OPÓŹNIENIE TROPOSFERYCZNE GNSS I JEGO ZASTOSOWANIE DO BADAŃ STANU ATMOSFERY

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 54 Geodezja 2013 Michał Kruczyk Wydział Geodezji i Kartografii OPÓŹNIENIE TROPOSFERYCZNE GNSS I JEGO ZASTOSOWANIE DO BADAŃ STANU ATMOSFERY Rękopis dostarczono r. 1. WSTĘP Celem pracy jest przedstawienie empirycznych dowodów na rzecz tezy, że uzasadniona i wskazana jest wymiana informacji na temat opóźnienia troposferycznego (zasadniczego przejawu refrakcji sygnału GNSS) między geodezją satelitarną i meteorologią (zwłaszcza numerycznym prognozowaniem pogody). Przedstawiono szereg szczegółowych metod weryfikacji technik geodezyjnych i aerologicznych oraz zasady wykorzystania danych meteorologicznych w geodezji i geodezyjnych w meteorologii. Autor stara się zawrzeć w tej pracy doświadczenia szeregu lat badań wielu aspektów relacji pomiędzy wynikami rozwiązań GNSS i danymi meteorologicznymi, dlatego zawiera ona kilka uzupełniających tez. Zasadnicze wyniki badań autora, które zostaną przedstawione to: opracowanie metodyki weryfikacji jakości rozwiązań troposferycznych GNSS (także za pomocą danych aerologicznych) przetestowano kilka metod jak najlepiej porównywać strumienie danych z różnych technik opracowanie i przetestowanie procedur pozyskiwania ZTD (opóźnienia troposferycznego) i IPW (kolumnowej pary wodnej) z siatki numerycznego modelu prognozowania pogody COSMO (COnsortium for Small scale MOdelling) IMGW

2 4 Wstęp zademonstrowanie wykrycia systematycznego błędu techniki pomiaru IPW za pomocą fotometru słonecznego CIMEL dzięki kolokacji ze stacją GPS (udowodniono, że za pomocą techniki GPS można zweryfikować technikę aerologiczną) zademonstrowanie możliwości (i opracowanie procedury) wykorzystania opóźnienia troposferycznego z numerycznego modelu prognozowania pogody w rozwiązaniach PPP (punktowego pozycjonowania precyzyjnego) pokazano na kilku przykładach jak można IPW z pomiarów geodezyjnych użyć, jako cennego parametru meteorologicznego i klimatologicznego. Główne wnioski pracy można syntetycznie ująć następująco: rozwiązania troposferyczne GPS w sieciach permanentnych mają dobrą, ale nie idealną jakość, tj. występują w nich pewne rozbieżności, które powinny być monitorowane można dane o refrakcji troposferycznej pozyskiwane ze źródeł meteorologicznych wykorzystywać do weryfikacji rozwiązań GPS można także w niektórych przypadkach właśnie rozwiązania troposferyczne GPS wykorzystać do weryfikacji pomiarów aerologicznych występują pewne interesujące rozbieżności między informacjami meteorologicznymi używanymi w trakcie numerycznego prognozowania pogody a danymi GPS (model numeryczny można zasilać danymi GNSS) dane z modelu numerycznego prognozowania pogody da się z powodzeniem wykorzystać w geodezyjnych rozwiązaniach współrzędnych odpowiednio przetworzone rozwiązania troposferyczne GPS (jako kolumnowa zawartość pary wodnej) mogą być same w sobie źródłem informacji o atmosferze i klimacie. Praca niniejsza zawiera opis szeregu badań prowadzonych przez autora w zakresie szeroko pojętej geodezji satelitarnej (weryfikacja rozwiązań, precyzyjne pozycjonowanie) jak i meteorologii GNSS. Znaczna część tych badań została wykonana w ramach grantu MNiSW: Opóźnienie troposferyczne oraz całkowita zawartość pary wodnej (IWV) wyznaczane metodami geodezji satelitarnej, a pomiary aerologiczne i numeryczne modele pogody weryfikacja technik, opracowanie metodyki wymiany informacji (numer projektu: N N ). W projekcie tym uczestniczyli także koledzy z Katedry: Tomasz Liwosz, Jerzy Rogowski, Marcin Rajner (Politechnika Warszawska). W tekście (oraz podziękowaniach) zostanie zaakcentowane, co zostało przez nich wykonane. Niektóre obliczenia zostały wykonane przez autora wcześniej. Ze względu na dość szeroki zakres pracy część opisująca obszar badań (teorię), mimo że ograniczona, jednak pozostaje dość rozbudowana. Problematyka jest w obszarze podstawowym obecna w wielu podręcznikach. Autor zdecydował się jednak pozostawić elementarny szkic szerzej pojętej problematyki refrakcji i opóźnienia troposferycznego, gdyż wyrwana z kontekstu bywa często źle rozumiana. Refrakcja w geodezji pojawia się bowiem w kilku różnych wcieleniach.

