IWV/IPW z rozwiązań GNSS a dane meteorologiczne - kilka przykładów porównań

Transkrypt

1 IWV/IPW z rozwiązań GNSS a dane meteorologiczne - kilka przykładów porównań Michał Kruczyk, Tomasz Liwosz Politechnika Warszawska Katedra Geodezji Wyższej i Astronomii Geodezyjnej Konferencja SATELITARNE METODY WYZNACZANIA POZYCJI WE WSPÓŁCZESNEJ GEODEZJI I NAWIGACJI Wrocław, 2-4 czerwca 21

2 Poruszane problemy IPW z radiosnodaży (RAOBs) a rozwiązania ZTD w ramach EPN IPW z fotometru słonecznego CIMEL-318 IPW z ZTD w kampanii reprocessingu EPN (rozwiązanie WUT) Kampania pomiarowa w GPS w Belsku (kolokowana z fotometrem słonecznym) IPW z numerycznego modelu prognozowania pogody COSMO-LM (IMGW)

3 Wykorzystanie danych radiosondażowych do weryfikacji rozwiązań GPS

4 Porównanie IPW z rozwiązań finalnych EPN (lokalny pomiar meteo na stacji) oraz obliczonych z profili radiosondażowych w roku 21 radiosounding point GPS distance [km] RAOB point height [m] bias [mm] mean absolute bias [mm] difference RMS [mm] 3238 UK ALBEMARLE MORP 13299S UK HERSTMONCEUX HERS 13212M UK HERSTMONCEUX HERT 13212M SW PAYERNE ZIMM 141M DL EMDEN-FLUGPLAT BORJ 14268M CZ PRAHA-LIBUS GOPE 1152M CZ PROSTEJOW TUBO 1153M PL LEBA REDZ 12227M PL LEGIONOWO BOGI 1227M PL LEGIONOWO JOZ2 1224M PL LEGIONOWO JOZE 1224M TU ISTANBUL/GOZTE ISTA 287M TU ANKARA/CENTRAL ANKR 285M DL SCHLESWIG HOE M DL LINDENBERG POTS 1416M DL ESSEN EUSK 14258M DL KUEMMERSRUCK WTZR 1421M GR HERAKLION (AIR TUC M no of points

5 IPW GPS JOZE IPW GPS Borkum (BORJ) IPW GPS Chania (TUC2) Scałkowana zawartość pary wodnej IPW z kombinacji troposferycznej EPN dla 3 par GNSS- radiosondaż: JOZE-Legionowo, BORJ-Emden, TUC2-Heraklion w roku 21 5 IPW [mm] radiosounding vs. GPS for JOZE/Legionowo 21 5 IPW [mm] radiosounding vs. GPS for Borkum/Emden 21 5 IPW [mm] radiosounding vs. GPS for TUC2 /Heraklion IPW radiosounding Legionowo IPW radiosounding Emden IPW radiosounding Heraklion Odległości: Józefosław Legionowo; Borkum-Emden, Chania-Heraklion 34 km 47 km 97 km

6 IPW VIS GPS (surface metso from sounding) Porównanie IPW z rozwiązań finalnych EPN (dane meteo z punktu startu radiosondażu) oraz obliczonych z profili radiosondażowych w roku 21 (źródło University of Wyoming) Visby (VIS) 21 IPW [mm] radiosounding vs. GPS for Visby IPW radisounding (2591) radiosounding point GPS distance [km] bias [mm] mean absolute bias [mm] difference RMS [mm] no of points 1415 NO STAVANGER/SOLA STAS 133M SN VISBY AEROLOGI VIS 1423M FI JOKIOINEN METS 153S UK Castor Bay BELF 1324M NL DE BILT KOSG 1354M FR BREST BRST 14M FR BREST GUIP 14M FR TRAPPES MLVL 192M FR TRAPPES SMNE 11M FR NIMES/COURBESS AXPV 157M FR AJACCIO AJAC 177M SP LA CORUNA ACOR 13434M SP SANTANDER CANT 13438M SP ZARAGOZA/AEROP ZARA 13462M SP Palma de Mallo MALL 13444M GI GIBRALTAR CEU M DL GREIFSWALD SASS 14281M DL BERGEN HOBU 1422M DL LINDENBERG POTS 1416M DL ESSEN EUSK 14258M OS WIEN/HOHE WART TRF2 1147M SQ POPRAD/GANOVCE GANP 11515M HU BUDAPEST/LORIN BUTE 1129M HU BUDAPEST/LORIN PENC 1126M IY TRAPANI/BIRGI MILO 12758M IY CAGLIARI/ELMAS CAGL 12725M IY CAGLIARI/ELMAS CAGZ 12725M GR THESSALONIKI ( AUT M LT Kaunas VLNS 181M UR L'VIV SULP 12366M

