质,这个大气科学家团队可以帮助改进对潜在危险降雪水平的预测。“我们对风暴的一般结构了解很多,但我们不知道为什么每场风暴的降雪强度会如此分布,”华盛顿大学副教授兼 IMPACTS 首席研究员 Lynn McMurdie 说道。该项目主要关注美国东北部中纬度地区的冬季天气事件。中纬度风暴全年都会发生,但夏季强度较小,而且通常会带来降雨,因为低层大气中的较高温度会使降雪融化,McMurdie 解释说。

将降雪与难以捉摸的冬季天气现象联系起来

东北部的暴风雪通常会使旅行变得危险,造成白茫茫一片,并造成紧急暴风雪天气。但天气预报以预测误差大而闻名,包括对上周末暴风雪的预测。“它们到处都是,”麦克默迪说,他也参与了这次任务的地面控制。“我们知道它会来。我们只是不知道,好吧,它会摧毁纽约吗?它会向内陆多远?它会一直停留在离岸吗?”

尤特说,受灾最严重的时间和地区通常很难预测,尤其是当预测时间太长时。“通常当你得到暴风雪预报时,它会说大约 3 到 8 英寸,预计雪会在下午某个时候开始,持续到晚上。这是一个巨大的范围,”她说。

缩小模型中这种可变性的方法之一是解析一种研究不足的天气现象——雪带的形成。这些狭长的带状物会在其后倾泻大量雪和降水。“我们一直都知道,暴风雨中的降水分布并不均匀,无论是雨还是雪,”麦克默迪说。“在整个暴风雨期间,并不是每个地方的降水量都相同。但暴风雨中可能出现变化的原因之一就是这些狭窄的带状物”

美国宇航局 Terra 卫星上的中分辨率成像光谱仪 (MODIS) 于 2022 年 1 月 4 日拍摄了这张雪带图像。弗吉尼亚州南部和马里兰州南部部分地区的积雪量最高,各县的积雪量超过 14 英寸。美国宇航局地球观测站

一般来说,雪带有两种常见类型:主雪带通常很长,长度可以覆盖多个州;多雪带则以一系列较小的行出现,大小与几个县相当。Yuter 解释说,雪带的类型及其活跃程度可能会影响为什么一个城市会积雪数英尺,而附近的城镇只有几英寸。但这两种雪带都能产生大量降水。

这就是为什么该团队正在研究云中粒子的性质(如大小、含水量和数量)是否会导致降雪量更大的雪带。“每个人都喜欢认为雪总是这些美丽的星形树枝状物,但实际上它非常混乱,”麦克默迪说。“可能发生的情况之一是暴风雨有很多向上的运动,而且非常剧烈。随着空气上升,它会冷却并凝结,然后在云中形成微小的水滴。”

她说,这些小水滴会粘在云层中的其他冰粒上形成雪,天气预报中雷达反射率会捕捉到雪。但强度更高的雷达颜色并不一定表示该地区的降雪量更大。“有很多因素会影响这一结果,”麦克默迪解释道。“[明亮的雷达读数]可能只是意味着雪粒更大。”

IMPACTS 团队于 2022 年 1 月 17 日在纽约州上空飞行时拍摄的雪粒。树枝状的颗粒显示了结霜过程,其中水滴(表面上的小点)粘附并冻结在云中现有的雪晶上。图片来源:Lynn McMurdie/NASA/IMPACTS ESPO

尤特说,一旦雪在云层和大气带中形成,可能还需要一两个小时才能到达地面。当雪落到天空的不同环境中时,颗粒会发生变化,从而为暴风雪的状况提供更多线索。

“每场暴风雨都不一样,”麦克默迪说。“有些暴风雨并没有那么多带状结构——但雪还是下得不错。这个周末的暴风雨到处都是带状结构,简直疯狂。我们不知道这里发生了什么?我们不知道该怎么办。”

2020 年 2 月 1 日,P-3 猎户座研究飞机在执行任务后着陆。这架飞机搭载了大部分科研人员。NASA/IMPACTS ESPO

在白茫茫的天空中寻找线索

雪带图案早已在气象雷达和传感器上出现,但专家们一直无法确定它们形成的原因和方式。为了更好地了解它们的动态,IMPACTS 团队使用了两架 NASA 飞机:P-3 猎户座飞机和高空 ER-2 飞机。P-3 是一架四引擎涡轮螺旋桨飞机,飞行高度可达 26,000 英尺,可穿过云层收集雪粒样本以及温度、湿度和其他大气测量数据。

而 ER-2 则在风暴上方约 65,000 英尺处飞行,并使用与气象卫星类似的遥感设备。由于飞机可以比轨道卫星更接近风暴,因此能够以更高的空间分辨率捕获数据。与此同时,地面团队使用测量云层特性的雷达跟踪风暴的路径。

美国宇航局的 ER-2 是一架配备有一套科学仪器的高空喷气式飞机,它起飞了。这架飞机由一名飞行员操作。美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心

准备工作提前几天就开始了,这样飞机就可以被转移到足够安全的机场,以便在暴风雪来袭的那天起飞。由于 1 月 29 日的东北风暴,该团队决定将 P-3 从弗吉尼亚州瓦洛普斯的基地转移到俄亥俄州代顿附近的一个机场。整个飞行过程持续了大约 8 个小时,其中大约 6 个小时是在暴风雪中度过的。Yuter 说,通常暴风雪会让飞行变得平稳——但飞机在上周六飞越缅因湾时却遭遇了意外的湍流。

“通常在观察时,你会有一些初步的想法,但大自然会给你带来惊喜,”Yuter 指出。“这次我们确实惊讶于这场看似正在减弱的风暴竟然如此猛烈。”

尤特说,此次颠簸飞行背后的原因仍是个谜,但 IMPACTS 团队在分析读数和样本后可能会得到答案。该团队一直在跟踪美国目前正在酝酿的冬季大风暴,计划于 2 月 3 日飞往中西部,2 月 4 日飞往东北部。他们计划在 2 月份继续飞行,探索雪带和降雪之间的潜在联系。麦克默迪说,有了更先进的技术,该任务有机会提供一组新的数据集,可以显示雪带如何影响预报。

“我们无法阻止[暴风雪]的发生,但如果我们能够以更少的不确定性预测它们,”她补充道。“那么人们就可以为适当的情况做好准备。

“希望我们将来能够做出更好的预测。”

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