A békák nyomában, avagy a GNSS infrastruktúra szerepe a légkör vízpáratartalmának meghatározásában Rózsa Szabolcs BME, Általános‐ és Felsőgeodézia Tanszék
Tartalom • GNSS méréseket terhelő szabályos hibák, a troposzféra hatása a jelterjedésre; • Az integrált vízgőztartalom és a hidrosztatikus késleltetés összefüggése; • A közel valósidejű feldolgozórendszer felépítése; • Kezdeti eredmények; • A GNSS meteorológia OTKA projekt rövid bemutatása;
A GNSS mérések szabályos hibái
A troposzféra hatása a jelterjedésre Az egyre sűrűbb légrétegben a terjedési sebesség csökken, ezáltal a jelek késleltetve érkeznek a vevőbe: TD = HD + WD
A terjedési sebesség és a fénysebesség közötti összefüggést a törésmutató adja meg: c n= v A troposzféra okozta teljes késleltetés tehát: TD = ∫ (n − 1)ds = 10 −6 ∫ N trop ds
A troposzféra hatása a jelterjedésre Az N refraktivitás meghatározható az alábbi egyenlettel (Essen‐ Froome): P e e + k3 2 N = k1 d + k 2 TZ d TZ w T ZW ahol
k1,k2,k3 tapasztalati konstansok Pd a száraz levegő nyomása e a parciális páranyomás T a hőmérséklet Zd és Zw a kompresszibilitási tényezők
A valódi gázok állapotegyenletét felhasználva a zenitirányú teljes késleltetés az alábbi alakra hozható: ztfh
z
z
tfh tfh ⎛ ρ Rd ⎞ −6 −6 −6 ZTD = 10 k1 Rd ∫ ρ dz + 10 Rv ⎜⎜ k 2 − k1 ⎟⎟ ∫ ρ v dz + 10 k3 Rv ∫ v dz Rv ⎠ zant T ⎝ z ant z ant
hidrosztatikus
„nedves” (vízgőz okozta)
A troposzféra vízgőztartalmának becslése Ha megfordítjuk a helymeghatározás problémáját (ismerjük a vevők helyzetét), akkor bármelyik hibaforrás hatása meghatározható az adatokból, így a troposzféra okozta teljes késleltetés is.
ZWD = ZTD − ZHD Hogyan teremthetünk összefüggést a troposzféra vízgőztartalma és a zenitirányú „nedves” késleltetés között? Definiáljuk az integrált vízgőztartalmat (IWV): ztfh
IWV =
∫ρ
v
dz
z ant
Hasonló integrál szerepelt a zenitirányú „nedves” késleltetés képletében is: ztfh
z
z
tfh tfh ⎛ ⎞ ρ R ZTD = 10 −6 k1 Rd ∫ ρ dz + 10 −6 Rv ⎜⎜ k 2 − d k1 ⎟⎟ ∫ ρ v dz + 10 −6 k3 Rv ∫ v dz Rv ⎠ zant T ⎝ z ant z ant
A troposzféra vízgőztartalmának becslése Vezessük be a vízgőz átlagos hőmérsékletét: ztfh
Tm =
∫ρ
z ant ztfh
∫
z ant
v
dz
ρv T
dz
Ekkor a zenitirányú „nedves” késleltetés az alábbi alakban írható fel: ⎛ ⎞ R IWV ZWD = 10 −6 Rv ⎜⎜ k 2 − d k1 ⎟⎟ IWV + 10 −6 k3 Rv Rv ⎠ Tm ⎝
Melyet átrendezve: IWV =
106
ZWD
⎛ R k ⎞ Rv ⎜⎜ − d k1 + k 2 + 3 ⎟⎟ Tm ⎠ ⎝ Rv 10 6 Q(Tm ) = ⎛ R k ⎞ Rv ⎜⎜ − d k1 + k 2 + 3 ⎟⎟ Tm ⎠ ⎝ Rv
. , .
Az integrált vízgőztartalom és a ZWD összefüggése Lehetséges modellek: • Bevis modell
Tm = 70,2 + 0,72T f
• Emardson‐Derks modell
1 2 = a0 + a1 (T f − T ) + a2 (T f − T ) Q(T f ) a0=6,458 m3/kg; a1=‐1,78×10‐2 m3/kg/K, a3=‐2,2×10‐5 m3/kg/K és T=283,49 K • hazai éves modell
Tm = 82,3 + 0,675T f • hazai havi felbontású modell
Az integrált vízgőztartalom és a ZWD összefüggése a
Hónap
0.700
a
b
R
σ
N
1
0.531
267.1
0.61
3.16
849
2
0.610
265.7
0.70
3.39
787
3
0.596
265.4
0.71
3.03
862
4
0.614
265.5
0.76
2.88
837
5
0.510
269.3
0.69
2.86
847
6
0.508
270.6
0.67
2.99
828
7
0.449
272.5
0.64
2.75
864
275.0
8
0.426
273.5
0.64
2.75
857
273.0
9
0.480
270.5
0.64
2.84
831
271.0
10
0.610
268.3
0.73
3.07
865
269.0
11
0.651
267.1
0.74
2.92
829
12
0.567
266.8
0.63
3.09
859
Év
0.675
266.6
0.89
3.21
10115
1
3
5
7
9
11
0.600
0.500
0.400 hónap
b
Kelvin
. , .