7 Wykorzystanie fotometru słonecznego (CIMEL CF-318) w Centralnym Obserwatorium Instytutu Geofizyki PAN w Belsku λ = φ = h = 19. m 33 km od JOZE Linie: 44 nm, 87 nm Stacja permanentna BELS założona przez KGiAG PW od czerwca 29

8 IPW [mm] CIMEL sunphoteometer, Belsk Pomiary odbiornikiem Trimble 4SSE (dawny stacyjny JOZE) na punkcie BELS opracowane w standardzie WUT LAC w sieci 27stacji zestawione z pomiarem z fotometru słonecznego (CIMEL CF-318) rok IPW [mm] GPS Belsk

9 IPW z rozwiązania dedykowanego WUT LAC (w sieci 27stacji) zestawione z pomiarem z fotometru słonecznego (CIMEL CF-318) rok 21 dla JOZ2 i BOGI Belsk JOZ2 Belsk - BOGI

10 Zestawienie IPW z fotometru słonecznego w roku 21 i różnych rozwiązań pobliskich stacji GNSS CIMEL GPS solution bias [mm] mean absolute bias [mm] difference RMS [mm] no of points no of CIMEL measurements Belsk lev2 BELS dedicated Belsk lev2 BOGI EUR comb Belsk lev2 BOGI dedicated Belsk lev2 BOGI WUT LAC Belsk lev2 BOGO dedicated Belsk lev2 JOZ2 EUR comb Belsk lev2 JOZ2 dedicated Belsk lev2 JOZ2 WUT LAC Belsk lev2 JOZE EUR comb Belsk lev2 JOZE dedicated Belsk lev2 JOZE WUT LAC Belsk lev15 BELS dedicated Belsk lev15 BOGI dedicated Belsk lev15 BOGI WUT LAC Belsk lev15 BOGO dedicated Belsk lev15 JOZ2 dedicated Belsk lev15 JOZ2 WUT LAC Belsk lev15 JOZE EUR comb Belsk lev15 JOZE dedicated Belsk lev15 JOZE WUT LAC

11 delta ZTD [mm] delta ZTD [mm] IPW w seriach ZTD kampanii reprocessingu - rozwiązanie WUT LAC Konieczność reprocessingu widoczna w rozwiązaniach ZTD: Statystyka rozwiązań wszystkich Centrów Analiz EPN w stosunku do kombinacji troposferycznej w roku 26 i 29 EPN tropospheric solutions 26: LACs vs combination EPN tropospheric solutions 29: LACs vs combination LPT IGN IGE GOP DEO COE BKG BEK ASI SGO ROB OLG NKG WUT UPA SUT 2-2 ROB OLG NKG MUT LPT IGN IGE GOP DEO COE BKG BEK ASI WUT UPA SUT SGO EPN Analysis Center mean difference [mm] mean absolute difference [mm] EPN Analysis Center mean difference [mm] mean absolute difference [mm] 4 4

