研究船舶轨道以告知气候干预决策者

桑迪亚岛的科学家开发了计算机工具来研究无意中的海洋云层增亮。为了了解这些船舶轨道如何移动和消散，科学家们创建了船舶轨道及其持续时间的数学模型，他们在最近发表在《环境数据科学》上的一篇论文中分享了这一模型。

“船舶废气是气溶胶注入低层大气的一个例子，影响当地环境，而且每天都会发生，”桑迪亚统计学家兼项目负责人 Lyndsay Shand 说。

“我们一直在开发分析工具，以从卫星收集的观测数据中了解废气对云层的影响。例如，我们可以定位新形成的船舶航迹并跟踪其演变，以更好地了解它如何随时间影响当地海洋环境。我们已经发现船舶轨道持续超过 24 小时，比以前记录的时间更长。”

形成海洋云以减缓气候变化

船迹是海洋云层增亮的一个无意示例，这是一组正在考虑用于减缓气候变化及其影响的技术。海洋云层增亮的作用是产生海洋云层，在其热量被大气层或地球表面吸收之前将部分阳光反射回太空。

另一组类似的气候干预技术称为平流层气溶胶或气体注入。这涉及将称为气溶胶或气体的微小颗粒添加到高层大气中，模仿大型火山喷发的影响，以反射一些阳光并减少气候变化。

这两组技术有可能抵消温室气体的影响，温室气体通过吸收热量起作用，但可能会产生负面影响。

深入参与该项目的桑迪亚大气科学家 Erika Roesler 说，全国和全球的气候科学家希望了解海洋云层增亮和其他气候干预技术如何影响当地和全球气候，以便更好地为决策​​者提供信息.

Shand 和 Roesler 说，桑迪亚研究人员希望在我们称之为家园的星球上进行任何大规模实验之前，了解海洋云层增亮对全球降水、区域温度差异等的潜在影响。

跟踪云并减少不确定性

Shand 项目的重点是开发分析工具以了解船舶航迹的形成和行为。目标是能够使用公开可用的卫星图像和船舶位置信息来确定船舶轨道何时形成以及它们持续多长时间。

罗斯勒说，由空气中的水蒸气在船舶排放物周围凝结形成的船舶轨道反射阳光。船迹在全球范围内被发现，比以前想象的要频繁得多，为研究团队提供了廉价和无意的实验。

“了解来自船舶、发电厂和其他人类活动的气溶胶如何影响气候是气候模型不确定性的最大来源之一，”尚德说。“如果我们能更好地理解这些影响，我们就可以减少气候模型的不确定性，并改善决策者的决策。”

Shand 说，通过这个项目，团队现在可以识别并跟踪新形成的船舶轨道，因为它随云层移动，而产生它的船舶继续向另一个方向移动并形成新的轨道段。这对于更好地了解船舶尾气对周围云层的长期影响非常重要。她补充说，这些知识可以帮助科学界完善和改进气候模型。

卫星图像和创新算法

在这项研究中，研究人员使用了来自国家海洋和大气管理局和宇航局地球静止运行环境卫星的数据。每颗卫星每 5 到 15 分钟拍摄一次地球固定区域的快照。Shand 说，单个快照中的每个像素代表一个 500 平方米到 2 平方公里的区域，或者大约五分之一平方英里到四分之三平方英里。

该团队专注于 2019 年北太平洋从下加利福尼亚州到阿拉斯加的三个三天时段的卫星图像。他们还在智利海岸外的南太平洋和从上海到日本的东海观察到了船迹。

“在论文中，我们引入了两种新算法来跟踪船舶航迹编队，”尚德说。“一种算法使用观察到的图像，另一种算法使用物理现象，例如已知的风速和风向。这两种算法都可以让我们确定船舶航迹持续多长时间，但基于图像的算法对于持续超过八次的航迹表现要好得多小时。这使我们能够研究船舶废气如何消散到云层中，以及从视线中消失需要多长时间。”

Shand 说，凭借其新的基于图像的算法，研究团队能够跟踪船舶航迹的行为超过 12 小时，有时长达 29 小时。这比大多数大气建模模拟要长得多，后者研究船舶轨迹需要六到八个小时。它也比大多数最后的飞机尾迹都长，形成在船舶轨迹形成的高处，在适当的条件下，它可以保持可见长达四到六个小时。

为了取得如此大的性能改进，团队需要克服两个关键挑战。首先，他们采用了一种运动跟踪算法来跟踪海平面以上不到 3,000 英尺的低形船舶航迹。在 30,000 英尺以上的高度，与速度更快、体积更大的云相比，低云更难追踪。

其次，新算法还可以在日落和日出时跟踪具有挑战性的光线变化。“这个项目真正巧妙的事情之一是我们可以在整个日常周期中跟踪轨道，”尚德说。

除了跟踪船舶航迹外，这些算法还应该有助于研究未来任何有意的海洋云层增亮实验。该团队正在努力使其算法可供其他研究人员使用。

Shand 说，该项目促成了与联邦和学术研究人员的合作和对话。作为去年启动的多个项目的一部分，该项目期间开发的工具正在得到扩展。

“进行此类气候干预措施存在风险，”罗斯勒说。“气候科学界的作用是了解这些新兴技术及其风险和收益，以便在未来为拯救地球而必须采取气候干预措施时更好地为 决策​​者提供信息。”