【專欄】氣候變遷與降水研究

民報新聞

水是地球生命的基礎,隨著水以蒸氣、液體和冰的形式穿過地球的水迴圈(Water Cycle)。水會影響天氣、氣候、能源和生態系統的行為。降水是水迴圈的重要組成部分,由於雨雪在空間和時間上差異很大,因此很難測量。

美國宇航局(NASA)的降水測量任務(Precipitation Measurement Missions ,PMM)收集了近20年來的太空降雨和降雪,2019年,科學家首次作整個記錄資料集的公佈。

PMM 包括兩個任務: 熱帶降雨測量任務 (Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM),該任務於 1997 年至 2015 年環繞地球運行;其後續任務是全球降水測量聯合任務 (Global Precipitation Measurement,GPM),自 2014 年以來一直在收集資料。然而,今年,GPM專案升級了資料演算法,以校準TRMM資料並將其納入發佈,使研究人員、建模者和氣象學家,能夠獲取整個19年的記錄。

通過能夠比較和對比過去和現在的資料,研究人員可以更好地瞭解使氣候和天氣模型更加準確,更好地瞭解世界各地的正常和極端降雨和降雪,並加強當前和未來的災害、疾病、資源管理、能源生產和糧食安全。

從太空測量雨雪

由於可靠的儀器在陸地上,特別是在海洋上存在巨大差距,因此獲得可靠的地面測得空中雨雪,往往構成一項艱巨的挑戰。從空間的有利位置,衛星提供了更頻繁和更準確的觀測和測量全球性的雨雪。這使得對全球何時、何地和多少降雨或降雪的關鍵見解,提供重要資訊,以揭示水在地球系統中所扮演的複雜角色。

為了進一步瞭解地球水迴圈成分之間的關係,科學家不僅需要瞭解地表的降雨量,還需要瞭解上述大氣中的雨、雪和其他形式的降水分佈情況。這使他們能夠描述對了解地球表面和大氣之間能量(熱量)的聯繫和轉移,至關重要的降水過程。

美國宇航局的降水測量任務: TRMM和GPM, 提供有關雨雪特性的高級資訊,以及大氣內降水結構的詳細三維(3D)知識,説明科學家研究和理解地球的水迴圈,天氣和氣候。

觀察降水改善世界

GPM提供來自太空的雨、雪、霰(雨夾雪)和風暴的四維視圖,它不僅記錄水滴或顆粒的大小,還記錄降水量的大小以及它隨時間的變化。這一視角不僅用於全球科學,如研究地球的水和能源週期,並發現世界各地的極端天氣,而且對於研究颶風或乾旱等單一事件也很有用。

GPM有名的演算法是Integrated Multi-satellite Retrievals for GPM或 IMERG。IMERG校準和組合了來自其主要衛星GPM核心觀測站(GPM Core Observatory)和GPM星座(GPM Constellation)的資料,這是一組國際衛星,它們向GPM提供資料,同時執行自己的任務。雖然完整的IMERG產品需要時間進行處理和準備,但它也每半小時生成一次全球降水的即時摘要,這對於天氣預報和災害復原等時間敏感應用非常有用。

研究人員、應急人員、衛生專業人員和資源經理使用IMERG資料,來瞭解過去降水如何塑造事件,説明他們為未來的類似事件做好準備。通過創建可靠的、十年雨和雪的基線,IMERG 顯示了降水如何偏離正常狀態,為預測作物產量、疾病爆發和山體滑坡的模型,提供了可貴的資訊。

GPM應用協調員安德里亞·波特耶(Andrea Portier)說,「IMERG資料也支援水資源管理等應用。」例如,在美國西南部的纳瓦霍族(Navajo nation,現今美國面積最大的印第安保留地),降水資料對於水資源管理者監督農業、飲用和照顧動物的稀缺用水至關重要。GPM 降雨測量和地圖説明他們瞭解哪些地區存在乾旱風險。

著眼於過去預測未來

從更長遠的角度研究IMERG資料,給科學家提供了不同的觀點:哪些地區的降雨量最大或最少,最大的風暴在哪裡襲擊,降水如何變化?IMERG首席科學家、GPM副專案科學家喬治·霍夫曼(George Huffman)表示:「過去5年,通過GPM,我們擁有一套幾乎含蓋全世界多個衛星的精密資料集。……但五年是很短的時間。我們需要更久的紀錄......將多個衛星記錄擴展到全部兩個任務,使我們有機會獲得長期統計資料並分析過去的情況。」

過去降水資料的一個重要應用是天氣和氣候建模,這是研究區域和全球短期天氣和長期氣候的基礎。科學家使用複雜的電腦程式來分析大量觀測到的,關於氣溫、大氣壓力、風、降水、土壤濕度和許多其他變數的資料。然後,這些電腦程式生成短期天氣或長期氣候的預測。

「我們需要過去來塑造未來。過去為我們提供了解未來事件所需的基線」GPM負責應用的副專案科學家Dalia Kirschbaum說。「例如,在極端天氣(如颶風)的情況下,如果我們有比較的基線,我們可以更好地瞭解『極端』的含義。此更新是一個里程碑,它支援更準確的降水估計,這些估計值可當作『地面真相』,用於制定更準確的未來預測。」

研究團隊希望更全面瞭解另一組過程,是降水從白天到晚上和跨季節的變化。哈夫曼說:「我們正在尋找的一個重要事情是瞭解地球系統是如何運作的。」 GPM 為他們提供了有關環境現況的資訊,並使他們能夠瞭解降雨如何與其他地球系統變數(如土壤濕度、空氣品質和植被)相互作用。

研究主軸

研究主題:深入探討降水測量任務,在解決主要研究課題,包括熱帶風暴結構、降水微物理和全球水迴圈和氣候動態中的降水。

降水演算法:來自衛星儀器的資料,通過一系列檢索演算法轉換為,有意義的降水測量。

地面驗證:科學家將雨天、天氣雷達和飛機的降水測量與衛星儀器從太空觀測到的測量結果進行比較。

降水測量任務(PMM)使用先進的空間儀器測量全球降水量。通過改進雨雪測量,來自熱帶降雨測量任務(TRMM)和全球降水測量(GPM)任務的降水資料揭示了關於颶風眼壁和強度、測量的新資訊災害觸發的降雨事件,為氣候和地表模型提供投入,並為農業生產力和世界健康提供新的見解。PMM 的遙感降水資料使各機構、研究機構和全球社區能夠進行各種應用。

其他主題還包括:

熱帶氣旋;極端天氣;洪水;滑坡(山崩、土石流);陸地表面模型;氣候預測;土壤水分;農業;淡水可得性;世界衛生。 專欄屬作者個人意見,文責歸屬作者,本報提供意見交流平台,不代表本報立場。