[논문 리뷰] Using a Numerical Weather Model to Improve Geodesy

A. E. Niell, Leonid Petrov|ArXiv.org|2004. 01. 23.

GNSS positioning and interference참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지구측량 VLBI 및 GPS 해석에서 대류권 매핑 함수를 향상시키기 위해 수치기상모델(NCEP) 자료의 사용을 평가한다. 기후학적 모델(NMF) 대신 NCEP의 2.5° 격자 자료에서 유도된等압 매핑 함수(IMF)를 사용함으로써 기준선 반복성 향상과 고조파적 지점 위치 변동 감소를 확인하였으며, 특히 수증기 성분이 아닌 수증기 성분(IMFh)에서 뚜렷한 향상이 있었지만, 해상도가 낮은 격자로 인해 수증기 성분(IMFw)은 근소한 향상만을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수치기상모델(NWM) 자료가 지구측량 위치 측정에서 대류권 매핑 함수를 향상시킬 수 있는지 평가하는 것.
• NWM에서 유도된 등압 매핑 함수(IMF)가 VLBI 해석에서 기준선 길이 반복성과 지점 위치 안정성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기본 기후학적 모델(NMF)과 비교해 IMF를 사용할 경우 낮은 고도 데이터를 포함시켜도 수직 정확도가 떨어지지 않도록 할 수 있는지 판단하는 것.
• 특히 수증기 성분(IMFw)이 해상도가 낮은 NWM 자료를 사용할 경우 잔류 고조파적 지점 변동 감소에 한계를 보이는 이유를 조사하는 것.

제안 방법

• IMF 매핑 함수는 NCEP의 2.5° 수평 격자 NWM 자료에서 유도되었으며, 각 지점에 대한 온도, 기압, 수증기 농도의 수직 프로파일을 제공하였다.
• 수증기 성분과 수증기 성분을 제외한 성분에 대해, 라디오소운 데이터에서 추적된 지연 시간을 바탕으로 3항 연속분수 근사식(식 1)을 사용해 매핑 함수를 계산하였다.
• IMF 매개변수(a, b, c)는 기상 변수와 지리적 위치에 대한 선형 함수로 캘리브레이션되어 실시간 지구측량 처리에 활용 가능하도록 하였다.
• IMF 구현은 11년 간의 VLBI 자료를 사용한 글로벌 해석을 위한 CALC/SOLVE VLBI 데이터 분석 소프트웨어에 통합되었다.
• 여러 지점에서 NMF와 IMF 해석 간의 기준선 반복성과 잔류 고조파적 지점 위치 변동을 비교하였다.
• 최소 고도에서 1mm의 지연 오차당 0.3–0.8mm의 민감도 계수를 사용하여 공식 위치 오차와 매핑 함수 유도 오차를 조합하여 고도 불확실도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NWM에서 유도된 대기 프로파일이 지구측량 VLBI 해석에서 대류권 매핑 함수 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 NMF 대신 IMF를 사용할 경우 기준선 길이 반복성과 잔류 고조파적 지점 위치 변동이 얼마나 감소하는가?
• RQ3 이론적으로 잠재력이 있는 수증기 매핑 함수(IMFw)가 성능 향상에 실패하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 NMF와 비교해 IMF를 사용할 경우 수직 정확도가 떨어지지 않도록 안전하게 포함시킬 수 있는 최소 고도는 어느 정도인가?

주요 결과

• IMFh(수증기 성분)를 사용함으로써 NMF 대비 이론적 최대 향상의 80%에 해당하는 기준선 길이 반복성 오차 감소를 확인하였으며, 이는 상당한 성능 향상을 의미한다.
• IMFh는 반디아루 주기에서 장주기 대역까지 잔류 고조파적 지점 위치 변동의 진폭을 뚜렷이 감소시켜 지점 안정성을 향상시켰다.
• IMFw는 NMFw 대비 근소한 향상만을 보였으며, 이는 NCEP NWM의 2.5° 격자 간격으로 인해 수증기 지연 정확도가 제한되기 때문일 것으로 추정된다.
• IMFh를 사용할 경우 최소 고도 7°까지 공식 고도 불확실도가 NMF 수준을 유지할 수 있었지만, NMF는 10° 이하에서 불확실도가 크게 증가하였다.
• 15° 최소 고도에서 대기 모델링 오차는 수직 불확실도에 2mm 미만으로 기여하였지만, 일일 단위로 상관관계가 있는 오차는 주간 해석에서 오차 감소 속도를 느리게 했을 수 있다.
• 결과적으로 향후 지구측량 해석에서는 온도에 따라 변하는 안테나 높이 보정과 더 높은 해상도의 NWM 자료를 통합함으로써 체계적 대류권 오차를 추가로 감소시켜야 할 것으로 제안된다.