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

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

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)

Wykorzystanie danych radiosondażowych do weryfikacji rozwiązań GPS

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 13299S1 26.44 141. -.67 1.15 1.49 434 3882 UK HERSTMONCEUX HERS 13212M7 4.44 52..57 1.45 2.42 421 3882 UK HERSTMONCEUX HERT 13212M1 4.35 52..99 1.67 2.5 413 661 SW PAYERNE ZIMM 141M4 43.84 491. 3.27 3.28 1.91 721 12 DL EMDEN-FLUGPLAT BORJ 14268M2 47.2 5. 2.58 2.81 2.68 61 1152 CZ PRAHA-LIBUS GOPE 1152M2 29.21 33. 1.93 2. 1.65 1267 11747 CZ PROSTEJOW TUBO 1153M1 42.64 216. -.53 1.52 2.13 678 1212 PL LEBA REDZ 12227M1 35.33 6..64 1.72 2.21 366 12374 PL LEGIONOWO BOGI 1227M3 12.39 96..66 1.3 1.86 513 12374 PL LEGIONOWO JOZ2 1224M2 34.79 96. 1.19 1.52 1.65 712 12374 PL LEGIONOWO JOZE 1224M1 34.83 96..31 1.15 1.55 717 1762 TU ISTANBUL/GOZTE ISTA 287M1 22.79 33. 1.55 2.8 2.5 653 1713 TU ANKARA/CENTRAL ANKR 285M2 3.81 891..91 1.35 1.44 713 135 DL SCHLESWIG HOE2 14284M2 82.82 48..87 1.95 2.83 582 1393 DL LINDENBERG POTS 1416M3 73.9 115. 1.14 1.73 2.15 916 141 DL ESSEN EUSK 14258M3 81.27 153..2 1.81 2.95 389 1771 DL KUEMMERSRUCK WTZR 1421M1 76.5 418. 1.47 1.87 1.92 1271 16754 GR HERAKLION (AIR TUC2 12617M3 96.82 39. 1.73 3.4 3.78 425 no of points

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 21 45 45 45 4 4 4 35 35 35 3 3 3 25 25 25 2 2 2 15 15 15 1 1 1 5 5 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 IPW radiosounding Legionowo 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 IPW radiosounding Emden 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 IPW radiosounding Heraklion Odległości: Józefosław Legionowo; Borkum-Emden, Chania-Heraklion 34 km 47 km 97 km

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 21 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 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 133M1 24.21.67 1.13 1.32 669 2591 SN VISBY AEROLOGI VIS 1423M1 7.21.81 1.5 1.4 688 2963 FI JOKIOINEN METS 153S11 81.22.23 1.38 2.12 617 3913 UK Castor Bay BELF 1324M1 32.68.91 1.28 1.43 568 626 NL DE BILT KOSG 1354M3 49.21.17 1.11 1.86 74 711 FR BREST BRST 14M4 7.45.32 1.51 2.13 695 711 FR BREST GUIP 14M51 5.4.86 1.65 2.14 694 7145 FR TRAPPES MLVL 192M1 45.81.78 1.57 2.9 718 7145 FR TRAPPES SMNE 11M7 35.4.97 1.74 2.22 545 7645 FR NIMES/COURBESS AXPV 157M1 82.56 4.24 4.86 4.19 532 7761 FR AJACCIO AJAC 177M5 4.35 1.83 2.39 2.5 72 81 SP LA CORUNA ACOR 13434M1 7.16 -.4 1.27 2.49 71 823 SP SANTANDER CANT 13438M1 8. -.2 1.55 2.23 678 816 SP ZARAGOZA/AEROP ZARA 13462M1 1.48.21 1. 1.38 476 832 SP Palma de Mallo MALL 13444M1 8.34 -.27 1.48 2.25 651 8495 GI GIBRALTAR CEU1 13449M2 23.14 -.11 1.69 2.42 699 1184 DL GREIFSWALD SASS 14281M1 48.62 1.34 1.8 1.88 73 1238 DL BERGEN HOBU 1422M3 47.64.88 1.36 1.61 1424 1393 DL LINDENBERG POTS 1416M3 73.9.54 1.69 2.35 1434 141 DL ESSEN EUSK 14258M3 81.27.4 1.74 2.51 721 1135 OS WIEN/HOHE WART TRF2 1147M2 44.6 3.1 3.24 2.73 743 11952 SQ POPRAD/GANOVCE GANP 11515M1 4.21 -.7.92 1.6 725 12843 HU BUDAPEST/LORIN BUTE 1129M1 9.58.15 1.3 1.72 733 12843 HU BUDAPEST/LORIN PENC 1126M6 45.41 1.3 1.49 1.82 731 16429 IY TRAPANI/BIRGI MILO 12758M1 14.12.14 1.79 2.31 741 1656 IY CAGLIARI/ELMAS CAGL 12725M3 7.5.84 2.29 2.75 772 1656 IY CAGLIARI/ELMAS CAGZ 12725M4 7.51 1.49 2.65 2.85 757 16622 GR THESSALONIKI ( AUT1 12619M2 11.49.9 1.62 1.92 663 26629 LT Kaunas VLNS 181M1 97.61-3.41 2.39.44 232 33393 UR L'VIV SULP 12366M1 9.12 1.87 3.19 5.67 82

