مدل‌سازی توموگرافیک بخار آب و انکسارپذیری تر با استفاده از امواج GPS

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترای ژئودزی- دانشکده ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 دانشیار دانشکده مهندسی ژئودزی و ژئوماتیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

امروزه یکی از مهم‌ترین کاربردهای سیستم تعیین موقعیت جهانی  GPSمدل‌سازی توموگرافی پارامترهای موثر در هواشناسی می‌باشد چرا که می‌توان با کمترین هزینه و بالاترین رزولوشن مکانی و زمانی شبکه‌هایی محلی برای پایش دائمی آب و هوا ایجاد نمود و علاوه بر آن دقت تعیین موقعیت را نیز افزایش داد. کشور ایران یکی از کشورهایی است که علی‌رغم دارا بودن ایستگاه‌های دائمیGPS فاقد هر گونه مدل محلی توموگرافی است. این در حالی است که تراکم مکانی ایستگاه‌های رادیوسوند این کشور کم است. علاوه بر آن مدل‌های عددی پیش‌بینی آب و هوای موجود برای این کشور به دلیل عدم دخالت داده‌های این کشور در مدل های جهانی عددی پیش بینی آب و هوا مدل‌هایی با قابلیت اطمینان کم می‌باشند. در روش توموگرافی با استفاده از تکنیک معکوس‌سازی و از طریق آنالیز اثر لایه‌ی تروپوسفر بر روی سیگنال‌های ماهواره‌های GPSبه مدل‌سازی چهاربعدی پارامترهای موردنظر پرداخته می‌شود. مسئله‌ی مذکور دارای جوابی غیر یکتا و ناپایدار است. جهت دستیابی به جوابی یکتا از مجموعه‌ای از قیود افقی و قائم استفاده می‌گردد. در این مقاله از طریق مدل‌های عددی پیش‌بینی وضعیت آب و هوا (NWPM) این قیود به عنوان مقادیر اولیه به مسئله اضافه شده‌اند. همچنین جهت دستیابی به جوابی پایدار از روش بازسازی جبری همزمان (SART) استفاده شده است.در پایان نیز نتایج به دست آمده از این روش با پروفیل‌های رادیوسوندی در 5 اپک زمانی مقایسه شد.این نتایج نشان‌دهنده‌ی مدل‌سازی مناسب چگالی بخار آب و انکسارپذیری تر با استفاده از روش پیشنهادی در قسمت شمال غربی ایران می‌باشد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

4D Tomographic Modeling of Water Vapor and Wet Refractivity Using GPS Signals

نویسندگان [English]

  • Zohre Adavi 1
  • M Mashhadi-Hossainali 2
  1. ADAVI, Z. & MASHHADI HOSSAINALI, M. 2014. 4D-Tomographic Reconstruction of the Tropospheric Wet Refractivity Using the Concept of Virtual Reference Station, Case Study: North West of Iran. Meteoroloy and Atmospheric Physics, 125.
  2. ANDERSEN, A. 1989. Algebraic reconstruction in CT from limited views. IEEE Trans. Med. Imaging, 8, 50-55.
  3. ANDERSEN, A. & KAK, A. 1984. Simultaneous algebraic reconstruction technique (SART): A new implementation of the ART algorithm. Ultrason. Imaging, 6, 81-94.
  4. ASTER, R., BORCHERS, B. & THURBER, C. 2003. Parameter Estimation and Inverse Problems, Elsevier Academic Press.
  5. BAI, Z. 2004. Near-Real-Time GPS Sensing of Atmospheric Water Vapour. Ph.D., Queensland University of Technology.
  6. BENDER, M., DICK, G., GE, M., DENG, Z., WICKERT, J., KAHLE, H.-G., RAABE, A. & TETZLAFF, G. 2011. Development of a GNSS water vapour tomography system using algebraic reconstruction techniques. Advanced in Space Research, 47, 1704-1720.
  7. BENDER, M., DICK, G., HEISE, S., ZUS, F., DENG, Z., SHANGGUAN, M., RAMATSCHI, M. & WICKERT, J. GNSS Water Vapor Tomography.  Deutsches GeoForschungsZentrum, 2013 GFZ, Postdam, Germany.
  8. BENDER, M. & RAABE, A. 2007. Preconditions to ground based GPS water vapour tomography. Annales Geophysicae, 25(8), 1727-1734.
  9. BEVIS, M., BUSINGER, S. & CHISWELL, S. 1994. GPS meteorology:mapping zenith wet delays on to precipitable water. Journal of Applied Meteorology, 33, 379–386.
 

10. BEVIS, M., BUSINGER, S., HERRING, T., ROCKEN, C., R.A., A. & WARE, R. H. 1992. GPS meteorology: remote sensing of atmospheric water vapor using the

11. Global Positioning System. Journal of Geophysical Research, 97 (D14), 15787–15801.

12. BÖHM, J., NIELL, A., TREGONING, P. & SCHUH, H. 2006b. Global Mapping Function (GMF): A new empirical mapping function based on numerical weather model data. Geophysical Research Letters, 33.

13. BRAUN, J. J. 2004. Remote Sensing of Atmospheric Water Vapor with the Global Positioning System. Ph.D., University of Colorado.

14. BRENOT, H., WALPERSDORF, A., REVERDY, M., VAN BAELEN, J., DUCROCQ, V., CHAMPOLLION, C., MASSON, F., DOERFLINGER, E., COLLARD, P. & GIROUX, P. 2014. A GPS network for tropospheric tomography in the framework of the Mediterranean hydrometeorological observatory Cévennes-Vivarais (southeastern France). Atmospheric Measurment Techniques, 7, 553-578.

