[論文レビュー] Study of the atmospheric pressure loading signal in VLBI observations

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

Geophysics and Gravity Measurements被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、6時間ごとのNCEP再解析表面気圧データとPonte-Ray大気潮汐モデルを用いて、大気圧負荷による3次元のリムズト変位を厳密に計算するモデルを提示する。1980年から2002年までの350万件のVLBI観測データを用いてモデルを検証し、平均の適合係数が垂直方向で0.95±0.02、水平方向で1.00±0.07であることを示した。これは観測結果と定量的な一致を確認し、水平方向の圧力負荷効果の初回検出を裏付けている。

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.

研究の動機と目的

• 空間測地観測に影響を及ぼす大気圧負荷変形を、正確かつ計算的に実行可能なモデルを開発すること。
• 長年の間に測地データにおいてモデル化された信号と観測された信号との間に生じていた乖離を是正すること。
• 1980年から2002年までの期間をカバーする大規模なVLBIデータセットを用いて、モデルを検証すること。
• 変位信号がより複雑になる海岸部および山岳地帯におけるモデルの精度を評価すること。
• 空間測地学のデータ処理において、圧力負荷補正を日常的に行えるようにすること。

提案手法

• 2.5°×2.5°グリッド上の6時間ごとの表面気圧場をNCEP再解析データセットから使用する。
• 計算精度を向上させるために、PonteとRay（2002）のモデルを大気潮汐に適用する。
• 球面セル上のグリーン関数積分を計算するために、適応的角分解能（小距離では0.002 rad、大距離では0.02 rad）を用いた数値積分法を採用する。
• 粗い解像度と細かい解像度の2段階の陸海マスクを用い、陸海が混合したセルを処理し、セル中心における気圧に双線形補間を適用する。
• 局所的な東・北単位ベクトルおよび接ベクトルを用いたベクトル形式を用いて、垂直方向および水平方向の施設変位を別々に計算する。
• モデル化された時間系列と観測されたVLBI施設位置時間系列との間の適合係数を推定することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル再解析気圧データを用い、Ponte-Rayモデルを適用することで、大気圧負荷モデルを正確に計算できるか？
• RQ2 VLBIデータにおけるモデル化された圧力負荷と観測された施設変位との間の定量的整合性はどの程度か？
• RQ3 圧力負荷による水平成分の変位は検出可能で、モデル予測と一貫しているか？
• RQ4 海岸部および山岳地帯のような複雑な地形領域におけるモデルの精度はどの程度か？
• RQ5 このモデルは、空間測地学の日常的データリダクションに信頼性を持って利用できるか？

主な発見

• 圧力負荷時間系列の誤差予算は15%未満であり、高い信頼性を示している。
• 垂直方向の適合係数の平均は0.95±0.02であり、観測結果と強い一致を示している。
• 水平方向の適合係数の平均は1.00±0.07であり、水平方向の圧力負荷効果の初回直接検出を確認している。
• 海岸部および山岳地帯の観測所ではモデルの性能が劣り、地形および水深の取り扱いにおける限界を示している。
• 観測結果との定量的整合性と計算の実行可能性を兼ね備えているため、空間測地学の日常的データリダクションに適している。