Introdução
Os ciclones tropicais representam um perigo para a vida, a propriedade e as economias das comunidades. Os pesquisadores que estudam ciclones tropicais se concentraram em observações remotas usando plataformas baseadas no espaço para imaginar essas tempestades, informar previsões, prever melhor o desembarque e melhorar a compreensão da dinâmica da tempestade e da evolução da precipitação-consulte Figura 1.
A comunidade de ciclones tropicais alavancou dados de plataformas de observação da Terra há mais de 30 anos. Esses dados foram recuperados de vários instrumentos, incluindo: o Imager de linha de base avançado (ABI) sobre o satélite ambiental operacional geoestacionário da Administração Oceânica e da Administração Atmosférica (NOAA) (NOAA) – Satellites de série r; a missão de medição de precipitação tropical (TRMM) Imager de microondas (TMI); A medição global de precipitação (GPM) Imager de microondas (GMI); O Imager/Sounder de Microondas de Sensor Especial (SSMIS) no Satélites Meteorológicos de Defesa (DSMP); o radiômetro avançado de varredura de microondas (AMSR-E) no Aqua; AMSR2 na missão Global de Missão de Observação Global da Agência de Exploração Aeroespacial (JAXA) (GCOM); A Unidade Avançada de Sounding de Microondas (AMSU) no Aqua e o Advanced Technology Microwave Sounder (ATMs) na parceria nacional de órbitos polares nacionais da NASA-NOAA Suomi (Suomi NPP), NOAA-20 e NOAA-21; o moderado espectrorradiômetro de imagem de resolução (MODIS) na plataforma Terra e Aqua da NASA; e o conjunto de radiômetro de imagem infravermelha visível (VIIRS) no Suomi NPP, bem como nas duas primeiras missões do sistema de satélite polar articular (JPSS) (ou seja, NOA-20 e NOAA-21).
Apesar de ter décadas de dados à sua disposição, os cientistas não têm dados de instrumentos colocados em órbitas de baixa inclinação que fornecem visões mais frequentes nas regiões tropicais. Essa limitação é especialmente pronunciada nas latitudes tropicais e subtropicais, que é onde as tempestades tropicais se desenvolvem e se intensificam.
A NASA Observações resolvidas no tempo da estrutura de precipitação e intensidade da tempestade com uma constelação de Smallsats (Tropics) cresceu com a precipitação e a temperatura e a umidade de todo o clima (caminho) para atender a uma necessidade de obter medidas de temperatura e umidade tridimensionais (3D), bem como precipitação com uma taxa de revisão temporal de uma hora ou melhor-consulte Figura 2. A Tropics usa vários pequenos satélites que voam em uma formação cuidadosamente projetada para obter revisões rápidas das medições da estrutura de precipitação dentro das tempestades, bem como perfis de temperatura e umidade, dentro e fora das tempestades, incluindo a intensidade do núcleo quente de nível superior. Além disso, os instrumentos fornecem um tempo médio de revisita de cerca de uma hora. Os dados coletados também informam alterações na faixa e intensidade da tempestade e fornecem dados para melhorar os modelos de previsão do tempo.
As imagens estão focadas na estrutura da tempestade interna (perto de 91 e 205 GHz), sondagens de temperatura (perto de 118 GHz) e sondagens de umidade (perto de 183 GHz). A resolução espacial em Nadir é de aproximadamente 24 km (16,8 mi) para temperatura e 17 km (10,6 mi) para umidade e precipitação, cobrindo uma faixa de aproximadamente 2000 km (1243 mi) de largura. Os pesquisadores podem usar dados de trópicos para criar centenas de imagens de alta resolução de ciclones tropicais ao longo de seu ciclo de vida.
Este artigo fornece uma visão geral dos dois anos de operações científicas bem-sucedidas dos trópicos, com foco no conjunto de produtos geofísicos de nível 2 (L2) (por exemplo, perfis de temperatura vertical atmosférica e umidade, taxa de chuva instantânea da superfície e intensidade de ciclones tropicais) e as investigações científicas resultantes dessas medições. O artigo completo, disponível no Anais do IEEE: Edição Especial no Satélite Sensoriamento Remoto da Terrafornece detalhes mais abrangentes dos resultados.
