Monitoring tropospheric water vapor variations with ppp during severe weather

Troposferik su buharı değişimlerinin ppp ile kötü hava koşullarında izlenmesi

PDF İndir

Tez No: 485368
Yazar: ENGİN TUNALI
Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA TEVFİK ÖZLÜDEMİR
Tez Türü: Doktora
Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Meteoroloji, Mühendislik Bilimleri, Geodesy and Photogrammetry, Meteorology, Engineering Sciences
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2018
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 234

Özet

Küresel Konum Belirleme Sistemleri (GNSS – Global Navigation Satellite System) sinyali uydu anteni ve yeryüzündeki alıcı arasındaki mesafeyi yol alırken atmosferde iyonosfer ve troposfer tabakalarından geçmekte ve sinyal yolu boyunca gecikmelere uğramaktadır. Frekans bağımlı iyonosfer tabakasından kaynaklanan gecikmeler, GNSS kod ve taşıyıcı faz gözlemlerinin çift frekanslı iyonosfer bağımsız lineer kombinasyonları ile büyük oranda giderilebilmektedir. Frekans bağımsız troposfer tabakası nedeniyle oluşan gecikmeler ise gözlem denklemlerinin lineer kombinasyonları ile giderilemez ve bu gecikmelerin uygun modeller ile modellenmesi ve etkilerinin gözlem denklemlerinden giderilmesi gerekmektedir. Troposfer kaynaklı gecikmeyi oluşturan iki bileşenden biri olan zenit hidrostatik gecikme (ZHD – Zenith Hydrostatic Delay), atmosferdeki kuru gazların etkilerini içermekte olup bölgede gerçekleştirilmiş hassas basınç ölçmeleri yardımıyla ve Saastamoinen troposfer modelini kullanarak yüksek bir doğruluk ile hesaplanabilmektedir. İkinci bileşen olan zenit ıslak troposfer gecikmesi (ZWD – Zenith Wet Delay) ise atmosferdeki nem oranı ile olan yüksek korelasyonundan dolayı zamansal ve mekânsal değişim gösteren, modellenmesi zor ve atmosferik olayların oluşum ve gelişim süreçlerinin yorumlanması için çok önemli bir parametredir. Bu parametreyi doğrudan ölçebilen teknolojiler (radyosonda, su buharı radyometresi, uzaktan algılama uyduları) mevcut olduğu gibi deneysel (analitik) modeller kullanılarak da yaklaşık tahmin değerleri elde edilebilmektedir. GNSS oturumlarında, ZWD etkisi; gözlem denklemlerinde bir bilinmeyen olarak tanımlanmakta ve parametre kestirimi sonucunda değeri stokastik süreçler ile bulunmaktadır. GNSS, sahip olduğu yüksek doğruluk, süreklilik, geniş kapsama alanı ve tüm hava koşullarında çalışabilme özelliğinden dolayı atmosfer hareketlerini izlemek için 1990'lı yılların başından beri kullanılmaktadır. Bu gözlemler“GNSS Meteorolojisi”olarak adlandırılmakta ve temeli; troposferdeki alıcı – uydu sinyal yolu gecikmesi ile atmosferdeki nem (su buharı) arasındaki ilişkiye dayanmaktadır. Bir sera gazı olan atmosferik su buharı atmosferdeki enerji değişim süreçlerinde etkili, lokal ve küresel hava olaylarının oluşumunda önemli bir parametredir fakat sahip olduğu hızlı mekânsal ve zamansal değişkenlik bu parametrenin doğrudan radyosonda ve su buharı radyometresi gibi geleneksel yöntemleri ile belirlenmesine ve dolayısıyla hava koşullarının istenilen doğrulukta tahmin edilebilmesine engel oluşturmaktadır. Geleneksel yöntemler ile veri üretilirken yaşanan zamansal gecikmeler, örnekleme gerçekleştirilen istasyonların konumsal dağılımının yetersizliği ve ekonomik etkenler bu yöntemlere alternatif yeni yaklaşımların ortaya çıkmasına neden olmuştur. GNSS gözlemleri ile kestirilen ZWD ve yağmur oluşum sürecindeki temel değişken olan yoğuşabilir su buharı (PWV – Precipitable Water Vapor) arasındaki yüksek korelasyon kullanılarak gerçek zamanlı (RT – real time) ve art-işlem (PP – post process) hava tahmin ve iklim çalışmaları