Реферат на тему:

Моделі атмосфери для визначення тропосферної затримки в полярних
регіонах

На антарктичному континенті функціонує на сьогоднішній день 8
перманентних GPS станцій. Останнім часом почали щорічно проводитись у
січні-лютому 20-ти добові GPS кампанії, що практично охоплюють всі діючі
антарктичні станції, в тому числі і українську станцію Академік
Вернадський. Не торкаючись доволі широкої  програми як континентальних,
так і океанічних  наукових досліджень, розробленої Українським
антарктичним центром, що вже започаткована не лише на самій станції, а й
далеко за її межами [2,3], в даній роботі ми зосереджуємося лише на
питанні визначення зенітної тропосферної затримки при високоточних GPS
вимірах.

Для визначення тропосферної затримки розроблено цілий ряд аналітичних
моделей. Проте, практично у всіх програмних забезпеченнях обробки GPS
вимірів одною з найбільш домінуючих є модель Saastamoinen, яка для
зенітної області подається в такому вигляді [11]:

(1)

.

Аналіз точності моделі Saastamoinen, як і цілого ряду інших моделей
виконаний нами для різних районів Антарктиди і Арктики і приведений в
роботах [5,6,13]. Нижче ми обгрунтовуємо пропозиції щодо підходу до
розробки моделей атмосфери для визначення тропосферної затримки. Вони
базуютьс на основі 62 зондувань атмосфери, що проводились 2 рази в день
о 6 і 18 годині за місцевим середньо-сонячним часом на протязі січня
1959 року на станції Мірний [9]. Основні характеристики наземних
метеорологічних параметрів  за цей період приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Температура повітря (°с), атмосферний тиск і пружність водяної пари
(гПа)

час температура атмосферний тиск вологість

сер. макс. мін. сер. макс. мін. сер. макс. мін.

6h -5,2 -1,6 -10,2 986,9 1003 969 3,2 5,2 2,0

18h -1,3 +3,8 -6,2 986,6 1003 969 4,3 6,0 2,6

Як видно за характеристиками температур, а, частково, і вологості
повітря, ранковий період суттєво відрізняється від вечірнього, що
характерно звичайно і для середніх широт. Висоти Сонця на 1-е, 15-е та
31-е січня становлять о 6 і 18 годині на станції Мірний за місцевим
середньо-сонячним часом, відповідно, 23.1, 21.3 та 17.7°. За даними [8]
і нашими розрахунками середньомісячний перехід радіаційного балансу (при
ясній погоді) через «нуль» відповідає висоті сонця 13,5°, що приходиться
на 4h40m і на 19h10m  місцевого середньо-сонячного часу, не дивлячись на
те, що ранкові і вечірні моменти аерологічного зондування  відповідають
у січні  однаковим висотам Сонця, а нульовий радіаційний баланс
приходиться на моменти, практично симетричні відносно моментів
зондування. Все ж таки ці дані добре співвідносяться із
середньомісячними величинами температур (табл.1). Це наглядно
пояснюється наступним. Так, середньомісячний приток сумарної сонячної
радіації за період доби з   6h до  18h становить у січні 592 кал/см2, а
за період з 18h до 6h – лише 80 кал/см2, що обумовлює в ранковий період
як суттєво нижчі значення приземних температур, так і збільшення появи
приземних температурних інверсій.

Підхід до розробки моделі атмосфери для літнього періоду на станції
Мірний був наступним.

Встановлення вертикального профілю температури.

Для кожного дня січня 1959 року були вибрані значення температур на
стандартних висотах від поверхні станції до висоти 25 км окремо для 6 і
18 години. За усередненими значеннями температур були визначені їх
вертикальні градієнти, а далі усереднені для  відповідних шарів
атмосфери (табл.2). Від 25 до 80 км температурні градієнти були
визначені за даними середніх місячних температур в стратосфері і
мезосфері південної півкулі [7]. Верхня границ 80 км встановлена із
міркувань того, що тиск і температура в більш високих шарах атмосфери
формують лише 5*10-5 % від  величини загальної зенітної тропосферної
затримки, що становить менше ніж 0,1 мм.

Таблиця 2

Усереднені для січня температурні градієнти (ст. Мірний) 

період границі шарів атмосфери, км

0,03-0,2 0,2-0,5 0,5-1 1-3 3-8 8-9 9-12 12-20 20-25

6 год. 0,53 2,30 3,98 5,40 5,94 1,93 -2,25 -0,55 -0,10

18 год. 6,18 6,70 6,32 5,42 5,87 2,00 -2,09 -0,66 -0,10

середн 3,36 4,50 5,15 5,41 5,91 1,96 -2,17 -0,60 -0,10

Примітка: додатне значення градієнта відповідає нормальному розподілу
температури.

За цими градієнтами та за виміряними приземними значеннями температур
були  побудовані вертикальні профілі температур для ранкових і вечірніх
моментів миттєвих зондувань різних дат. Із їх аналізу та наявних
профілів із аерологічного зондування зазначимо, що максимальні різниці
температур на протязі січня можуть сягати 7?8°С в шарах атмосфери   вище
6 км.  

Для обчислення атмосферного тиску  використовувалась відома формула

, (2)

 і т.д. слід було б визначати прискорення сили ваги центроїду
атмосферного стовпа відповідного шару за формулою

, (3)

або за формулою [12]:

, (4)

 —  висота станції над рівнем моря.

, в залежності від підходу до використання тих чи інших величин
прискорення сили ваги,  представлені в табл.3.