12 IPW JOZE from EPN comb. /reprocessing by WUT LAC [mm] Wykorzystanie fotometru CIMEl-318 do weryfikacji rozwiązania troposferycznego: IPW z rocznych serii ZTD z produktu kombinowanego EPN i kampanii reprocessingu sieci EPN (tu rozwiązanie WUT w roku 26) niebieskie punkty rozwiązanie oryginalne, czerwone - reprocessing IPW from CIMEL sunphotometer - Belsk [mm]

13 IPW reprocessing WUT IPW z rocznych serii ZTD produktu kombinowanego EPN i rozwiązań uzyskanych przez WUT LAC w ramach kampanii reprocessingu sieci EPN dla roku 25 względem radiosnodażu w Legionowie: niebieskie punkty rozwiązanie oryginalne, czerwone - reprocessing EUR bias: -1.7 RMS: JOZE EUR JOZE WUT repro IPW sondaż Legionowo WUT repro bias:.9 RMS: 1.73

14 IPW [mm] Modele przebiegu średniej dobowej IPW dla kilku stacji EPN w 27 roku BAIA SOFI REYK TUBO ZIMM QAQ1 PDEL NSPP DOY 27 IPW może być potraktowana jako parametr klimatologiczny

15 IPW [mm] Przebieg modelu średniej dobowej IPW dla stacji JOZE w roku 25 z rozwiązań EUR (kombinowane), SIO (globalne IGS) i kampanii reprocessingu WUT EUR SIO WUR repro DOY 25 Charakterystyczny kształt krzywej dla SIO i WUT reprocessing podobny, kombinacja oryginalnych rozwiązań EUR trochę odstaje

16 Numeryczny model prognozowania pogody COSMO- LM_14 (IMGW, zastosowany m.in. w Pogodynka.pl) jako źródło danych meteorologicznych w 3D - siatka modelu: 193x161 oczek o rozmiarach 14x14 km - siatka Arakawa C o (na wszystkich mapkach przedstawiamy po prostu siatkę modelu - 36 poziomów hybrydowych (35 warstw - półpoziomów) elementów w każdym z oczek - uruchamiany 2 razy na dobę - pole wejściowe (2x na dobę) po asymilacji traktowane jako baza danych o atmosferze - można wykorzystać też kroki prognozy 3h, 6h i 9h - dane w formacie GRIB czytana programem wgrib (źródło: A.Mazur)

17 COSMO-LM_14 pole temperatury

18 Wyznaczanie IPW z pól modelu COSMO Dla kroków T= h, 3h, 6h, 9h odczytujemy/obliczamy odpowiednie wielkości (IWV/PW, temperaturę i ciśnienie na powierzchni ziemi) w węzłach siatki i interpolujemy dla wszystkich (164) stacji EPN + COG IGF PAN (Belsk) + 33 punktów radiosondażowych znajdujących się w obszarze modelu, w sumie 198 punktów IPW [ mm ] IWV [ kg / m 2 ] v dh trop, w Badamy kilka opcji całkowania w kierunku pionowym: - proste sumowania półpoziomów (35) - odtwarzanie danych meteo w półpoziomach i poziomach (7 warstw) - dokładniejsze odtwarzanie profilu pionowego p,t,e(q)

19 Struktura poziomów w modelu COSMO (hybrydowa zmienna ciśnieniowa i poziomy całkowite i połówkowe) źródło: G. Doms, U. Schaettler: A Description of the Nonhydrostatic Regional Model LM Part I : Dynamics and Numerics

20 Różnice wartości IPW [mm] dla wszystkich stacji EPN w obrębie modelu pogody COSMO-LM uśrednione w roku 21 (kombinacja EPN EUR COSMO-LM), krok T=

