Estimation of Atmospheric Water Vapour using GPS


Mekik Ç. (Executive) , Aktuğ B., Özlüdemir M. T.

TÜBİTAK - AB COST Project, 2013 - 2016

  • Project Type: TÜBİTAK - AB COST Project
  • Begin Date: May 2013
  • End Date: January 2016

Project Abstract

GNSS, sağladığı yüksek doğruluklu ve güvenilir mekansal bilgi ile, mühendislik, navigasyon, jeodezi, çevre, jeoloji v.b. alanlarının vazgeçilmez aracı olmuştur. Bunun sonucu, sürekli GNSS istasyonları ağlarının oluşturulması bir çok ülke için kaçınılmaz olmuştur. Ülkemizde de TÜBİTAK tarafından, desteklenen tüm Türkiye’yi kaplayan 146 istasyonlu (80-100km aralıklı) Türkiye Ulusal Sabit GPS Ağı – Aktif (TUSAGA-Aktif) 2009 yılında kullanılmaya başlanmıştır.

 

GNSS’de uydu-alıcı iletişiminde kullanılan taşıyıcı mikrodalgalar troposferden etkilenirler ve bu troposferik etkiler yüksek doğrulukla elde edilirler. İstasyonların zenit doğrultuları için elde edilen toplam troposferik zenit gecikmesinin bir kısmı su buharı nedeniyledir. Böylece, bir istasyonda elde edilen toplam troposferik zenit gecikmesi değerinden ve istasyondaki meteorolojik gözlemlerden yoğuşabilir su buharı miktarı, doğru ve güvenilir olarak hesaplanmaktadır.

 

Su buharı, atmosferdeki fırtına sistemlerinin termodinamiğinde ve dinamiğinde, yerel, bölgesel ve küresel ölçeklerdeki hidrolojik çevrimlerde temel iklim değişkeni olarak önemli rol oynar. Mekansal ve zamansal ölçekte hızlı değişim göstermesi nedeniyle atmosferik su buharının dağılımını çözmek güçtür. Bu nedenle, atmosferik su buharının izlenmesinin geliştirilmesi, yoğuşmanın daha önceden doğru tahminini ve küresel iklimin daha iyi anlaşılmasını sağlayacaktır.

 

Su buharı gradyometreleri, güneş spektrometreleri, radyosondalar, lidarlar v.b. yöntem ve tekniklerle atmosferdeki su buharının kestirimi yapılmaktadır. Ancak bu teknikler pahalı tekniklerdir ve mekansal ve zamansal çözümleri zayıf olup her türlü hava koşulunda çalışmaları sınırlıdır. Bu nedenlerle ‘GPS Meteorolojisi’ (GPS MET) ve ‘GPS Tomografisi’ olarak adlandırılan yöntem ve teknikler geliştirilmiştir. Jeodezik, mühendislik, navigasyon v.b. amaçlarla kurulan ve halen çalışan sürekli GPS ağları çok küçük maliyetlerle GPS MET ağlarına dönüştürülebilmektedir. Böylece, tüm ülke veya bölge için, radyosonda doğruluğunda, sürekli yoğuşabilir su buharı bilgisine ulaşılabilir olmaktadır.

 

Su buharı bilindiğinde troposferik zenit gecikmesinin hesabı Hogg v.d. (1981) tarafından verilmiştir. Askne ve Nodius (1987), zenit gecikmesi bilindiğinde, kırılma indisi bağıntısından su buharının hesabını çıkarmıştır. Bevis v.d. (1992) bu bağıntıdaki temel parametre olan ağırlıklı ortalama sıcaklığı ( Tm) yüzey sıcaklığına bağlı olarak veren bağıntıyı ABD’leri için geliştirmiştir. Emardson v.d.(2000), zenit gecikmesi ile su buharı arasındaki dönüşüm faktörünü (Q) Avrupa için geliştirmiştir. Bu alandaki en son çalışmalar Literatür listesinde verilmektedir.

