Los ciclones tropicales representan un peligro para la vida, la propiedad y la economía de las comunidades. Los investigadores que estudian los ciclones tropicales se han centrado en observaciones remotas, utilizando plataformas espaciales para obtener imágenes de estas tormentas, fundamentar los pronósticos, predecir mejor su llegada a tierra y comprender mejor la dinámica de las tormentas y la evolución de las precipitaciones (véase la fig. 1).
por la NASA
La comunidad de ciclones tropicales ha aprovechado los datos de las plataformas de observación terrestre durante más de 30 años. Estos datos se han obtenido de numerosos instrumentos.
A pesar de disponer de décadas de datos, los científicos carecen de datos de instrumentos ubicados en órbitas de baja inclinación que proporcionen observaciones más frecuentes en las regiones tropicales. Esta limitación es especialmente pronunciada en las latitudes tropicales y subtropicales, donde se desarrollan e intensifican las tormentas tropicales .
Las observaciones resueltas en el tiempo de la NASA de la estructura de la precipitación y la intensidad de las tormentas con una constelación de pequeños satélites (TROPICS) surgieron del proyecto Precipitación y temperatura y humedad en todo clima (PATH) para abordar la necesidad de obtener mediciones tridimensionales (3D) de temperatura y humedad, así como de precipitación, con una tasa de revisión temporal de una hora o menos (ver figura 2).
TROPICS utiliza múltiples satélites pequeños que vuelan en una formación cuidadosamente diseñada para obtener revisiones rápidas de las mediciones de la estructura de la precipitación dentro de las tormentas, así como de los perfiles de temperatura y humedad, tanto dentro como fuera de ellas, incluyendo la intensidad del núcleo cálido en niveles superiores. Además, los instrumentos proporcionan un tiempo medio de revisión de aproximadamente una hora. Los datos recopilados también informan sobre los cambios en la trayectoria e intensidad de las tormentas y proporcionan información para mejorar los modelos de predicción meteorológica.
Las imágenes se centran en la estructura interna de la tormenta (cerca de 91 y 205 GHz), sondeos de temperatura (cerca de 118 GHz) y sondeos de humedad (cerca de 183 GHz). La resolución espacial en el nadir es de aproximadamente 24 km (16,8 mi) para la temperatura y de 17 km (10,6 mi) para la humedad y la precipitación, abarcando una franja de aproximadamente 2000 km (1243 mi) de ancho. Los investigadores pueden utilizar los datos de TROPICS para crear cientos de imágenes de alta resolución de ciclones tropicales a lo largo de su ciclo de vida.
Este artículo ofrece una visión general de los dos años de exitosas operaciones científicas de TROPICS, centrándose en el conjunto de productos geofísicos de Nivel 2 (L2) (p. ej., perfiles verticales de temperatura y humedad atmosférica, tasa instantánea de lluvia superficial e intensidad de ciclones tropicales) y las investigaciones científicas derivadas de estas mediciones. El artículo completo, disponible en las Actas del IEEE: Número especial sobre teledetección satelital de la Tierra , ofrece detalles más completos de los resultados.
De Pathfinder a Constelación
El 30 de junio de 2021, se lanzó un único satélite TROPICS como vehículo Pathfinder a bordo de un Falcon 9 de SpaceX, hacia una órbita polar heliosíncrona. TROPICS se concibió originalmente como una constelación de seis satélites, con dos satélites lanzados a cada una de tres órbitas de baja inclinación. Lamentablemente, el primer lanzamiento, el 22 de junio de 2022, a bordo de un cohete Astra Rocket 3.3, no logró alcanzar la órbita.
Si bien es desafortunado, la misión aún pudo continuar con cuatro satélites y cumplir con su requisito de tasa de revisión base (sin margen), con el aspecto positivo de un año adicional de datos recopilados de TROPICS Pathfinder que permitió a la comunidad de investigación de ciclones tropicales preparar y probar sistemas de comunicaciones y algoritmos de procesamiento de datos antes del lanzamiento de los cuatro satélites restantes de la constelación.
