Analysieren und Ableitung der räumliche und zeitliche Wasserdampfverteilung von GNSS Beobachtungen

Der Wasserdampf in der Atmosphäre spielt eine wichtige Rolle in meteorologischen Anwendungen. Die globalen Positionierungssysteme (GNSS) liefern wetterunabhängige und präzise Beobachtungen. Die Anwendung der existierenden GNSSInfrastrukturen für die Atmosphärensondierung ist ein kostengünstiger Weg, den atmosphärischen Wasserdampf mit hoher Genauigkeit abzuleiten. Beobachtungen von GNSS-Bodennetzen enthalten Informationen über die zeitliche und räumliche Wasserdampfverteilung. Deshalb hat das GeoForschungsZentrum (GFZ)ein Wasserdampftomographiesystem entwickelt, um die 3D-Verteilung der Wasserdampfmenge in der Troposphäre über Deutschland abzuleiten. Eingabedaten für die Wasserdampftomographie sind die troposphärischen Datenprodukte von ca. 300 Bodenstationen die vom GNSS-Prozessierungssystem des GFZ bereitgestellt werden, wobei die Prozessierung momentan auf GPS-Daten beschränkt ist. Die wichtigsten Produkte sind die troposphärische Laufzeitverzögerung in Zenitrichtung (ZTD), der integrierte Wasserdampf (IWV) über die Station und die troposphärischen Laufzeitverzögerungen in Richtung zu den GPS-Satelliten (STD). Die Genauigkeit der STDs ist ein wichtiger Faktor für die Qualität der Wasserdampf-Tomographie. Die GNSS-Prozessierungssoftware EPOS (Earth Parameter and Orbit system Software) des GFZ stellt nur begrenzte Informationen über die Genauigkeit der STDs bereit. Deshalb wurden Wasserdampf-Radiometerdaten über ein Vierteljahr verwendet, um sie mit GPS-STDs zu vergleichen und die Genauigkeit der STDs abzuschätzen. Durch den Vergleich der GPS-STD-Beobachtungen mit denen des Radiometers konnte gezeigt werden, dass inhomogene atmosphärische Strukturen zuverlässig durch die STDs wiedergegeben werden. Insgesamt bestätigt die Validierung die hohe Genauigkeit der aus den GNSS-Daten geschätzten STDs. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist es, die Wasserdampftomographie zu verbessern und atmosphärische Wasserdampfprodukte mit guter Qualität abzuleiten. Ein neuer tomographischer Algorithmus, der auf einem Kalman-Filter basiert, wurde daher in das bestehende Tomographiesystem implementiert. Der Kalman-Filter liefert ein 3D-Feuchtefeld mit einer zeitlichen Auflösung von 2,5 Minuten und die zugehörigen Fehler-Kovarianz-Matrizen. Die Fehler-Kovarianz-Matrizen der STD-Beobachtungen und des zeitlichen Propagators wurden im Vorfeld bestimmt. Die Ergebnisse wurden mit denen anderer tomographischer Rekonstruktionsverfahren (MART) und mit Radiosondenprofilen verglichen. Die Qualität der tomographischen Rekonstruktionen hängt nicht nur vom Fehler der STD-Beobachtungen, sondern auch von einer Reihe anderer Faktoren ab. Wesentlich ist unter anderem die räumliche Abdeckung der Schrägsichten und deren relative räumliche Verteilung bzw. die Verteilung der Schnittpunkte. Deshalb sind unabhängige Beobachtungen für die Validierung der rekonstruierten Feuchtefelder unerlässlich. In dieser Arbeit wurden die vom Deutschen Wetterdienst (DWD) bereitgestellten Radiosondenprofile eines ganzen Jahres zur Validierung der Tomographie genutzt. Die rekonstruierten Feuchtefelder hatten eine horizontale Auflösung von 50 km und eine vertikale Auflösung von 500m. Diese Felder wurden für den Vergleich auf die Radiosondenprofile interpoliert. Ausserdem wurde die Anzahl und Verteilung der STDs in der Nähe der Radiosonden-Stationen für die einzelnen Profile untersucht. Die Ableitung der statistischen Verteilung der Differenzen zwischen dem tomographisch rekonstruierten Feuchtefeld und den Radiosonden-Beobachtungen wurde zunächst unter der Annahme unabhängiger Einzelbeobachtungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur Quantifizierung der Übereinstimmung vollständiger Profile entwickelt. Durch die Berücksichtigung der Gestalt des vollständigen Profils können wesentlich genauere Aussagen getroffen werden, als durch den statistischen Vergleich von punktweisen Beobachtungen. Diese Methode ist ein wesentliches Hilfsmittel für die weitere Entwicklung der Wasserdampftomographie. Weiterhin wurden die längsten verfügbaren GPS-IWV-Zeitreihen analysiert. Inzwischen liegen GPS-Daten über Zeiträume von mehr als 10 Jahren vor, die eine Zeitreihenanalyse zulassen und für zukünftige klimatologische Untersuchungen interessant sind. Für den Zeitraum von 2002 bis 2012 wurden IWV-Trends für alle verfügbaren deutschen GPS-Stationen bestimmt. Darüber hinaus wurden regionale Trends für verschiedene geographische Regionen ermittelt. Diese Verfahren werden für meteorologische Untersuchungen zu räumlichen und zeitlichen Variationen des Wettergeschehens benötigt. Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass die ZTD/IWV- und STD/SIWVProdukte die Menge und Verteilung des troposphärischen Wasserdampfes verlässlich wiedergeben. Insbesondere kann die zeitliche und räumliche Wasserdampfverteilung mit Hilfe der Wasserdampftomographie bestimmt werden. Die Qualität der rekonstruierten Feuchtefelder wurde mit Hilfe von Radiosondenprofilen abgeschätzt und es hat sich ergeben, dass in vielen Fällen eine gute Übereinstimmung vorliegt. Es wurde jedoch auch deutlich, dass eine Weiterentwicklung der Tomographie erforderlich ist. Die zukünftige Entwicklung der GNSS führt zu einer Zunahme der Sendesatelliten und Bodenstationen. Parallel hierzu werden die Prozessierungsverfahren kontinuierlich weiterentwickelt, so dass sich die Voraussetzungen für die Wasserdampftomographie in naher Zukunft wesentlich verbessern werden. Mit der Verfügbarkeit längerer Zeitreihen werden auch die Trendanalysen deutlich aussagekräfiger. Insgesamt kann davon ausgegangen werden, dass die Anwendungen der GNSS-Meteorologie weiter zunehmen werden, z.B. für die Kurzfristvorhersage, zur Untersuchung von Extremwetterereignissen oder in der Datenassimilation für regionale und globale Wettervorhersagen.Water vapor in the atmosphere plays an important role in meteorological applications. The Global Navigation Satellite System (GNSS) provides accurate all-weather observations. The application of the existing GNSS infrastructure for atmosphere sounding leads to rather inexpensive and reliable measurements of the atmospheric water vapor. Observations from GNSS networks contain information about the spatial and temporal distribution of the water vapor. Therefore, the German Research Center for Geosciences (GFZ) developed a water vapor tomography system to derive 3-Dimensional (3D) distributions of the tropospheric water vapor above Germany. The tomography makes use of the products provided by the GNSS processing center of the GFZ, where the atmosphere processing is currently limited to the Global Positioning System (GPS). Input data for the water vapor tomography are the GPS tropospheric products from about 300 ground stations. The GPS tropospheric products are Zenith Total Delay (ZTD), Integrated Water Vapor (IWV) and Slant Total Delay (STD). The accuracy of STDs is one of the important factors for the quality of the derived water vapor tomography. However, the Earth Parameter and Orbit System Software (EPOS), which is used to estimate the GPS-STDs at GFZ, provides only limited information about the accuracy of STDs. Three months of Water Vapor Radiometer (WVR) data are used to validate the GPS-STD and estimate its accuracy. By comparing the GPS-STD observations with systematic hemisphere scans of the WVR it could be shown that inhomogeneous atmospheric structures are reliably reproduced by the STDs. The validation has shown a high accuracy of the estimated STDs. The main objective of this thesis is to improve the water vapor tomography and to provide atmospheric water vapor products with good quality. A new tomographic algorithm based on a Kalman filter is added in the GFZ tomography system. The output is a 3D humidity field with a temporal resolution of 2.5 min and the error covariance matrix of the reconstructed states. The error covariance matrices for the observations and the covariance matrices for the uncertainty of the propagation are estimated in advance. The output has been validated with the Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique (MART) tomography and radiosonde profiles. Besides the accuracy of STDs, the quality of the derived tomography is depending on many factors such as the spatial coverage of the atmosphere with slant paths and the spatial distribution of their intersections. This leads to temporal and spatial variations of the reconstruction quality. Independent observations are required to validate the generated water vapor tomography. One year of radiosonde data from the German Weather Service (DWD) have been used for the validation. The wet refractivity field of the tomography with about 50 km horizontal resolution and 500m vertical resolution has been interpolated to the RS profiles. The validations have been carried out point-by-point and also for the whole profile. A new technique has been developed to quantify the differences between humidity profiles. By considering the shape of the whole profile much more reliable conclusions can be drawn than by comparing only point-by-point differences. This method can be applied to improve the algorithms of GPS tomography. Further attempts have been made to analyze the long-term IWV time series. Since the GPS data are available for more than 10 years, the GPS-IWV time series are used for climatological studies and they will become more important in future when long time series will be available. Trends have been calculated for the period 2002-2012 using the IWV from the German GPS ground-based network. Different methods (per station or per region) have been used to analyze the IWV time series. The methods will be helpful for meteorologists to analyze variations of the local or regional weather. The investigations demonstrated that the ZTD/IWV and STD/SIWV could describe the amount of water vapor and its distribution in the troposphere reliably. Especially the spatial and temporal variation of the water vapor distribution in the troposphere can be estimated with the tomographic technique. The quality of the derived 3D humidity fields has been checked with the help of radiosonde data. In general the result of the validation is good but it shows a need to improve the quality of the water vapor tomography. With the development of GNSS (more satellites and more GNSS stations) and with improved algorithms (e.g., introduction of radiometer or radiosonde data), the tomography will in future provide a more complete view of the water vapor distribution in the atmosphere. In addition with increasing of GNSS time series, they can also be used for long-term studies. The GNSS meteorology can be widely applied in many fields, e.g., nowcasting, severe weather monitoring and data assimilation