[論文レビュー] Using a Numerical Weather Model to Improve Geodesy

A. E. Niell, Leonid Petrov|ArXiv.org|Jan 23, 2004

GNSS positioning and interference参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、気象測定のための数値気象モデル（NCEP）データを用いて、地球物理学的VLBIおよびGPS解法における対流圏マッピング関数を改善する手法を評価している。NCEPの2.5°グリッドデータから導出された等圧面マッピング関数（IMF）を、気候学的モデル（NMF）に置き換えることで、基線再現性の向上と周期的サイト位置変動の低減が顕著に見られ、特に水蒸気成分（IMFh）において顕著な改善が得られた。一方、湿潰れ成分（IMFw）は粗いグリッド解像度のため、わずかな改善にとどまる。

ABSTRACT

The use of a Numerical Weather Model (NWM) to provide in situ atmosphere information for mapping functions of atmosphere delay has been evaluated using Very Long Baseline Interferometry (VLBI) data spanning eleven years. Parameters required by the IMF mapping functions (Niell 2000, 2001) have been calculated from the NWM of the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) and incorporated in the CALC/SOLVE VLBI data analysis program. Compared with the use of the NMF mapping functions (Niell 1996) the application of IMF for global solutions demonstrates that the hydrostatic mapping function, IMFh, provides both significant improvement in baseline length repeatability and noticeable reduction in the amplitude of the residual harmonic site position variations at semidiurnal to long-period bands. For baseline length repeatability the reduction in the observed mean square deviations achieves 80 of the maximum that is expected for the change from NMF to IMF. On the other hand, the use of the wet mapping function, IMFw, as implemented using the NCEP data, results in a slight degradation of baseline length repeatability, probably due to the large grid spacing of the NWM that is used.

研究の動機と目的

• 数値気象モデル（NWM）データが地球測位における対流圏マッピング関数の精度向上に寄与するかどうかを評価すること。
• NWMから導出された等圧面マッピング関数（IMF）が、VLBI解法における基線長再現性およびサイト位置安定性に与える影響を評価すること。
• 標準的な気候学的モデル（NMF）と比較して、IMFを用いることで、垂直精度を損なわずに低仰角データを安全に含めることができる最小仰角を特定すること。
• 粗い解像度のNWMデータを用いた場合に、IMFwに見られる限界、特に残差周期的サイト変動の低減における限界を調査すること。

提案手法

• IMFマッピング関数は、NCEPの2.5°水平グリッドNWMデータから導出され、各測定地点における温度、気圧、水蒸気の垂直プロファイルを提供した。
• 水蒸気成分と水蒸気非依存成分の両方のマッピング関数は、気象観測ロイド（ radiosonde ）データからのレイトレーシング遅延に適合した三項連分数近似（式1）を用いて計算された。
• IMFパラメータ（a, b, c）は、気象変数および地理的位置の線形関数としてキャリブレーションされ、地球測位処理におけるリアルタイム利用を可能にした。
• IMFの実装は、11年間分のVLBIデータを用いたグローバル解法に適応されたCALC/SOLVE VLBIデータ解析ソフトウェアに統合された。
• 複数のステーションにおいて、NMFとIMF解法の間で基線再現性および残差周期的サイト位置変動を比較した。
• 高さ不確実性は、形式的位置誤差とマッピング関数に起因する誤差を組み合わせ、最小仰角における遅延誤差1mmあたり0.3–0.8mmの感度係数を用いて推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NWMから導出された大気プロファイルは、地球測位VLBI解法における対流圏マッピング関数の精度向上に寄与するか？
• RQ2 NMFからIMFに置き換えることで、基線長再現性および残差周期的サイト位置変動はどの程度低減されるか？
• RQ3 理論的には有望であるにもかかわらず、湿潰れマッピング関数（IMFw）が性能向上を果たせない理由は何か？
• RQ4 NMFと比較して、IMFを用いる場合、垂直精度を損なわずにデータを安全に含めることができる最小仰角はどの程度か？

主な発見

• IMFh（水蒸気非依存成分）を用いることで、NMFと比較して理論的最高改善の80％に相当する基線長再現性誤差の低減が達成され、顕著な性能向上が示された。
• IMFhは、半日周期から長周期帯における残差周期的サイト位置変動の振幅を顕著に低減し、サイト安定性の向上に寄与した。
• IMFwはNMFwと比較してわずかな改善にとどまり、NCEP NWMの粗い2.5°グリッド解像度が湿潰れ遅延の精度を制限していることが、性能劣化の主な要因であると考えられた。
• IMFhを用いることで、NMFと同等の形式的高さ不確実性が7°の最小仰角まで維持されたが、NMFでは10°未満で不確実性が顕著に増加した。
• 15°の最小仰角においては、大気モデル誤差が垂直不確実性に2mm未満の寄与にとどまったが、数日間の相関誤差が週次解法における誤差低減を遅らせる可能性があった。
• 結果から、将来的な地球測位解法では、温度依存のアンテナ高さ補正と、より高解像度のNWMデータを組み合わせることで、系統的対流圏誤差をさらに低減すべきであると示唆された。