เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวภาคพื้นดินสามารถปรับปรุงการพยากรณ์อากาศได้อย่างไร

เริ่มแรกสร้างสถานี GPS แบบต่อเนื่องเพื่อวัดความผิดปกติของโลกที่เป็นของแข็ง เช่น การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก การเกิดแผ่นดินไหวทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของพื้นดินและการเคลื่อนที่ของภูเขาไฟอันเนื่องมาจากกิจกรรมของแมกมาติก สัญญาณจากดาวเทียมนำทางยังอ่อนไหวต่อสภาวะที่พบระหว่างดาวเทียมกับสถานี ซึ่งหมายความว่าต้องมีการแก้ไขอย่างรอบคอบเพื่อให้การคำนวณตำแหน่งมีความแม่นยำมากที่สุด แต่ยังสามารถแยกแง่มุมอื่นๆ ของสภาพแวดล้อมออกเป็นการวัดของตนเองได้

ตัวอย่างเช่น สถานี GPS สามารถวัดปริมาณไอน้ำในบรรยากาศได้ เช่นเดียวกับความลึกของหิมะที่ปกคลุมใกล้กับสถานี

น้ำท่วมในเยลโลว์สโตนในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2565 เกิดขึ้นเนื่องจาก “แม่น้ำในบรรยากาศ” ที่ส่งความชื้นจำนวนมากซึ่งถูกบีบออกในพายุฝนที่รุนแรง เมื่อวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2565 ฝนได้ตกลงมาประมาณ 2-3 นิ้วในตอนเหนือของอุทยาน แต่ตกลงมาบนหิมะปกคลุมจำนวนมากซึ่งทำให้ดินอิ่มตัวแล้วในขณะที่เริ่มละลาย ผลที่ได้คือมีน้ำมากไม่มีที่ไป แต่กลายเป็นลำธารและแม่น้ำที่บวม

เหตุการณ์นี้เห็นได้ชัดเจนในข้อมูลไอน้ำในบรรยากาศที่สถานี GPS P720 แบบต่อเนื่องซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับที่ตั้งแคมป์ Slough Creek ในส่วนตะวันออกเฉียงเหนือของอุทยาน ไอน้ำในบรรยากาศทำให้สัญญาณดาวเทียมนำทางล่าช้าเมื่อเดินทางไปยังสถานี GPS ยิ่งไอน้ำรวมมาก ยิ่งล่าช้ามาก โดยการคำนวณความล่าช้านี้ระหว่างแต่ละสถานีบนพื้นดินและดาวเทียมแต่ละดวงบนท้องฟ้า สามารถสร้างแผนที่ของไอน้ำในบรรยากาศได้

บันทึกไอน้ำทั้งหมดเหนือสถานี GPS P720 แสดงให้เห็นค่าสูงในช่วงวันที่ 10-13 มิ.ย. ตามมาด้วยการลดลงอย่างรวดเร็วในวันที่ 13 มิ.ย. เนื่องจากหน้าหนาวพัดผ่าน นี่เป็นแหล่งข้อมูลไอน้ำแหล่งหนึ่งที่ป้อนลงในแบบจำลองพยากรณ์อากาศ ซึ่งขึ้นอยู่กับความรู้ที่ถูกต้องเกี่ยวกับสภาพอากาศ

เมื่อสัญญาณดาวเทียมไปถึงสถานี GPS สัญญาณบางอย่างจะกระเด้งออกจากพื้นก่อนที่จะได้รับจากเสาอากาศ ซึ่งส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวน สิ่งนี้ก็มีประโยชน์เช่นกัน เนื่องจากลักษณะของการรบกวนนั้นจะเปลี่ยนไปเมื่อระยะห่างระหว่างเสาอากาศกับพื้นผิวเปลี่ยนไป — เช่น เมื่อหิมะสะสมหรือระดับทะเลสาบใกล้เคียงสูงขึ้น

