GNSS_ATom

Der zeitlich und räumlich stark variable Feuchtgehalt der unteren Troposphärenschichten ist ein wesentlicher Parameter der regionalen Wettervorhersage. Dieser Feuchtgehalt kann unter anderem aus der durch die Troposphäre verursachten Verzögerung von GNSS-Signalen (Global Navigation Satellite Systems) berechnet werden.

In bisher verfolgten Ansätzen auf Basis bodengestützter GPS/GLONASS-Beobachtungen wird zumeist die vertikale integrale Signalverzögerung über den GNSS Referenzstationen ermittelt. Diese Größe gibt somit keine ausreichende Auskunft über die vertikale Änderung der Refraktivität in den Troposphärenschichten und die horizontale räumliche Auflösung dieser Werte ist zudem abhängig vom großen Referenzstationsabstand (meist 50km-80km).

Meteorologische Vorhersagemodelle benötigen jedoch dreidimensionale Informationen der Druck-, Temperatur- und Feuchteverteilung in einer vom Modell vorgegebenen räumlichen Auflösung in nahe Echtzeit.

Das Projekt GNSS-Atom zielt auf die 3-dimensionale Modellierung der Feuchtanteile im Alpengebiet mit einer horizontalen Auflösung von 10kmx10km (15 Höhenschichten) in einer zeitlichen Auflösung von 15 min. Die Troposphärentomographie beruht auf der Prozessierung von GPS/GLONASS-Signalen eines Subnetzes eines österreichischen Stationsnetzbetreibers (ÖBB). Die über einem apriori-Modell der hydrostatischen Troposphäre ermittelten Streckenresiduen in Signalrichtung fungieren als Beobachtungen zur Rekonstruktion der feuchten Refraktivitat pro Voxel in einem 3D-Gitter über dem Interessensgebiet.

Dieses Problem ist aufgrund der geringen Beobachtungszahl schwach determiniert. Es wird deshalb als Näherung ein apriori Feld der feuchten Refraktivität durch die ZAMG zur Verfügung gestellt. Die Berechnung der Beobachtungsresiduen in jedem Iterationsschritt erfolgt mit Hilfe einer am Institut entwickelten Raytracingsoftware.

Das so schrittweise verbesserte Feld der feuchten Refraktivität kann schlussendlich gemeinsam mit dem hydrostatischen Ausgangsmodell in Druck-, Temperatur- und Feuchtewerte am 3D-Gitter umparametrisiert und der ZAMG zur Assimilation in das operative Wettermodell übergeben werden.

Das Projekt untersucht zudem den Vorteil einer Verdichtung der Beobachtungsstationen mit Hilfe günstiger Einfrequenz-GNSS Sensoren und den Mehrwert der Nutzung von Galileo Signalen. Beide Untersuchungen werden mit Hilfe eines am Institut verfügbaren Signalsimulators durchgeführt. Ein dichteres Stationsnetz erhöht die Zahl der die Voxel querenden Signale und stärkt das schlecht konditionierte Parameterbestimmungsproblem vor allem für die unteren Atmosphärenschichten. Galileo Signale dienen zudem die Beobachtungsgeometrie zu verbessern.

Die Assimilation des mittels GNSS bestimmten Refraktionsfeldes in das hochauflösende Wettermodell AROME der ZAMG erlaubt den Vergleich der Vorhersage mit der aktuellen Wettersituation und somit die Bewertung von GNSS-Beobachtungen als innovativer Sensor für die Wettervorhersage.

Projektleitung

Technische Universität Wien (TU Wien)

Projektpartner:innen

Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG)

Technische Universität Wien (TU Wien)
Karlsplatz 13
A-1040 Wien
Web: www.tuwien.at