Troposferik su buharı değişimlerinin ppp ile kötü hava koşullarında izlenmesi

Küresel Konum Belirleme Sistemleri (GNSS – Global Navigation Satellite System) sinyali uydu anteni ve yeryüzündeki alıcı arasındaki mesafeyi yol alırken atmosferde iyonosfer ve troposfer tabakalarından geçmekte ve sinyal yolu boyunca gecikmelere uğramaktadır. Frekans bağımlı iyonosfer tabakasından kaynaklanan gecikmeler, GNSS kod ve taşıyıcı faz gözlemlerinin çift frekanslı iyonosfer bağımsız lineer kombinasyonları ile büyük oranda giderilebilmektedir. Frekans bağımsız troposfer tabakası nedeniyle oluşan gecikmeler ise gözlem denklemlerinin lineer kombinasyonları ile giderilemez ve bu gecikmelerin uygun modeller ile modellenmesi ve etkilerinin gözlem denklemlerinden giderilmesi gerekmektedir. Troposfer kaynaklı gecikmeyi oluşturan iki bileşenden biri olan zenit hidrostatik gecikme (ZHD – Zenith Hydrostatic Delay), atmosferdeki kuru gazların etkilerini içermekte olup bölgede gerçekleştirilmiş hassas basınç ölçmeleri yardımıyla ve Saastamoinen troposfer modelini kullanarak yüksek bir doğruluk ile hesaplanabilmektedir. İkinci bileşen olan zenit ıslak troposfer gecikmesi (ZWD – Zenith Wet Delay) ise atmosferdeki nem oranı ile olan yüksek korelasyonundan dolayı zamansal ve mekânsal değişim gösteren, modellenmesi zor ve atmosferik olayların oluşum ve gelişim süreçlerinin yorumlanması için çok önemli bir parametredir. Bu parametreyi doğrudan ölçebilen teknolojiler (radyosonda, su buharı radyometresi, uzaktan algılama uyduları) mevcut olduğu gibi deneysel (analitik) modeller kullanılarak da yaklaşık tahmin değerleri elde edilebilmektedir. GNSS oturumlarında, ZWD etkisi; gözlem denklemlerinde bir bilinmeyen olarak tanımlanmakta ve parametre kestirimi sonucunda değeri stokastik süreçler ile bulunmaktadır. GNSS, sahip olduğu yüksek doğruluk, süreklilik, geniş kapsama alanı ve tüm hava koşullarında çalışabilme özelliğinden dolayı atmosfer hareketlerini izlemek için 1990'lı yılların başından beri kullanılmaktadır. Bu gözlemler "GNSS Meteorolojisi" olarak adlandırılmakta ve temeli; troposferdeki alıcı – uydu sinyal yolu gecikmesi ile atmosferdeki nem (su buharı) arasındaki ilişkiye dayanmaktadır. Bir sera gazı olan atmosferik su buharı atmosferdeki enerji değişim süreçlerinde etkili, lokal ve küresel hava olaylarının oluşumunda önemli bir parametredir fakat sahip olduğu hızlı mekânsal ve zamansal değişkenlik bu parametrenin doğrudan radyosonda ve su buharı radyometresi gibi geleneksel yöntemleri ile belirlenmesine ve dolayısıyla hava koşullarının istenilen doğrulukta tahmin edilebilmesine engel oluşturmaktadır. Geleneksel yöntemler ile veri üretilirken yaşanan zamansal gecikmeler, örnekleme gerçekleştirilen istasyonların konumsal dağılımının yetersizliği ve ekonomik etkenler bu yöntemlere alternatif yeni yaklaşımların ortaya çıkmasına neden olmuştur. GNSS gözlemleri ile kestirilen ZWD ve yağmur oluşum sürecindeki temel değişken olan yoğuşabilir su buharı (PWV – Precipitable Water Vapor) arasındaki yüksek korelasyon kullanılarak gerçek zamanlı (RT – real time) ve art-işlem (PP – post process) hava tahmin ve iklim çalışmaları yürütülebilmektedir. GNSS gözlemleri sonucunda kestirilmiş su buharı değerlerinin klasik yöntemler ile elde edilmiş değerlere yakın sonuçlar vermesi; GNSS gözlemlerinden türetilen verilerin, sayısal hava modelleri tarafından etkin bir şekilde kullanılmasının önünü açmıştır. Günümüze kadar yürütülen GNSS Meteorolojisi çalışmalarının büyük bir