Automatization of Real Time GNSS Data Acquisition, Validation, Processing for Water Vapor Estimation NUVEM

In the recent years, Global Navigation Satellite Systems (GNSS), in particular Global Positioning Systems (GPS), have proved their capacity to monitor atmospheric water vapor with an accuracy that is comparable to the accuracy of other conventional meteorological sensors. GNSS has several significant advantages compared to the traditional observational systems, including low operating expense, all-weather operability and high temporal/spatial coverage. As a result, the provision of Zenith Total Delay (ZTD) and derived Precipitable Water Vapor (PWV) from GNSS data has become established as a standard and valid technique. These atmospheric parameters are currently assimilated into regional weather forecast models (Meteo Office UK; Meteo France and German Research Center for Geosciences (GFZ)). However, the accuracy of the near realtime estimates for these values is still in active research issue. This dissertation describes the implementation and testing of the estimation of PWV in near-real time that was carried out at SEGAL in framework of the NUVEM project during 2015-2016. The scheme to estimate the atmospheric parameters (ZTD and PWV) and to deliver them timely to the Portuguese Meteo Office (IPMA - Instituto Português do Mar e da Atmosfera) is described in detail. The focus was on the computational component of the scheme but some studies using the estimated solutions were also necessary to be performed in order to obtain some necessary parameters for the operational phase of the project. The timely estimation of the solutions depends of several processes, which needed to be analysed and optimized separately (but considering always their integration in the full schema), namely: • download of the GNSS data from external providers since the project relies on the data acquired by different GNSS networks in Portugal and Spain. • download of the additional products (orbits and clocks) necessary to process the GNSS data. • retrieve from numerical models the values (temperature & pressure) necessary to convert from ZTD to PWV (done at IPMA). • processing of the GNSS solutions as soon as the data and products were available. • uploading of numerical and graphical solutions to IPMA and to the dedicated website. • redundancy of the system in order to guarantee a maximum operational (online) time. Additional features and improvements can be implemented in the future in order to further optimize the use of GNSS-PWV in Portugal for nowcasting. Nevertheless, the goals were achieved since the NUVEM system is currently running in operational mode at SEGAL providing IPMA with timely PWV estimates that can be used to help the analysis of atmospheric events in near-real time.Nos últimos anos, Sistemas de Navegação Global por Satélite (GNSS), em particular o Sistema de Posicionamento Global (GPS), têm provado a sua capacidade para monitorizar o vapor de agua existente na atmosfera, com uma precisão ao nível de outras soluções mais tradicionais. Este tipo de sistemas tem várias vantagens comparado com os tradicionais sistemas de observação. Entre estas vantagens estão o baixo custo de operacionalização, e a alta cobertura espacial e temporal. Como resultado a previsão de Atraso Total de Zenith (ZTD) e a previsão de Vapor de Água Precipitável (PWV) foi estabelecido como uma técnica de observação standard. ZTDs e PWVs já são hoje em dia utilizados em vários países (nomeadamente Reino Unido, França e Alemanha) como um dos factores que ajuda nos modelos de meteorologia. No entanto, a precisão das estimativas de ZTD/PWV em tempo quase real baseadas em orbitas ultra rápidas do sistema GPS, encontra-se ainda em estudo. Nesta dissertação é descrita a implementação e os testes de validação da computação de PWV em tempo quase real feita pelo SEGAL no âmbito do projecto NUVEM que ocorreu entre 2015 e 2016, o esquema de cálculo dos parâmetros atmosféricos (ZTD e PWV) e o seu envio atempadamente ao Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA) é descrito em detalhe. O foco centrou-se na componente informática. No entanto alguns estudos, relativos aos resultados obtidos, foram realizados de forma a poder definir alguns parâmetros necessários na fase operacional do projecto. A computação das soluções está dependente de vários processos. Houve a necessidade destes serem analisados e optimizados separadamente. Eles são: • download dos dados GNSS dos provedores externos, uma vez que o projecto depende desses dados, adquiridos em diferentes redes GNSS em Portugal e Espanha; • download dos dados adicionais (órbitas e relógios) necessários à computação dos dados GNSS; • obtenção via modelos de previsão numérica dos valores de pressão e temperatura necessários para a conversão de ZTD em PWV (feito pelo IPMA); • computação das soluções GNSS tão rápido quanto possível; • upload das soluções (numéricas e gráficas) para o IPMA e para o website; • redundância dos recursos computacionais. Existem funcionalidades e melhorias que podem ser implementadas no futuro de forma a optimizar o uso de GNSS-PWV para o nowcasting em Portugal. Contudo, os objectivos foram atingidos, uma vez que, o sistema NUVEM está em modo operacional, sendo executado no SEGAL e providenciando ao IPMA as soluções que são depois usados na análise de eventos atmosféricos em tempo quase real

