Wrocławscy naukowcy z UPWr opracują nowe metody prognozowania gwałtownych zjawisk pogodowych. Pomogą badacze z Tajwanu

Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu powiązali siły z tajwańskimi ośrodkami naukowymi w celu stworzenia skuteczniejszych metod przewidywania ekstremalnych zjawisk meteorologicznych. W ramach międzynarodowego projektu SWIM-GNSS wykorzystają oni sygnały nawigacji satelitarnej oraz autorski model wrocławskiej uczelni do dokładniejszego monitorowania wilgotności w atmosferze. Przeprowadzone badania mogą w przyszłości przełożyć się na trafniejsze ostrzeganie mieszkańców przed nagłymi burzami i ulewami.

Nawigacja satelitarna w służbie meteorologii

Kluczowym elementem projektu jest dokładniejsza analiza zawartości pary wodnej w dolnych warstwach atmosfery – obszarze bezpośrednio wpływającym na powstawanie gwałtownych opadów czy burz. Naukowcy wykorzystają technologię GNSS, znaną na co dzień z systemów nawigacji, badając stopień zniekształcenia sygnału satelitarnego podczas jego przejścia przez warstwy powietrza.

Badacze połączą dwie metody pomiarowe: radiookultację GNSS, czyli obserwacje z satelitów niskoorbitujących, oraz naziemną sieć odbiorników. Kluczową rolę w procesie integracji danych odegra model tomografii troposferycznej TOMO2, rozwijany bezpośrednio w Instytucie Geodezji i Geoinformatyki Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Pozwoli on uzupełniać braki pomiarowe i eliminować błędy w profilach satelitarnych dzięki algorytmów uczenia maszynowego oraz modeli regresyjnych.

– Szczególnie interesuje nas wilgotność w dolnej troposferze, ponieważ to właśnie tam zachodzą procesy mające najważniejsze znaczenie dla rozwoju wielu intensywnych zjawisk pogodowych – wyjaśnia dr inż. Estera Trzcina z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki, kierowniczka projektu SWIM-GNSS

– Ogromną zaletą radiookultacji jest możliwość prowadzenia obserwacji praktycznie na całym świecie, także nad oceanami, gdzie liczba klasycznych stacji meteorologicznych jest ograniczona. Metoda ma jednak słabszy punkt – informacje pozyskiwane w najniższych partiach atmosfery mogą być obarczone błędami systematycznymi – tłumaczy naukowczyni, dodając, iż dlatego drugim źródłem danych będą naziemne obserwacje GNSS. Tutaj wykorzystywana jest sieć odbiorników rozmieszczonych na powierzchni Ziemi. Na podstawie opóźnień sygnałów docierających do poszczególnych stacji można dzięki tomografii troposferycznej odtworzyć trójwymiarowy rozkład wilgotności. – Można więc powiedzieć, iż jedna metoda będzie służyła do uzupełnienia i kontroli drugiej – podkreśla dr inż Trzcina.

Tajwan jako poligon doświadczalny dla wrocławskich rozwiązań

Partnerami wrocławskiej uczelni w projekcie są National Central University oraz National Taipei University. Rejon Tajwanu wybrano jako miejsce weryfikacji danych ze względu na specyficzne uwarunkowania klimatyczne – wyspa regularnie walczy z tajfunami i ulewami, dysponując jednocześnie siecią ponad 200 naziemnych stacji GNSS.

Wrocławski zespół, w skład którego obok dr inż. Estery Trzciny wchodzą prof. Witold Rohm oraz dr inż. Paweł Hordyniec, przetestuje opracowane algorytmy na danych historycznych zgromadzonych podczas międzynarodowej kampanii pomiarowej TAHOPE z 2022 roku. Gotowe profile zasilą numeryczny model pogodowy WRF, co pozwoli sprawdzić rzeczywistą poprawę sprawdzalności prognoz.

– Chcemy nie tylko opracować nową metodę obserwacji atmosfery. Ważne będzie również sprawdzenie jej na rzeczywistych przypadkach intensywnych zjawisk pogodowych i odpowiedź na pytanie, czy lepsza informacja o wilgotności przekłada się na lepszą prognozę – mówi naukowczyni.

– Dla takich badań naturalnym laboratorium jest Tajwan, bo region ten regularnie doświadcza intensywnych opadów, burz i tajfunów, a jednocześnie posiada niezwykle rozbudowaną strukturę obserwacyjną. Na wyspie działa gęsta sieć ponad 200 naziemnych stacji GNSS, dostępnych jest również wiele obserwacji radiookultacyjnych – tłumaczy dr inż. Trzcina

Globalny potencjał i dofinansowanie z NCBR

Projekt SWIM-GNSS uzyskał dofinansowanie od Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach XIII konkursu polsko-tajwańskiego. Przedstawiciele uczelni podkreślają, iż wypracowane mechanizmy łączenia pomiarów naziemnych i satelitarnych mają charakter uniwersalny.

– Nasze kompetencje bardzo dobrze się uzupełniają. My rozwijamy tomografię troposferyczną GNSS, a partnerzy z Tajwanu mają duże doświadczenie w wykorzystywaniu obserwacji radiookultacyjnych w modelowaniu i prognozowaniu pogody – mówi dr inż. Trzcina, dodając, iż jeżeli opracowane rozwiązanie okaże się skuteczne, znaczenie projektu może wykroczyć daleko poza Tajwan. Metodę łączenia obserwacji naziemnych i satelitarnych będzie można rozwijać również dla innych regionów świata i kolejnych systemów obserwacyjnych. Cel pozostaje jednak bardzo konkretny – uzyskanie możliwie dokładnego obrazu tego, co dzieje się w atmosferze, a dzięki temu wcześniejsze i trafniejsze przewidywanie zjawisk pogodowych, które mogą stanowić zagrożenie dla ludzi.

Powstanie sprawniejszych modeli numerycznych może w przyszłości zwiększyć bezpieczeństwo mieszkańców miast narażonych na gwałtowne opady i podtopienia, w tym również Wrocławia, poprzez wydłużenie czasu w podjęcie działań prewencyjnych przed nadejściem nawałnic.