21 RMS różnicy wartości IPW [mm] dla wszystkich stacji EPN w obrębie modelu pogody COSMO-LM uśrednione w roku 21 (kombinacja EPN EUR COSMO-LM), krok T= FOYL BELF INVR DARE MORP STAS TERSBORJ WSRT KOSG DELF HOE2 HELG OSLS SULD SMID HOBU PTBB SPT ONSA BUDP SASS WARN BYDG BOGO BOGI GWWL JOZE JOZ2 BPDL POTS BOR1 LODZ NEWL HERT HERS DENT WROC BRUS DRES LIL2 WARE EIJS CLIB EUSK BISKKATO SULP MARJ KRAW KRA1 DOUR REDU BADH KLOP POUSCRAK GOPE CPAR CFRM ZYWI USDL CAEN BRST GUIP CREI CTAB TUBO GANP SMNE MLVL KARL WTZR VACO BBYS UZHL ENTZ MOP2 MOPI IGEO MAN2 LINZ BAIA TRF2 PENC BUTE BACA SBG2 SPRN VFCH PFA2 BSCN HFL2 AUTN GRAZ OROS LROC ZIMM ZIM2 CHIZ BZRGZOUF DEVA SJDV GSR1 MDOR COST EGLT COMO ROVE OSJE BUCU PADO VEN1 PUYV IENG TORI MOPS BOLGARI GENO MSEL MEDI SCOA SRJV TLMF TLSE GRAS PRAT IGMI MARS AXPV SOFI RIOJ ESCO UNPG LLIV ELBA CREU UNTR ZARA AQUI DUTH BELL AJAC MSE ORID AUT1 EBRE TERU MAR6 REDZ METS KURE SUUR SWKI LAMA VIS RIGA TOIL TORA VLNS CNIV GLSV

22 IPW [mm] Wartości IPW dla Lamkówka: z kombinacji troposferycznej EPN i pól wejściowych numerycznego modelu pogody COSMO-LM w roku 21 LAMA 21 IPW [mm] GPS EPN komb COSMO -LM IMGW DOY Bias: -1. mm (6%), RMS różnicy: 2.16, współczynnik korelacji:.977

23 COSMO-LM IMGW delta IPW [mm] Porównanie wielkości z kombinacji EPN i modelu COSMO-LM: IPW dla Lamkówka w 21 krok zerowy (analiza) Różnica IPW: COSMO - GNSS (EPN) LAMA DOY LAMA 21 IPW [mm] GPS - kombinacja EPN

24 IPW model COSMO-LM - IMGW Porównanie wielkości z kombinacji EPN i modelu COSMO-LM: IPW dla Józefosławia w 21 krok zerowy JOZE 21 IPW [mm] bias (EPN-COSMO): -.68 mm (4%) średnia różnica absolutna: 1.59 mm RMS różnicy: 2.18 mm 1 5 wsp. korelacji: IPW GNSS kombinacja EUR

25 IPW model COSMO-LM - IMGW Porównanie wielkości z kombinacji EPN i modelu COSMO-LM: IPW dla Wrocławia w 21 krok zerowy WROC 21 IPW [mm] bias (EPN-COSMO): -.63 mm (4%) średnia różnica absolutna: 1.42 mm RMS różnicy: 1.96 mm 1 5 wsp. korelacji: IPW GNSS kombinacja EUR

26 Uśrednione dla 164 stacji EPN w roku 21 wartości IPW z kombinacji EPN i modelu COSCMO-LM_14 (dane meteo z modelu) 164 stacje bias [mm] średnia absolutna różnica RMS różnicy krok -,68 1,98 2,34 krok T+3H -,66 2,15 2,5 krok T+3H -,82 2,16 2,49 krok T+9H -,7 2,25 2,73 Wniosek: na krótką metę można wykorzystywać także pola prognostyczne jako źródło danych meteorologicznych Uzyskujemy serię o kroku czasowym 3h

