Commerciële drones als veelbelovende meteorologische hulpmiddelen voor numerieke weersvoorspellingen

Klimaatverandering verergert extreme weersomstandigheden, en versterkt meteorologische fenomenen zoals stormen, orkanen, hittegolven en droogtes. In dit kader zijn numerieke weersvoorspellingen (NWP’s), die gebruik maken van complexe wiskundige modellen om atmosferische omstandigheden te simuleren, cruciaal geworden om mensen en bedrijven te beschermen tegen deze gebeurtenissen en andere weergerelateerde rampen.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat NWP-modellen een enorme hoeveelheid dagelijkse gegevens nodig hebben voor nauwkeurige voorspellingen. Hoewel een deel van deze gegevens afkomstig is van satellietbeelden en grondstations, wordt een gedetailleerde verticale structuur van de atmosfeer verzameld door sensoren die zijn gemonteerd op weerballonnen, die dagelijks gelijktijdig door meteorologische instanties wereldwijd worden vrijgelaten. Deze momentopnames van temperatuur, luchtvochtigheid, druk en wind op verschillende hoogtes bieden een gedetailleerd, real-time overzicht van de atmosfeer dat wetenschappers helpt om NWP-modellen te initialiseren.

Echter, het onderhouden van waarnemingen met weerballonnen is een kostbare en moeilijke taak, wat de verspreiding en dekking van dagelijkse metingen ernstig beperkt. Maar wat als goedkope drones die zijn uitgerust met sensoren net zo goed NWP’s zouden kunnen ondersteunen als weerballonnen?

In een recente studie heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Jun Inoue van het National Institute of Polar Research in Japan een veldcampagne van twee maanden uitgevoerd in Tsukuba City om te onderzoeken of dagelijkse metingen met drones naadloos konden worden uitgevoerd en geüpload om NWP’s te ondersteunen. De studie werd gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research: Atmospheres op 16 januari 2025.

“We hebben deze veldcampagne geïnitieerd om de haalbaarheid te beoordelen van het verkrijgen van continue dagelijkse metingen gedurende een periode van ten minste een maand met behulp van onbemande luchtvaartsystemen (UAS) of drones, om de gegevens in een formaat te distribueren dat bestemd is voor NWP, en om de gegevenskwaliteit te evalueren in vergelijking met die verkregen met meer conventionele meteorologische methoden,” zegt prof. Inoue.

Tijdens de twee maanden durende periode testte het onderzoeksteam drie verschillende soorten drones. Een daarvan was een meteorologische hexacopter met een reeks ingebouwde meteorologische sensoren, terwijl de andere twee commerciële quadcopter-drones waren waarop meteorologische sensoren waren gemonteerd.

Vanwege de vluchtvoorschriften in stedelijke gebieden konden drones slechts tot een maximale hoogte van 900 m stijgen. Iedere dag tijdens de studieperiode lanceerden teamleden deze drones op aangewezen tijden en gebruikten ze een laptop om de verzamelde gegevens om te zetten in een geschikt formaat voordat ze werden geüpload.

De onderzoekers vergeleken de gegevens die met de drones werden verkregen met routinematige radiosondegegevens die in de buurt met weerballonnen waren verzameld. Opmerkelijk is dat de metingen van luchttemperatuur, luchtvochtigheid en windsnelheid van de drones niet significant verschilden van die van weerballonnen, wat het potentieel van deze apparaten onderstreept om NWP-systemen op een zeer kosteneffectieve manier te ondersteunen. Bovendien konden de gegevens binnen 30 minuten na de metingen worden omgezet en geüpload, wat goed aansluit bij de huidige standaard operationele procedures.

“De resultaten van onze veldcampagne toonden aan dat twee keer dagelijkse UAS-profileringsmetingen haalbaar zijn vanuit het oogpunt van gegevenskwaliteit en gegevensoverdracht voor de NWP-systemen,” zegt prof. Inoue. “We benadrukken ook dat langdurige gegevensvalidatie voor elke UAS met behulp van goed gevestigde referentie-instrumenten cruciaal is om de operationele capaciteit van drones voor next-generation meteorologische observatiesystemen aan te tonen.”

De voordelen van het gebruik van goedkope drones voor dagelijkse meteorologische metingen zijn talrijk. Ze kunnen eenvoudig worden geïmplementeerd in spaarzame meteorologische observatiegebieden, zoals poolgebieden, ontwikkelingslanden en bergachtige gebieden, om conventionele systemen aan te vullen. Aangezien speciale academische kennis niet vereist is, kunnen getrainde lokale bewoners de nodige taken uitvoeren en de reikwijdte en dichtheid van meteorologische gegevens wereldwijd uitbreiden. Dit zou op zijn beurt de nauwkeurigheid van NWP-systemen aanzienlijk kunnen verbeteren, wat leidt tot nauwkeurige weersvoorspellingen en, het belangrijkste, ramppreventie via vroegtijdige waarschuwing.