Мобильная радиосеть измеряет количество осадков
Капли дождя ослабляют распространение электромагнитных волн. Используя специально разработанное программное обеспечение, исследователи могут получать информацию об осадках по колебаниям мощности сигнала на радиорелейных линиях сетей мобильной связи. Этот метод дополняет традиционные измерения и может применяться для управления водными ресурсами в странах с небольшим количеством метеостанций.
Обычно метеорологи определяют количество осадков за определённый период с помощью автоматических дождемеров или метеорологических радаров. Новая технология оценивает колебания мощности сигнала между передающими мачтами операторов мобильной связи, чтобы выяснить, где и сколько выпало дождя. Учёные из Института метеорологии и климатологии (IMK-IFU) KIT в Гармиш-Партенкирхене изучают этот метод в Германии с 2010 года. Его преимущество — предоставление информации о локальных осадках с минимальной задержкой. Кроме того, густая сеть сотовых вышек обеспечивает высокое региональное покрытие измерениями.
«Капли дождя примерно такого же размера, как длина волны микроволнового излучения радиорелейных линий, работающих на частоте 15 или 40 гигагерц. По этой причине они сильно ослабляют излучение в этом диапазоне частот», — объясняет профессор Харальд Кунстманн из IMK-IFU. Чем сильнее дождь, тем больше снижается мощность сигнала между двумя антеннами. Пользователи мобильной связи почти не замечают этого эффекта. Только в случае чрезвычайно сильного дождя излучение может ослабнуть настолько, что связь между вышками и, следовательно, телефонное соединение прерывается. Для исследователей этих колебаний достаточно, чтобы определить по степени ослабления сигнала, где и сколько выпало дождя.
Чувствительность метода измерения так же высока, как и при использовании классического метода дождемеров. «Порог обнаружения — интенсивность осадков в один миллиметр в час, данные доступны с задержкой всего в одну минуту», — добавляет доктор Кристиан Чвала, член исследовательской группы Кунстманна. Однако из-за особой структуры снега этот метод нельзя применять для этого типа осадков.
Технология была протестирована с использованием данных об ослаблении сигнала на 450 радиорелейных линиях в южной Баварии. Данные передаются напрямую из вычислительного центра партнёра по сотрудничеству Ericsson Deutschland исследователям климата в кампусе KIT Campus Alpine. Там данные обрабатываются и анализируются на предмет заметных колебаний мощности. Исследователям нужны только мощности передачи и приёма радиолиний. Конфиденциальная информация, например, детали передаваемой коммуникации, не собирается.
Соответствующие исследования финансировались Немецким исследовательским фондом (DFG) на общую сумму 600 000 евро на два года в рамках проекта «Интеграция данных микроволновых линий связи для анализа осадков в сложном рельефе: теоретические аспекты и гидрометеорологические приложения» (IMAP). Проект является частью трёхстороннего сотрудничества с учреждениями в Израиле и Палестине. Подана заявка на продление проекта ещё на три года, цель — увеличить количество оцениваемых радиолиний, повысить качество автоматической обработки данных и использовать информацию для прогноза паводков. Работу также поддерживает Фонд энергетических исследований Баден-Вюртемберга (Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg).
«В Германии около 1000 точек измерения осадков, но примерно 100 000 радиорелейных линий, которые теоретически можно использовать для измерений», — объясняет доктор Феликс Кейс, также член исследовательской группы. Использование новой технологии измерения может позволить быстрее предупреждать о наводнениях в горных регионах. «Но, прежде всего, метод обладает большим потенциалом для стран, где есть несколько метеостанций или вообще нет ни метеостанций, ни дождевых радаров, но есть плотная сеть мобильной связи», — говорит Харальд Кунстманн. В таких регионах, как Западная Африка, этот метод может помочь получить больше информации об осадках для улучшения прогнозных моделей, крайне необходимых для управления водными ресурсами. Под руководством KIT международные исследователи в настоящее время налаживают контакты с учёными Западной Африки и операторами радиосетей, в том числе в Гане и Буркина-Фасо, для продвижения этого инновационного метода.