Таблиця 3

 за різними значеннями прискорення сили ваги

6.01

8.01

12.01

21.01

5.01 2250,7

2216,5

2228,9

2235,0

2203,8 8,1

0,5

4,4

-3,2

-0,2 7,8

0,4

4,2

-3,4

-0,4 9,1

1,6

5,4

-2,4

0,8 7,1

-0,4

3,4

-4,2

?

N

.

, то на основі цього встановлення вертикального профілю атмосферного
тиску із запропонованим  підходом  вважаємо прийнятним.

Для побудови вертикального профілю водяної пари було проаналізовано три
формули:

—  Хргіана [10]

, (5)

 — емпіричні коефіцієнти.

—  Філліпса [1]

, (6)

.

—  Базлової [1]

, (7)

 — коефіцієнти, розраховані на основі вмісту питомої вологості в
арктичній атмосфері у різні сезони року, а для літа вони становлять,
відповідно, 0,11 і 0,25.

=0,15.  Отримана таким чином  формула обчислення парціального тиску
водяної пари має вигляд:

(8)

 — вертикальний температурний градієнт (K/км). За даною формулою
обчислювались в подальшому вертикальні профілі вологості. Оскільки у
використовуваних даних параметр вологості задавався відносною вологістю
(U,%), то для визначення як приземного значення тиску водяної пари, так
і вертикальних профілів її використовувалась відома залежність

.(9)

Для порівняння точності визначення профілів вологості за наведеними
формулами було використано 15 миттєвих моделей атмосфери на станції
Мірний (січень), що охоплювали як екстремальні значення вологої
складової зенітної тропосферної затримки, так і проміжні о 6 і 18
годині, а також середньомісячна для січня і середньорічна моделі
атмосфери на станції Академік Вернадський (табл.4).

Таблиця 4

Середня квадратична похибка визначення питомої вологості в межах
тропосфери

Станція Інтервал Формули

(5) (6) (8) (7)

Мірний Січень 0,77 0,41 0,20 0,38

АкВернадський Січень 0,77 0,30 0,04 0,61

АкВернадський Середньорічна 0,52 0,23 0,07 0,44

Як видно, пропонована формула (8) забезпечує значно кращу точність
встановлення профілю вологості в тропосфері. Зауважимо, що формула (7)
більш придатна  для стану атмосфери з інверсійним розподілом температури
і, відповідно, вологості повітря в приземному і граничному шарах
атмосфери. Оскільки стратифікація температури за середньомісячною
моделлю на станції Мірний в нижній тропосфері близька до нормальної, як
видно з таблиці 2, то цим і пояснюються результати, отримані за формулою
(8). Що ж стосується станції Академік Вернадський, то тут у всіх моделях
оцінка велась для стандартних ізобаричних висот, що не можуть
відображати можливої приземної інверсії температури навіть у зимовий
період.

), що проводились на протязі цього місяця лише о 6 годині ранку.

Таблиця 5.

,  отриманих за різними підходами

, чим підтверджують існуючі висловлювання, що зміна профілю температури
в незначній мірі впливає на величину сухої складової тропосферної
затримки. В той же час, величина вологої складової є досить чутливою до
зміни профілю температури, особливо в нижніх шарах атмосфери.

На основі виконаних досліджень рекомендується наступне. При обробці GPS
вимірів, виконаних в літній період на станціях Антарктичного узбережжя,
вертикальні температурні профілі слід будувати за виміряним наземним
значенням температури на момент спостережень  та за середніми
градієнтами температур, наведеними в таблиці 2. Причому, для
ранішньонічних спостережень доцільно використовувати в граничному шарі
атмосфери висотою до 1 км градієнти температури, визначені для 6 години
ранку, а для денно-вечірніх спостережень – відповідні градієнти для 18
години вечора. Зазначимо, що різниці температур, обчислених за
середньомісячними ранковими і вечірніми градієнтами на висоті 1 км,
становлять 3,5°С і, відповідно, вони зберігаються вздовж усієї висоти
використовуваної атмосфери. Для побудови профілю парціального тиску
водяної пари в даних умовах рекомендується використовувати формулу (8).

Література

Базлова Т.И. К вопросу о вертикальном распределении водяного пара в
арктической атмосфере: Тр. ААНИИ, т. 279, 1966.- С.25-41.

Бюлетень Українського антарктичного центру. // Ред. П.Ф. Гожик.- К.:
Укр. Антаркт. центр Міннауки України, 1997. – Вип.1. – 332 с.

Бюлетень Українського антарктичного центру. // Ред. П.Ф. Гожик.- К.:
Укр.      Антаркт. центр Міннауки України, 1998. – Вип.2. – 300 с.

Долганов Л.В. Атмосферные условия Южной полярной области.-Л.:
Гидрометеоиздат, 1986, 176 с.

Заблоцький Ф.Д.  До визначення зенітної тропосферної затримки у GPS
вимірах. // «Геодезія, картографія і аерофотознімання». Міжвід.
наук.-техн. зб., Львів, 2000.- Вип. 60.- С.33-38.

Заблоцький Ф.Д. До визначення зенітної тропосферної затримки у GPS
виміри.// Proceedings of the 2-nd International Conference «Cadastre,
Photogrammetry, Geoinformatics- modern technologies and development
perspectives», October 17-19, 2000. Lviv, National University «Lvivska
Polytechnika’, Lviv–Cracow-2000, Р.118-123.

Кошельков Ю.П. Циркуляция и строение стратосферы и мезосферы южного
полушария.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 168 с.

Справочник по климату Антарктиды, т. 1. -Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-
С.211.

Похожие записи