Verwendung des Globalen Positionierungssystems als Wasserdampfsensor

Meteorologische Grundlagen

Auf Grund der Gravitationskraft der Erde werden Luftmoleküle daran gehindert, sich in den Weltraum zu verflüchtigen. Diese Bestandteile bilden eine Hülle um den Erdkörper. Sie besteht aus einem als konstant anzusehenden Gemisch verschiedener Gase - hauptsächlich Stickstoff (ca. 78%) und Sauerstoff (ca. 21%), deutlich kleinere Anteile entfallen auf Edelgase (z.B. Argon, Helium, Krypton, Neon, Xenon), Kohlendioxid, Ozon und Wasserstoff.

Der wichtige atmosphärische Bestandteil Wasserdampf hat einen wesentlichen Einfluss auf Wetter und Klima und spielt eine zentrale Rolle in der Chemie der Erdatmosphäre. Wasserdampf ist das dominierende Treibhausgas und kommt in zeitlich und räumlich sehr variablen Konzentrationen vor.

Erd- und Meeresoberflächen sind Wasserdampfquellen im Klimasystem. Von dort gelangt der Wasserdampf bspw. durch Verdunstung in die Atmosphäre und wird in die dort herrschenden Transportverhältnisse eingegliedert.

Trotz seiner großen Bedeutung für atmosphärische Prozesse in einem breiten räumlichen und zeitlichen Skalenbereich ist Wasserdampf bisher eine schwer zu erfassende Komponente im Haushalt der Erdatmosphäre geblieben.

Die Kenntnis von globalen und regionalen Verteilungen von Wasserdampf und seiner zeitlichen Variation ist grundlegend für Wettervorhersage und Klimaforschung.

Klassifizierung der Erdatmosphäre (Neutrosphäre: blau) Temperatur der Erdatmosphäre

Der atmosphärische Wasserdampf befindet sich in den erdnächsten Luftschichten, die unter dem Begriff Neutrosphäre subsummiert werden.

Die Neutrosphäre setzt sich aus der dominaten Troposphäre und Bereichen mit geringerem Einfluss (Stratosphäre, Mesosphäre) zusammen.

GPS-Auswertung

	Prinzipieller Verlauf des GPS-Signals

Zweiteilige GPS-Modellbildung

Einfluss der Neutrosphäre auf GPS-Phasenbeobachtungen kann nicht durch Mehrfrequenzbeobachtungen reduziert werden, da elektrisch neutrale Atmosphärenbereiche für elektromagnetische Wellen des L-Bands nicht dispersiv sind (Gegensatz zur Ionosphäre). Deshalb erfolgt i.d.R. durch a priori Prädiktionsmodell und Zusatzparameterschätzung eine zweistufige Modellierung dieser limitierenden Einflüsse.

A priori Prädiktionsmodell

Basierend auf Annahmen hinsichtlich des Verhaltens der Neutrosphäre (z.B. Temperatur-gradient) wird eine Approximation der tatsächlich herrschenden Bedingungen bspw. durch Extrapolation von bodennah erfassten Meteorologie-werten erzielt. Δρ_NEU subsummiert die Einflüsse der Neutrosphäre.

Zusatzparameterschätzung

Im Rahmen der relativen Positionsbestimmung (Doppeldifferenzen, Phasenbeobachtung) - nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate durchgeführt - werden mit einer vorgegebenen Stochastik stationsabhängige Verbesserungen des Prädiktionsmodells in zenitaler sowie in horizontaler Richtung mittels geeigneter funktionaler Ansätze mit eingeschränkter zeitlicher Gültigkeit (z.B. 2 h) bestimmt.

Bestimmung des Wasserdampfgehalts mittels GPS

Zur Ableitung von Wasserdampfwerten basierend auf GPS-Beobachtungen sind diverse funktionale Zusammenhänge notwendig, die hier zu finden sind.

GPS als meteorologischer Sensor?

Die Meteorologie beschäftigt sich u.A. damit das Klima der Erde zu erforschen und Wettermodelle zu entwickeln, welche bspw. notwendig sind, um zuverlässige Wettervorhersagen tätigen zu können.

Grundlagen hierfür sind neben physikalischen Modellen zeitlich und räumlich - sowohl horizontal als auch vertikal - gut aufgelöste meteorologische Beobachtungen.

Ausgewählte meterologische Standard-Sensoren:

• Oberflächennahe Meteorologiestation (kostengünstig, horizontal gut aufgelöst, Verfälschungen durch lokales Mikroklima möglich, keine vertikale Auflösung, zeitlich hochauflösend)
• Radiosonden (gute vertikale Auflösung, geringe zeitliche Auflösung, kostenintensiv)
• Wasserdampfradiometer (sehr kostenintensiv, geringe horizontale Auflösung, bei Regen nicht einsatzfähig)
• Schiffgestützte Sensoren (geringe horizontale Auflösung, Informationsbasis auf Ozeanen und Meeren)
• Satellitengestützte Sensoren (schlechte Genauigkeit, Informations-basis im ozeanischen Bereich)

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) wie GPS und GALILEO besitzen ein großes Potential die Defizite der o.g. meteorologischen Standardsensoren zu beheben. Im Speziellen bestehende Permanentstationsnetze (z.B. IGS, EUREF, SAPOS) zeichnen sich durch eine sehr gute horizontale und zeitliche Auflösung aus und sind weiterhin sehr kostengünstig.

Bestimmung des Wasserdampfgehalts mittels GPS im Bereich der Antarktischen Halbinsel

	Antarktische Halbinsel, GPS-Stationen

Im geophysikalisch und meteorologisch hoch interessanten Bereich der Antarktischen Halbinsel werden umfangreiche Studien durchgeführt, um die erzielbaren Genauigkeiten bei der Ableitung von Schätzwerten für den atmosphärischen Wasserdampfgehalt basierend auf GPS-Beobachtungen abschätzen zu können.

Eine unabhängige Validierung ist bspw. durch Radiosondierungen und Wettermodelldaten möglich.

Funktionaler Zusammenhang von Tm und Ts

Zur Vereinfachung wird die mittlere atmosphärische Temperatur T_m i.d.R. unabhängig vom tatsächlichen atmosphärischen Zustand lediglich in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur T_s berechnet. Hierzu sind verschiedene funktionale Zusammenhänge (z.B. Braun oder Bevis) bekannt, die jedoch für den Bereich der Antarktischen Halbinsel angepasst und leicht modifiziert werden müssen, um beste Ergebnisse zu garantieren, was Vergleiche zu NCEP-Wettermodelldaten zeigen.

	IWV-Schätzungen [mm] für die Station O’Higgins der Antarktischen Halbinsel

Analysen von verschiedenen GPS-basierten IWV-Werten (Neutrosphärenmodelle: Saastamoinen, Niell) mit Vergleichswerten des NCEP-Wettermodells geben Aufschluss über sinnvolle und weniger geeignete Ansätze.

Ausblick

Künftig soll der Weg zur 4D-Atmosphärentomograpie (zeitabhängige räumliche Darstellung der Erdatmosphäre) beschritten werden. Dazu sollen auch Doppeldifferenzresiduen verwendet werden, die zu einer verbesserten azimutalen Auflösung beitragen können.