Проект РНФ 'Мониторинг конвективных процессов сигналами приемников спутниковых навигационных систем'

Сведения о  научных результатах за 2023-2024 гг.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) - перспективная технология всепогодного мониторинга атмосферы. В проекте была поставлена цель выявления связи измеряемых с помощью ГНСС приемников интегрального влагосодержания атмосферы (IWV), зенитной тропосферной задержки радиосигналов (ZTD) и ее градиентных параметров с характеристиками конвективных процессов и опасными явлениями.

Рассчитывались показатели интенсивности конвективных процессов по метеопараметрам, представленным в виде данных реанализа ERA5, полученных по модели ECMWF. По каждому из параметров конвекции согласно их критическим значениям были сформированы выборки IWV, ZTD, величины градиента dZTD и направления градиента AdZTD, которые характеризовали условия слабой и сильной конвекции. Показано, что статистические характеристики всех исследуемых параметров мониторинга значимо изменяются в зависимости от индексов CAPE, WMAXSHEAR, восходящей вертикальной скорости и параметра генерации вихря.

Показано, что когерентность вариаций интегрального влагосодержания, зенитной тропосферной задержки радиосигналов и ее градиентных параметров с вариациями всех исследуемых конвективных параметров наиболее часто обнаруживается на временных масштабах от 1 до 4 часов, но их  максимум достигается на 30-60 минут раньше, чем максимум вариации конвективных индексов.

Показано значимое различие статистических свойств интегрального влагосодержания атмосферы и градиентных параметров тропосферной задержки в условиях слабой и сильной конвекции. В условиях сильной конвекции более чем на 10 мм осажденной воды увеличивается интегральное влагосодержание.

Конвективные процессы формируют мезомасштабные неоднородности, что отражается в возрастании величины градиента ZTD на 20%, росте его среднеквадратического отклонения на 25 %. Флуктуации направления градиента тропосферной задержки радиосигналов ГНСС также увеличиваются.

Рассмотрено влияние опасных явлений на фазовые ГНСС-измерения. Исследованы остаточные разности фазовых измерений за несколько суток до и после опасного явления. В остаточных разностях устранен вклад многолучевости и вклад ошибок эфемерид и поправок часов навигационных спутников в остаточные разности. Установлено, что в начальный период урагана наблюдается наибольшее число больших значений остаточных разностей. Этот индикатор может быть использован при интерпретации данных постоянно действующих станций спутникового геодезического мониторинга особо опасных и технически сложных объектов или для мониторинга опасных метеорологических явлений.

Построенная регрессионная модель показала, что параметр, описывающий зависимость стандартного отклонения остаточных разностей от обратного значения косинуса зенитного угла, растет примерно на 0.2 – 0.3 мм с ростом интегрального содержания водяного пара на 10 мм осажденной воды. Для среднесуточных оценок ошибок координат такие флуктуации фазы не оказывает сильного влияния. Можно заключить, что в остаточных разностях присутствует вклад, связанный с опасными конвективными явлениям, однако он не может служить хорошим предиктором для построения прогнозных моделей.

Проведен поиск проявлений опасных явлений в рядах интегрального влагосодержания атмосферы, зенитной тропосферной задержки радиосигналов и ее градиентных параметров. Всего использовалось наблюдения тринадцати станций в Республике Татарстан и Московской области за 2013-2023 годы. Вблизи от этих среднеширотных ГНСС-станций произведена выборка событий опасных конвективных явлений. Фиксировались такие явления как сильный ветер, смерч, торнадо, шторм, крупный град, молния.

Построены эмпирические распределения интегрального влагосодержания атмосферы, градиентных параметров зенитной тропосферной задержки, полученные для событий опасных явлений вблизи ближайших среднеширотных -станций приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Критерии Стьюдента, ANOVA и Краскела-Уоллеса показали, что распределения всех исследуемых параметров при опасных явлениях и среднемноголетние значимо различаются.

Исследованы оценки статистических характеристик интегрального влагосодержания атмосферы, градиентных параметров зенитной тропосферной задержки как в зависимости от типа опасного погодного явления, так и в зависимости от расстояния между координатами отмеченного опасного погодного явления и пунктом наблюдения.

Обнаружено, что в летний период в условиях глубокой конвекции, но в отсутствии опасных явлений интегральное влагосодержание, полученное с помощью ГНСС мониторинга в Поволжском регионе, значимо меняет распределение среднечасовых значений IWV, значение интегрального влагосодержания увеличивается в среднем на 12 мм при увеличении восходящей вертикальной скорости до 40 м/с. Рост среднесуточных величин IWV составляет от 6 до 10 мм осажденной воды, вместе с ростом внутрисуточной изменчивости в 1,5-2 раза это свидетельствует о возрастании мощности выноса водяного пара в атмосферу при глубокой конвекции, приводящей к опасным явлениям.

