Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Значимость и методы определения содержания водяного пара в атмосфере 13
1.1. Роль водяного пара в радиационном балансе атмосферы Земли 13
1.2. Контактные методы определения содержания водяного пара 15
1.3. Дистанционные методы определения содержания водяного пара 20
1.4. Численные погодные поля 25
1.5. Выводы 27
Глава 2. Рефракция радиоволн дециметрового диапазона в атмосфере 28
2.1. Рефракция в ионосфере 29
2.2. Рефракция в нейтральной атмосфере 31
2.3. Картирующие функции 36
2.4. Выводы 45
Глава 3. Зенитная тропосферная задержка радиосигналов ГНСС 46
3.1. Методика определения зенитной тропосферной задержки по фазовым измерениям радиосигналов ГНСС 47
3.2. Учет ошибок различной природы в измерениях радиосигналов ГНСС 59
3.3. Верификация оценок зенитной тропосферной задержки 66
3.4. Выводы 78
Глава 4. Интегральное влагосодержание 80
4.1. Преобразование зенитной тропосферной задержки в интегральное влагосодержание 80
4.2. Верификация оценок интегрального влагосодержания 87
4.3. Поле интегрального влагосодержания на территории Республики Татарстан 98
4.4. Выводы 104
Заключение 106
Благодарности 108
Список литературы 109
Приложение 1. Положение ГНСС станций 120
- Дистанционные методы определения содержания водяного пара
- Рефракция в нейтральной атмосфере
- Верификация оценок зенитной тропосферной задержки
- Поле интегрального влагосодержания на территории Республики Татарстан
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию интегрального влагосодержания атмосферы по измерениям радиосигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).
Актуальность темы. Водяной пар в атмосфере является основным поглотителем, как прямого солнечного излучения, так и отраженного от земной поверхности. При этом большая часть поглощенной энергии вновь переизлучается в направлении земной поверхности. Поэтому водяной пар играет ключевую роль в тепловом балансе планеты, рост концентрации которого приводит к парниковому эффекту. При этом суммарное поглощение излучения определяется интегральным влагосодержанием, характеризующим количество водяного пара в вертикальном атмосферном столбе. Соответственно исследование закономерностей распределения интегрального влагосодержания является важной задачей физики атмосферы и представляет значительный интерес для решения проблем экологии. В тоже время, существующие в настоящее время средства зондирования водяного пара не позволяют получать данные об интегральном влагосодержании с высоким временным и пространственным разрешением, достаточной точностью и не обладают свойством всепогодности. Использование в качестве нового источника информации радиосигналов ГНСС позволяет устранить перечисленные недостатки.
В Северной Америке и Европе эта тема получила развитие в связи с применением спутниковых навигационных систем для решения радиотехнических задач геодезии и геодинамики, для которых водяной пар представляет собой источник помех, оценка величины которых является серьезной проблемой. Созданные в этих странах методики рассчитаны в первую очередь на обработку измерений, собранных сетями станций ГНСС, с целью определения координат этих станций. При этом в качестве побочного результата находятся зенитные тропосферные задержки радиосигналов, значения которых сначала моделируются по априорным формулам с привлечением приземных метеоданных, а затем уточняются в процессе собственно обработки измерений радиосигналов ГНСС. В дальнейшем эти задержки могут быть преобразованы в интегральное влагосодержание. Недостатком данного подхода является тот факт, что определение абсолютных значений зенитных тропосферных задержек возможно только, если сеть станций имеет горизонтальные размеры порядка 1000 км. В противном случае для расчета доступны лишь разности зенитных тропосферных задержек между станциями. Кроме того можно отметить излишнее использование априорной информации, в частности раздельное моделирование наклонных гидростатических и влажных составляющих тропосферной задержки. Таким образом, для восстановления пространственных параметров полей интегрального влагосодержания в региональном масштабе важным вопросом является разработка методики, которая бы учитывала указанные недостатки.
Целью работы является разработка методики определения интегрального влагосодержания атмосферы на основе фазовых измерений дециметровых радиоволн, транслируемых спутниками ГНСС, и восстановление с помощью данной методики пространственных характеристик полей интегрального влагосодержания.
Решаемые задачи. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Разработка методики определения зенитной тропосферной задержки дециметровых радиоволн.
-
Проведение верификационного сравнения рядов интегрального влагосодержания, полученных из рядов зенитной тропосферной задержки, с данными численных погодных полей NCEP/NCAR и солнечных фотометров сети AERONET.