3 Wstęp 5 Podawana literatura jest stosunkowo skromna i dotyczy głównie pozycji, z których autor bezpośrednio korzystał w swojej pracy. Nie tylko wyczerpujący opis, ale nawet pełny wykaz dotychczas wykonanych na świecie badań w tej bardzo modnej zwłaszcza w latach ok dyscyplinie zdecydowanie powiększyłoby pojemność tej rozprawy (autor nosi się z zamiarem wydania także takiej przeglądowo dydaktycznej publikacji). Ograniczono także w miarę możliwości cytowania. Ogólnie znane fakty (w wielu publikacjach) i wzory są podawane bez cytowania. Podobnie informacje z różnego typu nieformalnych publikacji dostępnych na www (odwołano się wówczas tylko do źródła lub nazwiska autora). W przypadku niektórych modeli, formuł, wzorów podano nazwisko autora i rok, nie jest to jednak cytowanie, lecz informacja, swego rodzaju identyfikator. Także wzory, które występują w większości podręczników do geodezji wyższej czy satelitarnej (np. Seeber, Torge, Czarnecki) podano bez cytowania. Większość wzorów meteorologicznych pochodzi z książek McIlvena i Andrewsa. Publikacja konsekwentnie trzyma się konwencji użycia anglosaskiej kropki jako separatora miejsca dziesiętnego jest to pomocne choćby w tym, że wyniki obliczeń oprogramowanie podaje właśnie w takiej formie. Przedstawione z konieczności w sposób wyrywkowy wyniki są reprezentatywnym elementem znacznie szerszego materiału. Minusem wielu prac badawczych w epoce ogromnej presji na natychmiastową publikację jest ich wyrywkowość. Wnioski są wyciągane na bazie stosunkowo skromnego, czasem przypadkowego zakresu danych. Ambicją autora było zgromadzenie i przetworzenie jak największej ilości danych (wiele lat) oraz spokojne wyciągnięcie wniosków. W tym celu prowadzono różne mniej i bardziej zaawansowane eksperymenty obliczeniowe. Opracowano oprogramowanie pozwalające na przetwarzanie ZTD, IPW, obliczania ich z danych meteorologicznych, profili radiosondażowych i siatki numerycznego modelu prognozowania pogody. Najbardziej eksponowana część pracy stanowią jednak wielorakie porównania serii danych geodezyjnych i meteorologicznych na tym etapie bowiem wyciągamy interesujące wnioski. Przedmiotem analizy są stosunkowo proste parametry: średnia różnica serii (traktowana jako błąd systematyczny bias), średnia absolutna różnica, odchylenie standardowe, RMS różnicy, współczynnik korelacji, współczynniki regresji itp. Może się to wydać zadaniem dość banalnym, jednak aby je systematyczne wykonać potrzebne jest wypracowanie pewnego warsztatu. W trakcie dość długiego okresu badań autor zgromadził w praktyce cały dostępny na serwerach centrów danych materiał dotyczący standardowych rozwiązań troposferycznych GPS/GNSS. Dane opracowywano w większości przypadków w odcinkach rocznych. Dobrą praktyką okazuje się opracowanie własnych formatów danych, (co prawda zainspirowanych SINEX em troposferycznym). Autor opracował formaty plików zawierających w postaci serii czasowej dla poszczególnych typów wykorzystywanych danych geodezyjnych i meteorologicznych. Przygotowano także szereg pewnego rodzaju zbiorów kolokacyjnych służących przy porównywaniu technik. Zawierają one

