Meteorologische toepassingen van GPS

Siebren de Haan

GPS meteorologie

• Hoe werkt GPS?

• Relatie waterdamp en GPS?

• Meteorologische toepassingen van GPS– Velden van totale hoeveelheid waterdamp– Driedimensionale structuren

• Conclusies en vooruitblik

Global Positioning System• U. S. Department of

Defence (DOD). • 24 GPS satellieten:

radiosignalen voor positie/snelheid/tijd bepaling– Frequentie: 1575.4 MHz en

1227.6 MHz

• GLONASS Russisch System.

• GALILEO Europees

Global Positioning System

• Met GPS bepaal je waar je bent door te meten hoever je van een aantal satellieten vandaan bent

?

? Ter illustratie: Platte vlak (2D)

Afstand tot 1 satelliet : blauwe lijn

Afstand tot 2 satellieten: kruispunten

Afstand tot 3 satellieten: positie!

Hoogte? : minimaal 4 satellieten

Nauwkeurigheid van GPS

Geen verstoring

Atmosfeer

Signaal wordt vertraagd en gebogen

Gevolg:

Onnauwkeurigheid van enkele meters

Oorzaak:

•Dichtheid v/d lucht

•Vocht

Andere fouten bronnen:

•Ionosfeer

•Satelliet posities

• …….

Foutenbronnen

restmultipadtroposfeerionosfeersatellietontvanger tttttT

“Zenith Tropospheric Delay” wordt expliciet bepaald als onderdeel van de positie- en afstandfout

Schatting van de fouten

Netwerk GPS ontvangers• Ionosfeerfout:

dispersief medium• Klokfouten: dubbele

differenties• Atmosfeer”fout”:

afbeelden op de zenit

Atmosferische verstoring• “Zenith Tropospheric Delay” (ZTD)

GPS processing: atmosfeervertraging afgebeeld op de zenit

• Saastamoinen (1972): hydrostatisch deel ( ≈ p/T )“totale vertraging = droog + nat” :

• “Integrated Water Vapour” (IWV)

),,( 0 HpZHDZTDTfIWV Saass

256

6

1073.36.77)1(10teit refractivimet

)(10

T

e

T

pnN

dzzNZTDreceiver

1),(met ),(

0024.02779.2

s)millimeter(in

0

HfHf

pZHD

ZHDZTDZWD

Saas

Saas

)kg/m 15.0( )(

kg/min 3

2

sm

m

TfT

TZWDIWV

• Gegeven p0 ,Ts , H en lengtegraad () :

Integrated Water Vapour

2001/07 –2002/07

RS (De Bilt) – GPS (Delft)

N

Bias

975

0.72 kg/m2

1.81 kg/m2

Cabauw

Waterdamp

• Radiosonde (De Bilt) 2002 (elke 6 uur)

Variabiliteit IWV in 6 uur

• Radiosonde waarnemingen De Bilt 1999• Verandering in IWV (in 6 uur) sterk gecorreleerd

met verandering vocht op 1-2 km hoogte

Waarom GPS?

• Radiosondes – Temperatuur, wind en vocht

op verschillende hoogtes– 4 stations rond Nederland :

De Bilt, Ukkel (Bel), Essen(D), Emden (D)

– Elke 12 uur

• GPS– Totale hoeveelheid vocht

(géén profiel)– 35 stations in Nederland– Elk kwartier

Radiosondes rond NederlandGPS netwerk rond Nederland

GPS op het KNMI

NETPOS• Samenwerking

Kadaster/RWS/KNMI• Routinematige ZTD

– Uurlijks (Europees)• MétéoFrance:Aladin/Arpege• UKmetoffice : RM

– Real-time (elk 15 min.)• Nowcasting

GPS in Europa

• EUMETNET E-GVAP• Voorbereiden voor

operationele productie • 13 landen• 892 stations• 140K obs/dag

Toepassingen

• Assimilatie in weermodellen– niet in dit praatje

• Tweedimensionale informatie– Real-time – aantal “cases”

• Driedimensionale informatie– Variationele assimilatie (data uit 2003)

2D Informatie

• Real-time IWV waarnemingen– Elk kwartier – Vertraging van ongeveer 5 minuten– IWV veld

• Variationele analyse• Achtergrond = waterdampveld van 15 min. eerder

– Additionele data • OrnanceSurvey (UK)• EUREF-NTRIP (streaming GPS ruwe data)

2008/05/31 • Matige O tot NO stroming 850hPa• 10m winden N tot NW• Een sterke gradiënt in de

waterdamp om 19:00.• Natte tong bevindt zich in het mid-

oosten van Nederland centrum. • droog gebied boven Zeeland

2008/05/31• Het onweergebied ontwikkelt

zich op de gradiënt van de waterdamp

• Natte tong verplaatst zich uiteindelijk met stroming mee

2008/06/02• Hogedrukgebied boven Nederland

met overwegend O - NO stroming. • Er bevindt zich een convergentie

zone boven België. • Boven het Zuiden en Noord-

Holland ontstaan waterdamp maxima die aaneengroeien. Het maximum boven het Zuiden wordt geadvecteerd.