çoğunluğu, GNSS ağ çözümü yaklaşımlarını temel alan, Sürekli Çalışan Referans Sistemi (CORS – Continuosly Operating Reference System) uygulamalarıdır. GNSS gözlemlerinde karşılaştığımız uydu yörünge, uydu ve alıcı saat hataları, uydu ve alıcıda donanım kaynaklı sapmalar ve tamsayı faz belirsizliği gibi kestirim hassasiyetini bozan hata kaynaklarının, aynı uydulara gözlem yapan istasyonların gözlem farklarından kısa süreler içinde giderilebilmesi, konum doğruluğunu santimetre mertebelerine düşürürken kestirilen troposfer parametrelerinin de hassasiyetini arttırmaktadır. Fakat, çözümlerde kullanılan istasyon sayısı arttıkça, gözlemlerin sayısı, hesap yükü ve istasyonlar arasındaki korelasyon da artmaktadır. Bu sebeple, ağ çözümüne alternatif, ekonomik, hesap yükü daha az olan ve kestirim doğruluğu ağ çözümüne yakın yeni yöntemler üzerinde durulmaktadır. Hassas Konum Belirleme (PPP – Precise Point Positioning) bu ihtiyaca cevap vermek için geliştirilmiş, tek bir alıcıdan ve fark alma teknikleri kullanılmaksızın okunan faz ve kod gözlemlerini işleyen bir GNSS ölçme tekniğidir. PPP, Uluslararası GNSS Servisi (IGS – International GNSS Service) tarafından sağlanan hassas uydu yörünge ve saat efemeris bilgisi ürünlerini işleyerek yüksek doğrulukta parametre kestirimi yapabilmektedir. Ağ GNSS çözümleri ile etkisi giderilen her bir hata kaynağı, PPP'de dikkatle ele alınmalı, doğru model yaklaşımları ve gözlemlerin lineer kombinasyonları kullanılarak etkileri modellenmeli ve giderilmelidir. Bu özelliğinden dolayı PPP, GNSS gözlemlerindeki her bir parametre için kalite kontrol aracı olarak da kullanılmaktadır. GNSS gözlemleri kullanılarak troposfer hareketleri modellenirken gerekli olan anlık meteorolojik veriler; geleneksel yöntemlerin yanı sıra, istasyon bölgesinde yapılan yersel ölçmeler, yeryüzü ölçmelerinin bulunmadığı durumlarda ise analitik tahmin fonksiyonları ve gerçek verilere dayanan sayısal hava modelleri (NWM – Numerical Weather Model) kullanılarak ilgili konum ve zaman dilimi için türetilebilmektedir. Benzer şekilde, uzun yıllara ait meteorolojik verilerin analizlerine dayalı olarak ve farklı uydu eğim açılarına göre geliştirilmiş izdüşüm fonksiyonları da GNSS gözlemlerinin atmosferi daha gerçekçi yansıtmasının ve kullanıcıların daha gerçekçi hava tahmin çalışmaları yürütmesinin önünü açmıştır. Günümüzde, hem ZHD hem de ZWD hesabında kullanılmak üzere sayısal hava modelleri verilerine dayanan birçok analitik atmosfer modeli geliştirilmiştir. Avrupa Orta Menzilli Hava Tahminleri Merkezi'nin (ECMWF - European Centre for MediumRange Weather Forecasts) uzun yıllara dayanan Re-Analysis (ERA-40, 1999 – 2002), ve ERA-Interim (2001-2011) analizleri kapsamında, ihtiyaç duyulan meteorolojik parametrelerin yıllık ortalama değerleri ve yıllık değişim oranları (genlik katsayıları) hesaplanmıştır. Grid formatında saklanan bu değerler küresel harmoniklere açılarak herhangi bir konum ve zaman dilimi için sürekli veri sağlayabilmekte, gerçek zamanlı çözümleri desteklemektedir. Küresel Basınç ve Sıcaklık (GPT - Global Pressure and Temperature ), 9. derece ve 9. mertebeden deniz seviyesinde küresel harmonik bir fonksiyondur ve ölçme yapılan bölgede meteorolojik veriye ulaşma imkânı bulunmayan durumlarda sıklıkla tercih edilmektedir. GPT, konumu ve gözlem tarihi bilinen bir istasyon için ihtiyaç duyulan sıcaklık, basınç, nem, su buharı basıncı ve izdüşüm fonksiyonu katsayılarını kullanıcılara sağlamaktadır. GPT2, GPT'nin kaba olan yatay grid çözünürlüğünü