Вариации задержки сигналов GPS/Глонасс в атмосфере по данным моделирования и спутниковой микроволновой радиометрии

Новым источником данных о паросодержании атмосферы V стали измерения времени задержки сигналов Δt, излучаемых со спутников глобальных навигационных систем Global Position System (GPS) и Глонасс и принимаемых наземными станциями. Задержка времени прихода сигналов GPS вдоль траектории их распространения l от спутника до приемной станции зависит от вариаций коэффициента преломления атмосферы n(l). Вариации n(l), в свою очередь, определяются вариациями высотных профилей давления P(h), температуры T(h) и влажности атмосферы a(h), концентрации крупных (дождь) и мелких (облака) капель, а также концентрации электронов в ионосфере Ne(h), что позволяет представить задержку Δt в виде суммы сухой Δtсух, влажной Δtвл, облачной Δtобл и ионосферной Δtион составляющих. Сухая составляющая в направлении зенита составляет 200-220 см и с высокой точностью может быть рассчитана по значениям давления у земной поверхности P(0). Влажная составляющая Δtвл определяется содержанием водяного пара в толще атмосферы V, но зависит также от распределения температуры T(h). Вариации Δtвл в направлении зенита лежат в пределах от 1-2 см (сухой арктический воздух) до 35-40 см (влажный тропический воздух). Облачная составляющая задержки пропорциональна водозапасу облака Q, зависит от температуры капелек и, как правило, существенно меньше сухой и влажной составляющих [1, 2]. Учёт ее, тем не менее, важен для снижения погрешности оценки Δtвл. Паросодержание атмосферы V и водозапас облаков Q над океаном восстанавливаются по спутниковым микроволновым измерениям [3], что позволяет определить задержку Δt над обширными регионами, где отсутствуют приемные станции GPS/Глонасс (Δtсух рассчитывается по полю приземного давления ECMWF). С другой стороны, сведения о задержке, полученные береговыми и островными приемными станциями, могут быть использованы для калибровки и валидации спутниковых определений V, для анализа полей паросодержания в прибрежной морской и материковой зоне с высоким временным разрешением.
В работе представлены результаты анализа полной задержки и отдельных ее составляющих, рассчитанные по данным радиозондирования атмосферы с судов и островных станций в различных районах Мирового океана. Показана высокая корреляция влажной и облачной компонент задержки с интегральными параметрами атмосферы V и Q. Поля V и Q над океаном, восстановленные по измерениям радиометра AMSR-E со спутника Aqua, в сочетании с полями приземного давления P(0) использованы для построения полей атмосферной задержки в различных морских погодных системах. Сформулированы области приложений данных о водяном паре в атмосфере, восстановленных по измерениям микроволновых радиометров со спутников и наземных приемных станций GPS/Глонасс.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-05-12047-офи-м-2011, ФЦП “Мировой океан” и соглашения между ТОИ ДВО РАН и JAXA.
Литература
1. Митник Л.М. Использование радиометрических измерений в СВЧ-диапазоне для определения длины группового пути радиоволн в атмосфере // Радиотехника и электроника. 1973. № 9. C. 1808-1815.
2. Митник Л.М. Диэлектрическая проницаемость воды: необходимость точных значений для решения задач дистанционного зондирования окружающей среды // Исследование Земли из космоса. 1984. № 3. С. 66–71.
3. Митник М.Л., Митник Л.М. Восстановление паросодержания атмосферы и водозапаса облаков над океаном по данным микроволнового зондирования со спутников DMSP, TRMM, AQUA и ADEOS-II // Исследование Земли из космоса. 2006. №. 4. C. 34-41.