Estos satélites se desplegaron en dos lanzamientos separados: el 8 y el 26 de mayo de 2023, a bordo de un vehículo de lanzamiento de Rocket Lab. Las primeras pruebas aceleraron la calibración y la validación de la constelación.
Recopilación de datos cruciales para comprender los ciclones tropicales
Las investigaciones de ciclones tropicales requieren observaciones cuantitativas rápidas para generar información 2D sobre la estructura de las tormentas. Los cuatro productos de datos de radiancia de la constelación TROPICS [temperatura de antena (L1a), temperatura de brillo (L1b), temperatura de brillo unificada, patrón de escaneo regularizado y temperatura de brillo ajustada al limbo (L1c)] penetran por debajo de la cima de las nubes para recopilar datos con mayor frecuencia y a un menor coste que los sistemas operativos actuales. Los datos de la constelación se han utilizado para evaluar el desarrollo del núcleo cálido y la evolución de la trayectoria del agua helada dentro de las tormentas, dos indicadores de la formación de tormentas y sus posteriores cambios de intensidad.
El núcleo cálido en niveles superiores es clave para el desarrollo e intensificación de los ciclones tropicales. La precipitación puede instigar una rápida intensificación mediante ráfagas convectivas que se caracterizan por la expansión de las cimas de las nubes frías, el aumento de la dispersión del hielo, la aparición de rayos y torres de lluvia intensa y agua helada, indicadores de fuertes corrientes ascendentes. Las frecuencias de TROPICS proporcionan abundante información sobre la dispersión causada por partículas de hielo del tamaño de la precipitación en la pared del ojo y las bandas de lluvia, lo que permitirá a los investigadores rastrear la macroestructura de las ráfagas convectivas en ciclones tropicales de todo el mundo. Además, los datos de TROPICS ayudan a esclarecer cómo las variaciones en la humedad ambiental alrededor de los ciclones tropicales afectan la estructura e intensificación de las tormentas.
Núcleo cálido de nivel superior
El análisis del núcleo cálido de nivel superior de un ciclón tropical revela información valiosa sobre su desarrollo. La comunidad de ciclones tropicales utiliza datos de TROPICS para comprender los procesos que precipitan la estructura del hielo y su papel en la intensificación (véase la fig. 3).
Si bien el núcleo cálido se ha estudiado durante décadas, TROPICS ofrece una nueva oportunidad para obtener estimaciones del perfil vertical de temperatura atmosférica con alta tasa de revisita. Al vincular el perfil de temperatura con el perfil vertical de humedad atmosférica, los investigadores pueden definir la humedad relativa en la troposfera baja y media, lo cual es crucial para comprender el impacto del aire ambiental seco en la evolución y estructura de las tormentas.
Trayectoria del agua helada y precipitación
Otra variable que ayuda a comprender el desarrollo de los ciclones tropicales es la trayectoria del agua helada, que detalla la masa total de hielo presente en una columna vertical de la atmósfera y, por lo tanto, es útil para caracterizar la estructura e intensidad de estas tormentas. El aumento de la trayectoria del agua helada puede reflejar un fortalecimiento de la convección dentro de una tormenta y, por lo tanto, ser un indicador de su probable intensificación (véase la fig. 4).
TROPICS es el primer sensor espacial equipado con un canal de 205 GHz que, junto con los canales tradicionales de 89, 118 y 183 GHz, es más sensible a la detección de partículas de hielo del tamaño de la precipitación. Además, el Esquema de Recuperación y Perfilado de Precipitación (PRPS) de TROPICS proporciona una estimación de la precipitación. Este esquema se basa únicamente en las radiancias satelitales asociadas a las tasas de precipitación, que pueden utilizarse para generar productos en distintas escalas temporales, desde tiempo casi real hasta escalas climatológicas.
