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TU Berlin

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GNSS-Wasserdampf-Tomographie

Grundprinzip der GNSS-Tomographie: Der entlang verschiedener Blickrichtungen aufsummierte atmosphärische Wasserdampf kann mit Hilfe tomographischer Methoden zu einem räumlich aufgelösten Wasserdampf-Feld kombiniert werden.
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Die GNSS-Tomographie ist ein neuartiges Fernerkundungsverfahren. Es basiert auf der Nutzung von GNSS-Daten regionaler Bodennetze zur Ableitung von 3D-Wasserdampfverteilungen. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur GNSS-Tomografie werden im Rahmen eines DFG-Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig bearbeitet.

Der atmosphärische Wasserdampfgehalt führt zu kleinen Abweichungen in den GNSS-Signalen, die dazu genutzt werden können, die Menge des Wasserdampfes zwischen dem GNSS-Satelliten und den jeweiligen Bodenstationen zu bestimmen. Diese entlang verschiedener Ausbreitungswege integrierten Informationen können mit Hilfe tomographischer Verfahren zu einem räumlich und zeitlich aufgelösten Wasserdampffeld kombiniert werden. Dieses Verfahren arbeitet unter allen Wetterbedingungen mit einer hohen zeitlichen Auflösung.

Die GNSS-Tomographie nutzt die hochgenaue GPS-Datenanalyse des am GFZ angesiedelten IGS-Analysezentrums. Die GPS-Analyse-Software EPOS.P.V2 wurde am GFZ entwickelt und wird nicht nur für die hochgenaue Positionierung und darauf aufbauende geodätische Anwendungen genutzt, sondern hat auch eine Reihe von Anwendungen in den Geowissenschaften. Vor einiger Zeit wurde diese Software auch für meteorologische Anwendungen erweitert (GASP-Projekt). Diese Arbeiten bilden die Grundlage, um den Wasserdampf-Anteil an den Signal-Laufzeitverzögerungen von anderen Einflüssen zu separieren. Die alleine vom Wasserdampf verursachten Laufzeitverzögerungen werden von der GNSS Tomographie benötigt, um daraus räumlich aufgelöste Wasserdampf-Felder zu erzeugen. Aktuell prozessiert das GFZ Potsdam die Daten von mehr als 200 deutschen GPS-Stationen operationell in nahezu Echtzeit. Auf diese Weise werden mehr als eine Million Datensätze pro Tag bereitgestellt. Die GNSS-Tomographie nutzt die entlang vieler verschiedener Blickrichtungen gesammelten integralen Informationen, um daraus ein räumlich aufgelöstes Wasserdampffeld zu erzeugen. Dies erfordert die Lösung eines schlecht gestellten, inversen Problems mit ungenügenden Eingagnsdaten. Die Lösung solcher Probleme wird meist als „Tomographie“ bezeichnet. Die GNSS-Tomographie nutzt ein räumliches Gitter und versucht, die entlang der verschidenen Ausbreitungswege aufintegrierten Wasserdampf-Informationen in optimaler Weise auf die verschiedenen Gitterzellen aufzuteilen. Sofern Eingangsdaten ausreichender Qualität vorhanden sind, kann so ein räumlich aufgelöstes Wasserdampffeld rekonstruiert werden. Leider erreichen die GNSS-Daten aufgrund des riesegen Volumens der Atmosphäre nur eine geringe räumliche Abdeckung. Deshalb werden weitere meteorologische Beobachtungen genutzt, um verläßliche Wasserdampf-Verteilungen zu erhalten. Derartige Wasserdampf-Informationen sind für verschiedene meteorologische Anwendungen von großer Bedeutung, z. B. für Kurzfrist-Vorhersagen (nowcasting), numerische Wettervorhersagen, insbesondere Niederschlagsvorhersagen, und klimatologische Fragestellungen.

Die GNSS-Tomographie ist ein vergleichsweise neues Fernerkundungsverfahren, das sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, jedoch über ein großes Potential für zukünftige Anwendungen verfügt. In den nächsten Jahren werden neben dem amerikanischen GPS weitere Satellitennavigationssysteme verfügbar. Das europäische Galileo-System soll 2014 betriebsbereit sein und das russische GLONASS wird zur Zeit von Grund auf erneuert. Auch GPS wird um weitere Signale und Anwendungsmöglichkeiten erweitert. Damit werden bald insgesamt ca. 90 Navigationssatelliten verfügbar sein, von denen jeweils ca. 30 sichtbar sein werden. Dies führt im Zusammenhang mit den immer weiter ausgebauten Bodennetzen zu einer deutlich besseren räumlichen Abdeckung der Atmosphäre und zu immer besser aufgelösten Wasserdampffeldern.

Referenzen:

[1] Bender, M. and Raabe, A. Preconditions to ground-based GPS water vapour tomography, Annales Geophysicae, 2007, 25, 1727-1734.

[2] Bender, M.; Dick, G.; Wickert, J.; Schmidt, T.; Song, S.; Gendt, G.; Ge, M. and Rothacher, M. Validation of GPS Slant Delays using Water Vapour Radiometers and Weather Models, submitted, 2008.

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