267.0 265.0
1
3
5
7 hónap
9
11
(OMSZ)
. , .
A GNSS mérések hatása az előrejelzés pontosságára Csapadékelőrejelzés GPS mérések nélkül
Mért csapadékmennyiség 12 óra alatt
Csapadékelőrejelzés GPS mérésekkel
Forrás: EUMETNET E‐GVAP
. , .
A közel valósidejű feldolgozó rendszer
Rádiószondás mérések
. , .
Rádiószondás észlelések • Megtörtént a rádiószondás feldolgozószoftver fejlesztése;
• naponta legyűjtjük a térségben található 25 rádiószondás állomás adatait (6‐24 óra időbeli felbontás) és feldolgozzuk azokat (IWV, ZHD, ZWD, ZHD korrekció, troposzféra magassága, tropopauza magassága, tropopauza nyomásszintje, felszíni mérési adatok) • adatbázisba mentjük az adatokat; • beszereztük az 1994‐től elmentett archív adatokat, így több mint 300.000 rádiószondás észlelés áll rendelkezésünkre; • nyitott kérdések: • a feldolgozószoftver validációja; • a hidrosztatikus összetevő korrekciója (1‐5cm‐es nagyságrendű);
. , .
Rádiószondás észlelések
Rádiószondás észlelések
Rádiószondás észlelések
modell
min
max
várh .ért.
szórás
Saastam.
‐7.2 mm
+3.6 mm
‐ 2.0 mm
1.4 mm
ZHD=ap+b
‐5.3mm
+5.5 mm
0.0 mm
1.4 mm
ZHD=ap
‐5.3 mm
+5.5 mm
0.0 mm
1.4 mm
A feldolgozott állomáshálózat Összesen 86 állomás: ‐ 17 IGS ‐ 17 EUREF ‐ 52 GNSSNet
A feldolgozott állomáshálózat
Felszínközeli meteorológiai mérések 41 reptéri meteorológiai állomás
Közel valósidejű GPS feldolgozás http://gpsmet.agt.bme.hu/index.php
Közel valósidejű GPS feldolgozás
Összevetés rádiószondás mérésekkel
Megoldás ZHD a Saastamoinen modellből ZHD a rádiószondás mérésből
min
max
átlag
Szórás
0,6
3,6
1,8
1,1
‐1,7
1,3
‐0,2
1,0
. , .
Kérdések • Rádiószondás mérésekből származó IWV középhibája?
• GNSS mérésekből a középhiba nagyságrendileg +/‐ 1mm körüli; • A mérések időbeli és térbeli összehangolása is kérdéseket vet fel: • szonda sodródása; • szondázás időtartama – felbocsátás időpontja; • A hidrosztatikus összetevő modellezésében kell előrelépnünk. Lehetőleg felszíni meteorológiai adatok (vagy előrejelző modellek) segítségével kell modelleznünk a hidrosztatikus összetevőt, így a „nedves” összetevő meghatározása pontosítható (a rádiószondás mérésektől való függés csökkenthető);
. , .
GNSS meteorológia OTKA pályázat • BME ‐ FÖMI/KGO ‐ ELTE – MTA/GGKI – OMSZ kooperáció (2011‐2014) • Cél: a közel valósidejű, meteorológiai célú GNSS feldolgozás megvalósítása • Kapcsolódás az EUMETNET E‐GVAP projektjéhez
. , .
GNSS meteorológia OTKA pályázat • Néhány szemelvény a kutatási tervből: • felszíni meteorológiai észlelések integrálása (METAR, METNET, OMSZ) • közel valósidejű GNSS feldolgozás optimális megvalósítása (feldolgozási eljárás és időszükséglet optimalizálása); • az eredmények validálása (sűrített rádiószondás mérések különböző időjárási szituációkban – 50eFt/szonda) • a hidrosztatikus összetevő modellezésének finomítása (rádiószondás mérésekhez történő illesztéssel vagy felszíni mérések alapján történő modellezéssel) • GNSS/GPS tomográfia megvalósíthatóságának vizsgálata (óvatos célkitűzés, de nagy remények)
. , .
GPS tomográfia
• 4D vízgőztartalom modell • az elv egyszerű, a megvalósítás már nehézségekbe ütközik (műholdgeometria) • peremfeltételek (pl. rádiószondás mérések)
. , .
Köszönöm a figyelmet!
