مهار GNSS دگرگون کردن پیش‌بینی‌های هواشناسی و تحلیل آب و هوا

اول آگوست ۲۰۲۵-مهار GNSS: دگرگون کردن پیش‌بینی‌های هواشناسی و تحلیل آب و هوا

© shutterstock/Lukas Jonaitis

مشاهدات بخار آب تروپوسفری توسط سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) از پیش‌بینی‌های آب و هوا و ردیابی رویدادهای شدید آب و هوایی در بسیاری از سرویس‌های هواشناسی ملی و بین‌المللی پشتیبانی می‌کند.

سامانه‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی در فناوری مدرن و جوامع داده‌محور فراگیر شده‌اند و از کاربردهای بسیار بیشتری فراتر از فعالیت‌های موقعیت‌یابی، ناوبری و زمان‌بندی (PNT) پشتیبانی می‌کنند.

همانطور که سیگنال‌های GNSS از فرستنده‌های ماهواره‌ای عمدتاً در مدار میانی زمین (MEO) خود به گیرنده‌ها، چه در ماهواره‌های مدار پایین زمین (LEO) و چه در ایستگاه‌های ردیابی زمینی، سفر می‌کنند، اثرات جوی مختلفی را تجربه می‌کنند. تأخیرهای سیگنال تروپوسفری از جمله مهم‌ترین عوامل مؤثر در خطاهای موقعیت‌یابی در GNSS هستند و پس از رفع عدم قطعیت‌های مداری، ماهواره و ساعت گیرنده، تأثیر بسیار مهمی بر دقت می‌گذارند.

هنگامی که سیگنال‌های GNSS از تروپوسفر، تقریباً پایین‌ترین ۱۵ کیلومتری جو، عبور می‌کنند، با سطوح مختلفی از بخار آب، دما و فشار مواجه می‌شوند که مسیر آنها را کند و منحرف می‌کند. این اثر معمولاً به دو جزء تجزیه می‌شود: یک تأخیر هیدرواستاتیک نسبتاً پایدار مرتبط با فشار اتمسفر، و یک تأخیر مرطوب بسیار متغیر ناشی از بخار آب.

استراتژی‌های پیشرفته پردازش GNSS برای پیش‌بینی این تأخیرهای تجربه شده در خط دید بین گیرنده و ماهواره به تأخیرهای اوج، به توابع نقشه‌برداری متکی هستند، در حالی که مدل‌های تصادفی نوسانات تأخیر مرطوب و گرادیان‌های افقی را تخمین می‌زنند. با جداسازی این عبارات و تنظیم دقیق گام تصادفی یا محدودیت‌های مشابه، تجزیه و تحلیل‌های GNSS می‌توانند تغییرات تدریجی و سریع بخار آب در جو را ثبت کنند.

از آنجایی که بخار آب جوی، گاز گلخانه‌ای طبیعی غالب است، پارامتری کلیدی برای مطالعه تغییرات اقلیمی محسوب می‌شود، اما از آنجایی که عامل تعیین‌کننده‌ای برای آب و هوا، به ویژه بارش، نیز هست، تخمین بخار آب از GNSS نقش کلیدی در پیش‌بینی آب و هوای مدرن ایفا می‌کند. محصولات جوی مشتق شده از GNSS، مانند تخمین‌های Zenith Total Delay یا Precipitable Water Vapour، هنگام ادغام در مدل‌های پیش‌بینی عددی آب و هوا (NWP)، به تعیین دقیق زمان و مکان بارش کمک می‌کنند. این امر منجر به این می‌شود که هواشناسان بتوانند طوفان‌ها، رفتار طوفان‌های گرمسیری یا بارندگی‌های شدید را بهتر پیش‌بینی کنند و در نهایت هشدارهای شدید آب و هوایی را اصلاح کنند. از آنجا که بخار آب نقش مستقیمی در فرآیندهای بارش ایفا می‌کند، محصولات جوی مشتق شده از GNSS به موقع اغلب منجر به پیش‌بینی دقیق‌تر بارندگی، پیش‌بینی باد محلی و زمان‌بندی طوفان می‌شوند. علاوه بر این، با شبکه‌های GNSS با توزیع متراکم، امکان استفاده از روش‌های توموگرافی مانند، که بازسازی‌های سه‌بعدی از میدان‌های بخار آب را ایجاد می‌کنند، فراهم می‌شود. این روش‌ها به ویژه برای مطالعه برخی از فرآیندهای فیزیکی در طوفان‌ها جالب هستند. کاربردها در تحقیقات اقلیمی و پایش بلندمدت