Do Pathfinder à Constelação
Um único satélite de trópicos foi lançado como um veículo Pathfinder em 30 de junho de 2021, a bordo de um SpaceX Falcon 9 Rideshare em uma órbita polar síncrona do sol. Os trópicos foram originalmente concebidos como uma constelação de seis satélites, com dois satélites lançados em cada uma das três órbitas de baixa inclinação. Lamentavelmente, o primeiro lançamento, em 22 de junho de 2022 a bordo de um foguete Astra 3.3, não chegou à órbita. Embora infelizes, a missão ainda pode prosseguir com quatro satélites e atender aos seus requisitos de taxa de revisitação de linha de base (sem margem), com o revestimento de prata de um ano extra de dados coletados do Pathfinder Tropics que permitiu ao Tropical Cyclone Research Community para preparar e testar sistemas de comunicação e algoritmos de processamento de dados. Esses satélites foram implantados em dois lançamentos separados – 8 de maio de 2023 e 26 de maio de 2023 a bordo de um veículo de lançamento do Rocket Lab. O teste precoce acelerou a calibração e a validação para a constelação.
Coletando dados críticos para entender os ciclones tropicais
As investigações de ciclones tropicais exigem observações quantitativas rápidas para criar informações de estrutura de tempestade 2D. Os quatro produtos de dados de brilho na constelação dos trópicos (ou seja, temperatura da antena (L1A), temperatura do brilho (L1B), temperatura unificada de brilho e padrão de varredura regularizado e temperatura de brilho ajustada ao membro (L1C)) penetram abaixo do topo da nuvem para coletar dados em maior frequência para um custo menor do que os sistemas operacionais atuais. Os dados de constelação foram usados para avaliar o desenvolvimento do núcleo quente e a evolução do caminho da água do gelo dentro das tempestades – dois indicadores de formação de tempestades e subsequentes mudanças na intensidade.
O núcleo quente de nível superior é essencial para o desenvolvimento e intensificação de ciclones tropicais. A precipitação pode instigar uma rápida intensificação por meio de rajadas convectivas que são caracterizadas pela expansão das blusas de nuvens frias, aumentando a dispersão do gelo, os raios e as torres de chuva intensa e água gelada indicativas de fortes atualizações. As frequências dos trópicos fornecem uma riqueza de informações sobre a dispersão por partículas de gelo do tamanho de uma precipitação nas óculos e bandas de chuva que permitirão que os pesquisadores rastreem a macroestrutura de rajadas convectivas em ciclones tropicais em todo o mundo. Além disso, os dados dos trópicos ajudam a esclarecer como as variações na umidade ambiental em torno dos ciclones tropicais afetam a estrutura e a intensificação da tempestade.
Núcleo quente de nível superior
A análise do núcleo quente de nível superior de um ciclone tropical revela informações valiosas sobre o desenvolvimento da tempestade. A comunidade de ciclones tropicais está usando dados dos trópicos para entender os processos que levam a precipitar a estrutura de gelo e o papel que ela desempenha na intensificação – ver Figura 3. Enquanto o núcleo quente é estudado há décadas, os trópicos oferecem uma nova oportunidade de obter estimativas de taxa de alta revisão do perfil de temperatura vertical atmosférica. Ao combinar o perfil de temperatura com o perfil de umidade vertical atmosférico, os pesquisadores podem definir a umidade relativa na troposfera inferior a média, o que é fundamental para entender o impacto do ar ambiental seco na evolução e estrutura da tempestade.
Caminho da água do gelo e precipitação
Outra variável que ajuda a fornecer informações sobre o desenvolvimento de ciclones tropicais é o Caminho da água do gelo, que detalha a massa total de gelo presente em uma coluna vertical da atmosfera e, portanto, é útil para caracterizar a estrutura e a intensidade dessas tempestades. O aumento do caminho da água no gelo pode refletir o fortalecimento da convecção dentro de uma tempestade e, assim, ser um indicador de provável intensificação – ver Figura 4. Os trópicos são o primeiro sensor espacial equipado com um canal de 205 GHz que, juntamente com os canais tradicionais de 89, 118 e 183 GHz, é mais sensível à detecção de partículas de gelo do tamanho de uma precipitação. Além disso, o esquema de recuperação e perfil de precipitação dos trópicos (PRPS) fornece uma estimativa de precipitação. Esse esquema baseia-se apenas nas radianças de satélite ligadas a taxas de precipitação, que podem ser usadas para gerar produtos em escalas de tempo, desde escalas de tempo quase real até climatológico.