arttırmış (GPT:15°; GPT2: 5°), çok yağışlı dönemler ile çok kuru dönemlerin hakim olduğu bölgelerin daha iyi yansıtılması için meteorolojik verilerin yarıyıllık ortalama değerlerini ve genliklerini hesaplamıştır. Küresel İzdüşüm Fonksiyonu (GMF – Global Mapping Function), GPT (~GPT2) ile birlikte çalışmak için geliştirilmiş bir izdüşüm fonksiyonu olup ECMWF analiz verilerinin küresel harmoniklere açılması ile ilgili konum ve gün için kuru ve ıslak izdüşüm fonksiyon katsayılarını hesaplamaktadır. Diğer bir analitik fonksiyon olan New Brunswick Üniversitesi (UNB – University of New Brunswick) 5°'lik enlem bant aralıklarında tanımlanmış ve meteorolojik parametrelerin yıllık ortalama ve genliklerini içeren tablo değerlerinin küresel harmoniklere açılması sonucu istenilen konum ve gün için tahmini değerler üretmektedir. Bu değerler daha sonra Saastamoinen troposfer modelinde kullanılmakta ve Niell izdüşüm fonksiyonu (NMF – Niell Mapping Function) ile gecikme hesaplanmaktadır. Ani hava değişimlerine duyarlı olmayan bu analitik modeller; istenilen konum ve zaman için anlık veri sağlamakta, GNSS gözlem denklemlerine kolayca entegre edilebilmektedir. ECMWF analizleri sonucunda hesaplanan ve 2.5° (boylam) x 2.0° (enlem) grid formatında günde 4 kez yayınlanan (00:00, 06:00, 12:00, 18:00 UTC) VMF1; içeriğinde kuru ve ıslak izdüşüm fonksiyonlarının parametreleri ile verilen grid noktaları için hesaplanmış ZHD ve ZWD değerlerini bulundurmaktadır. VMF1, ilgili konum ve yükseklik için ara değer hesabıyla gerçeğe en yakın troposfer tahminlerini sağlayan yaklaşımdır. 6 saatlik ECMWF verilerini girdi olarak kullanmasından dolayı ani hava değişimlerine duyarlı ve aynı sebepten dolayı GNSS yazılımlarına uygulanması zordur. Belli bir gecikme ile PPP çözümünde kullanabilen VMF1, daha çok yakın gerçek zaman uygulamalarına katkı vermektedir. PPP çözümlerinde, denklemlerde tercih edilen hava tahmin modeli ve izdüşüm fonksiyonuna bağlı olarak kestirilen ZWD ve bu kestirimlerden türetilen PWV parametreleri farklılık göstermekte, art işlem, yakın gerçek ve gerçek zamanlı hava tahmin sonuçları da bu farklılıklardan etkilenmektedir. Bahsi geçen analitik modelleri, NWM ve bunlarla birlikte çalışabilen izdüşüm fonksiyonlarını çözümlerinde kullanan PPP oturumlarının performansı daha önce olağan dışı hava koşulları altında test edilmemiş, PPP ile atmosfer hareketlerini izlemede, hangi model yaklaşımının diğerine göre nerede üstünlük kurduğu karşılaştırmalı olarak bir çalışma altında sunulmamıştır. Bu tez çalışmasında, güncel hava tahmin ve sayısal hava modellerine dayanarak üretilmiş öncül troposfer modellerini çözümlerinde kullanan PP ve RT PPP oturumları olağandışı hava koşulları altında test edilmiştir. Çözümler hem PP hem de RT uygulamalar için çift frekanslı iyonosfer bağımsız gözlemlerin işlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. En küçük kareler (EKK) yöntemine göre kestirilen ZWD değerleri, zenit doğrultusunda her istasyon için ortalama su buharı sıcaklığı ve ilgili istasyon konumunun bir fonksiyonu olarak hesaplanan dönüşüm faktörünü kullanarak PWV'ye dönüştürülmüştür. Böylece atmosfer hareketleri ve gözlemlenen yağış olayları ile kestirilen atmosferik su buharı değerleri arasındaki ilişkinin ortaya konması hedeflenmiştir. Bu amaçla, 2013 yazında Avrupa'da son yüzyılın en büyük sel felaketine neden olan yağmur geçişleri ele alınmıştır. 