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 Signaal wordt vertraagd en gebogen Gevolg: Onnauwkeurigheid van enkele meters Oorzaak: Dichtheid v/d lucht Vocht Andere fouten bronnen: Ionosfeer Satelliet posities ……. Geen verstoring Atmosfeer

Foutenbronnen “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) Gegeven p0 ,Ts , H en lengtegraad () :

Integrated Water Vapour Cabauw 2001/07 –2002/07 RS (De Bilt) – GPS (Delft) N Bias  975 0.72 kg/m2 1.81 kg/m2

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 GPS GPS netwerk rond Nederland Radiosondes rond Nederland 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

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 Tweedimensionale informatie 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 Variationele Assimilatie (elk uur) Meer waarnemingen/meer ruimtelijke informatie Variationele Assimilatie (elk uur) Modelruimte beschrijft alleen vocht Achtergrondveld uit vorige oplossing

Variationele Assimilatie Achtergrond fout correlate Hollingsworth-Lonnberg-methode Verticaal+horizontaal

3D Grid  : Schuine waterdamp waarnemingen 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)

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 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…

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 : GPS netwerk rond Nederland 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