-
Выявление пространственных закономерностей полей интегрального влагосодержания масштаба порядка 100 км для территории Республики Татарстан и оценка их влияния на фазовые измерения радиосигналов глобальных навигационных спутниковых систем.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
-
Построена методика определения зенитной тропосферной задержки радиосигналов глобальных навигационных спутниковых систем, которая в отличие от других подходов использует измерения, собранные только на одной станции, и при этом не нуждается в дополнительных приземных метеоизмерениях и других источниках априорной информации о величине тропосферной задержки.
-
С помощью разработанной методики по длинным рядам было определено стандартное отклонение значений интегрального влагосодержания, полученных из преобразования зенитных тропосферных задержек, от показаний солнечных фотометров.
-
На основе построенной методики проведены расчеты длинных рядов интегрального влагосодержания непосредственно по бортовым и ультрабыстрым эфемеридам и показано, что они имеют более высокую точность, чем интегральное влагосодержание, восстановленное по приземным метеоизмерениям.
-
Определены горизонтальные градиенты поля интегрального влагосодержания над территорией Республики Татарстан для разных сезонов.
На защиту выносятся:
-
Методика и реализация, позволяющая по двухчастотным фазовым измерениям радиосигналов глобальных навигационных спутниковых систем, собранным только на одной станции, определять абсолютную величину зенитной тропосферной задержки без моделирования ее предварительных значений по априорным формулам и приземным метеоизмерениям.
-
Методика и реализация преобразования зенитной тропосферной задержки в интегральное влагосодержание, использующая последние опубликованные значения коэффициентов в формуле индекса рефракции и
дающая стандартные отклонения от показаний солнечных фотометров и численных погодных полей NCEP/NCAR 1.6 и 2.6 мм осажденной воды соответственно.
3. Горизонтальные градиенты и флуктуации поля интегрального влагосо держания над территорией Республики Татарстан, рассчитанные для разных сезонов на масштабе порядка 100 км.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением длинных рядов интегрального влагосодержания, полученных из измерений радиосигналов ГНСС, с независимыми данными солнечных фотометров и численных погодных полей NCEP/NCAR, а также обеспечивается адекватностью и корректностью применения в работе законов рефракции дециметровых радиоволн и математических методов обработки радиоизмерений.
Практическая ценность работы. Зондирование интегрального влагосодержания атмосферы с помощью приемной ГНСС аппаратуры применимо для научных исследований, решения радиотехнических задач, задач экологии, радиофизики и физики атмосферы, в том числе для ассимиляции в численные погодные поля и построения прогнозов. Использование представленной методики позволяет получать интегральное влагосодержание с высокой временной дискретностью при любых погодных условиях, что недоступно другим технологиям.
Личный вклад автора. Автором проведены основные работы по решению поставленных задач. Разработана и программно реализована методика для определения зенитной тропосферной задержки и интегрального влагосодержания по измерениям радиосигналов ГНСС. С помощью указанной методики автором были получены ряды интегрального влагосодержания для 24 станций на территории России, проведена их верификация по численным погодным полям NCEP/NCAR и данным солнечных фотометров, восстановлены пространственные характеристики поля интегрального влагосодержания для Республики Татарстан. Сделаны основные выводы по полученным результатам.
Апробация результатов. Результаты работ докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Межрегиональная научно-практическая конференция «Промышленная экология и безопасность», Казань, сентябрь 2010; XI Международный симпозиум «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение», Казань, декабрь 2010; VI Межрегиональная научно-практическая конференция «Промышленная экология и безопасность», Казань, сентябрь 2011; Международный симпозиум «Атмосферная радиация и динамика», Санкт-Петербург, 2011 и 2013; XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», Йошкар-Ола, май 2011; Progress in electromagnetics research symposium, Moscow, August 2012; XIX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Барнаул, июль 2013; II Международная научно-практическая конференция
«Актуальные вопросы геодезии и геоинформационных систем», Казань, сентябрь 2013;
Автор принимал участие в качестве исполнителя в исследованиях, поддержанных грантами: ГК Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (№ П162 и № 8886); Грант РФФИ №13-05-97054;
Публикации. Автором опубликовано по теме диссертации 16 работ. Из них 10 статей в научных журналах (из них 4 по списку ВАК), 2 статьи в сборниках трудов научных конференций, 4 опубликованных тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Содержит 121 страницу печатного текста, в том числе 29 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 115 источников.