yürütülebilmektedir. GNSS gözlemleri sonucunda kestirilmiş su buharı değerlerinin klasik yöntemler ile elde edilmiş değerlere yakın sonuçlar vermesi; GNSS gözlemlerinden türetilen verilerin, sayısal hava modelleri tarafından etkin bir şekilde kullanılmasının önünü açmıştır. Günümüze kadar yürütülen GNSS Meteorolojisi çalışmalarının büyük bir çoğunluğu, GNSS ağ çözümü yaklaşımlarını temel alan, Sürekli Çalışan Referans Sistemi (CORS – Continuosly Operating Reference System) uygulamalarıdır. GNSS gözlemlerinde karşılaştığımız uydu yörünge, uydu ve alıcı saat hataları, uydu ve alıcıda donanım kaynaklı sapmalar ve tamsayı faz belirsizliği gibi kestirim hassasiyetini bozan hata kaynaklarının, aynı uydulara gözlem yapan istasyonların gözlem farklarından kısa süreler içinde giderilebilmesi, konum doğruluğunu santimetre mertebelerine düşürürken kestirilen troposfer parametrelerinin de hassasiyetini arttırmaktadır. Fakat, çözümlerde kullanılan istasyon sayısı arttıkça, gözlemlerin sayısı, hesap yükü ve istasyonlar arasındaki korelasyon da artmaktadır. Bu sebeple, ağ çözümüne alternatif, ekonomik, hesap yükü daha az olan ve kestirim doğruluğu ağ çözümüne yakın yeni yöntemler üzerinde durulmaktadır. Hassas Konum Belirleme (PPP – Precise Point Positioning) bu ihtiyaca cevap vermek için geliştirilmiş, tek bir alıcıdan ve fark alma teknikleri kullanılmaksızın okunan faz ve kod gözlemlerini işleyen bir GNSS ölçme tekniğidir. PPP, Uluslararası GNSS Servisi (IGS – International GNSS Service) tarafından sağlanan hassas uydu yörünge ve saat efemeris bilgisi ürünlerini işleyerek yüksek doğrulukta parametre kestirimi yapabilmektedir. Ağ GNSS çözümleri ile etkisi giderilen her bir hata kaynağı, PPP'de dikkatle ele alınmalı, doğru model yaklaşımları ve gözlemlerin lineer kombinasyonları kullanılarak etkileri modellenmeli ve giderilmelidir. Bu özelliğinden dolayı PPP, GNSS gözlemlerindeki her bir parametre için kalite kontrol aracı olarak da kullanılmaktadır. GNSS gözlemleri kullanılarak troposfer hareketleri modellenirken gerekli olan anlık meteorolojik veriler; geleneksel yöntemlerin yanı sıra, istasyon bölgesinde yapılan yersel ölçmeler, yeryüzü ölçmelerinin bulunmadığı durumlarda ise analitik tahmin fonksiyonları ve gerçek verilere dayanan sayısal hava modelleri (NWM – Numerical Weather Model) kullanılarak ilgili konum ve zaman dilimi için türetilebilmektedir. Benzer şekilde, uzun yıllara ait meteorolojik verilerin analizlerine dayalı olarak ve farklı uydu eğim açılarına göre geliştirilmiş izdüşüm fonksiyonları da GNSS gözlemlerinin atmosferi daha gerçekçi yansıtmasının ve kullanıcıların daha gerçekçi hava tahmin çalışmaları yürütmesinin önünü açmıştır. Günümüzde, hem ZHD hem de ZWD hesabında kullanılmak üzere sayısal hava modelleri verilerine dayanan birçok analitik atmosfer modeli geliştirilmiştir. Avrupa Orta Menzilli Hava Tahminleri Merkezi'nin (ECMWF - European Centre for MediumRange Weather Forecasts) uzun yıllara dayanan Re-Analysis (ERA-40, 1999 – 2002), ve ERA-Interim (2001-2011) analizleri kapsamında, ihtiyaç duyulan meteorolojik parametrelerin yıllık ortalama değerleri ve yıllık değişim oranları (genlik katsayıları) hesaplanmıştır. Grid formatında saklanan bu değerler küresel harmoniklere açılarak herhangi bir konum ve zaman dilimi için sürekli veri sağlayabilmekte, gerçek zamanlı çözümleri desteklemektedir. Küresel Basınç ve Sıcaklık (GPT - Global Pressure and Temperature ), 9. derece ve 9. mertebeden deniz seviyesinde küresel harmonik bir fonksiyondur ve ölçme yapılan bölgede meteorolojik veriye ulaşma imkânı bulunmayan durumlarda sıklıkla tercih edilmektedir. GPT, konumu ve gözlem