NASA SnowEx活动深入挖掘2021

降雪在森林里

测量雪可能看起来很直接,但每个环境都为乐器带来了独特的挑战。例如,降雪森林被夹在树枝或落在树上天篷下面,使之更难以比雪在一个开放的景观瀑布远程测量。要挖掘这些差异,Snapex措施从地面和空气中脱落。信用:NASA / JESSICA Merzdorf

冬季的第一个雪花是否充满了GLEE或让你变得呻吟,冬季降雪是饮用,农业和水电的关键水源,在全球10亿多人。

为了在一年的其余时间规划水资源管理和防灾准备,水文学家和资源管理人员需要知道每个冬天的积雪能储存多少水。目前,这种测量的地面或空中观测——称为雪-水当量,或SWE(发音为“swee”)——只在世界上非常有限的几个地点收集。然而,美国宇航局在未来希望能推出一个全球卫星任务追踪太空这一珍贵资源。

要设计出可以测量所有的雪的特点,弥补SWE任务,科学家们需要确定哪些工具组合使用,因为没有一台仪器可以单独完成。进入NASA的SnowEx场活动,是衡量使用各种仪器一样的深度,密度,粒度和温度特性雪,地面和空中。一个潜在的未来NASA的全球使命雪将结合多种遥感仪器,野外观测和模型 - 和SnowEx被发现这份工作的最佳结合点。


美国宇航局’s SnowEx ground and airborne campaign is a multiyear effort using a variety of techniques to study snow characteristics, and the team began their new field study year in January 2021. Not only is SnowEx learning valuable information about how snow properties change by terrain and season, but they are also testing the tools NASA will need to sample snow from space. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center / Scientific Visualization Studio / Boise State University

满足测量挑战

测量雪似乎简单,但每个环境带来了遥感仪器独特的挑战。例如,降雪森林被夹在树枝或落在树上天篷下面,使之更难以比雪在一个开放的景观瀑布远程测量。

要深入到这些差异,SnowEx从地面和空中测量雪。地面和空中部队采取类似的测量,以比较其结果,衡量同类仪器不同条件下的表现如何。

SnowEx 2021项目科学家Carrie Vuyovich说:“机载观测使我们能够在大范围内收集高分辨率数据,从而模拟我们可能从卫星获得的不同分辨率和空间范围的遥感观测。”美国宇航局陆地水文项目的首席雪科学家,以及马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的物理科学家。“地面观测没有相同的空间覆盖,但允许我们在多个不同的位置验证传感技术,而且占地面积小简化了解释。”

SnowEx团队成员Megan Mason和Gabrielle Antonioli

Snowex团队成员Megan Mason和Gabrielle Antonioli在2021名研究遗址之一采取雪样,只能通过滑雪板才能获得。信用:NASA / GABRIELLE ANTONIOLI

今年,Synex团队将部署机载的激光雷达,雷达和成像系统来测量雪深,SWE的变化以及雪面的反照,同时在地面上的相同位置收集类似和互补的数据,以比较和验证结果。Albedo是从表面​​反射的太阳的能量的一部分,这是一种用于建模熔体的临界雪属性。

2021年SnowEx活动有三个主要目标。第一个目标是重复被缩短的l波段InSAR机载测量时间序列新冠肺炎在2020年的春天。(InSAR是一种类似于激光雷达的估算积雪深度的雷达技术,跟踪雷达脉冲从飞机到积雪底部所需时间的变化。)今年,喷气推进实验室的无人飞行器合成孔径雷达(UAVSAR)仪器将在1月中旬至3月下旬期间,由墨西哥湾流3号(G-3)飞机每周在爱达荷州、犹他州、科罗拉多州和蒙大拿州的六个地点上空飞行。

在2022年,美国航空航天局和印度空间研究组织(ISRO)将推出尼萨尔,基于空间的干涉合成孔径雷达任务研究地球表面,包括土地,水,冰,等等。SnowEx的InSAR技术的探索将成为今后的积雪研究与尼萨尔和其他雷达飞行任务。该小组将使用激光雷达,以验证在地面上的InSAR测量。

其次,该团队将使用光谱仪 - 一种测量可见光和红外辐射强度的仪器,作为波长的函数 - 研究Albedo。用光谱仪测量Albedo是NASA的表面生物学和地质学(SBG)研究的一部分,该研究正在开发以更好地了解地球土地和水生态系统,作为国家科学yabo124,工程和医学的划分调查的一部分。这是第一年的Snoxex直接针对高质量的反浴剂观察,将在熔化期间聚集在森林植物中,陡峭的地形。该团队将在3月和4月期间将NASA的空中可见/红外成像光谱仪 - 下一代或Aviris-NG在科罗拉多州的两个站点上收集这些观察。