Дистанционные методы определения содержания водяного пара
Дистанционные методы определяют параметры среды исходя из ее воздействия на электромагнитные волны. При этом датчик может находиться на значительном расстоянии от исследуемого объема воздуха. Общее число дистанционных методов значительно превышает число контактных.
В качестве первой технологии рассмотрим фотометры, являющиеся приемниками коротковолнового солнечного излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. В настоящее время существует фотометрическая сеть AERONET, которая представляет собой федерацию станций наземного дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля, изначально созданных NASA и французским проектом PHOTONS [1, 31]. Впоследствии сеть была значительно расширена за счет станций национальных агентств и институтов разных стран. На станциях работают солнечные фотометры CIMEL СЕ-318, которые выполняют измерения в спектре от 340 до 1640 нм [75].
Суть фотометрического метода определения интегрального влагосодержания состоит в следующем. Напряжение электрического тока, вырабатываемое встроенными фотодиодами, пропорционально лучистой энергии солнечной радиации (как прямой, так и претерпевшей рэлеевское рассеивание). По измеренным на прозрачных для водяного пара спектрах 675 и 870 нм напряжениям, согласно (1.1.1) и (1.1.2) рассчитывают суммарные для всех атмосферных газов и примесей оптические глубины т (675) и г (870). При этом напряжение, соответствующее интенсивности солнечных лучей на входе в атмосферу, определяется на обсерватории Мауна Лоа, Гавайи [31]. Далее с помощью них находят коэффициенты полуэмпирической формулы Ангстрема Параметры, определяемые в сети AERONET, доступны в виде продуктов трех уровней - без проверки качества (level 1.0), данные просканированные на предмет облачности (level 1.5) и окончательные результаты, проверенные на различные инструментальные ошибки (level 2.0) [1].
Нужно отметить, что описанная методика очень точна, позволяет получать оценки IWV с точностью 1 мм осажденной воды [65]. К недостаткам относится то, что результаты можно получать только в дневное время и безоблачную погоду. Кроме того, фотометры требуют предварительной калибровки по независимым измерениям (обычно радиозондовым) для нахождения в формуле (1.1.3) значений эмпирических коэффициентов а и Ъ. Также нужно указать, что хотя сеть AERONET и имеет глобальное покрытие, ее станции распределены крайне неравномерно и общее их число недостаточно, чтобы изучать характеристики поля интегрального влагосодержания на уровне от нескольких сотен километров и менее.
Другим широко распространенным методом пассивного зондирования атмосферы с целью определения интегрального влагосодержания является радиометрия. Как отмечалось в разделе 1.1, нагретая атмосфера становиться источником встречного теплового длинноволнового излучения. Часть его лежит в диапазоне радиоволн, называемом сверхвысокочастотным (СВЧ). Регистрация теплового излучения радиометрами происходит именно в этом диапазоне, вследствие чего технология называется СВЧ - радиометрией. В качестве измеряемой характеристики служит радиояркостная температура [106]. Интегральное влагосодержание по данным радиометров наземного базирования оценивается из регрессионного уравнения [97].
Кроме наземных систем широкое распространение получили спутниковые радиометрические измерения, которые позволяют извлекать информацию о влагосодержании не только непосредственно под спутником (в надире), но и благодаря угловому обзору сканировать большие участки поверхности Земли. Измеряемой величиной служит радиояркостная температура уходящего излучения в СВЧ- и ИК-диапазонах. Обзор спутниковой аппаратуры приведен в работах [88, 109]. В качестве примера приведем СВЧ прибор SSM/1, установленный на спутниках американской метеорологической программы DMSP. Он выполняет сканирование полосы обзора в 1400 км, при этом обеспечивает пространственное разрешение не хуже 69 км. Финальная точность координатной привязки измерений составляет 5 км. По суточному набору сканов со всех спутников DMSP возможно формировать поля радиояркостной температуры с дискретностью 12 часов [84]. Отметим, что для зондирования в ИК-диапазоне существенным ограничением является облачная атмосфера.