15. CHAMPOLLION, C., MASSON, F., BOUIN, M. N., WALPERSDORF, A., DOERFLINGER, E., BOCK, O. & VAN BAELEN, J. 2005. GPS water vapour tomography: preliminary results from the ESCOMPTE field experiment. Atmospheric Research, 74, 253-274.

16. DACH, R., HUGENTOBLER, U., FRIDEZ, P. & MEINDL, M. 2007. Bernese GPS Software Version 5.0, Astronomical Institute, University of Bern.

17. DAVIS, J. L., HERRING, T. A., SHAPIRO, I. I., ROGERS, E. E. & ELGERED, G. 1985. Geodesy by radio interferometry: effects of atmospheric modeling errors on

18. estimates of baseline length. Radio Science, 20(6), 1593–1607.

19. ELFVING, T., NIKAZAD, T. & HANSEN, P. C. 2010. SEMI-CONVERGENCE AND RELAXATION PARAMETERS FOR A CLASS OF SIRT ALGORITHMS. Electronic Transactions on Numerical Analysis, 37, 321-336.

20. FLORES, A. 1999. Atmospheric Tomography Using Satellite Radio Signals. Ph.D., Politècnica de Catalunya, Barcelona.

21. FLORES, A., RUFFINI, G. & RIUS, A. 2000. 4D Tropospheric Tomography using GPS Slant Wet Delays. Annales Geophysicae, 18(2), 223-234.

22. FOELSCHE, U. & KIRCHENGAST, G. 2001. Tropospheric water vapor imaging by combination of ground-based and space born GNSS sounding data. Journal of Geophysical Research, 106(D21), 27221-27231.

23. GUEROVA, G. 2003. Application of GPS derived water vapour for Numerical Weather Prediction in Switzerland. Ph.D., University of Bern.

24. HIRAHARA, K. 2000. Local GPS tropospheric tomography. Earth Planets Space, 52(11), 935-939.

25. HOYLE, V. A. 2005. Data Assimilation for 4-D Wet Refractivity Modelling in a Regional GPS Network. Master of Science, Calgary,Alberta,Canada.

26. JADEA, S., VIJAYANA, M. S. M., GAURA, V. K., PRABHUB, P. T. & SAHUC, S. C. 2005. Estimates of precipitable water vapour from GPS data over the Indian subcontinent. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestial Physics, 65, 623-635.

27. KAPLAN, E. 1996. Understanding GPS: principles and applications, Artech House Publishers, Boston, London.

28. KUO, Y. H., ZOU, X. & HUANG, W. 1998. The impact of Global Positioning System data on the prediction of an extratropical cyclone: an observing system experiment. Dynamics of Atmospheres and Oceans, 27, 439-470.

29. LUTZ, S. M. 2008. High-resolution GPS tomography in view of hydrological hazard assessment. Ph.D., ETH Zurich.

30. MENDES, V. B. 1999. MODELING THE NEUTRAL-ATMOSPHERIC PROPAGATION DELAY IN RADIOMETRIC SPACE TECHNIQUES. Ph.D., University of New Brunswick.

31. MENKE, W. 2012. Geophysical Data Analysis: Discrete Inverse Theory MATLAB Edition. 3rd ed.: Academic Press is an imprint of Elsevier.

32. NILSSON, T. & GRADINARSKY, L. 2006. Water vapor tomography using GPS phase observations: simulation results. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens, 44, 2927–2941.

33. ROHM, W. & BOSY, J. 2009. Local tomography troposphere model over mountains area. Atmospheric Research, 93(4), 777-783.

34. ROHM, W. & BOSY, J. 2011. The verification of GNSS tropospheric tomography model in a mountainous area. Advanced in Space Research, 47, 1721-1730.

35. SAASTAMOINEN, J. 1973. Contributions to the theory of atmospheric refraction.Part II: refraction corrections in satellite geodesy. Bull.Geod, 107, 13-34.

36. SADEGHI, E., MASHHADI-HOSSAINALI, M. & ETEMADFARD, H. 2014. Determining precipitable water in the atmosphere of Iran based on GPS zenith tropospheric delays. Annals of geophysics 57.

37. SEEBER, G. 1993. Satellite Geodesy, de Gruyter, Berlin.

38. SHANGGUAN, M., BENDER, M., RAMATSCHI, M., DICK, G., WICKERT, J., RAABE, A. & GALES, R. 2013. GPS tomography: validation of reconstructed 3-D humidity fields with radiosonde profiles. Annales Geophysicae, 31, 1491-1505.

39. SMITH, E. K. & WEINTRAUB, S. 1953. The constants in the equation for atmospheric refractive index at radio frequencies,. in Proc. IRE 41.

40. TROLLER, M. 2004. GPS based Determination of the Integrated and Spatially Distributed Water Vapor in the Troposphere. Ph.D., ETH Zurich.

41. XIA, P., CAI, C. & LIU, Z. 2013. GNSS troposphere tomography based on two-step reconstructions using GPS observations and COSMIC profiles. Annales Geophysicae, 31, 1805-1815.

42. YAN, M. 2010. Convergence Analysis of SART by Bregman Iteration and Dual Gradient Descent. Department of Mathematics, University of California, Los Angeles, CA 90095.

43. YANG, X., SASS, B., ELGERED, G., JOHANSSON, J. M. & EMARDSON, T. R. 1999. A comparsion of precipitable water vapor estimates by an NWP simulation and GPS observations. Journal of Applied Meteorology, 38, 941-956.