DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-025-04714-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40038323
تاريخ النشر: 2025-03-04
المؤلف: Ruixian Hao وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية وقياسات الجاذبية
نظرة عامة
يقدم هذا القسم مجموعة بيانات ERA5-SH، التي توفر قيم ارتفاع المقياس (SH) لستة معلمات رئيسية في التروبوسفير: بخار الماء القابل للتكثف (PWV)، كثافة بخار الماء (WVD)، متوسط درجة الحرارة (T_m)، التأخير الكلي العمودي (ZTD)، التأخير الهيدروستاتيكي العمودي (ZHD)، والتأخير الرطب العمودي (ZWD). تم اشتقاق هذه المجموعة من بيانات إعادة التحليل ERA5 التي تغطي الفترة من 2013 إلى 2022، وتتميز بدقة زمنية تبلغ ساعة واحدة ودقة مكانية تبلغ درجة واحدة. تم حساب قيم SH باستخدام تقنيات التكامل العددي والتناسب الأسي، مما أسفر عن موثوقية عالية كما تشير إليها معاملات التحديد المتوسطة التي بلغت 0.991، 0.957، 0.980، 0.999، 0.999، و0.995 للمعلمات المعنية.
بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من دقة مجموعة البيانات مقابل مواقع الراديوسون العالمية، مما أسفر عن متوسط أخطاء الجذر التربيعي (RMSE) بلغ 0.243 كم، 0.189 كم، 3.290 كم، 0.879 كم، 0.681 كم، و0.263 كم للمعلمات الست. من المتوقع أن تعزز مجموعة بيانات ERA5-SH فهم التوزيع العمودي للمعلمات التروبوسفيرية وتحسن نمذجة التأخير الجوي، وهو أمر بالغ الأهمية لتقدم تقنيات مراقبة الأرض عالية الدقة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على أهمية التروبوسفير، الذي يحتوي على حوالي 75% من كتلة الغلاف الجوي وأكثر من 90% من بخار الماء فيه. يشكل التأخير التروبوسفير، الناتج عن التغيرات في إشارات الموجات الكهرومغناطيسية أثناء عبورها هذه الطبقة، تحديات للتطبيقات عالية الدقة مثل أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمية (GNSS) والاستشعار عن بعد. يتم تصنيف هذا التأخير إلى مكونات هيدروستاتيكية ورطبة، حيث تكون الأخيرة متغيرة بشكل خاص بسبب الطبيعة الديناميكية لبخار الماء. يعد التوصيف الدقيق للمعلمات التروبوسفيرية، وخاصة بخار الماء العمودي، أمرًا ضروريًا لتحسين نماذج الغلاف الجوي ودقة تحديد المواقع في GNSS.
تؤكد الدراسة على التوزيع الأسي السلبي للمعلمات التروبوسفيرية الرئيسية، بما في ذلك التأخير الكلي العمودي (ZTD)، التأخير الهيدروستاتيكي العمودي (ZHD)، التأخير الرطب العمودي (ZWD)، كثافة بخار الماء (WVD)، بخار الماء القابل للتكثف (PWV)، ومتوسط درجة الحرارة المرجحة ($T_m$). يقترح المؤلفون استخدام ارتفاع المقياس كقياس كمي لوصف الهيكل العمودي لهذه المعلمات، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين نماذج التأخير التروبوسفير. يقدمون مجموعة بيانات جديدة، ERA5-SH، التي تشمل ستة معلمات رئيسية ذات صلة بمراقبة الأرض، تم التحقق منها مقابل بيانات من أكثر من 400 موقع رصد نشط على مستوى العالم. تهدف هذه المجموعة إلى تحسين دقة الاستيفاء المكاني وتعزيز فهم الديناميات التروبوسفيرية، خاصة فيما يتعلق ببخار الماء وتأثيره على العمليات الجوية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجية المستخدمة لجمع البيانات والتحقق منها في دراستهم. استخدموا مجموعة بيانات ERA5 من المركز الأوروبي للتنبؤات الجوية متوسطة المدى (ECMWF)، التي توفر إعادة تحليل شاملة للمتغيرات الجوية العالمية من عام 1979 حتى الوقت الحاضر. تتميز مجموعة البيانات بدقة مكانية تبلغ 1° × 1° ودقة زمنية تبلغ ساعة واحدة، مع تضمين بيانات عبر 37 مستوى ضغط. يوضح المؤلفون تحويل الارتفاعات الجيوديسية إلى ارتفاعات إهليلجية، مما يتطلب حساب الارتفاعات العمودية ودمج التموج الجيوديسي باستخدام نموذج الجاذبية الأرضية 2008 (EGM2008). بالإضافة إلى ذلك، يصفون عملية التصحيح العمودي للمعلمات الجوية السطحية، باستخدام الاستيفاء الخطي لدرجة الحرارة والرطوبة النسبية، وصيغ محددة لتعديلات الضغط بناءً على الارتفاعات الإهليلجية.
