بخشی از مقاله
چکیده:
از آنجایی که بخار آب نسبت به زمان و مکان بسیار متغییر میباشد، بنابراین تغییر ناگهانی در بخارآب، تغییر آب و هوای محلی را نتیجه میدهد. با بهبود پیش بینی آب و هوائی میتوان از بروز خسارت بعضی سوانح و بلایا جلوگیری کرد. مقدار بخارآب معلق میتواند با استفاده از دادههای ایستگاههای مرجع دائمی GPS اندازهگیری شود بطوری که دقت برآورد آن در توزیع بخارآب اتمسفر بسیار بالا بوده واز نظر هزینه نسبت به روشهای دیگر در پیشبینی وضعیت آب و هوایی مقرون به صرفه میباشد.
در این پژوهش مقدار بخار آب موجود در اتمسفر توسط ایستگاههای ژئودینامیک شمالغرب کشور در طول یک روز برآورد شده است همچنین برای برآورد دقت کار از دو ایستگاه نزدیک به هم که دارای شرایط اتمسفری یکسان هستند استفاده شده است که نتایج حاصل دقت 2-1 میلی متر را نشان میدهد.
-1 مقدمه
GPS یک سیستم پیشرفته ناوبری در فضا، دریا و زمین میباشد که توسط ایالت متحده آمریکا طراحی و ساخته شده است. زمانی که سیگنالهای GPS از میان اتمسفر عبور میکنند، به دلیل وجود عوامل مختلفی دچار تاخیراتی میشوند. اتمسفر اثرات مهم و قابل توجهی روی سیگنال های منتشر شده GPS میگذارد.
سیگنالها از میان لایههای مختلف اتمسفر از جمله یونسفر، تروپسفر، استراتسفر و.... عبور میکنند. بخش عمده تاخیرات بدلیل وجود لایه تروپسفر میباشد. تاخیر تروپسفری را میتوان به دو مولفه خشک و تر تقسیم کرد. مولفه خشک بدلیل وجود گازهای خشک در اتمسفر و مولفه تر تنها بدلیل زیاد شدن بخار آب بوجود میآیند. مولفه خشک %90 و مولفه تر %10 تاخیر تروپسفری را تشکیل میدهند. مولفه خشک کاملا به خصوصیات آب و هوایی اتمسفر بستگی دارد و در راستای زنیت در حدود 2,30 متر می-باشد.
این مولفه خصوصیات نرمتری دارد و بدلیل وابستگیهایی که به تغییرات فشار سطح دارد، در تعیین موقعیتهای خیلی دقیق با اندازهگیری دما و فشار سطح میتوان آن را مدل کرد درحالی که مولفه تر به توزیع بخار آب بستگی دارد و مقدار آن در مناطق خشک در حد چند سانتی متر یا کمتر و در مناطق مرطوب حدود 35 سانتی متر میباشد.
بخارآب یکی از پارامترهای کلیدی در آنالیزهای سیستم آب و هوا و عامل اصلی در رخدادهای اتمسفری است. غلظت بخارآب با تغییر در عرض جغرافیایی تغییر کرده و در عرضهای میانی بیشترین مقدار را دارد که با حرکت به سمت قطب کاهش مییابد. منبع بخارآب در سطح زمین است و انتقال آن به جو از طریق فرآیند تبخیر و تعریق صورت میگیرد. علاوه بر آن، دمای اتمسفر در نتیجه فشار بخار آب اشباع نیز با افزایش ارتفاع کاهش مییابند. بنابراین، توزیع بخارآب در اطراف کره زمین یکنواخت نمی باشد.
پارامتر مولفه تر نسبت به زمان و مکان خیلی متغیر بوده و براحتی نمی تواند با اندازه گیریهای سطحی مدل شود. مدل های تروپسفری مختلفی مانند hopfiled، saastamonien، Ifadis، berman و ... برای بیان تأخیرات تروپسفری یکپارچه، توسعه یافتهاند. عموماً پارامترهای هواشناسی سطح، مانند فشار، دما و رطوبت بعنوان ورودی این مدلها لازم هستند. اندازه گیری انکسار بطور مستقیم در امتداد مسیر انتشار سیگنال دشوار میباشد. لذا تعدادی توابع نگاشت بوجود آمدهاند تا تاخیر سیگنالها در راستای زنیت را برای همه ماهوارههای GPS در یک جهت ارائه دهند.