20 Mayıs – 10 Haziran tarihleri arasında 3 haftalık süre için 11 IGS istasyonuna ait günlük GNSS gözlemleri işlenerek bölgedeki su buharı değişimleri kestirilmiş ve sonuçların birden çok yöntemle geçerliliği kıyaslamalı olarak test edilmiştir. PP oturumlarda kestirim doğruluğunu arttırmak için gözlem anından yaklaşık 13 gün sonra yayınlanan IGS Final yörünge ve saat verileri kullanılmıştır. IGS tarafından yayınlanan ve farklı gecikme ve doğruluk değerlerine sahip Rapid (IGR) ve Ultra-rapid (URP) ürünleri de aynı PPP oturumlarında kullanılmış, böylece PPP kestirimlerinde farklı efemeris ürün setlerini kullanmaktan kaynaklanan değişimler incelenmiştir. Gözlemlerinde farklı atmosfer model yaklaşımlarını (GPT, UNB, ECMWF – VMF1 grid) ve bu modeller ile birlikte çalışabilen izdüşüm fonksiyonlarını (GMF, Niell ve VMF1) kullanan PP PPP oturumları sonucunda kestirilen ZWD değerleri incelenmiştir. Bu kestirimler, sırasıyla, aynı istasyonlarda gerçekleştirilen ağ GNSS çözümü sonucunda kestirilen ZWD değerleriyle, IGS tarafından her istasyon için ve günlük olarak yayınlanan toplam zenit troposfer gecikme (ZPD – Zenith Path Delay) değerlerinden türetilmiş değerler ile ve GNSS istasyonu ile aynı ya da yakın konumlu radyosonda okumalarından türetilen değerler ile kıyaslanmıştır. Aynı PPP çözümleri, hem en EKK hem de Kalman Filtresi (KF) için ayrı ayrı gerçekleştirilmiş, çözüm yönteminin farklılığından kaynaklanan ve troposfer kestirimlerinde kendini gösteren önemli bir sapma gözlemlenmemiştir. PP PPP analizlerinin sonuçları incelendiğinde: IGS referans verisine en yakın sonuçların, çözümlerinde GPT / GMF troposfer modelini kullanan PPP çözümlerince sağlandığı, analitik fonksiyonların kullanıldığı çözümlerin genel olarak IGS referans verisi ile daha uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Referans verisi olarak radyosonda gözlemlerinin kullanıldığı durumlarda ise en tutarlı sonuçların ECMWF / VMF1 troposfer modelini kullanan PPP çözümleri ile sağlandığı; en büyük sapmaların UNB / Niell çiftini kullanan PPP oturumları için oluştuğu tespit edilmiştir. Genel olarak, troposferi modellemek için ECMWF verilerini ve VMF1 izdüşüm fonksiyonlarını kullanan PPP oturumlarının, diğer analitik modelleri kullanan PPP çözümlerine göre, ani hava değişimlerini daha iyi yansıttığı ve geleneksel yöntemler ile elde edilen su buharı değerleriyle daha uyumlu kestirimler sağladığı sonucuna varılmıştır. Aynı istasyonlarda PPP ve ağ çözümleri arasındaki kestirim farkları incelendiğinde; PPP çözümlerinin ağ çözümlerine göre ortalama 20 dakika ile 30 dakika arasında daha geç yakınsadığı, yakınsadıktan sonra iki çözümün de benzer karakteristik gösterdiği gözlemlenmiştir. 11 istasyonda yapılan gözlemler sonucu: ECMWF / VMF1 troposfer modelini kullanan PPP ve ağ oturumlarının birbirine daha yakın troposfer kestirim değerleri verdiği, PPP ve ağ çözümleri arasındaki sapmaların UNB/ Niell kullanıldığında arttığı tespit edilmiştir. RT PPP uygulamaları, IGS'nin yayın efemerisine düzeltme yayınlamaya başladığı Nisan 2013'den sonra hız kazanmıştır. IGS Gerçek Zaman Servisi (RTS) bünyesindeki analiz merkezleri, gerçek zamanlı çözümler için oluşturulmuş küresel istasyon ağlarını kullanarak, yayın efemerisine (broadcast) getirilecek uydu yörünge ve saat düzeltmelerini gerçek zamanlı hesaplayabilmektedir. Bu düzeltmeler, Radio Technical Commission for Maritime Services / State Space Representation (RTCM / SSR) formatında ve Networked Transport of RTCM via Internet Protocol (NTRIP) protokollerine uygun olarak kullanıcılara yayınlanmaktadır. Bu çalışmada, birden çok IGS