GNSS-Atmosphärensondierung

Während des letzten Jahrzehnts entwickelten sich boden- und weltraumgestützte GPS (Global Positioning System)-Methoden zur Atmosphärensondierung als ein vielversprechendes Instrument der weltweiten, permanenten Fernerkundung der Erdatmosphäre und Ionosphäre, die wetterunabhängig und kalibrierungfrei mit hoher Genauigkeit arbeiten. Die hohen Erwartungen der Atmosphärenwissenschaftler weltweit wurden konnten bereits durch die erfolgreiche Demonstration des GPS-Potenzials für die verschiedenen Anwendungen in der Wettervorhersage, Klimaforschung und für Untersuchungen in der Atmossphäre/Ionossphäre erfüllt werden. Weitere Fortschritte sind in den nächsten Jahren zu erwarten. Ein Highlight der GPS-Nutzung zur Fernerkundung war der Beginn des operationellen Einsatzes zur Verbesserung regionaler und globaler Wettervorhersagen im Jahr 2006, bereits elf Jahre nach der vollständigen operationellen Verfügbarkeit von GPS als Navigationssystem 1995. Es ist zu erwarten, dass zukünftige lange Messreihen von sehr präzisen atmosphärischen GPS-Daten die Erkennung von Klimatrends ermöglichen, bereits jetzt sind dazu erfolgreiche wissenschaftliche Studien durchgeführt worden, GPS-basierte Fernerkundung proftiert bereits jetzt auch von der Verfügbarkeit des Satellitennavigationssystems Galileo. Galileo wird die Anzahl der verfügbaren Sender für die atmosphärische Sondierung verdoppeln und die Genauigkeit verbessern. Aber auch das GPS-System wird gegenwärtug modernisiert. Die Signale des russischen GLONASS und der chinesischen KOMPASS (oder BeiDou) Satelliten haben auch das Potenzial zur atmosphärischen Sondierung, werden aber derzeit nicht umfassend für diesen Zweck genutzt. Galileo, GLONASS und KOMPASS erweitern der Begriff "GPS Atmosphärensondierung" auf "GNSS Atmosphärensondierung". GNSS steht dabei für Global Navigation Satellite System und umfasst alle 4 genannten Systeme. Boden- und satellitengestützte GPS-Methoden zur Fernerkundung etablierten sich in Deutschland während des Projekts für GPS-Atmosphärensondierung (GASP, 2000-2002). Das Projekt wurde aus Mitteln der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren finanziert. Mehrere Helmholtz-Zentren waren beteiligt: AWI, DLR, GKSS und GFZ als führendes Institut. Durch GASP wurde eine geeignete Infrastruktur für GPS-basierte Atmosphärensondierung geschaffen: Datengenerierung, -übertragung und -auswertung. Den Abschlussbericht über die Ergebnisse des Projekts finden Sie hier. Die aktuellen Aktivitäten zur Atmosphärensondierung umfassen ein breites Spektrum. Bodengestützte GPS-Daten aus globalen und regionalen Netzwerken werden nahezu in Echtzeit ausgewertet. Die Ergebnisse (Zenit-, totale Neigungsverzögerung und integrierter Wasserdampf) dienen zur Anpassung regionaler Wettermodelle und zu verschiedenen wissenschaftliche Untersuchungen. Das GFZ trägt auch zu temporären atmosphärischen Messreihen bei (z.B. COPS, CSIP, HYMEX) durch Installation und temporären Betrieb und die Auswertung der Daten von GPS-Bodenstationen. Ein Beispiel für die Anwendung atmosphärenbezogener GPS-Daten ist ein aktuelles Forschungsprojekt im Zusammenhang mit GPS-Tomographie, das durch die DFG gefördert wird. Hierbei werden GPS-Daten eines deutschen Netzwerk (derzeit rund 350 Stationen, SAPOS) genutzt,  um 3D Verteilungen des Wasserdampfes abzuleiten. Eine weitere Kernkompetenz des GFZ im Bereich Atmosphärensondierung bildet die satellitengestützte GPS Radiookkultation (RO) für die präzise vertikale Sondierung der Atmosphäre im globalen Maßstab. Die Arbeiten hierbei umfassen die Verarbeitung, aber auch die Anwendung der RO-Daten für verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen. Ein Beispiel für die Datenverarbeitung ist die Bereitstellung von GPS-RO-Daten in Nahezu-Echtzeit für die verbesserung globaler Wettervorhersagen durch die weltweit führenden Zentren. Derzeit werden dazu Daten von GRACE-A und TerraSAR-X bereitgestellt. Zusätzlich werden die RO-Daten am GFZ für klimatologische Untersuchungen von Tropopausecharakteristika und Schwerewellen genutzt, aber auch für die detaillierte Analyse des Auftretens ionosphärischer Unregelmäßigkeiten. Für diese Studien werden zusätzlich Daten der amerikanisch-taiwanesischen FORMOSAT-3/COSMIC Satellitenmission verwendet. Das GFZ ist eingebettet in ein großes Netzwerk nationaler und internationaler Kooperationen. Die Arbeiten zur GNSS-Atmosphärensondierung am GFZ sind in den Helmholtz-Forschungsbereich "Erde und Umwelt" ins Programm "Atmosphäre und Klima" einbezogen, in enger Zusammenarbeit mit KIT und FZJ.


Literatur

WICKERT, J., Ch. Reigber, G. Beyerle, R. König, C. Marquardt, T. Schmidt, L. Grunwaldt, R. Galas, T. Meehan, W. Melbourne, and K. Hocke: Atmosphere Sounding by GPS Radio Occultation: First results from CHAMP, Geophys. Res. Lett.,highlighted, 28, 3263-3266, 2001. 

WICKERT, J., T. Schmidt, G. Beyerle, S. Heise, and Ch. Reigber: Global atmospheric sounding with GPS radio occultation aboard CHAMP, in: Flury, J., Rummel, R., Reigber, C., Rothacher, M., Boedecker, G., Schreiber, U. (Eds.) Observation of the Earth System from Space, pp 55-67, Springer Berlin Heidelberg New York, ISBN: 3-540-29520-8, 2006. 

WICKERT, J., Michalak, G., Schmidt, T., Beyerle, G., Cheng, C.Z., Healy, S.B., Heise, S., Huang, C.Y., Jakowski, N., Köhler, W., Mayer, C., Offiler, D., Ozawa, E., Pavelyev, A.G., Rothacher, M., Tapley, B., Arras, C., 2008: GPS radio occultation: Results from CHAMP, GRACE and FORMOSAT-3/COSMIC. Terr. Atmos. and Oceanic Sci.,  2009. 

GENDT, G.; Dick, G.; Reigber, C.; Tomassini, M.; Liu, Y. Z.; Ramatschi, M. Near Real Time GPS Water Vapor Monitoring for Numerical Weather Prediction in Germany In: Journal of the Meteorological Society of Japan, 82, No. 1B 361-370 p, 2004.