Určování integrovaných a prostorově rozložených vodních par v troposféře na základě měření GPS

[GPS based Determination of the Integrated and Spatially Distributed Water Vapor in the Troposphere] / Marc Troller. - In. Geod. geophys. Arb. Schweiz. - Č.67 (2004), s.1-172. - Lit.83. ISBN 3-908440-10-6 Dostupné na: www.sgc.ethz.ch/publications

Přeložil Jan Rambousek, zkráceno.
Zdiby : VÚGTK, 2006. - 5 s.

Klíčová slova: troposféra, GPS, refrakce, tomografie

Změna klimatu a globální oteplování dnes znamenají velkou výzvu pro trvalý rozvoj naší planety Země a okolního prostoru. Vznikají snahy pokusit se intenzivní výzkumnou činností porozumět atmosférickým dějům a jejich působení. V souvislosti s tím má klíčovou úlohu pro globální energetickou bilanci vodní pára. Stává se součástí mnohých chemických reakcí a vytváří tak významnou složku pro globální energetickou bilanci. Mikrovlnný signál procházející atmosférou se vlivem refrakce zpožďuje. Tento jev způsobuje významnou ztrátu přesnosti GPS. Troposférické zpoždění na drahách lze dělit na suchý a vlhký podíl, kde vlhký souvisí s celkovou (integrovanou) vodní parou nad přijímačem GPS.

Vliv refrakčního lomu je nutno jednak zavádět jako opravu měření GPS, jednak ho lze užít co signálu pro stanovení prostorového rozložení vodních pár.  Předkládané práci se uvažují obě hlediska. V prvním díle se zkoumají dva základní přístupy k opravě troposférického jevu. Jednak se modeluje refrakčnost pomocí meteorologických dat a při tom hlavním cílem je stanovení celkového obsahu vodních par a jeho časové změny. Druhým způsobem je určování časového zpoždění signálu z dlouhých měřických řad GPS a odhad celkového objemu vodních par. Poslední přístup se pak využívá ve druhé části této práce pro stanovení prostorového rozložení a časových změn vodních par. Tento průzkum se zakládá na využití tomografie.

V prvním díle předkládané práce se probírá možnost rozšíření softwaru COMEDIE k výpočtu zpoždění troposférických drah. COMEDIE umožňuje čtyřrozměrné modelování (v prostoru a čase) meteorologických parametrů tlak vzduchu, teplota a tlak vodních par pomocí kolokace. Integrací meteorologických parametrů na dráze signálu lze určovat troposférická zpoždění na drahách. Vyhodnocení a porovnání na švýcarském území ukazuje vhodnost tohoto postupu. Lze tak obecně dosáhnout dobré shody se zpožděním na drahách šíření vln, kterých bylo dosaženo pouze z odhadů GPS. Přesnost závisí na roční době a dosahuje pro troposférické zpoždění 1-2 cm.

Soustavná měření GPS umožňují odhadovat zpoždění na troposférických drahách vyhodnocovacím softwarem GPS. V dalším díle předkládané práce se rozšiřují postupy založené na odhadech zpoždění na drahách šíření z odhadů GPS. Podobně jako u COMEDIE se užívá pro určení zpoždění na drahách šíření vln čtyřrozměrného modelování a kolokačního vyrovnání pro libovolné místo. Ve Švýcarsku se vyhodnotila data stálé sítě GPS AGNES, pomocí křížové korelační metody se analyzovaly časové řady. Bylo při tom možno dosáhnout přesnosti řádu 0,5 až 1,5 cm.

Ověřovaly se také možnosti využití tomografie pro stanovení výškového členění vodních par odhadovaných pomocí GPS. Bylo to založeno na pozorováních dvojitých rozdílů GPS. Podíl vlhkosti refrakčního pole se určil metodou nejmenších čtverců. Pro ověření možnosti softwaru se simulovaly různé povětrnostní podmínky.Využilo se modelů s různými stochastickými vedlejšími podmínkami a ověřovala inverzní stabilita. K tomu se uskutečnil rozbor výsledků měřické kampaně husté sítě GPS na Havaji. Srovnání s radiosondami dalo přesnost asi 10 miliontin jednotek refraktivity.

Aby bylo možno stanovit možnosti a hranice ověřovaných metod, porovnávaly se vzájemně všechny výše uváděné aplikace v rozsáhlé studii na švýcarském území. Jako porovnání posloužily údaje numerického povětrnostního modelu aLMo. Ověřování se zakládalo na časových řadách postupujících po hodině během sedmi dní s vysokým prostorovým rozlišením na celém území Švýcarska. Výsledná zpoždění délek troposférických drah se vzájemně porovnávala a analyzovala. Celkově se docílilo dobré shody s daty aLMo. Aby bylo možno zkoumat prostorové rozložení vodních par, určilo se 7680 refrakčních profilů tomografickou metodou a porovnalo číselnými hodnotami počasí. Rozbor obsahuje čtyři tomografická řešení s různými vedlejšími podmínkami. Výsledky se statisticky analyzovaly a porovnaly. Zjistila se při tom korelace mezi dosaženou přesností a stavem povětrnosti. Celkově se dosáhlo v porovnání s aLMo přesnosti 5-7 miliontin refrakčních jednotek.

Na závěr práce lze říci, že se v ní úspěšně poukázalo na možnost stanovit obsah vodních par v troposféře. Hlavní užití pro geodezii je pak oprava měření GPS. Předpokládá to ovšem, že jsou k dispozici měření fáze GPS po dostatečně dlouhou dobu. Také se poukázalo na využitelnost tomografie. Doporučuje se pokračovat v další práci.