Colaboraciones y datos de TROPICS en acción
Para evaluar y mejorar los datos recopilados por TROPICS, el equipo de la aplicación TROPICS contó con la ayuda de meteorólogos operativos que formaron el programa TROPICS Early Adopters. En 2018, el programa conectó al equipo de la aplicación con actores interesados en utilizar los datos de TROPICS para la investigación, la previsión y la toma de decisiones.
Esta colaboración mejoró los métodos de diagnóstico y predicción de ciclones tropicales. Por ejemplo, el Centro Nacional de Huracanes (NHC) determinó que el nuevo canal TROPICS de 204,8 GHz ofrecía el mejor método para capturar la estructura de tormentas convectivas, seguido del canal de 91 GHz, más utilizado tradicionalmente.
Además, el Centro Conjunto de Alerta de Tifones de EE. UU. (JTWC) ha estado utilizando los datos de TROPICS para centrar ciclones tropicales e identificar formaciones nubosas. En particular, el equipo del JTWC descubrió que el canal de 91 GHz era el más útil para identificar la estructura de las nubes. Tanto el NHC como el JTWC consideraron beneficiosa la alta tasa de revisita de TROPICS.
En 2024, el equipo de aplicaciones de TROPICS desarrolló el Módulo de Validación Satelital TROPICS como parte del Experimento Anual de Avance en la Predicción de Huracanes (APHEX) de la División de Investigación de Huracanes de la NOAA. El módulo coordinó la recopilación de datos del avión Cazador de Huracanes de la NOAA bajo los pasos elevados del satélite TROPICS para proporcionar datos que permitieran calibrar y validar las mediciones de temperatura, humedad y precipitación de TROPICS. Con este enfoque, el equipo Cazador de Huracanes rastreó el huracán Ernesto sobre el Atlántico Norte central los días 15 y 16 de agosto de 2024 y utilizó los datos para caracterizar el entorno de las bandas de lluvia de Ernesto (véase la fig. 5).
Además, el equipo utilizó observaciones de TROPICS en combinación con estimaciones de precipitación de la constelación GPM para caracterizar el ciclo de vida del huracán Franklin, que se formó el 19 de agosto de 2023 y experimentó un período de rápida intensificación unos ocho días después.
La intensificación de la tormenta, en particular el período de rápida intensificación (incremento de 45 nudos en los vientos máximos en 24 horas), se produjo junto con una disminución de la cizalladura vertical del viento ambiental, una contracción del radio de precipitación máxima y un aumento de la tasa de precipitación. La intensificación finalizó con la formación de bandas de lluvia secundarias y un desplazamiento hacia afuera del radio de precipitación máxima.
Conclusión
Los datos de TROPICS ofrecen el potencial de mejorar los pronósticos de los modelos numéricos de predicción meteorológica y los pronósticos operativos gracias a su alta resolución espacial y a su alta tasa de revisitas, lo que permite una mejor caracterización de los ciclones tropicales a nivel mundial. Hasta la fecha, la misión TROPICS ha generado un registro de datos agregados de alta calidad que abarca 10 000 millones de observaciones y 10 años de satélite, utilizando constelaciones de sondas de microondas de bajo coste.
Todos los productos de datos L1 (es decir, radiancias) y L2 (es decir, productos geofísicos) y los Documentos de Base Teórica de Algoritmos están disponibles para el público general a través del Centro de Servicios de Datos e Información de Ciencias de la Tierra Goddard (GES DISC). Los datos de GES DISC analizados en este artículo incluyen productos L1 y L2 para TROPICS-1, TROPICS-3, TROPICS-5 y TROPICS-6.
Los datos de TROPICS han facilitado el pronóstico de la trayectoria de huracanes para múltiples tormentas, ya que los pronosticadores los han utilizado en diversos centros operativos de pronóstico de ciclones tropicales. Los datos recopilados por TROPICS pronto se complementarán con múltiples constelaciones comerciales que se están poniendo en funcionamiento para mejorar la tasa de revisitas y el rendimiento.