برای کارهای کم دقت میتوان فقط از مدلهای استاندارد تروپسفری استفاده کرد اما در کارهای دقیق، توزیع بخار آب نیز باید مشخص شود. چرا که مدلهای تجربی نمیتوانند تاخیرات تر تروپسفری را بخوبی مشخص کنند. توزیع بخار آب را می توان با روشهای مختلفی بدست آوریم در حال حاضر برآورد رطوبت تروپسفری از طریق روشهایی مانند: رادیوسوند، بخارسنج های رادیوئی، تصاویر ماهواره-ای و... انجام میشود.
-2 تروپسفر و ساختار آن
اتمسفر شامل چندین لایههای مختلف میباشد و این لایهها با توجه به خصوصیاتشان مثل دما، فشار و ترکیبات شیمیایی... تعریف میشوند. نزدیکترین لایه به سطح زمین » تروپسفر « میباشد که از سطح زمین شروع میشود و تا حدود 9 کیلومتر گسترش پیدا میکند. ناحیه 7 کیلومتر بالاتر از تروپسفر را تروپوپز مینامند که این ناحیه برخی از خصوصیات تروپسفر و استراتوسفر را دارا میباشد. لایه استراتوسفر از 16 کیلومتری تا 50 کیلومتر بالای سطح زمین را شامل میباشد. بالای لایه استروپسفر یک لایه وجود دارد به نام »یونسفر« که دارای ذرات باردار میباشد و همچنین مزوسفر نیز پایین تر از یونسفر بوده که از 50 تا 80 کیلومتر بالاتر از سطح زمین قرار گرفته است. بالای مزوسفر تا ارتفاع 1000 کیلومتر از سطح زمین محدوده لایه یونسفر میباشد.
زمانی که سیگنالهای GPS در لایه تروپسفر منتشر میشوند، آنها بطور قابل توجهی بدلیل تغییرپذیری ضریب شکست تروپسفر تحت تأثیر قرار میگیرند. تأخیر تروپسفری بدلیل تأخیر بیش از حد مسیر و اثرات منحرف شدن بر روی سیگنالهای رادیویی میباشد.
تأخیر تروپسفری در ترمهای محاسبه شده در راستای زنیت نشان داده میشوند؛ از اینرو تأخیر تروپسفری زنیتی - ZTD - ترکیبی از تأخیر خشک زنیتی - ZHD - و تأخیر تر زنیتی - ZWD - میباشد.
تأخیر تروپسفری در راستای مایل - STD - در هر زاویه ارتفاعی دلخواه می تواند با استفاده از توابع نگاشت در راستای زنیتی بیان شود. و همین طور میتوانیم از این توابع نگاشت برای مؤلفههای تر و خشک نیز استفاده کنیم:
عموماً، تأخیر تروپسفری زنیتی - ZTD - در حدود 2.50 متر میباشد که سهم مؤلفه خشک در این تأخیر حدود 90 درصد و سهم مؤلفه تر در این تأخیر نیز حدود 10% میباشد. زمانی که ماهواره ارتفاعش نسبت به افق کم میشود، تأخیر مؤلفه خشک در راستای مایل یا تأخیر مؤلفه تر در راستای مایل بطور قابل توجهی افزایش مییابد. سیگنالها از مسیر خود منحرف شده و زمانی که آنها از میان لایه های مختلف مثل یونسفر و تروپسفر عبور می کنند سرعتشان تغییر میکند.لایه تروپسفر یک محیط غیر پاشنده برای سیگنالهای GPS است و تاخیر تروپسفری، با استفاده از ترکیب فرکانسهای GPS از بین نمی رود. تأخیر تروپسفری بطور کلی به دو مؤلفه خشک و تر تقسیم میشود.
