Sistema de procesamiento GNSS operativo para el monitoreo de ZTD e IWV en tiempo casi real en Sudamérica

Abstract

La observación del vapor de agua (WV, del inglés Water Vapor) es fundamental en el estudio de la atmósfera. Conocer su distribución permite comprender mejor diferentes fenómenos meteorológicos, algunos de los cuales pueden provocar eventos severos. La región de América del Sur posee escasos datos de WV. Su principal fuente son los lanzamientos de radiosondas, generalmente asociados a la operación de aeropuertos. En el caso más favorable tienen una frecuencia máxima de 2 lanzamientos diarios, aunque es común disponer de solo 1 dato por día. Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS, del inglés Global Navigation Satellite System) han demostrado ser capaces de llenar este vacío. Hasta la fecha, existen varios desarrollos operativos en diferentes partes del mundo capaces de obtener WV a partir de observaciones GNSS en tiempo casi real. Sin embargo, y hasta la presentación operativa de este sistema en abril de 2020, Sudamérica no contaba con un sistema de observación de WV capaz de proporcionar observaciones de buena calidad, con una latencia suficientemente baja y que permitiera su asimilación en los modelos de previsión a corto plazo. Presentamos un sistema operativo de procesamiento de observaciones GNSS que permite obtener el retardo troposférico cenital (ZTD, del inglés Zenith Total Delay) y el IWV (del inglés Integrated Water Vapor) en tiempo casi real para una gran parte de Sudamérica. Los productos generados por este sistema cumplen con los estándares de latencia y calidad necesarios para contribuir con las predicciones meteorológicas regionales y locales y ha sido desarrollado por Laboratorio de Meteorología Espacial, Atmósfera Terrestre, Geodesia, Geodinámica, Desarrollo de Instrumentos y Astrometría (MAGGIA, Argentina). Las observaciones GNSS de más de 110 sitios se adquieren a través de streams de datos proporcionados por diferentes agencias y organismos, tanto nacionales como internacionales, entre ellos el Instituto Geográfico Nacional (IGN, Argentina), el Instituto Brasileiro de Geografía y Estatística (IBGE, Brasil), el Instituto Geográfico Militar (IGM, Uruguay), y el Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG, Alemania) en apoyo del Servicio Internacional GNSS (IGS, del inglés International GNSS Service). Las observaciones se almacenan localmente en archivos horarios con formato RINEX V3.04, con un muestreo de 15 segundos. Las observaciones meteorológicas son proporcionadas por el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) de Argentina. Consta de aproximadamente 350 estaciones que proporcionan observaciones de superficie y están distribuidas en Argentina, Uruguay y el sur de Brasil. Con las observaciones GNSS almacenadas se realizan procesamientos horarios, utilizando una ventana móvil de 6,5 horas. Se utiliza un esquema de procesamiento diferencial, con una combinación lineal libre de ionosfera. Los productos orbitales utilizados en el procesamiento son los ultrarrápidos proporcionados por el Centro de Determinación Orbital de Europa (CODE, Alemania y Suiza). Para el procesamiento de las observaciones se siguen las convenciones establecidas por el IERS (del inglés International Earth Rotation and reference system Service). Para la función de mapeo se utilizan los coeficientes VMF1 (del inglés Vienna Mapping Function), obtenidos mediante el modelo ciego GPT2w. La máscara de elevación se elige a 3° y el marco de referencia terrestre utilizado es el IGb14 con deformaciones post sísmicas incorporadas. Los productos se calculan en dos pasos. En el primero, se obtienen las soluciones de procesamiento del GNSS. En este paso, se determinan los ZTD y sus respectivos gradientes, para cada sitio mediante una parametrización del tipo "piecewise linear". Como consecuencia de la estrategia utilizada, los resultados del procesamiento resultan ser materializaciones horarias del IGb14 en la región sur de Sudamérica. Al utilizar una estrategia de procesamiento diferencial, es necesario controlar cualquier cambio brusco en las coordenadas de referencia. En consecuencia, el sistema dispone de una rutina que realiza regularmente esta comprobación. En caso de detectar cualquier cambio que provoque una degradación de la red, se realiza un nuevo cálculo, teniendo cuidado de no considerar el sitio en cuestión como estación de referencia. Luego de obtenidos los ZTD, éstos se combinan con las observaciones meteorológicas para obtener el IWV en un segundo paso. Las lecturas superficiales de presión y temperatura de las estaciones cercanas a los sitios GNSS se nivelan a la altura de la estación y a continuación, se calcula una media ponderada por la inversa de la distancia entre el emplazamiento meteorológico y cada sitio GNSS para asignarle a este último valor de presión y temperatura. Para la temperatura media de la troposfera se utiliza la ecuación de Bevis. Una vez concluido el cálculo, aproximadamente cada hora, los valores de ZTD e IWV obtenidos quedan inmediatamente disponibles tanto en modo grafico (mapas) como numérico, ordenado en tablas (formato ASCII), con acceso libre y gratuito a toda la comunidad. Ambos productos fueron validados con series de datos respectivas provenientes de distintas técnicas y centros de análisis independientes. Se ha tomado el periodo de dos años, desde abril de 2018 hasta marzo de 2020, ambos inclusive. En el caso de ZTD, se comparó con los productos finales de IGS, y los obtenidos de REPRO2 de CODE. También se comparó con los valores de ZTD obtenidos por la integración de las mediciones verticales de los perfiles de radiosonda. La razón principal es que los globos de radiosondeo alcanzan una altura de unos 30 km y existe una pequeña, pero no despreciable, contribución al retardo que debe ser estimada para asegurar que no surjan sesgos al comparar con los GNSS. Para el producto IWV, se realizaron comparaciones con los productos IWV obtenidos a partir de las observaciones de radiosonda y con resultados del modelo ERA5, desarrollado por el Centro Europeo de Previsión Meteorológica a Medio Plazo (ECMWF, del inglés European Center for Medium-Range Forecast, Europa). Para obtener el IWV de radiosonda, se utilizó el mismo procedimiento aplicado al ZTD GNSS para calcular los IWV GNSS. En este caso, las observaciones de presión y temperatura en superficie corresponden al primer nivel del sondeo. Esto implica que el tratamiento de las observaciones de sondeo es coherente y que no surgen sesgos del procesamiento de las observaciones. El sistema operativo proporciona datos de ZTD e IWV a partir de observaciones GNSS en tiempo casi real. La latencia y la calidad estadística de las soluciones obtenidas convierten a estos productos en datos valiosos aptos para ser asimilados en los modelos numéricos de atmósfera regionales para mejorar las predicciones a corto plazo. En este sentido es importante enfatizar que los productos obtenidos no incluyen información de los modelos numéricos antedichos en ningún paso de su cálculo, asegurando así su consistencia y resaltando su importancia para el proceso de asimilación.