"Opóźnienie troposferyczne (ZTD) w pomiarach GPS źródłem informacji o zawartości pary wodnej (IPWV) w atmosferze"

Transkrypt

1 Politechnika Warszawska Instytut Geodezji Wyższej i Astronomii Geodezyjnej kruczyk@gik gik.pw.edu.pl Tel. (22) Michał Kruczyk "Opóźnienie troposferyczne (ZTD) w pomiarach GPS źródłem informacji o zawartości pary wodnej (IPWV) w atmosferze" Seminarium Zakładu Geodezji Planetarnej CBK PAN Warszawa

2 Celem tego opracowania jest zasygnalizowanie wybranych, interesujących problemów w badaniach nad tzw. scałkowaną zawartością pary wodnej (IPWV) wyliczaną z opóźnienia troposferycznego (ZTD), które jest jednym ze standardowych wyników rozwiązania sieci permanentnej GPS. Główne problemy: badanie dokładności standardowych rozwiązań troposferycznych (CODE, SIO, kombinacje EPN i IGS) badanie przebiegu serii czasowych ZTD i IPWV IPWV jako parametr meteorologiczny i klimatologiczny projekty w trakcie realizacji 2

3 DANE OBSERWACYJNE PARAMETRY ORBIT, ERP REDUKCJA OBSERWACJI GPS : ESTYMACJA PARAMETRÓW TROPOSFERYCZNYCH PARAMETRY ROZWIĄZANIA: funkcja odwzorowawcza, cutoff angle, wagowanie obserwacji, interwał estymacji lub model poprawki, itp. CAŁKOWITE OPÓŹNIENIE TROPOSFERYCZNE W ZENICIE - ZTD MODEL HYDROSTATYCZNY CIŚNIENIE ATMOSFERYCZNE NA POWIERZCHNI OPÓŹNIENIE HYDROSTATYCZNE - ZHD OPÓŹNIENIE WYWOŁANE PRZEZ PARĘ WODNĄ (TZW. WILGOTNE) ZWD MODEL ŚREDNIEJ TEMPERATURY W ATMOSFERZE Procedura obliczania scałkowanej zawartości pary wodnej (IWV/PW) nad stacją GPS ZAWARTOŚĆ PARY WODNEJ W KIERUNKU ZENITU NAD MIEJSCEM POMIARU GPS IWV/IPW IWV[ kg / m 2 ] IPW[ mm3 ]

4 4 Podstawowe zależności Podstawowe zależności ] [ ] / [ 3 mm PW m kg IWV ZWD PW 2 dh T e dh T e T m ' V m R C T C IPW ZWD cos sin / Y D Y D IPWV ZWD ), ( 1 1 6, H f p C R ZHD d h trop dh e R. dh IPW w H w * T 1 * 1 H v

5 Wyznaczanie temperatury średniej Użyłem pofili z rediosondowań IMGW (Legionowo( Legionowo, Wroclaw ), Łeba (2). Porównanie temperatury średniej i współczynnik czynników regesji liniowej w odcinkach mesięcznych wykazuje podobną zmienność czasową i niezbyt wielką różnicę między punktami. Legionowo (293 sondowania) Wrocław (2356 sondowania) Łeba (364 sondowania) T m ( T 3.3)K T m ( T 3.9)K T m ( T 4.)K s s s 5

6 Zależność temperatura powierzchniowa - temperatura średnia dla Legionowa 31 temperatura srednia [K] temperatura powierzchniowa [K] Jasne punkty dzień; ; ciemne - noc 6

7 Wpływ modelu temperatury średniej na IPWV,15,1,5 roznica IPW [mm] -,5 -,1 -,15 -,2 -,25 -, Dzie n roku średnia różnica: RMS.5 mm (JOZE 2) Model polski Model amerykański T m ( T 3.3)K s T m T s 7

8 Zmiany czasowe współczynnika ZWD/IPWV Dokładność liniowego modelu temperatury średniej (~ 3 K) wpływa na współczynnik ZWD/IPWV na poziomie 2.4 % i powoduje różnicę IPWV około.4 mm; model Emardsona nie wymaga pomiaru temperatury ale jest mniej dokładny. 7 6,9 radiosonda model Emardsona 6,8 6,7 ZWD/IPWV 6,6 6,5 6,4 6,3 6,2 6, dzień (od 1 stycznia 1997) 8