Analysis of Precipitable Water Vapour in Angola Using GNSS Observations

For accurate weather predictions and analysis of extreme events, a good estimate of the amount of water content in the atmosphere is essential. This information is provided by several techniques like radiosondes that measure this parameter at various heights. However, most of them are very limited spatially and temporarily or suffer from measurement specific constraints. To complement these techniques, Precipitable Water Vapor (PWV) can be measured with GNSS (Global Navigation Satellite System) at CORS (Continuously Operating Reference Stations) networks. when the temperature and pressure are also known at the station location. PWV can be derived from the delay in the GNSS signal when it passes through the troposphere. In the framework of SUGGEST-AFRICA, it is being implemented a system to use the national GNSS stations for the automatic computation of PWV in Angola. Thus, this dissertation intends to describe the necessary steps to develop a system to be used for supporting meteorological and climate applications in Angola. SUGGEST-AFRICA also funded the installation of 5 weather stations, collocated with GNSS stations in Angola namely: Benguela, Cabinda, Cuito, Luanda and Namibe, in order to obtain pressure and temperature which is necessary to obtain the PWV estimates. When there are no nearby meteorological stations, the potential alternative is to use values from global/regional models. Methodologies have been optimized to passive and actively access the GNSS data; the PWV estimations are computed using PPP (Precise Point Positioning), which permits the estimation of each station separately; solutions have been validated using internal values. In addition, analyses are presented to evaluate the reliability of the network. This work presents preliminary results for the variation of the ZTD data available all around the territory in Angola and how they relate to the seasonal variations in water vapour. Also, presents preliminary results for the time-series variation of PWV in the Luanda station (collocated by the SEGAL group). This study is supported by SUGGEST-AFRICA, funded by Fundação Aga Khan and FCT. It uses computational resources provided by C4G – Collaboratory for Geosciences (PINFRA/22151/2016). It is also supported by project FCT/UIDB/50019/2020 – IDL funded by FCT.Para precisão da previsão do tempo e análise de eventos extremos é fundamental uma boa estimativa do vapor da água na atmosfera. O vapor da água na atmosfera é fornecido por várias técnicas como radio sondagem que mede este parâmetro em várias alturas. No entanto, muito dessas técnicas são limitadas devido a resolução espacial e temporal ou sofrem restrições específicas de medição. Para completar estas limitações encontrado nas demais técnicas, o vapor da água precipitável (PWV) pode ser medido pelo GNSS (Sistemas de navegação global por satélite) CORS (Rede nacional de estações de referência de operação continua). PWV pode ser obtido a partir do atraso do sinal de GNSS através da troposfera, quando a temperatura e a pressão também são conhecidas derivado da localização duma estação meteorológica. No âmbito da SUGGEST-ÁFRICA, esta ser implementado um sistema de modo a calcular o PWV de uma maneira automática em Angola. Assim, nesta dissertação pretende descrever os passos necessários para desenvolver tal sistema a ser utilizado para apoiar aplicações meteorológicas e climáticas em Angola. SUGGEST-ÁFRICA também financiou a instalação de 5 estações meteorológicas, colocada com estações GNSS em Angola, nomeadamente: Benguela, Cabinda, Cuito, Luanda e Namibe, a fim de obter a pressão e a temperatura necessárias para obter as estimativas PWV. Aconselha-se o uso dos modelos globais/regionais para aquisição de valores de pressão e temperatura quando não existe dados nas estações meteorológicas adjacentes. As metodologias foram otimizadas para o acesso passivo e ativo dos dados GNSS; a estimação do vapor de água precipitável é calculada usando a técnica PPP (Posicionamento do ponto preciso), que permite a determinação de cada estação individualmente e separadamente; as soluções foram validadas usando valor interno. Além disso, são apresentadas análises para avaliar a fiabilidade da rede. Este trabalho, também apresenta resultados preliminares para a variação de todo dados do ZTD disponível em Angola e a forma como se relacionam com as variações sazonais do vapor de água. Também, apresenta variação da série temporal do PWV na estação meteorológica de Luanda (instalado pela SEGAL). Este estudo é suportado pela SUGGEST-ÁFRICA, financiado pela fundação Aga Khan e FCT. Utiliza recurso computacional fornecido pela C4G – Colaboração de Geociências (PINFRA/ 22151/2016). Também é apoiado pelo projecto FCT/UIDB/50019/2020 – IDL financiado pela FCT