tarihi bilinen bir istasyon için ihtiyaç duyulan sıcaklık, basınç, nem, su buharı basıncı ve izdüşüm fonksiyonu katsayılarını kullanıcılara sağlamaktadır. GPT2, GPT'nin kaba olan yatay grid çözünürlüğünü arttırmış (GPT:15°; GPT2: 5°), çok yağışlı dönemler ile çok kuru dönemlerin hakim olduğu bölgelerin daha iyi yansıtılması için meteorolojik verilerin yarıyıllık ortalama değerlerini ve genliklerini hesaplamıştır. Küresel İzdüşüm Fonksiyonu (GMF – Global Mapping Function), GPT (~GPT2) ile birlikte çalışmak için geliştirilmiş bir izdüşüm fonksiyonu olup ECMWF analiz verilerinin küresel harmoniklere açılması ile ilgili konum ve gün için kuru ve ıslak izdüşüm fonksiyon katsayılarını hesaplamaktadır. Diğer bir analitik fonksiyon olan New Brunswick Üniversitesi (UNB – University of New Brunswick) 5°'lik enlem bant aralıklarında tanımlanmış ve meteorolojik parametrelerin yıllık ortalama ve genliklerini içeren tablo değerlerinin küresel harmoniklere açılması sonucu istenilen konum ve gün için tahmini değerler üretmektedir. Bu değerler daha sonra Saastamoinen troposfer modelinde kullanılmakta ve Niell izdüşüm fonksiyonu (NMF – Niell Mapping Function) ile gecikme hesaplanmaktadır. Ani hava değişimlerine duyarlı olmayan bu analitik modeller; istenilen konum ve zaman için anlık veri sağlamakta, GNSS gözlem denklemlerine kolayca entegre edilebilmektedir. ECMWF analizleri sonucunda hesaplanan ve 2.5° (boylam) x 2.0° (enlem) grid formatında günde 4 kez yayınlanan (00:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC) VMF1; içeriğinde kuru ve ıslak izdüşüm fonksiyonlarının parametreleri ile verilen grid noktaları için hesaplanmış ZHD ve ZWD değerlerini bulundurmaktadır. VMF1, ilgili konum ve yükseklik için ara değer hesabıyla gerçeğe en yakın troposfer tahminlerini sağlayan yaklaşımdır. 6 saatlik ECMWF verilerini girdi olarak kullanmasından dolayı ani hava değişimlerine duyarlı ve aynı sebepten dolayı GNSS yazılımlarına uygulanması zordur. Belli bir gecikme ile PPP çözümünde kullanabilen VMF1, daha çok yakın gerçek zaman uygulamalarına katkı vermektedir. PPP çözümlerinde, denklemlerde tercih edilen hava tahmin modeli ve izdüşüm fonksiyonuna bağlı olarak kestirilen ZWD ve bu kestirimlerden türetilen PWV parametreleri farklılık göstermekte, art işlem, yakın gerçek ve gerçek zamanlı hava tahmin sonuçları da bu farklılıklardan etkilenmektedir. Bahsi geçen analitik modelleri, NWM ve bunlarla birlikte çalışabilen izdüşüm fonksiyonlarını çözümlerinde kullanan PPP oturumlarının performansı daha önce olağan dışı hava koşulları altında test edilmemiş, PPP ile atmosfer hareketlerini izlemede, hangi model yaklaşımının diğerine göre nerede üstünlük kurduğu karşılaştırmalı olarak bir çalışma altında sunulmamıştır. Bu tez çalışmasında, güncel hava tahmin ve sayısal hava modellerine dayanarak üretilmiş öncül troposfer modellerini çözümlerinde kullanan PP ve RT PPP oturumları olağandışı hava koşulları altında test edilmiştir. Çözümler hem PP hem de RT uygulamalar için çift frekanslı iyonosfer bağımsız gözlemlerin işlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. En küçük kareler (EKK) yöntemine göre kestirilen ZWD değerleri, zenit doğrultusunda her istasyon için ortalama su buharı sıcaklığı ve ilgili istasyon konumunun bir fonksiyonu olarak hesaplanan dönüşüm faktörünü kullanarak PWV'ye dönüştürülmüştür. Böylece atmosfer hareketleri ve gözlemlenen yağış olayları ile kestirilen atmosferik su buharı değerleri arasındaki ilişkinin ortaya konması hedeflenmiştir. Bu amaçla, 2013 yazında Avrupa'da son yüzyılın en büyük sel felaketine neden olan yağmur geçişleri ele alınmıştır. 