9 Ogólnodostępne produkty troposferyczne: IGS ( ZPD format) GFZ testowo już od 89 tygodnia GPS; dostępny po kilku tygodniach; dokładność nominalna 4 mm IGS Ultra Rapid (SINEX troposferyczny) GFZ od połowy 21; dostępny po 3 godzinach; dokładność nominalna 6 mm EPN (zmod.. SINEX troposferyczny) od 111 tygodnia GPS BKG, GFZ od 113 (zbiory tygodniowe, interwał 1 godzina) delta ZTD [mm] Maksymalne rozbieznosci dla wszystkich rozwiazan troposferycznych (roznych Centrow Analiz) dla polskich stacji EPN BOGO BOR1 JOZE LAMA WROC KRAW BOGI KATO ZYWI tydzien GPS

10 6 Średnie tygodniowe różnice rozwiązań troposferycznych Centrów Analiz EPN i produktu 'kombinowanego' GFZ 4 delta ZTD [mm] 2-2 NKG OLG -4 SUT WUT tydzień GPS Rozbieżności rozwiązań troposferycznych EUREF i produktu kombinowanego GFZ uśrednione w odcinakach tygodniowych dla JOZE 1

11 Rozwiązania troposferyczne Centrów Analiz EPN można analizować pod kątem różnic (rozbieżności w stosunku do kombinacji wyników wszystkich Centrów) dla poszczególnych centrów jakość danego rozwiązania, lub poszczególnych stacji GPS i rozważać dystrybucję 'geograficzną' tych różnic. Poniżej przedstawiono uśrednione różnice ZTD dla stacji EPN w funkcji ich szerokości geograficznej delta ZTD [mm] szerokość geogra ficzna [sto pnie] 11

12 Porównując standardowe rozwiązania godzinne ZTD (tu dla JOZE) Centrów Analiz EPN można czasem dostrzec, że jedno z nich odstaje (tu SUT) 25 ZTD dla JOZE z czterech Centrów Analiz EPN NKG OLG SUT WUT 242 ZTD [mm] dzień roku (24)

13 Różnice rowiązań tropos fe rycznych Ce ntrów Analiz EPN w roku delta ZTD [mm] ASI BEK BKG COE DEO GOP IGE IGN LP T NKG OLG ROB SGO SUT UP A WUT Ce ntrum Ana liz EPN ś rednia różnica [mm] ś rednia abs olutna różnica [mm] Uśrednione różnice rozwiązań poszczególnych centrów z wszystkich stacji. Stosunkowo najgorsze Centra Analiz to ASI i DEO, które używają oprogramowania innego niż Bernese 13

14 Mapa uśrednionych na przestrzeni roku 23 różnic wszystkich rozwiązań troposferycznych dla wszystkich stacji EPN 14

15 Różnica kombinacji troposferycznych GFZ - EUR dla JOZE delta ZTD [mm] ,5 22,5 ro k 23,5 24,5 Jak widać nawet produkty będące kombinacją wielu rozwiązań troposferycznych mogą wykazywać różnice. 15

16 ZIMM 6. HFLK BZRG ONSA UPAD MEDI POTS BOR1 GRAZ DISZ LEND BOZI LJUB CAOP CSAR MALJ BRSK OSJE LAMA JOZE DRES WROC SNIE POL1 GOPE LYSA GRYB WTZR TUBO SKPL KAME PART UZHL UZHD MOPI STHO TARP SBGZ PENC PULA CSAN METS LVIV SULP BUCU Różnice IPW z dwu strategii rozwiązania zania kampanii CERGOP-2 2 (21); kolor czerwony większe opóźnienie ze strategii B,, niebieski A; ; w milimetrach A - funkcja odwzorowawcza Saastamoinena, bez wagowania B - funkcja odwzorowawcza Dry Niell, wagowanie z wysokości ciąą 4. UNPG HVAR SRJV DUBR SOFI MATE IPW[mm] Rozw. A 5 Rozw. B DOY(21)

17 Meteorologia GPS 1 5 STJO (Kanada) antykorelacja IPWV i ciśnienia atmosferycznego; Brak wyraźnej regresji pomiędzy IPWV i wilgotnością na powierzchni wilgotnosc absolutna na powierzchni IPWV [mm] 17