2021年的第三个目标是调查草原景观中的雪属性。草原上的雪很难测量,使用的方法和山上的方法一样,因为它们的深度较浅。

“草原景观被确定为遥感能力的差距,”Vuyovich说。“基板 - 下面的地面 - 影响信号和测量浅雪的能力。此外,该环境中雪的空间分布与其他环境不同,并且可能难以测量和验证。风在整个景观中重新分配雪中发挥着重要作用,包括田地,作物,茬和沟渠,留下深深的漂移和裸斑。“

在地面上,工作人员挖雪坑——在一直延伸到地面的雪中挖出汽车大小的洞——并测量雪的深度、含水量、温度、反射率和雪坑壁上的颗粒大小。其他队员在滑雪板或雪鞋上用野外光谱仪进行手持探头测量积雪深度和反照率。使用雪微穿透计,测量探针尖端上的力,提供雪硬度和微观结构的详细轮廓。地面小组还使用雷达快速测量典型卫星传感器像素区域的积雪特性变化。雷达系统安装在雪地摩托上或在滑雪时被拖着。

“今年我们有一些新的工具,像helicopter-和无人机为基础的激光雷达调查,这使我们能够适应天气和与机载雷达排队这些校准和验证调查。低成本飞行平台允许更频繁的调查,在比从固定翼飞机,这是该时间序列实验的重要一给定区域,” HP马歇尔,在博伊西州立大学的副教授和SnowEx 2021的合作项目科学家说。机载激光雷达的工作原理是弹跳激光脉冲离开表面并测量所花费的脉冲到返回的时间。通过跟踪在景观定时差,激光雷达生成以下表面的高度和结构的3D图像。科学家可以通过激光雷达相同面积的测量距离的时候没有下雪比较时,有雪,有调查计算雪深。

除了收集观测数据,SnowEx的建模研究还帮助团队了解不同地形和时间下的积雪变化。

Snowex团队成员McKenzie辣椒

SnowEx队员麦肯齐 - 斯凯尔斯,犹他州大学的助理教授,采用了超光谱成像来研究从雪面反射的光。这给出了关于雪成分和粒度球队的重要信息。来源:NASA /麦肯齐·斯基尔斯

马歇尔说:“建模填补了遥感和地面观测的空白。”“在像森林这样难以测量的地区,模型可以利用开阔地区的遥感观测来定义降水模式,从而预测森林中的积雪特性。一些测量深度的遥感方法,如激光雷达,也需要模型来估计积雪密度,以便将深度转换为SWE。在获取遥感数据之间,模型继续模拟雪况。当遥感和地面观测积雪特性可用时,这些模型可以不断更新——这三种方法共同作用,提供对积雪状况的最佳估计。”

“人们使用型号为不同的原因,” Vuyovich说。“水资源管理者可以使用模型来帮助决策。美国航空航天局的地面水文计划和SnowEx努力将有助于设计我们从卫星需要:什么范围,时间频率,准确性并且需要解决。型号还可以帮助我们填补我们可能会在基于空间的观察范围内的空白。“

在充满挑战的环境中航行

在每次活动的连续部分中,SnowEx团队在美国西部的各个站点收集从12月到5月的降雪数据。通常,这种工作被一个地区密集的两到三周的密集数据收集周期打断,这比其他地区更大。然而,为了在2019冠状病毒病大流行期间保护团队,今年的活动将只包括时间序列。在每个地点,只有距基地2小时车程的当地团队将在有限的区域内收集地面观测数据,以避免过夜或大规模聚集。

“这是一个大流行的世界,我们几乎做了很多,”马歇尔说。“我很兴奋,我们能够浏览这个,我们有专门的本地领域工作人员可以安全地做到这一点,我们仍然可以达到雪地。我们忠诚的本地外地团队包括来自许多不同政府实验室和大学的学生和研究人员每周部署到各自的领域,同一天是过度的。“

大多数年份,NASA和SnowEx与当地学校和组织合作,支持公民科学努力和教育机会,但今年,这些活动将通过博客、视频和远程数据收集进行虚拟活动。SnowEx的主要外联伙伴是冬季荒地联盟SnowSchool,这是一个全国性的项目,有70个站点,覆盖了35000名K-12学生。今年,他们开发了虚拟雪科学活动,让K-12年级的学生在疫情期间继续了解雪,并为过去去过雪学校的学校开展后续活动。

“我们很高兴发生这种情况,” Vuyovich说。“在所有这些挑战,我们很高兴,人们会在该领域走出去,我们可以继续推进。我可能不会在这里看到大的雪在特区,所以我会通过这些照片和博客生活共鸣“。

想要跟随SnowEx 2021的脚步,请看https://blogs.nasa.gov/earthexpeditions/

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