Методом активного дистанционного зондирования атмосферного водяного пара является лидарная спектроскопия [77]. Лидары представляют собой наземные лазерные дальномеры, работающие, как правило, на длине волны 355 нм. Принцип работы этой технологии состоит в том, что лазерный импульс, попав в атмосферу, испытывает рассеивание, большая часть которого приходится на упругое (рэлеевское) рассеивание, а меньшая - на рамановское. В данном случае именно последнее представляет интерес, т. к. длины волн рамановского излучения определяются химическим составом рассеивающего объема воздуха. Рассеянное в нижнем направлении излучение регистрируется телескопом. По величине времени между моментом излучения исходного импульса и моментом регистрации отклика определяется высота рассеивающего объема. Упрощенно интенсивность измеренного на длине волны Я рамановского излучения /я связана с интенсивностью исходного импульса 1о лидарным уравнением [77].
Все перечисленные ранее дистанционные методы базировались на анализе спектра и интенсивности излучения. Принципиально иной физический подход к оценке интегрального влагосодержания используется при обработке данных Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС) типа GPS и ГЛОНАСС. В основу этого подхода положено исследование свойств рефракции радиоволн, которые рассмотрены далее (Глава 2).
Вкратце приведем общие сведения о ГНСС. Американская система GPS имеет в своем созвездии 32 спутника, вращающихся с периодом 12 часов на 6 орбитах с малым эксцентриситетом [38]. Орбитальная группировка российской системы ГЛОНАСС состоит из 24 спутников, распределенных по 3 орбитам с периодом обращения в 11 ч 15 м [87]. Высота орбит обеих систем составляет около 20000 км. Навигационные спутники транслируют радиосигналы на частотах около 1.2 и 1.5 ГГц, которые, претерпевая рефракцию в атмосферных слоях, принимаются наземными приемниками. Наличие измерений на двух несущих частотах позволяет найти величину задержки радиоволны в электрически нейтральной атмосфере, индекс рефракции которой зависит от давления сухих газов, температуры и давления водяных паров [115]. Этот факт используется далее чтобы преобразовать задержку в интегральное влагосодержание. Подробно этот вопрос рассмотрен в последующих разделах.
Широкое распространение приемного оборудования и его дешевизна позволяет создавать сети ГНСС станций различных масштабов. Одной из крупнейших является глобальная сеть Международной Службы ГНСС (IGS) [36], которая создана на основе кооперации отдельных сетей и станций из разных регионов мира. С помощью этой сети аналитические центры Международной Службы ГНСС определяют орбиты и ошибки часов спутников ГНСС [49]. Кроме того, эта сеть участвует в реализации Международной Отсчетной Системы ITRF [59]. Станции этой сети на территории России использовались в верификационном исследовании (разделы 3.3 и 4.2).
В этой работе были привлечены также измерительные данные с региональной сети высокоточного позиционирования Республики Татарстан [105]. Ее ГНСС станции имеют между собой расстояния от 50 до 70 км и позволяют не только исследовать вариации интегрального влагосодержания в единичной точке, но и восстанавливать характеристики поля этой величины на соответствующем масштабе. В исследовании помимо названных станций, были использованы радиоизмерения, собранные на пункте Казанского (Приволжского) Федерального Университета KAZN (городская астрономическая обсерватория).
Рефракция в нейтральной атмосфере
Компонента атмосферного запаздывания, связанная с нейтральными газами, по устоявшейся терминологии называется тропосферной задержкой. Ее определяет индекс рефракции, который дается как [62, 115]: N = 77.6890—Z/ +71.2952--Z " +375463-- --Z"1 (2.2.1) где Pd - парциальное давление сухих газов [мб], Т - температура воздуха [К], е - парциальное давление водяного пара [мб], Z и Zw - коэффициенты сжимаемости сухих газов и водяного пара, близкие к единице. Указанные в этой формуле значения постоянных коэффициентов были получены Рюегером в 2002 г. и отличаются от применяемых до сих пор устаревших значений, найденных Бэвисом [62]. Поскольку они участвуют в определении констант в других формулах (например, модель Саастамойнена, раздел 4.1), то в приводимых далее выражениях мы провели соответствующую ревизию. Кроме того, желательность определения новых коэффициентов индекса рефракции отмечена в [28], т. к. их неопределенность достаточно серьезно влияет на предполагаемую ассимиляцию погодными полями результатов обработки ГНСС измерений.