18 Meteorologia GPS wilgotność abs o lutna [g /m^3] IPWV [mm] IWV z GPS a wilgotność absolutna na powierzchni Ziemi (tu OHI2). Wnioskujemy, że choć istnieje wyraźna korelacja pomiędzy wilgotnością na powierzchni a IPWV, to nie ma wyraźnej regresji. Seria IPWV z rozwiązania GPS niesie istotną Informację o dystrybucji Pary wodnej w atmosferze. Opóźnienia ZWD nie da się dobrze zamodelować w funkcji danych meteorologicznych. 18

19 IPWV - GPS W podobnym zestawieniu serii IPWV z GPS i radiosondażu liniowa zależność jest znacznie lepsza mimo sporej odległości Józefosław- Legionowo IPWV - radiosonda 19

20 Start radiosondy 2

21 1 5 surface temperature [Celsius] IPWV [mm] IWV z GPS a temperatura na powierzchni Ziemi (tu OHI2) Zależność inna nad wodą a inna nad lodem (poniżej 5 stopni) 21

22 IPWV źródłem informacji o parze wodnej w troposferze - antykorelacja z ciśnieniem atmosferycznym JOZE & POTS IPWV IPWV[mm ] POTS JOZE DOY (2) Cis nienie [hpa] POTS JOZE DOY (2) 22

23 Stacje CAGL i CAGZ najbliższe w całej EPN (odległość 4 m!) -współczynnik korelacji ZTD ZTD [mm] CAGL CAGZ dzien roku (23) 23

24 Stacje BOGI i BOGO (odległość 84 m) -współczynnik korelacji ZTD występuje różnica systematyczna 7 mm - okazuje się ze BOGO znajduje się na dachu budynku, 1 m ponad BOGI BOGO BOGI

25 stacje Odległość [km] Współczynnik korelacji CAGL CAGZ JOZE JOZ BOGO BOGI OBE2 OBET KIRU KIR TORI IENG WARE EIJS JOZE BOGO

26 IPW dla dwu stacji permanentnych: 1) w rejonie Warszawy: BOGO JOZE, odległość 42 km; korelacja.96 2) LAMA JOZE, odległość ok. 18 km, korelacja IPW [mm] BOGO JOZE DOY(2) IPW [mm] LAMA JOZE DOY (21) 26

27 IPWV [mm] DRES 12 WROC DOY (21) IPW z kombinacji troposferycznej EUREF dla Drezna i Wrocławia (odległość ok. 22 km) wsp. korelacji,9,8,7,6,5,4,3,2, opoznienie DRES w s tos unku do WROC [godziny]

28 ZTD [mm] DAV1 CAS DOY (23) współczynnik korelacji,36,355,35,345,34,335,33,325,32,315 (CAS 1)-2 (CAS1)-1 (CAS 1) (CAS1)+1 (CAS1)+2 (CAS1)+3 (CAS1)+4 (CAS1)+5 (CAS 1)+6 (CAS 1)+7 przesunię cie czasowe serii dla CAS1 [godzin] (CAS 1)+8 (CAS1)+9 ZTD z kombinacji troposferycznej IGS dla DAV1 i CAS1 (odległość ok. 2 km) i ich korelacja z zastosowaniem przesunięcia czasowego serii względem siebie. Widać, że masy powietrza wędrują na wschód. 28

29 Mapy rozkładu IPWV dla stacji kampanii CERGOP-2 23 o tej samej porze dnia w ciągu 4 kolejnych dni (rozwiązanie: T. Liwosz) Stacji jest wciąż za mało by uzyskać rozdzielczość przestrzenną charakterystyczną dla zmienności zawartości pary wodnej. (Porównaj ze zdjęciami satelitarnymi w kanale WV (podczerwień) na kolejnych slajdach (zamieszczone tylko jako ilustracja; kalibracja jest dość złożonym problemem). 29