20 Mayıs – 10 Haziran tarihleri arasında 3 haftalık süre için 11 IGS istasyonuna ait günlük GNSS gözlemleri işlenerek bölgedeki su buharı değişimleri kestirilmiş ve sonuçların birden çok yöntemle geçerliliği kıyaslamalı olarak test edilmiştir. PP oturumlarda kestirim doğruluğunu arttırmak için gözlem anından yaklaşık 13 gün sonra yayınlanan IGS Final yörünge ve saat verileri kullanılmıştır. IGS tarafından yayınlanan ve farklı gecikme ve doğruluk değerlerine sahip Rapid (IGR) ve Ultra-rapid (URP) ürünleri de aynı PPP oturumlarında kullanılmış, böylece PPP kestirimlerinde farklı efemeris ürün setlerini kullanmaktan kaynaklanan değişimler incelenmiştir. Gözlemlerinde farklı atmosfer model yaklaşımlarını (GPT, UNB, ECMWF – VMF1 grid) ve bu modeller ile birlikte çalışabilen izdüşüm fonksiyonlarını (GMF, Niell ve VMF1) kullanan PP PPP oturumları sonucunda kestirilen ZWD değerleri incelenmiştir. Bu kestirimler, sırasıyla, aynı istasyonlarda gerçekleştirilen ağ GNSS çözümü sonucunda kestirilen ZWD değerleriyle, IGS tarafından her istasyon için ve günlük olarak yayınlanan toplam zenit troposfer gecikme (ZPD – Zenith Path Delay) değerlerinden türetilmiş değerler ile ve GNSS istasyonu ile aynı ya da yakın konumlu radyosonda okumalarından türetilen değerler ile kıyaslanmıştır. Aynı PPP çözümleri, hem en EKK hem de Kalman Filtresi (KF) için ayrı ayrı gerçekleştirilmiş, çözüm yönteminin farklılığından kaynaklanan ve troposfer kestirimlerinde kendini gösteren önemli bir sapma gözlemlenmemiştir. PP PPP analizlerinin sonuçları incelendiğinde: IGS referans verisine en yakın sonuçların, çözümlerinde GPT / GMF troposfer modelini kullanan PPP çözümlerince sağlandığı, analitik fonksiyonların kullanıldığı çözümlerin genel olarak IGS referans verisi ile daha uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Referans verisi olarak radyosonda gözlemlerinin kullanıldığı durumlarda ise en tutarlı sonuçların ECMWF / VMF1 troposfer modelini kullanan PPP çözümleri ile sağlandığı; en büyük sapmaların UNB / Niell çiftini kullanan PPP oturumları için oluştuğu tespit edilmiştir. Genel olarak, troposferi modellemek için ECMWF verilerini ve VMF1 izdüşüm fonksiyonlarını kullanan PPP oturumlarının, diğer analitik modelleri kullanan PPP çözümlerine göre, ani hava değişimlerini daha iyi yansıttığı ve geleneksel yöntemler ile elde edilen su buharı değerleriyle daha uyumlu kestirimler sağladığı sonucuna varılmıştır. Aynı istasyonlarda PPP ve ağ çözümleri arasındaki kestirim farkları incelendiğinde; PPP çözümlerinin ağ çözümlerine göre ortalama 20 dakika ile 30 dakika arasında daha geç yakınsadığı, yakınsadıktan sonra iki çözümün de benzer karakteristik gösterdiği gözlemlenmiştir. 11 istasyonda yapılan gözlemler sonucu: ECMWF / VMF1 troposfer modelini kullanan PPP ve ağ oturumlarının birbirine daha yakın troposfer kestirim değerleri verdiği, PPP ve ağ çözümleri arasındaki sapmaların UNB/ Niell kullanıldığında arttığı tespit edilmiştir. RT PPP uygulamaları, IGS'nin yayın efemerisine düzeltme yayınlamaya başladığı Nisan 2013'den sonra hız kazanmıştır. IGS Gerçek Zaman Servisi (RTS) bünyesindeki analiz merkezleri, gerçek zamanlı çözümler için oluşturulmuş küresel istasyon ağlarını kullanarak, yayın efemerisine (broadcast) getirilecek uydu yörünge ve saat düzeltmelerini gerçek zamanlı hesaplayabilmektedir. Bu düzeltmeler, Radio Technical Commission for Maritime Services / State Space Representation (RTCM / SSR) formatında ve Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP) protokollerine uygun olarak kullanıcılara yayınlanmaktadır. Bu çalışmada, birden çok IGS analiz merkezi tarafından üretilen gerçek zamanlı düzeltmelerin