Prof. Hadaś zrewolucjonizuje meteorologię GNSS

• Prof. Tomasz Hadaś: – W projekcie będą zaangażowani jeden doktorant i dwóch studentów. Szukam więc ludzi ciekawych nauki i otwartych na współpracę
• Lepsza znajomość rozkładu pary wodnej w atmosferze jest cenną informacją dla badań klimatu, poprawy prognoz pogody czy w monitorowaniu globalnego ocieplenia
• Do eksperymentów terenowych wykorzystana zostanie gęsta sieć stacji GNSS zbudowana na potrzeby projektu i rozmieszczona na obszarze Wrocławia

Mikrofalowe sygnały Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej (GNSS) ulegają opóźnieniu w troposferze. Prawie 90% tego opóźnienia zależy od ciśnienia atmosferycznego, które może być wyznaczone z dużą dokładnością z numerycznych modeli prognozy pogody. Jednak pozostałe 10%, tak zwane opóźnienie mokre, zależy głównie od zawartości pary wodnej w atmosferze i zmienia się w sposób dynamiczny. Dlatego w aplikacjach GNSS wymagających najwyższej precyzji, np. w geodezji i geofizyce, mokre opóźnienie troposferyczne musi zostać wyznaczone wraz z innymi niewiadomymi parametrami, m.in. współrzędnymi czy korektą zegara odbiornika.

– Mówiąc prościej, para wodna, bo to ona odpowiada za mokre opóźnienie troposferyczne, powoduje spowolnienie i zakrzywienie drogi propagacji fali elektromagnetycznej wysyłanej z satelity. Nieuwzględnienie tej zmiany daje np. fałszywy pomiar wysokości punktu – tłumaczy prof. Hadaś i precyzuje, że projekt, który zdobył finansowanie z Narodowego Centrum Nauki jest nowatorski, bo jego celem jest skrócenie i uściślenie aktualnie stosowanej procedury opracowania obserwacji GNSS.

Projekt dla ciekawskich

W dużym uproszczeniu wygląda ona tak, że każdy naziemny odbiornik GNSS, opracowując obserwacje, wyznacza ilość pary wodnej znajdującej się w przestrzeni bezpośrednio nad nim – jako jedną wartość. W drugim etapie wartość tą przelicza się na zawartość pary wodnej na drodze między wszystkimi satelitami a odbiornikiem. W kroku trzecim, czyli tomografii GNSS, dane z sieci stacji naziemnych pozwalają odtworzyć trójwymiarowy rozkład pary wodnej. Do tej pory te trzy etapy następowały jeden po drugim, a każdy etap niesie ze sobą dodatkowe uproszczenia i ograniczenia. Naukowiec z Uniwersytetu Przyrodniczego chce je połączyć tak, by monitorowanie rozkładu pary wodnej odbywało się już na etapie opracowania obserwacji satelitarnych, bez wyznaczania produktów przejściowych.

– Pomysł zrodził się podczas rozmów z moim opiekunem na stażu w Stuttgarcie, w biurze, w trakcie spacerów na stołówkę czy podczas wspólnych gier w badmintona. Profesor Hobiger zastanawiał się nad tym, jak tę wieloetapowość uprościć, ale nie miał do tego odpowiednich narzędzi. Okazało się, że mam je ja. To się nazywa kompetencjami uzupełniającymi – śmieje się prof. Hadaś i dodaje, że projekt, na który zdobył finansowanie będzie realizowany przez trzy lata, przewidziano w nim fundusze na badania prowadzone przez doktoranta, dwóch studentów (po jednym na jeden rok) oraz dwóch pracowników naukowych (łącznie na 21 miesięcy).

– Żartobliwie można powiedzieć, że ogłaszam przetarg na doktoranta i studentów, a warunek udziału w konkursie to ciekawość nowych rozwiązań. Ale ważnym elementem tego projektu jest też współpraca z Uniwersytetem w Stuttgarcie i profesorem Hobigerem, co dla ludzi, których kręci nauka, jest dodatkowym atutem – podkreśla prof. Tomasz Hadaś.