30 Satelitarne obrazy pary wodnej (kanał WV) Meteosat-7 (copyright EUMETSAT) 3

31 W opracowaniu IMGW (SOK) 31

32 32

33 GOES - East 33

34 34

35 35

36 IPWV jako parametr klimatologiczny Do bardzo ciekawych wniosków można dojść analizując 'zachowanie' parametru IPWV dla stacji GPS położonych w różnych obszarach klimatycznych. Na kolejnych slajdach przedstawiam uśrednione w odcinkach dobowych wartości IPWV, które porównuję ze średnimi dobowymi temperaturami na powierzchni. Widoczne stają się cechy klimatu: bardziej lub mniej (BAHR) widoczny cykl roczny, dłuższe wilgotne lato (AOML) lub sucha zima (STJO), odmienność poszczególnych lat. 36

37 Ś re d n ie d o b o w e IP W V d la J O Z E : IPW [mm] Ś re d n ie d o1 b9 o9 9w e t e m p e rt2ury d la J O ZE : ro k te mpe ratura [C] ro k

38 Średnie dobowe IPWV dla MATE (Włochy) 4 3 IPW [mm] ,5 2 2, , , , ,5 year Średnie dobowe IPWV dla REYK IPW [mm] , , , ,5 24 rok 38

39 Dobowe IPWV dla stacji AOML (Floryda) [mm] ro k AOML te mpe ratura stopnie C ro k 39

40 Dobowe IPWV dla STJO (Nowa Funlandia, Kanada) IPWV [mm ] ,5 2 2, , , , ,5 ro k Temperatury dobowe dla STJO [s to pnie C] ,5 2 2, , , , ,

41 Dobowe IPWV dla BAHR (Bahrajn) IPWV [mm] ,5 2 2, , , , ,5 ro k Temperatury dobowe dla BAHR [s to pnie C] ,5 2 2, , , , ,5 ro k 41

42 Dobowe ś rednie IPWV i temperatury dla OHI2 (Antarktyda) dzień roku [22 + początek 23] Widać odwrócenie pór roku w stosunku do półkuli północnej 42

43 Obecnie pracuję nad dwoma projektami związanymi z IPWV: wyznaczenie IPWV z radiosondowań w 3 punktach na terenie Europy które znajdują się w promieniu 3 km od najbliższej stacji permanentnej EPN, oraz porównanie z seriami ZTD uruchomienie automatycznego processingu GPS w trybie NRT w ramach projektu TOUGH. Poniżej wynik jednego z eksperymentów by znaleźć optymalna rozdzielczość czasową przy estymacji ZTD Róznice rozwiązań ZTD przy poprawce troposferycznej z krokiem 3 i 1 minut BOR1 WROC JOZE POTS de lta ZTD [mm] dzień roku 24 43

44 I rozwiązanie 1 godzinne oraz 1 minutowe. Classic 1-hour tropo solution (red line) and 1 -minut solution (blue dots ) for BOR ZTD [mm] DOY 23 44

45 NRT obliczenia w czasie prawie rzeczywistym dla celów w prognozowania pogody rozwiązania zania COST 716, GOP AC, kombinowane z 12 godzin ZTD [mm] SIO GOPE-NRT DOY (21) RMS różnicy na poziomie 4-6 mm i systematyczne różnicę zaledwie ok. 1 mm! 45

46 NRT różnice ZTD pomiędzy estymatami dla kolejnych godzin 8 Dobowe: JOZE NYA1 8 Godzinne: BOGO 7 7 srednia roznica [mm] srednai roznicca ZTD [mm] godzina doby godziny doby srednia roznica [mm] godzina doby 46

47 Numeryczne modele pogody NWP Numerical Weather Prediction 47

48 48

49 UMPL (ICM UW): siatka 17 km, 31 poziomów wersja Unified Model Meteo Office, Wielka Brytania 49

50 Model mezoskalowy IMGW/DWD Kolejno: Wiatr i ciśnienie Zachmurzenie Opady 5

51 Porównanie przebiegu IPW z GPS i modelu UMPL dla kilku stacji IPW [mm] GPS UMP L IPW - JOZE VIII DOY IPW [mm] GPS UMP L IPW BOR1 IX 1999 DOY TWD [mm] GPS UMPL DOY (1999) ZWD - METS VIII