لأغراض التحقق، استخدم المؤلفون بيانات يومية من 818 محطة راديوسون على مستوى العالم، تم الحصول عليها من جامعة وايومنغ. تتضمن هذه البيانات معلمات جوية حيوية تصل إلى ارتفاع حوالي 30 كم. لضمان موثوقية عملية التحقق، نفذوا تدابير صارمة لمراقبة الجودة، مما أدى في النهاية إلى اختيار 587 محطة بناءً على معايير مثل الحد الأدنى من تغطية الارتفاع، ومستويات الملاحظة الكافية، والمسافات العمودية المناسبة، والفروقات في الضغط. تعزز هذه التدابير من قوة التحقق ضد الفجوات المحتملة في البيانات وعدم التناسق الموجود في بيانات الراديوسون.
نقاش
يوفر قسم النقاش في الورقة البحثية نظرة شاملة على المنهجية والنتائج المتعلقة بمجموعة بيانات ERA5-SH، التي تشمل ستة معلمات رئيسية: التأخير الكلي العمودي (ZTD)، التأخير الهيدروستاتيكي العمودي (ZHD)، التأخير الرطب العمودي (ZWD)، كثافة بخار الماء (WVD)، بخار الماء القابل للتكثف (PWV)، ومتوسط درجة الحرارة المرجحة (T_m). تم إنشاء مجموعة البيانات باستخدام عملية منهجية تضمنت تحويل بيانات الجيوديسية إلى ارتفاعات إهليلجية، واستيفاء المعلمات الجوية، وتطبيق حسابات عددية لاشتقاق ملفات تعريف المعلمات المذكورة أعلاه. تم التحقق من دقة مجموعة بيانات ERA5-SH مقابل بيانات من 587 محطة راديوسون على مستوى العالم، مع تنفيذ تدابير صارمة لمراقبة الجودة لضمان الموثوقية.
تشير النتائج إلى أن ارتفاعات المقياس للمعلمات تظهر درجة عالية من التوافق، حيث تجاوزت معاملات التحديد (R²) 0.95 لمعظم المعلمات، مما يدل على فعاليتها في عكس التوزيع العمودي لخصائص التروبوسفير. ومن الجدير بالذكر أن ZHD أظهرت استقرارًا استثنائيًا، بينما أظهرت المعلمات المتعلقة ببخار الماء مزيدًا من التغير بسبب الظروف الجوية. كما سلط التحليل الضوء على أنماط مكانية وزمنية هامة، حيث اختلفت ارتفاعات المقياس بشكل ملحوظ بين نصف الكرة الشمالي والجنوبي وأظهرت اتجاهات موسمية. تؤكد الدراسة على التطبيقات العملية لمجموعة بيانات ERA5-SH في تعزيز دقة مراقبة الأرض، خاصة في المناطق ذات التغيرات الارتفاعية المعقدة، من خلال إظهار طرق استيفاء محسنة تأخذ في الاعتبار هذه التغيرات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-025-04714-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40038323
Publication Date: 2025-03-04
Author(s): Ruixian Hao et al.
Primary Topic: Geophysics and Gravity Measurements
Overview
The section presents the ERA5-SH dataset, which provides scale height (SH) values for six key tropospheric parameters: Precipitable Water Vapor (PWV), Water Vapor Density (WVD), Mean Temperature (T_m), Zenith Total Delay (ZTD), Zenith Hydrostatic Delay (ZHD), and Zenith Wet Delay (ZWD). This dataset, derived from ERA5 reanalysis data spanning 2013 to 2022, features a temporal resolution of one hour and a spatial resolution of one degree. The SH values were calculated using numerical integration and exponential fitting techniques, yielding high reliability as indicated by mean coefficients of determination of 0.991, 0.957, 0.980, 0.999, 0.999, and 0.995 for the respective parameters.
