År 2020 släppte en rad kraftiga åskväder lös kraftfulla vindar som orsakade miljarder i skador i mellanvästern i USA. En teknik som utvecklats av forskare från Penn State och som inkluderar satellitdata kan förbättra prognoserna – inklusive var de kraftigaste vindarna kommer att inträffa – för liknande svåra väderhändelser.

Forskarna rapporterar i tidskriften Geophysical Research Letters att lägga till mikrovågsdata som samlats in av satelliter som kretsar i låg omloppsbana till befintliga datorväderprognosmodeller gav mer exakta prognoser av vindbyar i en fallstudie av 2020 Midwest Derecho. Derechos är rader av intensiva åskväder som är ökända för sina skadliga vindar.

"Datormodellen kan producera en serie prognoser som konsekvent betonar de kraftigaste stormarna och de starkaste vindskadorna där det inträffade", säger Yunji Zhang, biträdande professor vid institutionen för meteorologi och atmosfärsvetenskap i Penn State och huvudförfattare. "Om vi ​​har den här typen av information i realtid, innan händelserna inträffar, kanske prognosmakare kan peka ut var den största skadan kommer att hända."

Tekniken kan vara särskilt användbar, sa forskarna, i områden som saknar markbaserad väderövervakningsinfrastruktur - som radar som traditionellt används i väderprognoser. I studien använde forskarna endast data tillgänglig från satellitobservationer.

"I regioner där det inte finns några ytobservationer, eller i princip ingen radar, visar vi att denna kombination av satellitobservationer kan generera en anständig prognos för svåra väderhändelser," sa Zhang. "Vi kan förmodligen tillämpa den här tekniken på fler regioner där det inte finns radar eller täta ytobservationer. Det är den grundläggande motivationen bakom denna studie."

Forskningen bygger på teamets tidigare arbete med dataassimilering, en statistisk metod som syftar till att måla den mest exakta bilden av nuvarande väderförhållanden. Detta inkluderar även små förändringar i atmosfären eftersom de kan leda till stora skillnader i prognoser över tid.

I tidigare arbete har forskare med Penn State's Center for Advanced Data Assimilation and Predictability Techniques assimilerat infraröd ljusstyrka temperaturdata från U.S. Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES-16. Ljusstyrkatemperaturer visar hur mycket strålning som sänds ut av föremål på jorden och i atmosfären, och forskarna använde infraröda ljusstyrketemperaturer vid olika frekvenser för att måla en bättre bild av atmosfärisk vattenånga och molnbildning.

Men infraröda sensorer fångar bara vad som händer på molntopparna.

Mikrovågssensorer ser en hel vertikal kolumn och ger ny insikt om vad som händer under molnen efter att stormar har bildats, sa forskarna.

"Bara baserat på molntopparna är det svårare att sluta sig till hur konvektionen av dessa stormar ser ut under," sa Zhang. "Så det är en av fördelarna med att lägga till mikrovågsobservationer – de kan ge information om var de starkaste konvektionerna finns."

Genom att kombinera assimilerad infraröd och mikrovågsdata i studien av derecho kunde forskarna förutsäga vindbyar på ytan och maximala vindvärden mer exakt.

I framtida arbete sa Zhang att han planerar att tillämpa metoden på regioner som saknar resurser och infrastruktur för att stödja väderobservationer med hög rumstemperatur och upplösning.

"Vi vet att det har funnits flera gånger under de senaste åren i Västafrika där mycket kraftiga skyfall har lett till mycket nederbörd till dessa länder", sa Zhang. "Och en sak med dessa länder är att de också är de platser som sannolikt kommer att påverkas mest av den globala uppvärmningen. Så jag tror att om vi kan använda dessa tillgängliga satellitobservationer för att ge bättre prognos för dessa regioner, kommer det att vara riktigt fördelaktigt för människor där också."

Även David Stensrud och Eugene Clothiaux, professorer, och Xingchao Chen, biträdande professor, bidrog från Penn State, alla vid institutionen för meteorologi och atmosfärsvetenskap.

Mer information: Yunji Zhang et al, Enhancing Severe Weather Prediction With Microwave All-Sky Radiance Assimilation:The 10 August 2020 Midwest Derecho, Geophysical Research Letters (2024). DOI:10.1029/2023GL106602

Journalinformation: Geofysiska forskningsbrev

Tillhandahålls av Pennsylvania State University