Среднее приземное значение ./V составляет около 300 единиц и убывает с высотой приблизительно по барометрическому профилю с масштабом высоты в 7 км [99]. При этом часть индекса рефракции, вызванная водяным паром, убывает быстрее — с масштабом высоты в 2 км. Коэффициенты сжимаемости определяются следующим образом [67]: Дж/(мольК) - универсальная газовая постоянная, Т - температура [К]. Суммарная плотность атмосферных газов р соответственно выразится как:
В такой записи первое слагаемое зависит только от плотности атмосферы и называется гидростатической частью индекса рефракции, а вторые два -влажной частью. Важным параметром, характеризующим воздействие нейтральной атмосферы на радиосигналы, служит зенитная тропосферная задержка ZTD [53, 99]. Из выражения (2.3) при zv= 0 получаем:
Характерными величинами зенитной тропосферной задержки являются 2.2 - 2.4 м, но мгновенные значения подвержены влиянию конкретной метеорологической ситуации. Оцениванию ZTD по радиосигналам ГНСС посвящена Глава 3. Исходя из выражения для индекса рефракции (2.2.6), зенитную тропосферную задержку представляют в виде суммы гидростатической (ZHD) и влажной компонент (ZWD) [53, 67]
(2.2.8) Гидростатическая компонента составляет около 90% всей тропосферной задержки и отличается тем, что может быть определена с высокой точностью с помощью уравнения статики атмосферы по приземному давлению (раздел 4.1), поэтому, вычитая ее из полной задержки, оценивают влажную составляющую. Последняя характеризуется большой изменчивостью, что с одной стороны является проблемой в радиотехнических задачах (таких как определение местоположения антенн приемников по данным ГНСС), а с другой стороны представляет интерес для задач физики атмосферы, т.к. влажная задержка может быть преобразована в интегральное содержание водяного пара в атмосферном столбе [67].
Поскольку вода находится в атмосфере не только в состоянии пара, но и в виде жидкой и твердой фаз в облаках [101], то необходимо уделить внимание рефракции радиоволн на гидрометеорах. Соответствующие жидкой воде и льду индексы рефракции на частотах ГНСС выглядят следующим образом [8, 72]:
Здесь ZLW к ZIW - зенитные задержки, вызванные водой и льдом [м], LWC и /fTC — интегральные содержания жидкой воды и льда в атмосферном столбе [кг/м2], которые могут быть оценены по радиометрическим измерениям [78]. Также значения интегральных содержаний доступно из реанализа ERA-interim, поставляемого Европейским Центром Среднесрочного Прогнозирования (ECMWF) [3, 16]. На Рис. 2.2.1 и Рис. 2.2.2 показаны графики ZLW и ZIW для Казани за четырехлетний период, рассчитанные по данным ECMWF. Средние значения задержек составили 0.05 мм и 0.03 мм для воды и льда соответственно. Максимальные величины достигли 1.30 мм и 0.33 мм. Как показано ниже (раздел 3.3), точность определения ZTD по радиоизмерениям ГНСС составляет около 10 мм, поэтому вкладом гидрометеоров можно пренебречь.
Верификация оценок зенитной тропосферной задержки
Здесь рассматривается вопрос сравнения оценок зенитной тропосферной задержки, полученных из измерений радиосигналов ГНСС и из численных погодных полей NCEP/NCAR [47]. Хотя в разделе 3.1 дана внутренняя априорная оценка точности ZTD, она должна быть проверена по независимым внешним данным.
Характеристики численных погодных полей были даны в разделе 1.4. Сами поля доступны через интернет в виде двоичных файлов формата netCDF [56]. Поле каждой величины представляется отдельным файлом. Для извлечения информации из них на определенные промежутки времени и интерполяции метеопараметров от узлов горизонтальной сетки на интересуемую точку мы использовали утилита CDO (Climate Data Operating) [10]. Восстановление по численным погодным полям профиля индекса рефракции осуществляется по файлам, содержащим значения температуры, относительной влажности и геопотенциальной высоты. Согласно формуле (2.2.1) индекс рефракции дается как:
Сравнение интегрированных по численным погодным полям и определенных из ГНСС измерений значений зенитных тропосферных задержек проводилось для всех станций, указанных в конце текста (Приложение 1), для каждого климатического сезона в пределах 2011 года. При этом использовались финальные продукты Всемирной Службы ГНСС. Характерный график временного хода ZTD, полученный обеими технологиями, показан на Рис. 3.3.1. Статистическими параметрами сравнения являлись средние и стандартные отклонения. Результаты представлены на Рис.3.3.2 - Рис. 3.3.5. Общее количество совместных оценок ZTD для 24 станций составило 30756.