Para wodna, klimat i procesory

Opóźnienie troposferyczne jest uznawane za źródło błędów w precyzyjnym pozycjonowaniu GNSS, ale istnieje wiele możliwości jego wykorzystania w meteorologii. Lepsza znajomość rozkładu pary wodnej w atmosferze jest cenną informacją dla badań klimatu, poprawy prognoz pogody czy w monitorowaniu globalnego ocieplenia. Zdalne monitorowanie zawartości pary wodnej w atmosferze z wykorzystaniem systemów GNSS, zwane meteorologią GNSS, ma tę przewagę nad klasycznymi technikami pomiaru zawartości pary wodnej, że działa w każdych warunkach pogodowych i dostarcza ujednolicony produkt o wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej.

W popularnonaukowym opisie projektu prof. Hadasia złożonym do NCN, można przeczytać, obok dynamicznego rozwoju systemów GNSS, tj. modernizacji istniejących systemów (amerykańskiego GPS i rosyjskiego GLONASS) oraz budowy nowych systemów (w tym Europejskiego Galileo i chińskiego BeiDou), istotne w tej dziedzinie nauki są najnowsze osiągnięcia w zakresie wielordzeniowej architektury procesorów komputerowych i kart graficznych, które umożliwiają rozwiązywanie układów równań, opisując matematyczną i fizyczną naturę złożonych problemów fizycznych.

– A to daje nam możliwość do wyznaczania rozkładu pary wodnej w sposób maksymalnie spójny, poprzez kombinację na poziomie obserwacji. W tym projekcie zamierzamy opracować rewolucyjną metodę wyznaczania rozkładu pary wodnej w czasie i przestrzeni (4D), którą nazywamy Symultaniczną estymacją troposfery techniką Precyzyjnego Pozycjonowania Punktu (STEPPP) – tłumaczy prof. Tomasz Hadaś i dodaje, że w zaproponowanym przez niego podejściu sieć nieruchomych (naziemnych) i ruchomych odbiorników GNSS będzie przetwarzać obserwacje z czterech systemów GNSS bazując na technice precyzyjnego pozycjonowania punktu, w której zamiast wyznaczać opóźnienie troposferyczne niezależnie dla każdej stacji, estymowane będzie pole mokrej refrakcyjności w zdefiniowanej przestrzeni (siatce).

25 odbiorników GNSS w mieście

W przeciwieństwie do tomografii GNSS, STEPPP bazuje więc na surowych obserwacjach zamiast na przetworzonych produktach, a wartości mokrej refrakcyjności w węzłach siatki są wyznaczane ze wszystkich stacji w sposób równoczesny, tj. występują jako parametry wspólne w układzie równań. Mokra refrakcyjność może być przekształcona w gęstość pary wodnej, co daje kompletny model 4D rozkładu pary wodnej w atmosferze.

– Naszym zadaniem jest opracowanie modelu funkcjonalnego i stochastycznego dla STEPPP, biorąc pod uwagę różnorodność źródeł obserwacji, a więc ruchome i nieruchome stacje GNSS, sensory meteorologiczne, informacja z numerycznych modeli prognozy pogody, oraz przestrzenno-czasowe zależności w polu refrakcyjności. Oprogramowanie i modele weryfikować będziemy na podstawie obserwacji symulowanych, a potem danych rzeczywistych. A do eksperymentów terenowych wykorzystamy gęstą sieć stacji GNSS zbudowaną na potrzeby projektu – mówi prof. Tomasz Hadaś i dodaje, że uzyskane wyniki będą porównywane z tymi uzyskiwanymi metodami klasycznymi, a więc tomografią GNSS, radio-okultacjami GNSS i odczytami z radiometru mikrofalowego.

W projekcie badany będzie też potencjał nisko-kosztowych odbiorników GNSS. Naukowcy skonstruują 25 takich urządzeń i rozmieszczą je na obszarze Wrocławia. We współpracy z fizykiem atmosfery będą analizować zmienność i rozmieszczenie pary wodnej w niespotykanej dotąd rozdzielność czasowo-przestrzennej w trakcie występowania zjawisk atmosferycznych, aby lepiej zrozumieć efekty fizyczne w skali mikro i makro.

Wyniki projektu będą stymulować badania atmosfery i wzmocnią rolę systemów GNSS jako sensorów meteorologicznych. Rozwinięte podejścia i algorytmy będzie można uznać za prekursory fazy implementacyjnej Globalnego Geodezyjnego Systemu Obserwacyjnego (GGOS), której celem jest integracja różnych technik na poziomie obserwacji.

kbk