Особенно заметны вариации IWV, если опасные явления наблюдается не далее 20 км от станции, внутрисуточный рост IWV составляет 50% и выше. Значение величины вектора градиента ZTD и флуктуации его направления менее чувствительны к расстоянию до опасных явлений, но также показывают усиление неоднородностей атмосферы при опасных явлениях по сравнению с многолетними данными. Величина вектора градиентных параметров и флуктуации его направления - критерий неоднородной структуры тропосферы, их рост свидетельствует формировании конвективных ячеек.

Наши исследования подтверждают, что использование глобальных навигационных спутниковых систем для дистанционного зондирования тропосферы является инструментом для подспутникового мониторинга конвективных процессов и опасных явлений, связанных с ними. Все задачи проекта полностью выполнены, цель достигнута.

Список основных публикаций по проекту 

• О.Г. Хуторова, М.В. Маслова, В.Е. Хуторов Проявление конвективных процессов в рядах интегрального влагосодержания атмосферы по многолетним данным мониторинга тропосферы сигналами спутниковых навигационных систем в г. Казани // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 3. С. 271-281 
• О.Г. Хуторова, М.В. Маслова, В.Е. Хуторов Влияние сильной конвекции на характеристики атмосферы, полученные по данным ГНСС-мониторинга// Оптика атмосферы и океана, Т. 37. №2. 2024. С. 163-168.
• Effects of strong convection in summer on atmospheric characteristics derived from GNSS monitoring data //Khutorova O.G., Maslova M.V., Khutorov V.E. Atmospheric and Oceanic Optics. 2024. Т. 37. № 3. С. 352-356.
• Хуторова О. Г., Маслова М. В., Хуторов В. Е. Опасные погодные явления и мониторинг атмосферы с помощью спутниковых навигационных систем . // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 06. С. 531–536. DOI: 10.15372/AOO20240613. 
• Калинников В.В., Хуторова О.Г.ИНДИКАЦИЯ ВЛИЯНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ТУРБУЛЕНТНОЙ АКТИВНОСТИ В ТРОПОСФЕРЕ НА ФАЗОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ ГНСС НА ПРИМЕРЕ УРАГАНА НАДЯ //Геодезия и картография. 2024. Т. 85. № 1. С. 59-64. 
• Olga G. Khutorova, Maria V. Maslova, and Vladislav E. Khutorov «Evaluation of the atmospheric integral water vapor variability during strong convection«, Proc. SPIE 12780, 29th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, 127805H (17 October 2023); https://doi.org/10.1117/12.2690385 
• ​Khutorova O.G, Maslova M.V, Khutorov V.E., Convective processes manifestation in integral water vapor series of the atmosphere based on long-term data of tropospheric monitoring by satellite navigation systems signals in Kazan«//Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. - 2023. - Vol.20, Is.3. - P.271-281. 
• Хуторова О.Г., Маслова М.В., Хуторов В.Е. ВАРИАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ПЕРИОДЫ СИЛЬНОЙ КОНВЕКЦИИ// МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ «АТМОСФЕРНАЯ РАДИАЦИЯ и ДИНАМИКА» (МСАРД – 2023) Тезисы.- С.Пб.: 2023.-С. 75-78. 
• Хуторова О.Г., Маслова М.В., Хуторов В.Е., Корчагин Г.Е. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОЛЯ ЗЕНИТНОЙ ТРОПОСФЕРНОЙ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ ГНСС ПРИ УСИЛЕНИИ КОНВЕКЦИИ ПО ДАННЫМ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ В Г. КАЗАНИ // Сборник докладов XXVIII всероссийской конференции «Распространение радиоволн», Изд-во ПГТУ.- Йошкар-Ола: 2023.- С.467-470. 
• Хуторова О.Г., Маслова М.В., Хуторов В.Е. ОЦЕНКА ИЗМЕНЧИВОСТИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ПЕРИОДЫ СИЛЬНОЙ КОНВЕКЦИИ // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: Материалы XXIX Международного симпозиума. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2023. – Конференция D. Физика тропосферы С.D-25-D-30. 
• Хуторова О.Г., Маслова М.В., Хуторова В.Е., Корчагин Г.Е. ГНСС-МОНИТОРИНГ ТРОПОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ ОПАСНЫХ ПОГОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ/ Труды XXX Международного симпозиума Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: 2024. D23-D26. 
• ​Калинников В.В. , Хуторова О.Г. , Мещерова М.В. Анализ влияния атмосферного водяного пара на остаточные разности фазовых измерений радиосигналов ГНСС//Материалы международной конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА« XXII.D23 
• Хуторова О.Г., Маслова М.В., Хуторова В.Е., Корчагин Г.Е. Проявление опасных погодных явлений в результатах ГНСС-мониторинга тропосферы//Материалы международной конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА« XXII.D150