[논문 리뷰] Study of the atmospheric pressure loading signal in VLBI observations

Leonid Petrov, Jean‐Paul Boy|arXiv (Cornell University)|2003. 11. 19.

Geophysics and Gravity Measurements인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 6시간 간격의 NCEP 재분석 표면 기압 자료와 Ponte-Ray 대기 조류 모델을 사용하여 대기 기압 부하에 의한 3차원 지각 이동을 정확하게 계산하는 엄밀한 모델을 제시한다. 1980–2002년 기간 동안의 350만 건의 VLBI 관측 자료를 활용하여 모델을 검증하였으며, 평균 수용도 계수는 수직 방향 0.95±0.02, 수평 방향 1.00±0.07로 나타나 관측 결과와 양호한 정량적 일치를 보이며, 수평 기압 부하 효과의 처음으로 직접적인 검출을 확인한다.

ABSTRACT

Redistribution of air masses due to atmospheric circulation causes loading deformation of the Earth's crust which can be as large as 20 mm for the vertical component and 3 mm for horizontal components. Rigorous computation of site displacements caused by pressure loading requires knowledge of the surface pressure field over the entire Earth surface. A procedure for computing 3-D displacements of geodetic sites of interest using a 6-hourly pressure field from the NCEP numerical weather models and the Ponte and Ray [2002] model of atmospheric tides is presented. We investigated possible error sources and found that the errors of our pressure loading time series are below the 15% level. We validated our model by estimating the admittance factors of the pressure loading time series using a dataset of 3.5 million VLBI observations from 1980 to 2002. The admittance factors averaged over all sites are 0.95 -+ 0.02 for the vertical displacement and 1.00 -+ 0.07 for the horizontal displacements. For the first time horizontal displacements caused by atmospheric pressure loading have been detected. The closeness of these admittance factors to unity allows us to conclude that on average our model quantitatively agrees with the observations within the error budget of the model. At the same time we found that the model is not accurate for several stations which are near a coast or in mountain regions. We conclude that our model is suitable for routine data reduction of space geodesy observations.

연구 동기 및 목표

• 지구측량 관측소에 영향을 주는 대기 기압 부하 변형을 정밀하고 계산적으로 실현 가능한 모델을 개발하기 위해.
• 우주측량 데이터에서 모의된 기압 부하 신호와 관측된 신호 간 오랜 기간 동안 지속된 격차를 해결하기 위해.
• 1980–2002년 기간을 아우르는 대규모 VLBI 데이터셋을 기반으로 모델을 검증하기 위해.
• 지형이 복잡한 지역, 특히 해안과 산악 지역에서 변형 신호가 더 복잡한 데서 모델의 정확도를 평가하기 위해.
• 우주측량 데이터 처리 과정에서 기압 부하 보정을 일상적으로 적용할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 2.5°×2.5° 격자상에서 6시간 간격의 표면 기압 필드를 NCEP 재분석 자료에서 활용한다.
• 정확도 향상을 위해 대기 조류 계산에 Ponte와 Ray(2002) 모델을 적용한다.
• 구면 셀 위에서 그린 함수 적분을 계산하기 위해 가변 각해상도(작은 거리에서는 0.002 rad, 큰 거리에서는 0.02 rad)를 적용한 수치적 통합 방법을 사용한다.
• 혼합된 육해지역 셀을 처리하기 위해 이중 해상도의 육해마스크(粗역 및 정밀)를 사용하며, 셀 중심의 기압 계산에 이차선형 보간법을 적용한다.
• 지역 동/남 단위 벡터와 탄젠트 벡터를 포함한 벡터 기반 수식을 사용하여 수직 및 수평 방향의 위치 이동을 별도로 계산한다.
• 모의된 결과와 관측된 VLBI 위치 변화 시간 시리즈 간의 수용도 계수를 추정하여 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글로벌 재분석 기압 자료를 사용하여 엄밀한 대기 기압 부하 모델을 정확하게 계산하고 VLBI 관측에 적용할 수 있는가?
• RQ2 모의된 기압 부하와 VLBI 자료에서 관측된 위치 이동 간의 정량적 일치 정도는 어떠한가?
• RQ3 기압 부하에 의한 수평 성분의 변형은 감지 가능하며 모의 예측와 일관된가?
• RQ4 해안 및 산악 지역과 같이 지형이 복잡한 지역에서 모델의 정확도는 어떠한가?
• RQ5 이 모델은 우주측량 데이터 처리의 일상적 감소에 신뢰성 있게 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 기압 부하 시간 시리즈에 대한 오차 예산이 15% 이하로 나타나 높은 신뢰성을 보였다.
• 수직 이동의 수용도 계수 평균은 0.95±0.02로 관측 결과와 강한 일치를 보였다.
• 수평 수용도 계수 평균은 1.00±0.07로, 수평 기압 부하 효과의 처음으로 직접적인 검출을 확인하였다.
• 모델은 해안 및 산악 지역의 관측소에서는 성능이 열악하여 지형 및 해저 깊이 처리에 한계가 있음을 시사하였다.
• 관측 결과와의 정량적 일치 및 계산 가능성으로 인해, 이 모델은 우주측량 데이터 처리의 일상적 감소에 적합하다.