52 62 mm godzina 15. TU godzina 23. TU 52

53 NOAA/FSL Ground-Based GPS-IPW Demonstration Network Eksperymenty z asymilacją ZTD do modeli numerycznych: RUC 6, RUC 2 Start: 1994; 121 stacji wrzesień 22; 24: stacji; w tym 47 NOAA Inne agencje to zwłaszcza USCG, DOT, NGS (CORS), SCIGN... Proponowane: 4 podstawowych, 6 pomocniczych 53

54 SuomiNet - UCAR, konsorcjum uniwersytetów (głównie USA) Finansowanie: NSF, poszczególne uniwersytety, Departament Energii, Trimble dostarczył specjalną wersję stacji bazowej. Niezależny processing koncentrujący się na rozwiązaniach troposferycznych i jonosferycznych korzysta z wielu punktów sieci NOAA-FSL. Koncepcja zintegrowanego narodowego instrumentu geofizycznego. Niezależne, (konstruktywnie) konkurencyjne zespoły korzystają z tej samej publicznej infrastruktury pomiarowej i wspólnie ja rozwijają. Zapewnia to kontrole wyników i wymianę doświadczeń, oraz selekcjonowanie najlepszych tak merytorycznie jak i ekonomicznie rozwiązań. 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 59

60 Projekt GASP (obejmuje także część SAPOS) Subprojekt 1. źródło: GFZ 6

61 COST 716/ TOUGH Benchmark campaign 9-23 czerwca 2, 44 stacje wynik: mm zgodność ZTD Faza testowa rozpoczęta w marcu 21 Punkty liczone w trybie NRT 61

62 Centra Analiz (EPN) prowadzące obliczenia w trybie NRT: GFZ GOP LPT NKG ICEE ASI CNES Używane oprogramowanie: Bernese, GIPSY, GAMIT, EPOS Eksperymenty z asymilacją ZTD do modeli numerycznych: DWD Local Model, HiRLAM, UM (Meteo Office) efekt nie negatywny Asymilacja to proces znalezienia reprezentacji modelu, która jest najbardziej zgodna z obserwacjami 62

63 Zaćmienia radiowe satelitów w LEO Specjalne algorytmy: transformata Abela i inwersja Fresnela Projekty: GASP subprojekt 2 GFZ GENESIS JPL Satelity: MicroLab-1 (1995) - eksperyment GPS/MET, Øersted, SUNSAT (1999) SAC-C (2), CHAMP (2) PICOSat (IOX) 21 GRACE 22 Cały szereg misji wyposażonych w odbiorniki GPS jest planowany (MetOp 1, COSMIC, Minisat-2, ICESat i inne) 63

64 Przyszłościowe kierunki badań: poprawa procedur asymilacji IPW do modeli prognostycznych tomografia atmosfery za pomocą GPS (AWATOS, inwersja SPD dla odbiorników naziemnych zintegrowane bazy danych IPW z różnych źródeł wykorzystanie numerycznych modeli pogody w pozycjonowaniu i wyznaczaniu orbit satelitów GPS rozwój sieci NRT (interwał czasowy rozwiązań 1-5 minut, zagęszczanie sieci stacji separacja poniżej 5 km) klimatologia Uproszczona struktura widma pary wodnej i dwutlenku węgla w w podczerwieni 64

65 Inne techniki detekcji pary wodnej Radiosonda (rawisonde RAOB) WVR Water Wapour Radiometer 1) naziemne np. : Radiometrics WVR-11, MFRSR 2) satelitarne (lepiej spisuj się nad oceanami): - GOES (IR Imager, Vertica Sounder) i Meteosat - SSM/ I (satelity DSMP) - AMSU, AVHRR, HRISR (satelity POES/ NOAA) - Inne: Terra, Aqua, Envisat, ERS-2 (Microwave Sounder), ADEOS, GFO, TOPEX/Poseidon, TRMM, Jason-1 DOAS Differential Optical Absorption Spectroscopy AERI Atmospheric Emitted Radiance Interferometer AIRS Atmospheric Infrared Sounder Sun photometer Lidar: - DIAL Different Absorbtion Lidar - Raman Lidar 65

66 Podziękowania Pan prof. Jerzy B. Rogowski Pan Tomek Liwosz Jan Dousa i Eric Vedel (TOUGH) Dr Bogumił Jakubiak (ICM) Pani doc. Zenobia Lityńska (IMGW) KBN 66

67 67

68 68

69 69