在多雪地区寻找淡水

在这张由航天飞机用手持70毫米相机拍摄的70毫米画面中，雪覆盖在喜马拉雅山脉的山脊线上。
版权：NASA,由Elizabeth Goldbaum拍摄。

关注淡水:通过预测旱灾和洪水，跟踪藻类的爆发，NASA对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。
版权：NASA/ Katy Mersmann

覆盖在山脉上或堆积于树冠下的雪花是全世界超过10亿人口的重要淡水资源。为了帮助确定雪中储存了多少淡水，NASA资助的研究小组正在开发一种基于计算机的工具，对从太空中识别雪并测量其含水量的最佳方法进行模拟。

该项目的首席研究员，马里兰大学帕克分校的教授巴特•福尔曼（Bart Forman）表示，雪的含水量，或雪水当量（SWE）是“许多水文学家的努力追求的目标”。当雪融化时，随后产生的水洼即其SWE。

在美国西部各州，雪是饮用水的主要来源，雪水是水力发电和农业灌溉的主要来源。

降雪模式的一些变化是气候变化的指标。例如，温度升高导致水以雨的形式而不是雪的形式降落。结果，一些山脉不能像过去那样以积雪的形式蓄水，这意味着雨水将淹没河流，洪水将更加猛烈。当汛期结束后，干旱会更加严重。

Forman的新方法效仿了NASA通过卫星、飞机和实地调研队SWE进行研究的努力的成果。中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS）是搭载于两颗卫星上的仪器，用于获取地球的日常图像。MODIS可以识别被雪覆盖的陆地和湖泊、大河上的冰。全球降水测量（Global Precipitation Measurement, GPM）任务由一系列国际卫星组成，可以每两到三个小时观测一次全球降水和降雪情况。

除了基于太空的观测，NASA还在离地球更近的地方开展了一个名为SnowEX的项目。该项目为期五年，包括空中观测和随后的实地考察，通过实地考察可以揭示卫星没有观测到的新内容。SnowEX使研究人员能够对复杂地形进行调查，这些地形很难从太空表征。项目明年冬天的活动将与空中雪域观测（Airborne Snow Observatory）任务合作，该任务队旨在测量积雪深度和雪的特征。

[rml_read_more]

雪以及雪水的重要性

位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的研究员爱德华•金（Edward Kim）表示：我们希望有一张全球范围内的SWE地图。然而，没有任何一种技术可以对全球范围的SWE进行测量，因为雪的特性根据其落地点的不同而有所区别。森林为积雪遮蔽了阳光，因此森林里的积雪通常都比较厚；但落在苔原和草原上的积雪暴露在风和较高温度下，因此形成一层较浅的积雪。

Kim说，雪在落地时形状会发生改变，并在其降落的地方继续变化。雪的形状决定了能被哪个传感器观测到，这给估计SWE增加了额外一层的复杂性。

Forman和其团队研发的新工具将确定最有效的基于卫星的传感器组合，以产生最多的数据。Kim说：“该工具将向我们展示如何对组合传感器做出明智的选择”。

不同传感器的故事

该工具将对三种不同类型的地球轨道传感器进行评估，分别是：雷达，辐射计和激光雷达。

研究小组对现有传感器的雷达和辐射计信息进行了研究，如高级微波扫描辐射计2（Advanced Microwave Scanning Radiometer 2, AMSR2）。该传感器是由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）牵头的合作伙伴推出，用于捕捉地球表面和大气中的微波辐射。它旨在识别积雪、海面温度、土壤湿度和其他对了解地球气候至关重要的因素。

为了进行雷达观测，研究小组收集了欧洲航天局（European Space Agency, ESA）哥白尼计划哨兵-1A和1B卫星的数据，这两颗卫星用于监测陆地和海洋表面。

除了包含目前正在从太空监测雪的雷达和辐射计传感器外，研发的新工具也对激光雷达进行模拟；激光雷达已经登上飞机测量特定地区的积雪。例如，SnowEx项目和NASA空中雪域观测任务利用激光雷达来确定积雪深度和SWE。Forman表示：“我们可以帮助探索这个问题，如果我们在太空中有一个聚焦雪的观测卫星会怎样?”

从西南方向俯瞰堪察加半岛。中部的火山群是是活火山，包括Klutchevskaya火山群，其山顶达到15580英尺。
版权：NASA

超级计算机和卫星

Forman说：“为了做到这一切，必须使用超级计算机。”具体来说，戈达德中心的Discover超级计算机和马里兰大学的Deepthought t2高性能计算集群。

一旦来自不同传感器的数据进入模拟器，研究团队就能够进行在不同情境设置下的实验，例如将一颗卫星送入不同的轨道，或者让一颗卫星分别以宽窄宽幅观测地球。Forman表示，通过这套实验，他们可以对特定组合对照基准情景的表现进行比较。

Forman表示，一般来说，随着更多的卫星进入轨道，科学家们将获得更高质量的数据。然而，他说：“我们可以问，如果我们再增加一个辐射计，边际收益会是多少？”

新的雪感模拟器将有助于建立一个基于太空的雪观测策略，以更好地了解这一重要的淡水资源。福尔曼说：“该模拟器将被用于继续询问接下来会发生什么以及我们应该如何在20年或更长时间内进行规划的问题。”

这种新的雪模拟器由NASA地球科学技术办公室资助。

来源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/looking-for-freshwater-in-all-the-snowy-places/