GPS-Atmosphärensondierung im Programm Atmosphäre und Klima

Das GFZ beteiligt sich in enger Kooperation mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) seit 2004 am Helmholtz-Forschungsprogramm Atmosphäre und Klima (ATMO) im Forschungsbereich Erde und Umwelt. Ziel von ATMO ist das bessere Verständnis der Rolle der Erdatmosphäre im Klimasystem. Hierzu werden die wichtigsten atmosphärischen Prozesse mit komplexen Beobachtungen, Laborexperimenten und numerischen Modellierungen auf verschiedenen zeitlich-räumlichen Skalen untersucht.

Schwerpunkt der GFZ-Arbeiten in ATMO ist die Entwicklung und Anwendung neuartiger Methoden zur Atmosphärenfernerkundung, die auf der Nutzung von Signalen der Globalen NavigationsSatellitenSysteme (GNSS), wie GPS, Galileo, GLONASS, Beidou und QZSS, basieren. Dazu betreibt GFZ regionale und globale GNSS-Bodenstationen und auch spezielle GNSS-Empfänger an Bord von Satelliten (GRACE, TerraSAR-X, TanDEM-X, GNSS-Radiookkultation). Mit diesen Messungen können atmosphärische Parameter, wie Wasserdampfgehalt und Temperatur, sehr genau bestimmt und auch operationell bereitgestellt werden. Die GNSS-Daten haben dabei verschiedene Vorteile gegenüber anderen Fernerkundungsverfahren. Beispiele dafür sind hohe zeitliche Auflösung bei den Bodendaten, hohe vertikale Auflösung bei den Satellitendaten und auch die Unabhängigkeit von Bewölkung.

Die GNSS-Atmosphärensondierung ist vor allem auch durch die langjährige und erfolgreiche GFZ-Arbeit auf diesem Gebiet als etabliertes Fernerkundungsverfahren mit verschiedensten wissenschaftlichen und operationellen Anwendungen weltweit anerkannt. Bestes Beispiel dafür ist die operationelle Nutzung von GNSS-Wasserdampfdaten in Deutschland und auch von global verteilten Vertikalprofilen von Temperatur und Wasserdampf zur Verbesserung globaler und regionaler Wettervorhersagen.

Abbildung: Prinzipdarstellung GNSS-basierter Methoden zur Atmosphärenfernerkundung (zum Öffnen klicken)

Zentrale Themen:

  • Entwicklung und Anwendung neuartiger Methoden zur Atmosphärenfernerkundung, die auf der Nutzung von Signalen der Globalen Navigations-Satelliten-Systeme (GNSS) wie GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou und QZSS basieren
  • Betrieb von regionalen und globalen GNSS-Bodenstationen zur operationellen und wetterunabhängigen Bestimmung des atmosphärischen Wasserdampfes mit hoher zeitlicher Auflösung
  • Betrieb (GRACE, TerraSAR-X, TanDEM-X) und Nutzung (COSMIC, Metop) spezieller GNSS-Empfänger an Bord von Satelliten  und Anwendung der GNSS-Radiookkultationsmethode zur Messung  atmosphärischer Parameter, wie Wasserdampfgehalt und Temperatur, im globalen Maßstab
  • Wissenschaftliche Untersuchungen zur Nutzung der GNSS-Atmosphärendaten in Wettervorhersage, Klimaforschung und zur Verbesserung der Genauigkeit von GNSS-Positionslösungen

Neuste Publikationen:

Alshawaf, F., Balidakis, K., Dick, G., Heise, S., Wickert, J. (2017 online): Estimating trends in atmospheric water vapor and temperature time series over Germany. - Atmospheric Measurement Techniques Discussion, pp. 1—28.
DOI: http://doi.org/10.5194/amt-2017-69

Beyerle, G., Zus, F. (2017): Open-loop GPS signal tracking at low elevation angles from a ground-based observation site. - Atmospheric Measurement Techniques, 10, pp. 15—34.
DOI: http://doi.org/10.5194/amt-2016-59

Wickert, J. (2017): Fernerkundung der Erdoberfläche mit Navigationssatelliten: GNSS-Reflektometrie. - In: DVW – Gesellschaft für Geodäsie Geoinformation und Landmanagement e.V. (Ed.), GNSS 2017 – Kompetenz für die Zukunft: Beiträge zum 157. DVW-Seminar am 21. und 22. Februar 2017 in Potsdam, (Schriftenreihe des DVW ; 87), Augsburg : Wißner-Verlag, pp. 191—194.

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DOI: http://doi.org/10.1007/s10291-016-0527-z

Kačmařík, M., Douša, J., Dick, G., Zus, F., Brenot, H., Möller, G., Pottiaux, E., Kapłon, J., Hordyniec, P., Václavovic, P., Morel, L. (2017 online): Inter-technique validation of tropospheric slant total delays. - Atmospheric Measurement Techniques, pp. 1—38.
DOI: http://doi.org/10.5194/amt-2016-372

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DOI: http://doi.org/10.1007/978-3-319-42928-1_38

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Lilienthal, F., Jacobi, C., Schmidt, T., de la Torre, A., Alexander, P. (2017): On the influence of zonal gravity wave distributions on the Southern Hemisphere winter circulation. - Annales Geophysicae, 35, pp. 785—798.
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Ning, T., Wang, J., Elgered, G., Dick, G., Wickert, J., Bradke, M., Sommer, M. (2016): The uncertainty of the atmospheric integrated water vapour estimated from GNSS observations. - Atmospheric Measurement Techniques, 9, pp. 79—92.
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Vey, S., Güntner, A., Wickert, J., Blume, T., Ramatschi, M. (2016): Long-term soil moisture dynamics derived from GNSS interferometric reflectometry: a case study for Sutherland, South Africa. - GPS Solutions, 20, 4, pp. 641—654.
DOI: http://doi.org/10.1007/s10291-015-0474-0

Liu, Y., Ge, M., Shi, C., Lou, Y., Wickert, J., Schuh, H. (2016): Improving integer ambiguity resolution for GLONASS precise orbit determination. - Journal of Geodesy, 90, 8, pp. 715—726.
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Lu, C., Zus, F., Ge, M., Heinkelmann, R., Dick, G., Wickert, J., Schuh, H. (2016): Tropospheric delay parameters from numerical weather models for multi-GNSS precise positioning. - Atmospheric Measurement Techniques, 9, pp. 5965—5973.
DOI: http://doi.org/10.5194/amt-9-5965-2016

Heinkelmann, R., Willis, P., Deng, Z., Dick, G., Nilsson, T., Soja, B., Zus, F., Wickert, J., Schuh, H. (2016): Multi-technique comparison of atmospheric parameters at the DORIS co-location sites during CONT14. - Advances in Space Research, 58, 12, pp. 2758—2773.
DOI: http://doi.org/10.1016/j.asr.2016.09.023

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