فراتر از هواشناسی عملیاتی، سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی نقش فزاینده‌ای در تحقیقات اقلیمی ایفا می‌کنند. سوابق بلندمدت تأخیرهای تروپوسفری، مجموعه داده‌های با وضوح بالا را ارائه می‌دهند که تغییرات تدریجی در توزیع رطوبت را ثبت می‌کنند و به مطالعات بارش شدید، تغییرات پوشش ابر، دما و بازخورد رطوبت کمک می‌کنند. این سوابق به ویژه ارزشمند هستند زیرا مشاهدات مداوم و شبانه‌روزی را ارائه می‌دهند و مکمل سایر سیستم‌های رصدی مانند رادیوسوندها یا سنجش از دور ماهواره‌ای هستند که ممکن است به اندازه کافی مکرر یا از نظر مکانی متراکم نباشند. هیئت بین دولتی تغییرات اقلیمی (IPCC) با درک نیاز به چنین ردیابی بلندمدتی، بر اهمیت مشاهدات مداوم بخار آب جوی برای درک تغییرپذیری و تغییر اقلیم تأکید می‌کند.

با به‌کارگیری مشاهدات از منظومه‌های چندگانه GNSS: GPS، GLONASS، Galileo، BeiDou، QZSS و IRNSS، تحلیلگران به پوشش مکانی بهتر و نمونه‌برداری مکررتری دست می‌یابند و وضوح تخمین‌های جوی را بهبود می‌بخشند. این بینش‌ها به شناسایی پدیده‌های محلی مانند سلول‌های همرفتی یا جبهه‌های نسیم دریا کمک می‌کنند که در غیر این صورت ممکن است توسط مشاهدات هواشناسی مرسوم از دست بروند. علاوه بر این، در مناطقی با شبکه‌های ایستگاه‌های هواشناسی پراکنده، سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی یک مکمل کم‌هزینه و حیاتی اضافه می‌کنند و درک ما را از شرایط آب و هوایی کوتاه‌مدت و تغییرات اقلیمی بلندمدت افزایش می‌دهند.

با وجود این پیشرفت‌ها، مدل‌سازی تروپوسفر به دلیل ماهیت پویای انتقال رطوبت و شروع سریع رویدادهای همرفتی همچنان پیچیده است. محدودیت‌های تصادفی، مانند مدل‌های نویز گام تصادفی برای تأخیر مرطوب، ممکن است همیشه با تغییرات جوی واقعی همسو نباشند و منجر به کم‌برازش در طول موج‌های ناگهانی رطوبت یا بیش‌برازش در شرایط پایدارتر شوند.

تحقیقات مداوم در حال بررسی محدودیت‌های تطبیقی است که مطابق با شاخص‌های هواشناسی تقریباً بی‌درنگ تغییر می‌کنند و در نتیجه گرادیان‌های ناگهانی را با دقت بیشتری ثبت می‌کنند.