2008/06/02• Op de helling van de maxima

ontstaan onweersbuien. • Aan de achterkant van het

maximum is er nauwelijks tot geen onweersactiviteit

2008/06/22• Sterke ZW stroming voert

onstabiele lucht aan. • Nederland bevindt zich tussen een

hoog boven Z-Duitsland en een lagedrukgebied op de noordelijke Noordzee.

• Maximum IWV in het Zuiden verplaatst zich in NW-richting

2008/06/22• Onweerscomplex ontstaat boven

Zuidwest Nederland en wordt meegevoerd naar het noordoosten.

• Het complex ontstaat aan de rand van een waterdamp maximum wat zich in een tijdspanne van 30-45 minuten uit het zuidoosten is aangevoerd. 

2008/07/02• ZO stroming met een klein hoge

drukgebied boven Nederland. • Sterke oost-west vocht gradiënt

met een lijn van onweer over het westen van Nederland.

2008/07/02• Aan het eind van de ochtend

trekt een onweersgebied over Noord-Holland naar het noorden.

• In de vroege middag komt een groot onweersgebied uit het zuiden opzetten die ook richting het noorden trekt.

• Naarmate de waterdamp structuren minder scherp worden (de maxima vlakker) daalt de onweer activiteit. De regen intensiteit blijft ongeveer hetzelfde.

2008/07/26• O-stroming met een rug van

hogedrukgebied over NL. • Waterdamp maximum groeit

boven het IJsselmeer en Friesland.

• Maximum verplaatst in de loop van de tijd meer richt het Westen.

• De rug van waterdamp loopt tot in Zuid-Holland.

2008/07/26• Aan de zuidkant van het

maximum ontstaat een stevig complex met onweer wat zich uitbreid langs de rug.

• Een tweede bui ontstaat iets zuidelijker en vormt na verloop van tijd een groot complex.

• De onweersactiviteit verplaatst zich in de richting van het maximum terwijl de bui op de zelfde plek blijft liggen.

Conclusies 2D informatie

• Gradiënten in IWV– Zwakke IWV gradiënt: geen/nauwelijks

onweer– Sterke IWV gradiënt met windveld:

convergentie van vocht

• Verandering in IWV met de tijd– Met de bui mee bij een ontwikkeld systeem

3D Informatie

• Schuine vertraging– Meer waarnemingen/meer ruimtelijke informatie

• Variationele Assimilatie (elk uur)– Modelruimte beschrijft alleen vocht– Achtergrondveld uit vorige oplossing

Variationele Assimilatie

• Achtergrond fout correlateHollingsworth-Lonnberg-

methode

• Verticaal+horizontaal

3D Grid

• Mei 2003 (BBC2)Radiosonde Cabauw

• 9 GPS stations• Waarnemingen:

: Schuine waterdamp waarnemingen

: IWV waarnemingen

Resultaten

Resultaten (2)

Verschil GPS/RS/NWP• Gladde covariantie

resulteerd in glad veld• 9 stations

– Slechte sampling– Geen kruisende paden

• Tegenwoordig: – 35 stations: betere

sampling

Conclusies

• GPS nauwkeurige waarnemingen van atmosferisch vocht

• Real-time waarnemingen zijn mogelijk

• Tweedimensionale waterdamp velden tonen gebieden waar convectie/onweersbuien kunnen ontstaan

• “Schuine” vertragingen van een netwerk herbergt driedimensionale informatie

Vooruitblik

• Assimilatie van ZTD in NWP– Raamwerk is gereed

• Bruikbaarheid van 2D velden voor nowcasting vereist verdere studie– IWV waarnemingen Noordzee/Duitsland/België– IWV+wind (??hPa) = “I-MoistureFluxConvergence”?

• Opzetten van nieuwe processing-methode om schuine vertragingen te schatten– Assimilatie in NWP (bijv. uurlijks) – (Met andere hoge resolutie waarnemingen)

Met dank aan:

• SRON/NIVR

• Kadaster (o.a. Joop van Buren),Infra-wis (o.a. Ronald v/d Vate), Mark Greaves (Ordnance Survey, UK), Georg Weber (BKG, D), Hans v/d Marel (TUD), Iwan Holleman, Bert Holtslag (WUR), Henk Klein Baltink en anderen…

URL’s:

http://egvap.dmi.dk

http://www.knmi.nl/research/groundbased_observations/gps/real_time_IWV.html

http://www.knmi.nl/~haandes => pdf van proefschrift

Toepassing voor weersverwachting

• 8 juni 2007• Heftige onweersbuien

langs de Belgisch-Nederlandse grens van 13:30 – 16:00

• Buien trekken daarna naar het westen weg

Korte-termijn weersverwachting• Convergentie van waterdamp

– Bepaald mbv. windmetingen aan de grond

• 60 tot 90 minuten vooraf een indicatie

•Radar•Bliksem•Waterdamp

Waterdamp convergentie

GPS en het weer

Gegeven : • zeer nauwkeurige positie uit

een vast netwerk (Kadaster)

Dan is het mogelijk om • door terug te rekenen de

vertraging tgv. de atmosfeer te bepalen

En dan• is hieruit de hoeveelheid vocht

af te leiden

GPS netwerk rond Nederland