Тропосферная зенитная задержка по данным GPS-станций ULAZ, IRKT и BADG

Развитие радиофизических методов для глобального изучения радиоклимата и условий радиосвязи в атмосфере Земли с помощью высокостабильных сигналов спутниковых навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO и других) является актуальным направлением междисциплинарной темы «Фундаментальные проблемы естественных и искусственных электромагнитных полей Земли». Дистанционное зондирование с использованием GPS и ГЛОНАСС радиосигналов позволяет определить характеристики тропосферы [1]. Возникающие из-за тропосферной рефракции погрешности в РСА данных ограничивают возможности радарной интерферометрии при высокоточных определениях геофизических и геометрических параметров [2].

Цель работы – проанализировать данные GPS станций ULAZ, IRKT и BADG, полученные за период с 1999 по 2011 гг. и показать возможности исследования тропосферы с помощью системы наземных GPS – ГЛОНАСС приемников, разнесенных в пространстве [3]. Совместно с ИЗК СО РАН проведен анализ данных GPS приемника ULAZ в части определения ТЗЗ за 1999–2010 гг. ТЗЗ является одной из наиболее существенных поправок, которые учитываются при высокоточных геодезических расчетах по GPS данным. Определяемая с помощью программного пакета GAMIT ТЗЗ отражает вариации различных атмосферных процессов. ТЗЗ является суммой «сухой» или гидростатической (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. ТЗЗ изменяется примерно от 6 до 8 нс по времени (1,9–2,4 м или 10–12 фазовых циклов на частоте L1 = 1575,42 МГц) в зависимости от метеоусловий и местоположения. При уменьшении угла возвышения а тропосферная задержка увеличивается как косеканс а этого угла, поэтому задержка на частоте L1 с углом а в 20° может достигать от 30 до 36 циклов. Тропосферная задержка определяется коэффициентом преломления тропосферы n = ^ «1 + (е -1) / 2 , где £ - диэлектрическая проницаемость воздуха. При этом восприимчивость kЭ = (е - 1) смеси сухого воздуха и водяного пара подчиняется закону аддитивности, т. е. равна сумме восприимчивости отдельных газов смеси, пропорциональных их парциальным давлениям. Закону аддитивности соответствует и широко используемый в радиометеорологии индекс рефрак-гл м ,            77.6    3.73-106

ции [4] N = ( n - 1) - 105 = — р +-- у5--- e = N T + N e , где N T – индекс рефракции для сухого воздуха, зависящий от изменений температуры и давления воздуха, N e – индекс рефракции для водяного пара, T – абсолютная температура, К; p – атмосферное давление, мбар; e – упругость водяного пара, мбар (1 мбар = 10² Н/м). Формула для N дает возможность определить индекс рефракции (коэффициент преломления), если известны температура, давление и упругость водяного пара в пункте приема GPS сигналов (рис.1).

Для средних летних условий в г. Улан-Удэ T = 290 К; p = 950 мбар; e = 12 мбар. Для зимы T = 253 К; p = 965 мбар; e = 1 мбар. В районе г. Улан-Удэ в среднем у поверхности Земли n = 1,000 301 4 и N = 301,4. Из формулы для N следует, что ТЗЗ также является суммой «сухой» (ТГЗ) и «влажной» (ТВЗ) составляющих. Атмосферный водяной пар влияет на скорость распространения GPS сигналов. В целом «влажная» составляющая (ТВЗ) вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно в зимний период. Ее вклад можно оценить отношением N e / N T, которое изменяется для г. Улан-Удэ от 0,02 зимой до 0,24 летом. Следовательно, «сухая» задержка ТГЗ составляет определяющую часть ТЗЗ, но исследование ТВЗ очень перспективно в климатологии. Временные ряды ТЗЗ и атмосферного давления на станции ULAZ за 2005–2010 гг. с устойчивым годовым ходом показаны на рис. 2.

Осенью, зимой и весной, когда сезонные параметры показателя преломления обладают значительной устойчивостью (особенно зимой), численные значения ТЗЗ имеют минимумы, примерно равные 2,2 м. Повышение давления зимой относительно лета составляет в среднем 20 мбар. При летнем уменьшении атмосферного давления всегда наблюдается увеличение ТЗЗ из-за относительно высокого влагосодержа-ния воздуха. Летнее увеличение ТЗЗ связано с увеличением атмосферного водяного пара над пунктом GPS измерений, т. е. с увеличением ТВЗ. Однако в целом ТВЗ вносит значительно меньший вклад в ТЗЗ, особенно зимой. Если принять среднее значение ТГЗ равным 2,2 м, то добавка за счет ТВЗ в летнее время

в

г

Рис. 1. Годовой ход:

а – температуры; б – влажности; в – атмосферного давления по данным станций Гидрометслужбы Республики Бурятия ( 1 – ст. Улан-Удэ; 2 – ст. Баргузин;

3 – ст. Усть-Баргузин); г – N T и N e по месяцам для г. Улан-Удэ

Рис. 2. Временные ряды тропосферной зенитной задержки ( а ) и приземного атмосферного давления ( б ) на станции ULAZ за 2005–2010 гг.

давление, мм рт.ст. тропосф. зенит, задержка, м

Рис. 3. Годовой ход ТЗЗ GPS станции ULAZ за 1999–2010 гг.

Рис. 4. Сравнение годового хода ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г.

составит 0,2–0,27 м, т. е. не превышает (8–12) % от ТГЗ. Ряд ТЗЗ с июля 1999 г. по декабрь 2010 г. приведен на рис. 3. Сравнение ТВЗ для GPS станций ULAZ, IRKT и BADG за 2011 г. представлено на рис. 4. Отчетливо видна высокая степень корреляции ТВЗ между тремя станциями, разнесенными в пространстве до 230 км.

Таким образом, для GPS станции ULAZ на 11-летнем интервале времени определена ТЗЗ, которая изменялась в пределах 2,1–2,47 м. «Влажная» (ТВЗ) составляющая достигает 0,27 м и определяется содержанием водяного пара в тропосфере. Многолетний ход ТВЗ характеризует климатические явления в регионе. Полученные результаты позволяют построить региональную пространственно-временную модель ТЗЗ и определить вариации трехмерных полей содержания водяного пара с помощью сетей наземных GPS приемников [3].