4 6 Refrakcja promieniowania elektromagnetycznego w atmosferze np. nazwy i identyfikatory stacji GNSS, punktów radiosondażowych ich odległości i wysokości. Dla modeli numerycznych konieczne są pliki do znajdowania stacji GNSS w siatce modelu, zawierają one parametry znajdowania oczek modelu NWP sąsiadujących z szukanym punktem, parametry interpolacji dwuwymiarowej i różne wersje wysokości stacji: elipsoidalną, ortometryczną (z modelu EGM 96) i orografii modelu numerycznego. Tylko na bazie tych danych przestrzennych możemy poprawnie porównywać wielkości odniesione do różnych punktów w przestrzeni i wyciągać wyważone wnioski. 2. REFRAKCJA PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNE- TYCZNEGO W ATMOSFERZE 2.1. PROPAGACJA FALI ELEKTROMAGNETYCZNEJ W OŚRODKU PODSTAWY FIZYCZNE Propagację fali elektromagnetycznej w ośrodku opisuje powszechnie znany zestaw równań Maxwella opisujące zależności między parametrami pola elektrycznego i magnetycznego. Zawierają one nie tylko natężenie, ale i indukcję pola elektrycznego i magnetycznego. W ośrodku dielektrycznym pozbawionym właściwości ferromagnetycznych i segnetoelektrycznych indukcja pola elektrycznego: D = εε0 H B = µµ0h a indukcja pola magnetycznego:, gdzie e i m to przenikalność elektryczna i magnetyczna ośrodka (a z indeksem 0 przenikalności próżni), E i D to natężenie i indukcja pola elektrycznego, zaś H i B to odpowiednio natężenie i indukcja pola magnetycznego. Przekształcenie równań Maxwella daje równania falowe dla natężenia pola elektrycznego i magnetycznego: E εε 0 µµ 0 2 E t 2 =0 H εε 0 µµ 0 2 H t 2 =0

5 148 Summary GNSS TROPOSPHERIC DELAY AND ITS USE IN RESEARCH ON STATE OF ATMOSPHERE Summary Work provides various empirical evidences on need for close cooperation of satellite geodesy and meteorology (and numerical weather prediction). Standard GNSS tropospheric delay products (IGS, EPN) show some inconsistencies, smaller after 2006 but still present (demonstrated by neat statistical analysis). Zenith Tropospheric Delay (ZTD) from GNSS solution (network or PPP) can be separated into hydrostatic part (it is a function of surface atmospheric pressure) and wet part which can be transformed into IPW. Integrated Precipitable Water (or Integrated water Vapour - IWV) column water vapour in atmosphere is highly interesting parameter of atmosphere. Amount of water vapour (here acquired by geodetic method) is crucial in thermodynamics of atmosphere (e.g. precipitation) and climate processes. Different GNSS solutions (with special case of EPN reprocessing) were verified by aerological techniques: radiosoundings and sun photometer CIMEL. It turns out that crucial problem in this comparisons is station collocation: bias and RMS depends on distance and station height. Permanent GPS station has been set up at Central Geophysical Observatory PAS (Belsk) in years , to carry out calibration campaign: GPS vs. sunphotometer CIMEL CF-318. IPW coming from two versions of GPS solutions (network and PPP) demonstrate deficiencies of IPW coming from sunpotometer technique. Differences were modeled by seasonal and semiannual signal; clearly CIMEL measurements are subject of systematic bias no-linear function of atmospheric temperature. The same procedure were tried for polar stations, especially at Hornsund (Svalbard). Vertical profiles of atmospheric parameters from numerical weather prediction models can be utilized in the same way as radiosounding. Input fields (so called analysis) and first prognosis steps of model COSMO (in two versions of 14 km and 2.8 km resolution) basic synoptic tool of Polish Institute of Meteorology and Water Management in Warsaw- were used to obtain both IPW and ZTD. Many factors were taken into account to work out optimal procedure: interpolation of data from model grid for GNSS station, corrections of height (crucial), vertical integration procedure etc. There is only slight degradation of data quality for first prognosis steps and we can get time series of IPW and ZTD with 3 h resolution. Two disparate procedures for obtaining ZTD were tried: hydrostatic (only wet part from integration) and complete integration of refractivity profile in vertical direction. The second method gives in comparison with EPN combined solution quite different results for 14 km resolution model (3 % bias), and 2.8 km resolution (0.5% bias). Use of surface meteorological data retrieved from numerical model for IPW calculation is also presented. Global model GFS (NCEP) was used only for IPW comparisons: results comparable to regional model COSMO. Topospheric delay from numerical weather model can be used in GNSS position solutions (PPP method). Horizontal coordinates estimated in PPP mode with use of COSMO model ZTD are comparable to coordinates obtained when ZTD is estimated. Vertical coordinates show greater scattering but less big outliers in case of ZTD from numerical weather model. Next topic is to analyze parameters of GNSS solutions most affecting ZTD solution: reference system shows more significance than orbits (ultra rapid or final). In the end this work demonstrates that IPW (column water) coming from satellite geodesy solutions reveals features of meteorological parameter: seasonal dependence, weather pattern changes etc. Most important application of long series od IPW of uniform quality is climatology. Work suggests how to search for climatological signal in IPW series.