analiz merkezi tarafından üretilen gerçek zamanlı düzeltmelerin ağırlıklı ortalaması alınarak PPP çözümlerinde kullanılabilecek hassas yörünge ve saat ürünleri oluşturulmuştur. Bu ürünler, daha sonra IGS Final yörünge ve saat ürünleri ile karşılaştırılmış ve gerçek zamanlı diğer bir ürün seti olan URP'ye göre daha hassas sonuçlar verdiği ortaya konmuştur. Bu uydu yörünge ve saatlerinin işlendiği RT PPP oturumları ile atmosferdeki su buharı hareketleri kestirilmiş, kullanılan troposfer model yaklaşımından bağımsız olarak tüm RT PPP oturumları sonucunda elde edilen su buharı değerleri, aynı istasyonlarda gerçekleştirilmiş PP PPP kestirimleri ve radyosonda okumaları ile iyi uyum göstermiştir. Gerçek zamanlı uydu yörünge ve saatlerinin kullanıldığı ağ çözümleri, beklendiği üzere, PPP çözümlerinden daha çabuk yakınsayarak daha hassas sonuçlar vermiştir. Bu çalışma kapsamında ayrıca, faz belirsizliğinin tamsayı karakterini bozduğu kabul edilen, uydu ve alıcı kaynaklı donanımsal sapmaların, CORS ve benzeri ağ çözümleri yardımıyla gerçek zamanlı modellenmesi, kestirilen düzeltmelerin RT PPP çözümlerinde kullanılması ve böylece yakınsama sürelerinin kısaltılması üzerine uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre; RT PPP çözümleri eğer tamsayı belirsizliği çözümü uygulanmışsa 5 - 15 dakika aralığında istenilen hassasiyete ulaşmakta, belirsizlik çözümü uygulanmadıysa istenilen hassasiyete ulaşmak için 30 dakika ve üzerinde sürelere ihtiyaç duyulmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri merkezli federal bir kuruluş olan Ulusal Atmosferik Araştırmalar Merkezi (National Center Atmospheric Research - NCAR), Küresel Yağış İzleme ve Klimatoloji Projesi (GPCP - Global Precipitation Climatology Project) analizleri kapsamında, küresel ölçekte ve 1° x 1° mekânsal çözünürlükte günlük yağış birikimi değerlerini 1996 - 2015 yılları arasında hesaplamıştır. Proje kapsamında, uzaktan algılama uydularından ve yersel yağmur ölçüm aygıtlarından gelen verileri temel alarak hesaplanan grid değerlerinden ara-değer hesabı ile ilgili GNSS istasyonlarının bulunduğu bölgeye düşen yağış miktarı belirlenmiştir. 5 IGS istasyonunda yapılan RT PPP analizleri ile kestirilen atmosferik su buharı ile GCPC kapsamında aynı istasyonlar için hesaplanan yağmur geçişleri arasında büyük oranda bir korelasyon olduğu, fakat su buharı kestirimlerindeki her ani değişimin yağmur olayı ile sonuçlanmadığı tespit edilmiştir. Amerikan Ulusal Uzay ve Havacılık Dairesi (NASA) uyduları olan Terra ve Aqua üzerinde bulunan Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) platformu aracılığıyla atmosferik su buharı değerleri elde edilebilmektedir. 1 kilometre mekânsal çözünürlüklü MODIS 2. seviye ürünlerinden (MOD5_L2) türetilen yoğuşabilir su buharı değerleri, gerçek zamanlı ve art-işlem PPP kestirim sonuçları ile kıyaslanmıştır. MODIS görüntülerinden türetilen su buharı hareketleri ile PPP çözümleri arasındaki ortalama farkların santimetre altında kaldığı, farkların ortalama hatalarının da 5 milimetrenin altında olduğu gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, GNSS PPP ile atmosferin izlenmesine yönelik çalışmalar için kapsamlı bir kılavuz görevi görmektedir. Farklı troposfer model yaklaşımlarının, GNSS veri işleme tekniklerinin ve farklı IGS ürün setlerinin PP ve RT GNSS Meteorolojisi çalışmalarına olan etkileri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiş, PPP çözümlerinin diğer çözümlere göre üstün ve zayıf yönleri ortaya konulmuştur.