به طور کلی، تأخیرهای تروپوسفری همچنان بخش جدایی‌ناپذیری از دقت GNSS هستند و به عنوان دروازه‌ای برای کاربردهای جوی گسترده‌تر عمل می‌کنند. پیشرفت‌های مداوم در مدل‌سازی این تأخیرها، به‌کارگیری داده‌های چند صورت فلکی و تطبیق با پیش‌بینی‌های تقریباً بی‌درنگ، گام‌های بزرگی را در تحقیقات هواشناسی و متمرکز بر آب و هوا برداشته است. محصولات با فرکانس بالا به کاربرانی که به مکان‌های سریع و دقیق نیاز دارند – مانند هوانوردی، واکنش به بلایا و جذب داده‌ها در مدل‌های عددی آب و هوا – کمک می‌کنند، در حالی که سوابق بلندمدت، چگونگی تکامل الگوهای بخار آب را در طول فصول، سال‌ها و دهه‌ها ردیابی می‌کنند. با ادامه اصلاح پارامترهای تغییرپذیری تروپوسفری، GNSS آماده است تا هم ناوبری بی‌درنگ و هم نظارت طولانی‌مدت بر تغییرات آب و هوایی زمین را بهبود بخشد. هواشناسی GNSS توسط GGE

GGE از قابلیت تثبیت‌شده‌ای در پردازش مشاهدات GNSS برای بازیابی بخار آب جوی برای ادغام عملیاتی در مدل‌های NWP، مطالعات ویژه رویدادهای شدید آب و هوایی و نظارت طولانی‌مدت برخوردار است.

برای کاربردهای تقریباً بلادرنگ (NRT)، یعنی ادغام عملیاتی، پردازش در عرض چند دقیقه تا چند ساعت پس از ثبت داده‌ها انجام می‌شود و تأکید ویژه‌ای بر به‌موقع بودن و قابلیت اطمینان دارد. داده‌های GNSS را می‌توان در عرض چند دقیقه از شبکه‌های ایستگاه منطقه‌ای تا جهانی جمع‌آوری و سپس پردازش کرد و هر 30 یا 60 دقیقه با تخمین‌های تأخیر پنج تا 15 دقیقه، راه‌حل‌های به‌روز شده ارائه داد.

در سناریوهای سریع مانند ناوبری برای وسایل نقلیه زمینی یا هوایی، و همچنین ردیابی طوفان، محصولات جوی مشتق شده از GNSS ممکن است با فرکانس بالا در زمان واقعی، یعنی از چند ثانیه تا چند دقیقه، به‌روزرسانی شوند. چنین به‌روزرسانی‌های مکرری که اغلب در پیش‌بینی وضعیت آب و هوا استفاده می‌شوند، ضروری هستند زیرا توزیع بخار آب، پروفیل‌های دما و الگوهای آب و هوایی محلی می‌توانند به شدت تغییر کنند، به خصوص در طول توسعه طوفان‌های همرفتی.

برای کاربردهای پایش بلندمدت، سازگاری و همگنی چارچوب‌های مرجع مختصات، ماهواره GNSS و محصولات بایاس، و استراتژی پردازش و مدل‌سازی کاهش خطا بیشترین نگرانی را ایجاد می‌کنند، زیرا هرگونه تغییر در این موارد می‌تواند رکورد اقلیمی مشتق شده را غیرقابل اعتماد کند. برای جلوگیری از تفسیرهای اشتباه، همگن‌سازی دقیق این رکوردها مانند اکثر داده‌های اقلیمی دیگر مورد نیاز است.

GGE موارد زیر را ارائه می‌دهد:

• تخصص و قابلیت‌های پردازش داده‌های GNSS برای بازیابی داده‌های جوی هواشناسی به صورت بلادرنگ، نزدیک به بلادرنگ و بلندمدت
• مشاوره در زمینه کاربردهای جوی GNSS در پایش بلادرنگ، نزدیک به بلادرنگ و بلندمدت
• مشاوره در زمینه نصب ایستگاه‌های زمینی GNSS و راهکارهای مدیریت داده‌ها برای کاربردهای جوی و سایر کاربردهای پایش
• تخصص و قابلیت‌های سطح بالا در زمینه ادغام داده‌های مشتق شده از GNSS در مدل‌های پیش‌بینی عددی آب و هوا، به عنوان مثال، مدل تحقیقات و پیش‌بینی آب و هوا (WRF) و ادغام داده‌های WRF (WRFDA)
• تخصص سطح بالا در فناوری‌های ژئودزی و زمین‌مکانی و تجزیه و تحلیل داده‌های مرتبط، و همچنین کاربردهای آنها

Homepage