 

Bu projede; toplam troposferik zenit gecikmesi ile yoğuşabilir su buharı arasındaki dönüşüm için tanımlanan, ağırlıklı ortalama sıcaklık Tm ve Q parametreleri, Türkiye’deki radyosonda profil verilerinin analiziyle belirlenecektir. Elde edilen bu parametrelerin doğrulukları ve güvenirlikleri; bu proje kapsamında iki farklı iklim bölgesini temsil eden İstanbul ve Ankara radyosonda istasyonlarına kurulacak sürekli GPS istasyon verileriyle kontrol edilecektir. Farklı bölgeler ve tüm Türkiye için uygun Tm ve Q modelleri araştırılacak ve geliştirilecektir.

 

Türkiye için geliştirilen Tm ve Q parametreleri kullanılarak, enlemi 38°-42° ve boylamı 29°-33° arasında seçilen test bölgesindeki TUSAGA-Aktif istasyonlarının meteoroloji dosyaları (meteorolojik gözlem yapılmayan) oluşturulacak ve buradan geriye dönük olarak yoğuşabilir su buharı değerleri hesaplanacaktır.

 

TUSAGA-Aktif istasyonlarındaki meteorolojik verilerin, bu istasyonların çevresindeki meteoroloji istasyonlarındaki gözlemlerden elde edilmesi için kullanılacak nümerik sıcaklık, basınç ve nemlilik modelleri araştırılacak ve geliştirilecektir. Bu nümerik modellerle, toplam troposferik zenit gecikmesi değerleri ve yoğuşabilir su miktarları da modellendirilecektir.

 

GPS’den yoğuşabilir su buharı kestiriminde temel parametrelerin Türkiye için üretilmesini ve bu üretimleri kullanarak, yoğuşabilir su buharının radyosonda doğruluğunda elde edilmesi çalışmaları altyapı oluşturma niteliğindedir ve bu alandaki ilk çalışma olacaktır. Halen farklı amaçlar için çalışan TUSAĞA-Aktifin GPS meteorolojisi amaçlarıyla kullanılmasının yolu açılacaktır. Tüm Türkiye için radyosonda doğruluğunda sürekli olarak elde edilen yoğuşabilir su buharı verisi; kısa sürede hava ve hidrolojik afet tahmininde, uzun sürede hidrolojik çevrim, atmosfer kimyası, küresel iklim araştırmalarında temel veri olarak kullanılacaktır. Elde edilen sonuçlar, küresel araştırmalar için de temel veri olacaktır.   

 

GPS istasyonlarında elde edien troposferik zenit gecikmesi, yoğuşabilir su buharı v.b. veriler bir yüzeysel ağ içinde modellendirilerek söz konusu parametrelerin yatay dağılımlarının  zamansal çözümleri de gerçekleştirilir. Büyük alanlar için kısa sürede elde edilen bu bilgi, fırtına, sel v.b. olağan dışı koşulların tahmininde temel veridir. Bu nedenlerle, modelleme araştırması da Türkiye için ilk çalışmalardan biri olacaktır. Bu araştırmalar, küresel nümerik modellerin geliştirilmesi için de temeldir.

 

Bu araştırmaların; GPS, VLBI gibi uydu ve uzay tekniklerinin gerektirdiği yüksek presizyonlu çalışmalarda, en doğru atmosferik parametre kestirimi modellerinin kullanılmasına büyük katkısı olacaktır. GPS meteorolojisi konusu son on yılın güncel konusudur ve giderek önem kazanacaktır. Bu çerçevede, ulusal ve uluslararası boyutlarda sınırsız yayın olanakları vardır.

 

Çalışmalar proje yöneticisi, 1 Doktora öğrencisi, 2 Yüksek lisans öğrencisi ve 2.danışmandan oluşan 1 ekiple yürütülecektir. Çalışmaların 30 ayda tamamlanması planlanmıştır. Çalışmaların toplam maliyeti 219166 TL olacaktır.