ağırlıklı ortalaması alınarak PPP çözümlerinde kullanılabilecek hassas yörünge ve saat ürünleri oluşturulmuştur. Bu ürünler, daha sonra IGS Final yörünge ve saat ürünleri ile karşılaştırılmış ve gerçek zamanlı diğer bir ürün seti olan URP'ye göre daha hassas sonuçlar verdiği ortaya konmuştur. Bu uydu yörünge ve saatlerinin işlendiği RT PPP oturumları ile atmosferdeki su buharı hareketleri kestirilmiş, kullanılan troposfer model yaklaşımından bağımsız olarak tüm RT PPP oturumları sonucunda elde edilen su buharı değerleri, aynı istasyonlarda gerçekleştirilmiş PP PPP kestirimleri ve radyosonda okumaları ile iyi uyum göstermiştir. Gerçek zamanlı uydu yörünge ve saatlerinin kullanıldığı ağ çözümleri, beklendiği üzere, PPP çözümlerinden daha çabuk yakınsayarak daha hassas sonuçlar vermiştir. Bu çalışma kapsamında ayrıca, faz belirsizliğinin tamsayı karakterini bozduğu kabul edilen, uydu ve alıcı kaynaklı donanımsal sapmaların, CORS ve benzeri ağ çözümleri yardımıyla gerçek zamanlı modellenmesi, kestirilen düzeltmelerin RT PPP çözümlerinde kullanılması ve böylece yakınsama sürelerinin kısaltılması üzerine uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre; RT PPP çözümleri eğer tamsayı belirsizliği çözümü uygulanmışsa 5 - 15 dakika aralığında istenilen hassasiyete ulaşmakta, belirsizlik çözümü uygulanmadıysa istenilen hassasiyete ulaşmak için 30 dakika ve üzerinde sürelere ihtiyaç duyulmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri merkezli federal bir kuruluş olan Ulusal Atmosferik Araştırmalar Merkezi (National Center Atmospheric Research - NCAR), Küresel Yağış İzleme ve Klimatoloji Projesi (GPCP - Global Precipitation Climatology Project) analizleri kapsamında, küresel ölçekte ve 1° x 1° mekânsal çözünürlükte günlük yağış birikimi değerlerini 1996 - 2015 yılları arasında hesaplamıştır. Proje kapsamında, uzaktan algılama uydularından ve yersel yağmur ölçüm aygıtlarından gelen verileri temel alarak hesaplanan grid değerlerinden ara-değer hesabı ile ilgili GNSS istasyonlarının bulunduğu bölgeye düşen yağış miktarı belirlenmiştir. 5 IGS istasyonunda yapılan RT PPP analizleri ile kestirilen atmosferik su buharı ile GCPC kapsamında aynı istasyonlar için hesaplanan yağmur geçişleri arasında büyük oranda bir korelasyon olduğu, fakat su buharı kestirimlerindeki her ani değişimin yağmur olayı ile sonuçlanmadığı tespit edilmiştir. Amerikan Ulusal Uzay ve Havacılık Dairesi (NASA) uyduları olan Terra ve Aqua üzerinde bulunan Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) platformu aracılığıyla atmosferik su buharı değerleri elde edilebilmektedir. 1 kilometre mekânsal çözünürlüklü MODIS 2. seviye ürünlerinden (MOD5_L2) türetilen yoğuşabilir su buharı değerleri, gerçek zamanlı ve art-işlem PPP kestirim sonuçları ile kıyaslanmıştır. MODIS görüntülerinden türetilen su buharı hareketleri ile PPP çözümleri arasındaki ortalama farkların santimetre altında kaldığı, farkların ortalama hatalarının da 5 milimetrenin altında olduğu gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, GNSS PPP ile atmosferin izlenmesine yönelik çalışmalar için kapsamlı bir kılavuz görevi görmektedir. Farklı troposfer model yaklaşımlarının, GNSS veri işleme tekniklerinin ve farklı IGS ürün setlerinin PP ve RT GNSS Meteorolojisi çalışmalarına olan etkileri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiş, PPP çözümlerinin diğer çözümlere göre üstün ve zayıf yönleri ortaya konulmuştur.

Özet (Çeviri)