27 delta IPW [mm] wysokość stacji [m] bias [m] średnia absolutna różnica RMS różnicy punktów Porównanie IPW z GNSS (EPN) i COSMO-LM_14 dla stacji wyposażonych we własne zestawy meteo Bias średni: -.5mm RMS średni: 2.4 mm wysokość stacji [m] BACA 185,8 -,67 1,99 2, BAIA 232,62 1,94 2, BOGI 19,1 -,73 1,67 2,29 51 BOR1 89 1,3 1,83 2, BORJ 12,9-2,72 2,85 2, BPDL 167,5 -,32 2,2 3,3 422 BYDG 73,8 1,8 2, DEVA 24,3 1,91 2,59 3,13 68 DRES 159,3,59 1,48 2,7 557 EUSK 198,2 1,34 1,9 385 GOPE 547,4-1,62 1,99 2,29 61 GWWL 9,8 -,42 1,83 2, HERS 31,5 -,68 1,6 2,8 68 HERT 38,3 -,99 1,65 2,4 594 HOE2 22,6-1,5 1,7 2,2 556 JOZ2 12,9-1,39 1,89 2, JOZE 19,9 -,52 1,55 2, KATO 291,6 -,5 1,95 2, KRAW 227 -,4 1,65 2,31 56 LAMA 157,7 -,66 1,75 2,46 43 LODZ 225,9 -,6 2,42 3, MOP2 537,7-1,67 2,13 2,7 617 MOPI 535,6-3,33 3,5 2, MORP 94,5,36 1,41 1, POTS 14,1-1,22 1,69 1, PTBB 87,1,39 1,35 1, REDZ 76,8 -,47 1,77 2,33 35 RIGA 14,1 -,99 1,77 2,33 56 SOFI 175,2 9,99 9,99 1, SWKI 188,5-1,1 1,89 2, TUBO 279,6,18 1,5 2, USDL 494,1 -,2 2,33 3,1 323 WROC 14,5 -,22 1,33 1, WTZR 619,1 -,49 1,54 2, ZIMM 97,5-1,4 1,93 2, ZYWI 37,7 2,43 2,78 2,57 36

28 temperatura Przebieg temperatury dla Wrocławia (WROC) w dniach roku z lokalnego czujnika i modelu COSMO-LM meteo lokalne COSMO-LM DOY 21 Średnia różnica: 1.2 C, RMS: 2.1 C (Józefosław odpowiednio:.5 C i 2.4 C )

29 Przebieg ciśnienia atmosferycznego dla Józefosławia (JOZE) w dniach roku z lokalnego czujnika i modelu COSMO-LM meteo lokalne COSMO-LM Średnia różnica: 1.1 hpa, RMS:.9 hpa

30 absolute humidity [g/m^3] Zależność pomiędzy IPW [mm] a wilgotnością absolutną dla stacji w różnym klimacie HERT (południowa Anglia, punkty niebieskie) i SOFI (góry Bułgarii, punkty czerwone) IPW [mm] Wniosek: nie da się dobrze zamodelować ZWD czy IPW jedynie na podstawie powierzchniowych pomiarów meteorologicznych

31 Wnioski: Profile radiosondażowe dobrym lecz nie idealnym źródłem IPW Doskonała zgodność IPW z GPS i pomiarów fotometrem słonecznym CIMEL Przed tygodniem GPS 14 wskazany reprocessing jako źródło ZTD do przeliczenia na IPW Wykorzystanie danych z siatki numerycznego prognozowania pogody jest dość pracochłonne i skomplikowane (interpolacja 4D, topografia modelu, odtwarzanie profili pionowych temperatury i wilgotności) ale wykonalne Wyraźny spadek korelacji serii IPW z odległością stacji IPW można traktować jako parametr geofizyczny i klimatologiczny

32 Podziękowania Aleksander Pietruczuk Instytut Geofizyki, PAN obsługa stacji GPS w Belsku, pomiary fotometrem słonecznym Andrzej Mazur (IMGW) EPN (Wolfgang Söhne i inni) NASA, sieć AERONET (Brent Holben) University of Wyoming (baza danych aerologicznych) Ministerstwo Nauki grant Nr N N

33 Dziękuję Państwu za uwagę