Wykorzystanie fotometru słonecznego (CIMEL CF-318) w Centralnym Obserwatorium Instytutu Geofizyki PAN w Belsku λ = 2 47 3 φ = 51 5 12 h = 19. m 33 km od JOZE Linie: 44 nm, 87 nm Stacja permanentna BELS założona przez KGiAG PW od czerwca 29

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 21 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 IPW [mm] GPS Belsk

IPW z rozwiązania dedykowanego WUT LAC (w sieci 27stacji) zestawione z pomiarem z fotometru słonecznego (CIMEL CF-318) rok 21 dla JOZ2 i BOGI 45 45 4 4 35 35 3 3 25 25 2 2 15 15 1 1 5 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Belsk JOZ2 Belsk - BOGI

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.43 1.24 2.89 735 218 Belsk lev2 BOGI EUR comb -1.597 2.488 3.34 691 198 Belsk lev2 BOGI dedicated -1.732 2.469 3.181 516 1471 Belsk lev2 BOGI WUT LAC -1.525 2.473 3.319 691 1979 Belsk lev2 BOGO dedicated -1.349 2.364 3.12 519 148 Belsk lev2 JOZ2 EUR comb -.276 1.675 2.522 1 2969 Belsk lev2 JOZ2 dedicated -.432 1.629 2.476 746 2221 Belsk lev2 JOZ2 WUT LAC -.278 1.71 2.572 99 2935 Belsk lev2 JOZE EUR comb -1.191 1.82 2.527 12 2969 Belsk lev2 JOZE dedicated -1.343 1.865 2.58 754 2235 Belsk lev2 JOZE WUT LAC -1.143 1.812 2.54 1 2958 Belsk lev15 BELS dedicated.23 1.276 2.152 78 2258 Belsk lev15 BOGI dedicated -1.762 2.494 3.23 537 149 Belsk lev15 BOGI WUT LAC -1.523 2.492 3.369 723 222 Belsk lev15 BOGO dedicated -1.35 2.4 3.182 54 155 Belsk lev15 JOZ2 dedicated -.452 1.667 2.536 787 2284 Belsk lev15 JOZ2 WUT LAC -.29 1.732 2.611 142 32 Belsk lev15 JOZE EUR comb -1.25 1.84 2.579 159 364 Belsk lev15 JOZE dedicated -1.362 1.894 2.577 8 237 Belsk lev15 JOZE WUT LAC -1.159 1.834 2.593 157 352

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 1 1 8 8 2-2 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 6 6-4 -6-8 -1 EPN Analysis Center mean difference [mm] mean absolute difference [mm] -4-6 -8-1 EPN Analysis Center mean difference [mm] mean absolute difference [mm] 4 4

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 45 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 IPW from CIMEL sunphotometer - Belsk [mm]

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 5 4 3 2 EUR bias: -1.7 RMS: 2.22 1 JOZE EUR JOZE WUT repro 1 2 3 4 5 IPW sondaż Legionowo WUT repro bias:.9 RMS: 1.73

IPW [mm] Modele przebiegu średniej dobowej IPW dla kilku stacji EPN w 27 roku 3 25 2 15 1 BAIA SOFI REYK TUBO ZIMM QAQ1 PDEL NSPP 5 5 1 15 2 25 3 35 DOY 27 IPW może być potraktowana jako parametr klimatologiczny

IPW [mm] Przebieg modelu średniej dobowej IPW dla stacji JOZE w roku 25 z rozwiązań EUR (kombinowane), SIO (globalne IGS) i kampanii reprocessingu WUT 3 25 2 15 EUR SIO WUR repro 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 DOY 25 Charakterystyczny kształt krzywej dla SIO i WUT reprocessing podobny, kombinacja oryginalnych rozwiązań EUR trochę odstaje