The Global Navigation Satellite Systems (GNSS) have been used for atmosphere monitoring since the early 1990's owing to its accurate, continuous, and high coverage in all-weather operable data. The approach has been known as“GNSS Meteorology”and it is based on the correlation between a GNSS signal delay in the receiver - satellite signal path and humidity (i.e., water vapor content) in the atmosphere. Atmospheric water vapor is an important greenhouse gas and a significant element for the energy exchange in the atmosphere and thus it must be monitored with a high accuracy. However, its spatiotemporal variability brings some limitations in terms of a correct interpretation of weather events. It has been revealed in many studies that zenith wet delays (ZWDs), estimated from a GNSS processing, are associated with the water vapor content, namely precipitable water vapor (PWV), a crucial parameter that has been extensively used in climate studies. Until recently, most of the studies that have been performed on the GNSS Meteorology are based on GNSS solutions using network GNSS observations within a dense regional or global Continuously Operating Reference System (CORS) networks. The advantage of a network solution is the mitigation of potential error sources by differencing observations formed between stations tracking same satellites. However, a computational burden due to a high number of observations and the necessity of using a reference site to form a baseline between sites are the weak points of the solution. In contrast, Precise Point Positioning (PPP) stands out as an alternative GNSS measurement technique, which uses undifferenced code and phase observations of a dual frequency single receiver and highly accurate precise orbits and clocks distributed by the International GNSS Service (IGS). In order to achieve a similar accuracy to a network based GNSS solution, all error sources in PPP have to be modeled or eliminated from observations either by applying correct models or by using linear combinations of observations. Therefore, from one point of view, PPP is one of the best quality control tool for assessing the reliability of each parameter defined in observation equations. Meteorological data are crucial part of the GNSS based atmosphere monitoring. The data may be obtained from in-situ measurements when available or may be derived from external sources such as analytical prediction models and numerical weather models (NWM). Analytical models, such as the Global Pressure and Temperature (GPT and GPT2) and the University of New Brunswick (UNB), are widely used models because of their ability to predict meteorological data at any time and for any site location. However, they are produced based on annual and semiannual data averages and amplitudes of meteorological data that makes these analytical models insufficient for observing sudden air changes. Contrary, NWM like the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and the Vienna Mapping Function grids (VMFG) that provides the ECMWF data four times within a day, are based on real weather analyses using frequently updated meteorological data, and represent spatio-temporal atmospheric variations better than the analytical models. But, the VMFG offers the ECMWF data with a latency of several hours that prevents users from performing real-time GNSS analyses. Similarly, several modern mapping functions have been developed as a result of analyzing of several years' meteorological data from different stations and elevation angles. Those functions have increased the performance of GNSS-based atmosphere monitoring by means of being susceptible to low elevation angle observations and by using advanced virtual models, i.e., analytical or numerical, that statistically strong in order to represent the dry and