GNSS-MET | Robert Weber

Schnelle Bereitstellung des troposphärischen Feuchtgehalts auf Basis bodengestützter GNSS-Messdaten und dessen potentieller Beitrag für die Wettervorhersage. 

Zusammenfassung:

Die Bedeutung hochauflösender meteorologischer Analysen der Gebirgsatmosphäre hat in den letzten Jahren aufgrund lokaler und regionaler extremer Niederschläge stark zugenommen. Eine detaillierte Analyse des Feuchtefeldes ist dabei eine wichtige Voraussetzung für besseres Monitoring und bessere regional differenzierte Vorhersagen derartiger Ereignisse. Die ZAMG hat seit Beginn des Jahres 2005 das räumlich und zeitlich hochauflösende INCA-System (INCA = Integrated Nowcasting through Comprehensive Analysis) im operationellen Betrieb. Fehler in der Analyse treten vor allem in jenen alpinen Gebieten auf, wo das Wettervorhersagemodell nur unzureichend die Gebirgsatmosphäre wiedergibt, wie z.B. im Raum Kärnten.

Die Problematik bei der Bestimmung des Feuchtefeldes ergibt sich aus den physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre. Auf ihrem Weg durch die Atmosphäre erfahren die Mikrowellen-Signale der GNSS Satelliten (GPS, GLONASS und zukünftig auch GALILEO) eine Laufzeitänderung. Dabei wird zwischen den beiden Einflüssen von Ionosphäre und neutraler Atmosphäre unterschieden. Letzterer wird häufig auch als „troposphärische Laufzeitverzögerung“ bezeichnet.

Um die troposphärische Laufzeitverzögerung während der GNSS Positionierung zu berücksichtigen, werden normalerweise globale “Delay-Modelle“ genutzt. Die Verzögerung des Signals wird in einem ersten Schritt für einen symbolischen Satelliten gerechnet, der sich im Zenit über der Beobachtungsstation befindet. Mit Hilfe von Mapping-Funktionen (Projektionsfunktionen) werden danach die gesuchten Werte für die wahren Elevationswinkel der beobachteten Satelliten ermittelt. Eingangsgrößen für die oben genannten Modelle sind Druck, Temperatur und Feuchte. Diese werden mit meteorologischen Sensoren direkt beim GNSS Empfänger gemessen oder bei bekannter Stationshöhe aus einem Standardmodell extrapoliert. Seit kurzem sind auch Methoden in Verwendung, die auf der numerischen Integration von Wettermodellen entlang des Signalweges (Ray Tracing) beruhen (3-dimensionale Modelle, bestehend aus der aktuellen oder prädizierten Verteilung von Druck, Temperatur und Feuchte).

Die hydrostatische Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung ist im Normalfall genau berechenbar. Im Gegensatz dazu erweist sich die feuchte Komponente, welche den sich schnell verändernden Wasserdampfgehalt der Troposphäre beschreibt, als eine der limitierenden Fehlergrößen bei der präzisen Punktbestimmung mit GNSS und muss möglichst genau im Auswertemodell mitgeschätzt werden. Aufgrund des Interesses der Meteorologen an dieser feuchten Komponente der Laufzeitverzögerung als neue Datenquelle für numerische Wettervorhersagen wurde in mehreren internationalen Initiativen begonnen (z. B. European COST Action 716), das Potential der Bestimmung des Wasserdampfgehalts der Troposphäre aus GPS Beobachtungsdaten zu untersuchen.

Für den Fall, dass alle Fehlereinflüsse (z.B. Satellitenbahnfehler, ionosphärische Laufzeitverzögerung oder Uhrenfehler) auf die Positionierung mit GNSS mit ausreichender Genauigkeit modelliert bzw. zur Gänze eliminiert wurden, ist es möglich, die sogenannten Mehrdeutigkeiten (Ambiguities) für alle Basislinien innerhalb eines Beobachtungsnetzes (z.B. Referenzstationsnetz) zu lösen. Mehrdeutigkeitslösung oder auch schon sehr lange Beobachtungszeiten erlauben eine sehr genaue Berechnung der Stationskoordinaten, einschließlich der Stationshöhe, und, von noch größerem Interesse für das hier vorliegende Antragsschreiben, eine Bestimmung der totalen troposphärischen Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung (ZTD) im Genauigkeitsbereich von wenigen Millimetern. Der ZTD ist der integrale Wert der totalen Refraktivität, berechnet aus allen in einer vorgegebenen Zeitspanne zwischen einer Referenzstation und den von ihr sichtbaren Satelliten gemessenen Signalverzögerungen. Die Beobachtungen erfolgen in verschiedensten Elevationen und werden in Zenitrichtung abgebildet. Um die Einflüsse der unterschiedlichen Fehlerquellen zu reduzieren werden häufig Beobachtungsdifferenzen (Basislinienbildung) an Stelle der direkt beobachteten Phasenmessungen verwendet. Um den hydrostatischen Teil der Laufzeitverzögerung von der feuchten Komponente zu trennen, muss der genaue Druckwert an der GNSS Beobachtungsstation bekannt sein oder sehr sorgfältig aus den Daten sich in der Nähe befindlicher meteorologischen Sensorstationen (in Österreich: TAWES Netzwerk) extrapoliert werden. Der verbleibenden feuchte Teil der Laufzeitverzögerung (ZWD) kann in den integrierten Wasserdampfgehalt (IWV) umgerechnet werden, wenn an der GNSS Station zusätzlich auch die Temperatur bekannt ist. Zusammenfassend ist somit auch der ZWD ein integraler Wert, verfügbar mit einer hohen zeitlichen Auflösung und einer, abhängig von der mittleren Basislinienlänge im Referenzstationsnetzwerk, guten horizontalen Auflösung.