สถานีในพื้นที่เปิดโล่ง – ปราศจากต้นไม้ที่ปิดกั้นสัญญาณ – เหมาะที่สุดสำหรับการวัดประเภทนี้ ดังนั้นจึงไม่สามารถทำได้ที่สถานีหลายแห่งในเยลโลว์สโตน ตัวอย่างเช่น สถานี P360 ทางตะวันตกของอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตนใน Harriman State Park ได้สร้างสถิติความลึกของหิมะที่ยอดเยี่ยม (https://spotlight.unavco.org/station-pages/p360/p360.html) การใช้สถานี GPS ในลักษณะนี้จะช่วยเพิ่มเครือข่าย SNOTEL (SNOw TELemetry) ด้วยการวัดในสถานที่เพิ่มเติม นอกเหนือจากการติดตามแหล่งน้ำ ข้อมูลนี้สามารถปรับปรุงการคาดการณ์น้ำท่วมสำหรับเหตุการณ์ “ฝนบนหิมะ” เช่น น้ำท่วมในเดือนมิถุนายน 2022 ในเยลโลว์สโตน

นอกจากนี้ยังสามารถวัดความชื้นในดินจากสัญญาณที่สะท้อนได้ แม้ว่าการวัดจะทำงานแตกต่างกันเล็กน้อย ระยะห่างระหว่างเสาอากาศกับพื้นผิวไม่เปลี่ยนแปลง แต่สัญญาณได้รับผลกระทบจากน้ำเมื่อสะท้อนจากพื้นดิน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้ของยอดเขาและหุบเขาของสัญญาณ การรู้ว่าดินเปียกแค่ไหนก็สามารถปรับปรุงการพยากรณ์อุทกภัยได้เช่นกัน เนื่องจากพื้นดินที่อิ่มตัวจะไม่สามารถดูดซับฝนได้มาก

โดยทั่วไปแล้ว สามารถใช้สถานี GPS เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงในระดับภูมิภาคในน้ำใต้ดินและน้ำผิวดินตามการเคลื่อนที่ของพื้นดินในแนวตั้ง เมื่อแหล่งน้ำหดตัวเนื่องจากการใช้น้ำอย่างไม่ยั่งยืนหรือภัยแล้ง การเปลี่ยนแปลงของมวลจริงทำให้พื้นผิวโลกยุบหรือยุบตัวขึ้นในบริเวณนั้น นอกจากนี้ยังสามารถขยายน้ำหนักของสโนว์แพ็คในฤดูหนาวได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ในแนวตั้งที่วัดที่สถานี GPS P350 ในภาคกลางของไอดาโฮ เมื่อเทียบกับข้อมูลสโนว์แพ็คในบริเวณใกล้เคียงแสดงให้เห็นว่าสถานีเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อหิมะละลายและลดลงเมื่อหิมะสะสมประมาณ 10 ถึง 20 มิลลิเมตร (0.4–0.8 นิ้ว) ซึ่งเป็นการเคลื่อนไหวเล็กๆ ที่ สามารถใช้คำนวณการเปลี่ยนแปลงของหิมะและสภาพน้ำได้

นักวิทยาศาสตร์ใช้เครือข่ายของสถานีเฝ้าติดตามในและรอบ ๆ อุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน มากกว่าแค่การศึกษาระบบภูเขาไฟ แม้ว่าการใช้งานหลักของสถานี GPS แบบต่อเนื่องอาจเป็นการตรวจสอบการเคลื่อนที่ของพื้นดินเนื่องจากแผ่นดินไหวใต้ผิวดินและการเกิดแมกมาติก ข้อมูลนี้ยังสามารถใช้เพื่อทำความเข้าใจสภาวะแวดล้อมและช่วยในการพยากรณ์อากาศได้ดีขึ้น เครื่องดนตรีชนิดเดียวกับที่ใช้เฝ้าดูกิจกรรมใต้ดินก็ดูท้องฟ้าเช่นกัน