wet part of the troposphere. Global Mapping Function (GMF), Niell Mapping Function (NMF) and Vienna Mapping Function (VMF1) are few examples of these commonly used mapping functions that were all developed to be used collaboratively with the GPT, UNB and VMFG (i.e., ECMWF data), respectively. Using different analytical and NWMs and their associated mapping functions to model the troposphere affects estimates derived from GNSS observations and thus weather predictions utilized based on these estimates vary from each other. Furthermore, the performance of these mentioned models and corresponding mapping function for each one of them have never been tested during extreme weather conditions before. In this dissertation, modern troposphere modeling approaches derived from both analytical prediction models and NWMs have been evaluated via GNSS PPP sessions during severe weather conditions. The sessions were processed in both post-process (PP) and real-time (RT) mode with dual frequency ionosphere-free observations. ZWDs, which are estimated through the Least Squares Parameter Adjustment (LSA), converted to the PWV estimates at each site in order to observe variations in the water vapor and to monitor the potential precipitation fronts. The Central European Flooding in summer 2013 was one of the extreme periods when some of the European regions experienced a monthly average rainfall within a day. The water vapor variations in May and June of 2013 were exceptionally high and thus this period was selected to reveal the relationship between the GNSS derived troposphere parameters and severe weather events. In order to accomplish the task, eleven IGS sites that are located within the affected regions were selected and daily observations of these sites were processed through static PPP sessions. IGS Final orbits and clocks for satellites were introduced to the analyses to enhance the accuracy of the zenith wet delay estimates and, therefore, weather forecasts. Besides IGS Final ephemerides, other published IGS ephemerides products such as IGS Rapid (IGR) and IGS Ultra-Rapid (URP) products were also processed in the PPP sessions to determine if any significant changes are occurring in the estimates due to employ different IGS product sets varying in accuracy and latency. The ZWD estimates derived from the PPP sessions that only differ in applied troposphere model and mapping function (i.e., GPT / GMF, UNB / Niell and ECMWF / VMF1) were compared to each other and the ZWDs derived from the network GNSS solutions. The results were also validated by the ZWD estimates derived from IGS Final troposphere products (i.e., IGS Zenith Path Delays (ZPD)) and by the radiosonde derived ZWDs that calculated from co-located (or close) sites. The ZWD estimates of each session were derived simultaneously using both LSA and Kalman filter (KF) algorithms and no significant differences arising from using different processing strategy was observed. Based on the results of the PP data analyses, the PWV parameters, which are calculated from the ZWD estimates via a conversion factor, offer more consistent results with the IGS derived PWVs if an analytical function of the GPT/GMF is employed in the PPP solution. The analyses result also confirmed that the PPP derived PWV values, which are processed with the ECMWF / VMF1, better agreed with the radiosonde derived PWV values while the biggest discrepancies were observed for the PPP sessions applied the UNB / Niell approach. In overall, the performance of the PPP sessions using the ECMWF and VMF1 exceeds the other solutions in terms of atmosphere monitoring during