Ассимиляция данных ГЛОНАСС/GPS в региональную численную модель прогноза погоды WRF‑ARW

Распространение радиосигналов ГЛОНАСС/GPS через нейтральную атмосферу сопровождается уменьшением фазовой скорости распространения радиоволн. Результаты измерения времени прохождения радиосигнала между передатчиком и приемником дают информацию о свойствах атмосферы вдоль траектории распространения радиосигнала.
С появлением и развитием навигационной системы GPS был осуществлен целый ряд экспериментов по радиозатменному зондированию атмосферы (GPS/MET, CHAMP, COSMIC, EQARS и др.), в которых радиоприемная аппаратура размещается на борту низкоорбитальных космических аппаратов. На основе получаемых данных удается восстанавливать вертикальные профили температуры и влажности воздуха примерно в диапазоне высот от 5 до 25 км с вертикальным разрешением около 500 м и горизонтальным около 200 км. Особенностью данного метода является возможность получать информацию над океанами, где количество данных измерений крайне невелико. Такие данные, несомненно, имеют большую ценность при ассимиляции в глобальные численные модели прогноза погоды, но крайне затруднительно их использование в региональных численных моделях прогноза погоды из-за значительного горизонтального осреднения измеряемых параметров и невозможности получения информации о состоянии атмосферы в пограничном слое.
Напротив, метод радиопросвечивания атмосферы, основанный на регистрации навигационных радиосигналов с помощью приемных устройств, расположенных на земной поверхности, позволяет получать информацию о состоянии атмосферы с высоким горизонтальным разрешением по пространству и высоким разрешением по времени, что делает возможным использование данных в региональных численных моделях погоды.
Подобные модели позволяют осуществлять вычисление состояния атмосферы в пределах некоторого региона с более высоким качеством и разрешением по пространству и времени, по сравнению с глобальными моделями прогноза погоды. В настоящее время ведутся работы по ассимиляции данных GPS в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), Финском метеорологическом институте (FMI), Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR) и ряде других.
В виду увеличения количества космических аппаратов ГЛОНАСС и перспективами развертывания группировки в соответствии с ФЦП "Глобальная навигационная система", представляется актуальной разработка теоретических и технических основ создания системы дистанционного мониторинга атмосферы не только сигналами системы GPS, но и ГЛОНАСС.
Разрабатываемая система предполагает наличие распределенных по пространству приемных устройств ГЛОНАСС/GPS, осуществляющих сбор и передачу данных в режиме реального времени в единый центр обработки информации, где осуществляется вторичная обработка и ассимиляция данных в региональную численную модель прогноза погоды. В основу метода ассимиляции данных ГЛОНАСС/GPS положен принцип минимизации функции стоимости с использованием корреляционных свойств метеорологических полей и ошибок измерений. Выходной информацией являются региональные поля метеопараметров, полученные с учетом ГЛОНАСС/GPS данных и используемые для численного прогноза погоды.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК № П1549.