En exceptionellt svår storm svepte över Zürich den 13 juli 2021 strax före klockan 02.00, med tjutande skurar, ständiga blixtar och skyfall som väckte människor med en start.
Benedikt Soja, professor i rymdgeodesi, fick lite sömn den natten. "Det var en av de svåraste stormarna jag någonsin sett. Jag vaknade mitt i natten och kunde se stormen rasa genom fönstret", minns han.
Stormens omfattning var uppenbar nästa morgon – nedfallna träd på gator och i parker, skadade hustak och överliggande spårvagnslinjer som drogs ner i olika delar av Zürich. Marken i närheten av campus Hönggerberg var också beströdd med grenar och till och med hela träd. "Stormen måste ha gått rakt över ETH", säger Soja.
En GPS-station på taket av Institutet för geodesi och fotogrammetri på campus Hönggerberg registrerar signalerna från olika satellitsystem dygnet runt. När Soja och hans kollegor på institutet undersökte data från stormnatten mer i detalj, trodde inte sina ögon.
"Det var avbrott i GPS-databehandlingen. Vi kunde först inte förstå vad som orsakade dem", säger Matthias Aichinger-Rosenberger, tidigare postdoc i Sojas grupp och nu föreläsare vid ETH Zürich. När andra stationer också rapporterade avbrott i mätningen av data från GPS och andra satellitnavigeringssystem för den natten, började forskarna analysera rådata från antennen på Hönggerbergs campus.
De kunde visa i en studie, publicerad i tidskriften Geophysical Research Letters , att extrema väderhändelser påverkar kvaliteten på GPS-signaler och att dessa signaler därför också är lämpliga för att upptäcka stormar. Det kan en dag till och med vara möjligt att använda dem för tidig upptäckt och prognoser av åskväder.
Forskarna drog sina slutsatser från analysen av data från stormen den 13 juli och en annan storm sommaren 2021. Det blev uppenbart att de extrema väderhändelserna hade en inverkan på signal-brusförhållandet, vilket indikerar hur starka satellitsignalerna som når oss på jorden. Ju högre förhållande, desto bättre kvalitet på signalen.
"Signalstyrkan som vi mäter med vår antenn på taket ändras normalt bara minimalt", säger Aichinger-Rosenberger. Så var dock inte fallet under de två stormdagarna:"Signal-brusförhållandet i GPS-data sjönk avsevärt vid tidpunkten för stormen. Vi såg att när stormen väl hade gått vidare var den tillbaka i sin normala räckvidd."
För att bestämma den exakta tidpunkten för stormens ankomst och för att kontrollera om detta överensstämde med tiden då signal-brusförhållandet sjönk, jämförde forskarna sina data med radardata från universitetet i Bern.
"Detta bekräftade vår misstanke om att det fanns en direkt koppling", säger Aichinger-Rosenberger.
Forskarna är säkra på att kraftig nederbörd är ansvarig för det plötsliga fallet i signal-brusförhållandet. Det som inte är klart är vilken typ av nederbörd – regn eller hagel – som har större inverkan och varför. Detta är något som forskarna vill lära sig i framtiden.
Hur enkelt resultatet av studien än kan låta så är det ett genombrott för forskning om rymdgeodesi.
"Det har ännu aldrig bevisats att kraftiga åskväder och andra väderhändelser med kraftig nederbörd avsevärt påverkar signal-brusförhållandet", säger Aichinger-Rosenberger. Det har hittills antagits att GPS är ett väderoberoende system. Nu verkar det som att GPS-data är tillräckligt känsliga för att fånga sådana atmosfäriska störningar.
Dessa fynd kan öppna upp nya möjligheter för användningen av satellitnavigeringsdata inom meteorologi.
– Vi vill nu samla in fler mätningar för att förbättra prognosen av nederbörd i vädermodeller, säger Soja. Tillförlitlig nederbördsprognoser är fortfarande en stor utmaning. "Många andra meteorologiska parametrar som temperaturen kan nu förutbestämas ganska bra med numeriska vädermodeller. Tyvärr är dock sådana modeller ofta inte tillräckligt bra när det gäller nederbörd."
För att en dag kunna använda ETH-forskarnas resultat för prognostisering måste de sättas i relation till en vädermodell.
"För att överföra våra observationer till specifika parametrar som vatten- och ishalten i luften eller stormens rörelseriktning behöver vi samla in och analysera ytterligare data. Dessa fynd skulle sedan kunna införlivas i en datorbaserad vädermodell i för att förbättra prognosen för nederbörd", säger Aichinger-Rosenberger.
Stormar behöver fortfarande passera direkt över mätstationen för GPS-signaler för att kunna upptäckas. Eftersom nätverket av mätstationer inte är tillräckligt sammansvetsat är metoden ännu inte lämplig för tidig upptäckt av stormar.
"Om vi till exempel hade trettio till fyrtio stationära mottagare runt Zürich, skulle vi kunna fånga extrema väderhändelser över hela staden exakt och dessutom mycket kostnadseffektivt", förklarar Soja. "Ett tätt nätverk av stationer kan också användas för att avgöra var stormarna rör sig och hur snabbt."
Ett sådant system för tidig upptäckt skulle i framtiden kunna användas, till exempel för att säkerställa säker flygtrafik, säger Soja:"Ett tätt nätverk av GPS-stationer runt flygplatsen skulle göra det möjligt att lokalisera en storm i realtid och varningar till denna. effekt."
Förutom att förfina metoden planerar forskarna också att utöka sitt forskningsarbete över hela Schweiz och på europeisk nivå, för att utöka sitt nätverk i enlighet därmed. Även om den svåra stormen i juli 2021 orsakade många lokala skador, möjliggjorde den också kunskap som en dag skulle kunna tillämpas globalt.
Rymdgeodesi är ett geodesiområde som tar upp mätning och kartläggning av stora områden, särskilt av jorden, med hjälp av rymdteknik. Huvudmålet med rymdgeodesin är att få exakt information om jordens form, storlek och rörelse.
GPS är en avgörande komponent i rymdgeodesin. GPS-satelliter kan användas för att bestämma användarpositioner på jorden med hög precision. Detta används i många applikationer som navigation, mätning och geografiska informationssystem.
Mer information: Matthias Aichinger‐Rosenberger et al, Detecting Signatures of Convective Storm Events in GNSS‐SNR:Two Case Studies From Summer 2021 in Switzerland, Geophysical Research Letters (2023). DOI:10.1029/2023GL104916
Tillhandahålls av ETH Zürich