severe weather events. In this thesis, the implementation procedure of real-time orbit and clock correction streams, which are disseminated by the IGS Real-Time Service (IGS RTS), has been investigated through real-time (RT) PPP analyses. Long convergence times due to un-calibrated receiver and satellite based phase biases were also assessed in order to accelerate real-time solutions. It was noticed that using real-time derived biases along with real-time orbits and clocks help to reduce long convergence periods to several minutes. In addition, regardless of the applied troposphere model, the accuracy level of PWV estimates derived from the RT PPP sessions, were found to be consistent with the results derived from the PP PPP analyses and the radiosonde readings. The reliability of the RT PPP in atmosphere monitoring was also validated by showing the strong correlation between the PWV variations and the daily accumulated precipitation rates recorded at the observed sites. As observed in the PP analyses, the best agreement with the radiosonde and precipitation data was obtained for the RT sessions using the ECMWF / VMF1. This study also highlighted the use of the Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) to verify both the RT and the PP PPP PWV estimates. It is observed that the PP PPP estimates showed more consistent results with the MODIS data that the real-time solutions. The thesis provides a comprehensive guide for GNSS based troposphere monitoring, in particular with PPP solutions and during extreme weather conditions. The impact of using different troposphere models, IGS product sets and processing strategies on the estimates were investigated for both PP and RT GNSS solutions.

Benzer Tezler

Tez No
478598
Global navigasyon uydu sistemleri (GNSS) gözlemlerinden elde edilen ıslak troposfer gecikmesinin yapay sinir ağları ile modellenmesi
Modeling of tropospheric wet delays obtained from global navigation satellite systems (GNSS) observations by artificial neural networks
MAHMUT OĞUZ SELBESOĞLU
Doktora
Türkçe
2017
Jeodezi ve Fotogrametri Yıldız Teknik Üniversitesi
Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM KOÇ
Tez No
859632
BeiDou ile diğer global konum belirleme sistemlerinin karşılaştırmalı analizi ve troposferik kestirimler
Comparative analysis of BeiDou and other global positioning systems and tropospheric estimations
VOLKAN AKGÜL
Doktora
Türkçe
2024
Jeodezi ve Fotogrametri Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi
Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KURTULUŞ SEDAR GÖRMÜŞ
PROF. DR. SHUANGGEN JIN
Tez No
438155
Kentsel alanlarda oluşan ısı adası etkisinin kentsel tasarım yöntemleri ile azaltılması:aksaray meydanı örneği
Reducing the urban heat island effect by urban design strategies: aksaray square case
BÜŞRA EKİNCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Kentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGAY KEREM KORAMAZ
Tez No
439628
Evaluation of EMEP SO2 emissions for Turkey using WRF-CMAQ modeling system
Emep SO2 emisyonlarının WRF-CMAQ model sistemi kullanılarak Türkiye için değerlendirilmesi
AMIRHOSSEIN ABDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Çevre Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BURÇAK KAYNAK TEZEL
Tez No
883217
Investigation of agricultural residue burning and wildfire impacts on air quality via satellite retrievals in Southern Turkey
Uydu verileri ile Türkiye'nin Güney Bölgesinde anız yakılmasının ve orman yangınlarının hava kalitesine etkisinin incelenmesi
MERVE EKE
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURÇAK KAYNAK TEZEL

Geri Dön