Средние отклонения имеют явный сезонный ход, минимум которого приходится на лето. При этом зимой, весной и осенью отклонения положительны для всех станций. Стандартные отклонения минимальны зимой и максимальны летом.
В целом для всех станций и всех сезонов среднее отклонение результатов из GPS радиоизмерений от погодных полей NCEP/NCAR составило 7.7 мм, а стандартное 14.3 мм. Этот результат почти совпадает с точностью, полученной нами при сравнении с численными погодными полями зенитных тропосферных задержек, рассчитанных относительным способом [48, 92, 94]. Также отмечается тенденция, особенно явная летом, уменьшения средних отклонений и увеличение стандартных с ростом величины средней за сезон зенитной тропосферной задержки (Рис. 3.3.6 и Рис. 3.3.7). Эта зависимость не охватывает двух станций с большими абсолютными высотами - IRKT (Иркутск, высота 541 м) и ZECK (Зеленчукская, высота 1145 м), где ZTD имеет пониженные значения вследствие барометрического убывания давления.
Для азиатской части России зенитная тропосферная задержка убывает с возрастанием широты, откуда следует, что стандартное отклонение также убывает, а среднее отклонение возрастает. Для европейской территории страны такой широтной зависимости не наблюдается. Также обращает на себя внимание то, что станции на территории Республики Татарстан дают достаточно разные средние отклонения, находясь в пределах двух смежных ячеек погодных полей, что, очевидно, связано с воздействием атмосферных неоднородностей масштаба менее 210 км.
Для проверки устойчивости точности ZTD на межгодовом уровне был рассчитан длинный ряд для станции KAZN за 2009 - 2011 гг. (Рис. 3.3.8). Сравнения с погодными полями NCEP/NCAR дало общее среднее отклонение в -2.5 мм и стандартное отклонение в 16.2 мм. При этом сохраняется описанная выше сезонная зависимость. Наибольшие изменения от года в год происходят в летних отклонениях - для 2009 г. -10.7±20.5 мм, для 2010 г. -17.1±21.7 мм, для 2011 г. -10.2±19.9 мм. Тем не менее, по этим данным видно, что взаимное совпадение результатов из ГНСС измерений и погодных полей остается на уровне 10-20 мм.
Как отмечалось в разделе 3.1, внутренняя априорная точность тропосферной задержки составила около 10 мм, а внешняя, полученная здесь относительно численных погодных полей, равна 14.3 мм. Таким образом, предварительно можно сказать, что представленная методика дает несколько оптимистическую оценку точности.
Отметим, что определение ZTD по радиоизмерениям ГНСС получило широкое распространение. В частности, Международная служба ГНСС регулярно публикует суточные файлы тропосферных задержек для станций своей сети в формате TropoSINEX [70]. В связи с этим проводились верификационные исследования относительно других технологий зондирования. Так, зенитные тропосферные задержки, полученные с помощью программного обеспечения BERNESE, сравнивались с данными радиометров, радиоинтерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ) и предсказанными погодными полями [27, 40, 50]. Согласно этим работам стандартное отклонение ГНСС результатов составляет 3.5 - 10 мм от РСДБ, 6-14 мм от радиометров водяного пара, 16 мм от предсказанных погодных полей. В исследовании [9] проведено сравнение оценок тропосферных задержек, рассчитанных из численных погодных полей NCEP/NCAR и ECMWF, с оценками, найденными из обработки ГНСС радиоизмерений с помощью приложения GAMIT. Отклонения составили -10.5±24.3 мм для ECMWF и -8.5±33.0 мм для NCEP/NCAR, при этом они также имеют сезонный ход. Стандартное отклонение разности зенитных тропосферных задержек, найденных с помощью приложения GIPSY-OASIS и из данных PC ДБ, составляет 5 - 20 мм [58]. Таким образом, можно видеть, что представленные в этом разделе результаты по точности не уступают тем, которые были получены с помощью альтернативных методик обработки ГНСС радиоизмерений.