Dados de colaborações e trópicos em ação
Para avaliar e aprimorar os dados coletados pelos trópicos, a equipe de aplicativos dos trópicos recrutou a assistência de meteorologistas operacionais que formaram o programa de adotantes iniciais dos trópicos. Em 2018, o programa conectou a equipe de aplicativos às partes interessadas interessadas em usar dados de trópicos para pesquisa, previsão e tomada de decisão. Essa colaboração melhorou as abordagens para diagnosticar e prever ciclones tropicais. Por exemplo, o National Hurricane Center (NHC) descobriu que o novo canal de trópicos em 204,8 GHz ofereceu a melhor abordagem para capturar a estrutura de tempestades convectivas, seguida pelo canal de 91 GHz mais tradicionalmente usado. Além disso, o Centro de Aviso de Typhoon dos EUA (JTWC) usa dados de trópicos para fixar ciclones tropicais centrais e identificar formações em nuvem. Em particular, a equipe da JTWC descobriu que o canal de 91 GHz era mais útil para identificar a estrutura da nuvem. Tanto o NHC quanto o JTWC consideraram a alta taxa de revisita dos trópicos benéfica.
Em 2024, a equipe de Applications Tropics desenvolveu o módulo de validação por satélite dos trópicos como parte da divisão de pesquisa de furacões da NOAA, avançando a previsão do experimento de furacões (Aphex). A coleta de dados coordenou o módulo das aeronaves de caçadores de furacões da NOAA sob viadutos de satélite dos trópicos para fornecer dados para calibrar e validar as medidas de temperatura, umidade e precipitação dos trópicos. Usando essa abordagem, a equipe do Hurricane Hunter rastreou o furacão Ernesto sobre o Atlântico Norte Central nos dias 15 e 16 de agosto de 2024 e usou os dados para caracterizar o ambiente das bandas de chuva de Ernesto – veja Figura 5.
Além disso, a equipe usou observações de trópicos em combinação com as estimativas de precipitação de constelação de GPM para caracterizar o ciclo de vida do furacão Franklin, que se formou em 19 de agosto de 2023 e passou por um período de intensificação rápida cerca de oito dias depois. Intensificação da tempestade, em particular o período de intensificação rápida (aumento de 45 nós nos ventos máximos em 24 horas), ocorreu em associação com uma diminuição no cisalhamento do vento vertical ambiental, uma contração do raio da precipitação máxima e um aumento na taxa de precipitação. A intensificação terminou com a formação de bandas de chuva secundárias e uma mudança externa no raio da precipitação máxima.
Conclusão
Os dados dos trópicos oferecem o potencial para melhorar as previsões de modelos numéricos de previsão do tempo e previsões operacionais usando sua alta resolução espacial e altas taxas de revisita que permitem a caracterização aprimorada de ciclones tropicais em todo o mundo. Até o momento, a missão dos trópicos produziu um registro de dados agregados de alta qualidade, abrangendo 10 bilhões de observações e 10 anos de satélite, usando constelações de sirene de microondas relativamente de baixo custo. Todos os produtos de dados L1 (ou seja, radiações) e L2 (ou seja, produtos geofísicos) e Documentos teóricos de base do algoritmo estão disponíveis para o público em geral através do Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center (Disco ges). Os dados do DISC GES discutidos neste artigo incluem produtos L1 e L2 para Tropics-1, Tropics-3, Tropics-5 e Tropics-6.
Os dados da Tropics ajudaram a previsão de faixas de furacões para várias tempestades, pois os meteorologistas usaram os dados em vários centros operacionais de previsão de ciclones tropicais. Os dados coletados pelos trópicos serão complementados em breve por várias constelações comerciais que estão entrando on -line para melhorar a taxa e o desempenho da revisitar.
William Blackwell
MIT Lincoln Laboratory
wjb@ll.mit.edu
Scott Braun
NASA GSFC, Tropics Project Scientist
scott.a.braun@nasa.gov
Stacy Kish
Funcionários do observador da Terra
Earthspin.science@gmail.com