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) - 398 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)

COSMO-LM_14 pole temperatury

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)

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

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= 16 14 12 1 8 6 4 2 5 4 4 3 3 2 2 1 1-1 -1-2 -2-3 -3-4 -4 2 4 6 8 1 12 14 16 18

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= 16 14 12 1 FOYL BELF 8 6 4 2 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 2 4 6 8 1 12 14 16 18 VIS RIGA TOIL TORA VLNS CNIV GLSV 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3. 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2. 1.9 1.8 1.7

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] 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 GPS EPN komb COSMO -LM IMGW DOY 21 5 1 15 2 25 3 35 Bias: -1. mm (6%), RMS różnicy: 2.16, współczynnik korelacji:.977

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 21 12 1 8 6 4 2-2 -4-6 -8 5 1 15 2 25 3 35 DOY 21 5 45 LAMA 21 IPW [mm] 4 35 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 GPS - kombinacja EPN

IPW model COSMO-LM - IMGW Porównanie wielkości z kombinacji EPN i modelu COSMO-LM: IPW dla Józefosławia w 21 krok zerowy 5 45 4 35 3 25 2 15 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:.978 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 IPW GNSS kombinacja EUR

IPW model COSMO-LM - IMGW Porównanie wielkości z kombinacji EPN i modelu COSMO-LM: IPW dla Wrocławia w 21 krok zerowy 5 45 4 35 3 25 2 15 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:.977 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 IPW GNSS kombinacja EUR

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

delta IPW [mm] wysokość stacji [m] bias [m] średnia absolutna różnica RMS różnicy punktów 4 3 2 1-1 -2-3 -4 Porównanie IPW z GNSS (EPN) i COSMO-LM_14 dla stacji wyposażonych we własne zestawy meteo Bias średni: -.5mm RMS średni: 2.4 mm 2 4 6 8 1 wysokość stacji [m] BACA 185,8 -,67 1,99 2,77 648 BAIA 232,62 1,94 2,67 621 BOGI 19,1 -,73 1,67 2,29 51 BOR1 89 1,3 1,83 2,24 672 BORJ 12,9-2,72 2,85 2,25 558 BPDL 167,5 -,32 2,2 3,3 422 BYDG 73,8 1,8 2,51 438 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 2,33 332 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 2,17 669 JOZE 19,9 -,52 1,55 2,15 676 KATO 291,6 -,5 1,95 2,69 395 KRAW 227 -,4 1,65 2,31 56 LAMA 157,7 -,66 1,75 2,46 43 LODZ 225,9 -,6 2,42 3,45 245 MOP2 537,7-1,67 2,13 2,7 617 MOPI 535,6-3,33 3,5 2,94 597 MORP 94,5,36 1,41 1,85 555 POTS 14,1-1,22 1,69 1,94 553 PTBB 87,1,39 1,35 1,79 665 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 1,31 175 SWKI 188,5-1,1 1,89 2,36 234 TUBO 279,6,18 1,5 2,12 619 USDL 494,1 -,2 2,33 3,1 323 WROC 14,5 -,22 1,33 1,94 663 WTZR 619,1 -,49 1,54 2,17 619 ZIMM 97,5-1,4 1,93 2,12 645 ZYWI 37,7 2,43 2,78 2,57 36

temperatura Przebieg temperatury dla Wrocławia (WROC) w dniach 25-35 21 roku z lokalnego czujnika i modelu COSMO-LM 3 25 2 15 meteo lokalne COSMO-LM 1 5 25-5 26 27 28 29 3 31 32 33 34 35-1 -15-2 DOY 21 Średnia różnica: 1.2 C, RMS: 2.1 C (Józefosław odpowiednio:.5 C i 2.4 C )

Przebieg ciśnienia atmosferycznego dla Józefosławia (JOZE) w dniach 2-3 21 roku z lokalnego czujnika i modelu COSMO-LM 13 125 12 meteo lokalne COSMO-LM 115 11 15 1 995 99 985 98 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 3 Średnia różnica: 1.1 hpa, RMS:.9 hpa

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) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 IPW [mm] Wniosek: nie da się dobrze zamodelować ZWD czy IPW jedynie na podstawie powierzchniowych pomiarów meteorologicznych

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

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 N526 7438

Dziękuję Państwu za uwagę