Поле интегрального влагосодержания на территории Республики Татарстан
В данном разделе рассматривается поле интегрального влагосодержания, восстановленное по радиоизмерениям приемников Сети Высокоточного Позиционирования Республики Татарстан [105] за 2011 г. Эти пункты покрывают область, протяженностью примерно 300 км по линии восток-запад и 100 км в направлении север-юг. Средняя точка сети имеет широту 55.54 с. ш. и долготу 50.99 в. д. Примеры восстановленных полей показаны на Рис. 4.3.1 и
Важно отметить, что наземные антенные системы ГНСС приемников используют радиосигналы, транслируемые навигационными спутниками, для расчета взаимного положения между приемными антеннами. Эта радиотехническая задача решается с помощью нахождения разности фаз пришедших от спутников радиосигналов [80]. Вклад поля интегрального влагосодержания в эти оценки будет зависеть как от горизонтальных градиентов этого поля, так и от длины и азимута базовой линии, соединяющей пару приемных антенн.
Для измеренных на каждой станции значений интегрального влагосодержания можно составить уравнения вида: 8IWV dlWV IWV,(x,y) = IWV(x0,y0) + —--(x,-x0) + —-(y,-y0) ox ay
(4.3.1) где Xj и у, - координаты станции в северном и восточном направлении соответственно, IWVi(x,y) - измеренное на станции значение интегрального влагосодержания, х0 и у0 - координаты средней точки сети, IWV(x0,yo) -IWVна средней точки сети, dIWV/дх и dIWV/ду - меридиональный и зональный градиенты IWV. Эти уравнения составляются для значений IWV, одновременно измеренных на всех станциях, и решаются совместно методом наименьших квадратов. Таким образом, определяются средние для сети значения градиентов и интегральное влагосодержание. Оценку точности этих величин мы получаем на основании среднеквадратического отклонения остаточных разностей.
Мы провели расчеты для каждого месяца средних значений интегрального влагосодержания, средних и максимальных (по модулю) значений горизонтальных градиентов, а также максимальные пространственные флуктуации интегрального влагосодержания для всего 2011 года. Таблица 4.3.1 содержит результаты вычислений. Как видно, атмосфера наиболее сухой была в феврале, а наиболее влажной в июле. Меридиональный градиент в холодное время меньше в несколько раз, чем в теплое время, что естественно в силу малого содержания водяного пара в тропосфере при отрицательных температурах. Наибольшее по модулю значение достигается в августе, при этом отрицательные величины меридионального градиента указывают на общую закономерность распределения интегрального влагосодержания - убывание с возрастанием широты. Максимальные градиенты, как правило, значительно больше, чем среднемесячные. Особенно большие значения градиентов наблюдаются в период май - август, когда они достигают величин 7-12 мм осажденной воды на 100 км. Пространственные флуктуации влагосодержания над рассматриваемой областью в теплое время года в 1.5-2 раза больше, чем в холодное, что соответствует результатам численного моделирования [113].
Оценка точности определения мгновенных меридиональных градиентов находилась в интервале от 0.1 до 3.4 мм осажденной воды на 100 км и в среднем равна 0.6 мм на 100 км. Для зональных градиентов точность варьируется от 0.0 до 1.6 мм осажденной воды на 100 км и в среднем составила 0.3 мм на 100 км. При этом наибольшая неоднозначность в оценках градиентов наблюдается летом, а наименьшая зимой. Точность оценки меридиональных среднемесячных градиентов варьируется в пределах от 0.005 до 0.020 мм осажденной воды на 100 км, а зональных от 0.003 до 0.009 мм на 100 км.
Как отмечалось выше, для высокоточных радиотехнических измерений важным является вопрос влияния градиентов поля интегрального влагосодержания на разность фазовых измерений, сделанных на концах базовой линии. При этом, очевидно, что максимально это влияние будет тогда, когда базовая линия направлена вдоль градиента поля, т.е. если ее азимут А равен:
В работе [63] показано, что дополнительная разница фазовых измерений, вызванная тропосферными задержками, в первую очередь влияет на вычисление разности высотных координат между антеннами, причем коэффициент пропорциональности между ошибками в высотах и разницей зенитных тропосферных задержек для средних широт равен 2.59. Соответственно, мы провели расчеты этих ошибок для максимальных градиентов на направленных вдоль них базовых линиях длиной в 30 км. Результаты даны ниже (Таблица 4.3.2).
Таким образом, влияние интегрального влагосодержания на фазовые радиоизмерения может оказаться существенным для определения взаимного положения между ГНСС антеннами. Хорошо заметен сезонный тренд - летом возможные ошибки значительно больше, чем зимой.