Additionally, the dataset’s accuracy was validated against global radiosonde sites, resulting in mean root mean square errors (RMSE) of 0.243 km, 0.189 km, 3.290 km, 0.879 km, 0.681 km, and 0.263 km for the six parameters. The ERA5-SH dataset is poised to enhance the understanding of the vertical distribution of tropospheric parameters and improve atmospheric delay modeling, which is crucial for advancing high-precision Earth observation technologies.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significance of the troposphere, which contains approximately 75% of the atmosphere’s mass and over 90% of its water vapor. The tropospheric delay, resulting from alterations in electromagnetic wave signals as they traverse this layer, poses challenges for high-precision applications such as Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and remote sensing. This delay is categorized into hydrostatic and wet components, with the latter being particularly variable due to the dynamic nature of water vapor. Accurate characterization of tropospheric parameters, especially zenithal water vapor, is essential for improving atmospheric models and GNSS positioning accuracy.
The study emphasizes the negative exponential distribution of key tropospheric parameters, including zenith total delay (ZTD), zenith hydrostatic delay (ZHD), zenith wet delay (ZWD), water vapor density (WVD), precipitable water vapor (PWV), and weighted mean temperature ($T_m$). The authors propose the use of scale height as a quantitative measure to describe the vertical structure of these parameters, which is crucial for enhancing tropospheric delay models. They introduce a new dataset, ERA5-SH, which includes six key parameters relevant to Earth observation, validated against data from over 400 active sounding sites globally. This dataset aims to improve the accuracy of spatial interpolation and advance the understanding of tropospheric dynamics, particularly in relation to water vapor and its impact on atmospheric processes.
Methods
In this section, the authors describe the methodology used for data acquisition and validation in their study. They utilized the ERA5 dataset from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), which provides comprehensive reanalysis of global meteorological variables from 1979 to the present. The dataset features a spatial resolution of 1° × 1° and a temporal resolution of 1 hour, incorporating data across 37 pressure levels. The authors detail the conversion of geopotential heights to ellipsoidal heights, which involves calculating orthometric heights and incorporating geoidal undulation using the Earth Gravitational Model 2008 (EGM2008). Additionally, they describe the vertical correction process for surface meteorological parameters, employing linear interpolation for temperature and relative humidity, and specific formulas for pressure adjustments based on ellipsoid heights.
For validation, the authors used daily data from 818 radiosonde stations worldwide, sourced from the University of Wyoming. This data includes critical meteorological parameters up to approximately 30 km altitude. To ensure the reliability of the validation process, they implemented rigorous quality control measures, ultimately selecting 587 stations based on criteria such as minimum altitude coverage, sufficient observation levels, appropriate vertical spacing, and pressure differentials. These measures enhance the robustness of the validation against potential data gaps and inconsistencies inherent in the radiosonde data.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive overview of the methodology and findings related to the ERA5-SH dataset, which includes six key parameters: Zenith Total Delay (ZTD), Zenith Hydrostatic Delay (ZHD), Zenith Wet Delay (ZWD), Water Vapor Density (WVD), Precipitable Water Vapor (PWV), and the weighted mean temperature (T_m). The dataset was generated using a systematic process that involved converting geopotential data into ellipsoidal heights, interpolating meteorological parameters, and applying numerical computations to derive the profiles of the aforementioned parameters. The accuracy of the ERA5-SH dataset was validated against data from 587 radiosonde stations worldwide, employing rigorous quality control measures to ensure reliability.
The results indicate that the scale heights of the parameters exhibit a high degree of fit, with determination coefficients (R²) exceeding 0.95 for most parameters, demonstrating their effectiveness in reflecting the vertical distribution of tropospheric characteristics. Notably, the ZHD showed exceptional stability, while parameters related to water vapor displayed more variability due to atmospheric conditions. The analysis also highlighted significant spatial and temporal patterns, with scale heights varying markedly between the Northern and Southern Hemispheres and showing seasonal trends. The study emphasizes the practical applications of the ERA5-SH dataset in enhancing Earth observation accuracy, particularly in regions with complex elevation changes, by demonstrating improved interpolation methods that account for these variations.