Während die Genauigkeit der Bestimmung des Wasserdampfgehalts auf Basis von Mikrowellenbeobachtungen von der Genauigkeit her vergleichbar mit jener von Radiosonden und Radiometerdaten ist, lässt die Aktualität der Ergebnisse noch zu wünschen übrig. Wenngleich ausgereifte Modelle zur Datenassimilation an verschiedenen meteorologischen Instituten derzeit noch in Entwicklung sind, hat die EU COST Action 716 bereits bewiesen, dass die Wasserdampfbestimmung aus GPS Messungen bei sich schnell verändernden Wetterlagen extrem nützlich ist. Um zu den operationellen numerischen Wettervorhersagemodellen beizutragen, muss der Wasserdampfgehalt allerdings mit einer maximalen zeitlichen Verzögerung von 45-60 Minuten verfügbar sein. Diese Anforderung ist nicht einfach zu erfüllen, da Verzögerungen in der Datenübertragung berücksichtigt werden müssen sowie eine gewisse Rechenzeit aufgrund der großen Datenmengen. Zudem gibt es hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Satellitenbahnen, die notwendigerweise in Echtzeit vorliegen müssen. Der gegenständliche Antrag zielt auf die Entwicklung und den Einsatz effizienter Algorithmen und Abläufe in einem operationellen Betrieb, der erlaubt das vorgegebene Zeitlimit zur Bestimmung des Wasserdampfgehalts einzuhalten.

Zum ersten Mal sollen auch GLONASS Beobachtungsdaten in die Berechnungen mit aufgenommen werden. Bis zum Beginn des Jahres 2005 standen keine GLONASS Satellitenbahnen mit ausreichender Genauigkeit in quasi-Echtzeit zur Verfügung, wodurch jede Verwendung von GLONASS Daten von vorneherein ausgeschlossen war. Das Referenzstationsnetzwerk der KELAG stellt in diesem Zusammenhang durch seine technische Ausstattung mit kombinierten GPS/GLONASS Satellitenempfängern eine derzeit weltweit noch selten zu findende Datenbasis dar. Im Detail stehen 8 (+Station Kolm-Saigurn) kontinuierlich beobachtende GPS/GLONASS Referenzstationen im Netzwerk „KELSAT“ in Kärnten (Österreich) zur Verfügung. Erweiternd können benachbarte Stationen des IGS- und des EUREF Netzwerks in die Berechnungen einbezogen werden. Der Stationsabstand liegt zwischen 50 und 80 km mit Höhendifferenzen bis zu 2500 m. Einige der Referenzstationen sind mit Drucksensoren ausgestatten, die andern befinden sich allesamt in der Nähe von Stationen des Österreichischen meteorologischen Dienstes (ZAMG).

Ziel des Projektes ist ein schneller Datentransfer der Beobachtungsdaten des Kärntner Netzwerkes und effiziente Berechnungsalgorithmen auf Basis von Normalgleichungsaddition (‚stacking’) in weniger als 60 Minuten. Gleichzeitig müssen permanent die Satellitenbahnen aktualisiert und geprüft werden. Die berechneten Wasserdampfparameter werden direkt an die ZAMG weitergeleitet, wo sie auf ihr Potential und ihre Brauchbarkeit für die Verwendung bei der operationalen Wettervorhersage untersucht und geprüft werden. Weitere Ziele sind die Beobachtung von schnellen Änderungen des Wasserdampfgehalts mit sehr hoher zeitlicher Auflösung in der Umgebung der Station Sonnblick und die Installation eines GALILEO-IOV (In Orbit Validation) Empfängers zur Untersuchung des Potentials des SIS (Aufbau eines parallelen GPS/GALILEO Data Processing) des neuen Europäischen Satellitennavigationssystems auf die Genauigkeit der Bestimmung des Wasserdampfgehalts.

Projektpartners:

R. Weber, A. Karabatic, TU-Wien, Inst. f. Geodäsie und Geophysik

T. Heiden, S. Leroch, ZAMG

H. Felsberger, J. Frank, KELAG