Bereitstellung der troposphärischen Refraktion auf der Basis von GNSS-Beobachtungen als Beitrag zur Wettervorhersage

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1 Bereitstellung der troposphärischen Refraktion auf der Basis von GNSS-Beobachtungen als Beitrag zur Wettervorhersage BSc. Gregor Möller OVN - 2. Navigations-Get-Together

2 Gliederung 1. Eine kurze theoretische Einführung 2. Das FFG-Projekt GNSSMET-Austria 3. Ergebnisse 4. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Theoretische Einführung (1) Troposphärische Refraktion ist Signalverzögerung in der neutralen Atmosphäre Abhängig von Temperatur, Druck und Wasserdampfgehalt Unterteilung in trockenen Anteil (induzierte Dipolmomente der N 2 - und der O 2 -Moleküle) feuchten Anteil (permanente Dipolmoment des Wasserdampfes) charakterisiert durch Brechungsindex (Refraktion) N N K 1 P T d Z 1 d K 2 e T K 3 e T 2 Z 1 w P d e T Druck trockener Luft Partialdruck des Wasserdampfes Temperatur K 1,2,3 Koeffizienten Z w,d Kompressibilitätsfaktor feuchter und trockener Luft N d N w [Thayer, 1974] 3

4 Theoretische Einführung (2) Auswirkung der Refraktion auf die Entfernung ergibt sich durch Integration über den gesamten Ausbreitungsweg ZTD 10 H 6 R d H w N d dr 10 ZHD ZWD Messung des Brechungsindex i.d.r. zu aufwendig / nicht möglich 6 R Berechnung des stabilen hydrostatischen Anteils (Modell von Saastamoinen) ZHD 10 6 K1R P s d gm P s R d g m N w dr Druck an der Erdoberfläche Spez. Gaskonstante für feuchte Luft Schwerebeschleunigung, abhängig von geozentr. Breite und orth. Höhe [Saastamoinen, 1973] H d,w wirksamen Höhen für trockenen und feuchten Anteil R Geozentrische Radius der Erdoberfläche 4

5 Theoretische Einführung (3) Abschätzung der variablen feuchten LZV aus GNSS Beobachtungsdaten Zusammenhang: ZWD ZTD ZHD ZHD 2.3m (8ns), 90% des ZTD ZWD 0.0m 0.4m, 10% des ZTD Projektion der Laufzeitverzögerungen (mf h und mf w ) SD( e) ZHDmf ( e) ZWD mf ( e) Mapping Function : wetniell, dryniell, (VMF1) h w 5

6 GNSSMET-Austria - Projektbeschreibung Basiert auf dem im Feb abgeschlossenen Projekt GNSSMET Abschätzung der troposphärischen Laufzeitverzögerung (ZTD & ZWD) Auf Basis eines Österreich weiten GNSS Referenzstationsnetzes Zeitliche Auflösung: 1 Stunde Max. Delay: 45 Minuten Genauigkeit: +/-1mm PW (Niederschlagswasser, 0.16 ZWD) Automatische Assimilation in das Wetter Vorhersagemodell ALADIN Ziel: 1. Bessere Erfassung von Wetterfronten & 2. Voraussage von schweren Regenfällen und Flutkatastrophen 6

7 GNSSMET-Austria - Input/Output 42 GNSS Referenzstationen (37 EPOSA, 3 KELAG, 2 IGS/EUREF ) Input RINEX data IGS Ultra Rapid Products approx. station coord. baseline File dry & wet NIELL MFunc. Bernese output coordinates ZTD Output pg for all GNSS-stations ZHD ZWD Input Tawes data from 280 stations Tawes coordinates (B,L,H) GNSS coordinates (B,L, h, H) 7

8 GNSSMET-Austria - Datentransfer Wann bekommen wir die Eingangsdaten? IGS Ultra Rapid Products : 4 mal pro Tag (3:15, 9:15,.) RINEX Kelag & EPOSA RINEX IGS/EUREF TAWES Daten Upload der vorletzten Werte (ZWD/ZTD) - 1h + 35min delay Berechnungzeit (15-20min) 8

9 GNSSMET-Austria - Berechnung Beispiel: 23:15uhr & 00:15uhr 11:00 12:00 13:00 22:00 23:00 23:15 23:35 0:00 12x 1h-RINEX geschätzer ZTD ZHD TAWES 00:15 00:35 9

10 GNSSMET-Austria - Extrapolation des Drucks Genauigkeit ZWD: +/- 5mm zu erreichen, Druck: +/- 0.3hPa bekannt sein Messung direkt oder Extrapolation des Drucks an den GNSS Stationen Verbesserung des ZHD Δ ZHD TAWES ZHD STANDARD_ATMOSPHERE P s P T T T g ( z R G zt ) T T P T,T T Druck und Temperatur an der Tawes-Station z T,G orthometrische Höhe (Tawes- & GNSS-Station) g Schwerebeschleunigung an der Tawes-Station γ Temperaturgradient Tawes Stationsnetz 280 Stationen 10

11 GNSSMET-Austria Einfluss des Drucks auf ZWD 11

12 GNSSMET-Austria - Stündlich geschätzte Koordinaten Seit 22. Februar werden stündlich ZTD & Koordinaten geschätzt: 12

13 GNSSMET-Austria - Stabilität der Koordinaten MDiff (cm) Std (cm) ALST AMST ANDF ATPU ALST AMST ANDF ATPU ALST AMST ANDF ATPU

14 GNSSMET-Austria - Zeitreihe ZTD & ZWD Seit 01. April Datentransfer ZAMG ALST_Results.txt 14

15 Ergebnisse - ZTD Sonnblick: m Zimmerwald: 897.9m 15

16 Ergebnisse - ZWD & Formaler Fehler 16

17 Zusammenfassung Zunahme lokaler & regionaler extremer Niederschläge Lerchenfelder Straße / Kaiserstraße, Wien Analyse der GNSS Signalverzögerung in der Atmosphäre um 1. Wetterfronten genauer erfassen & 2. extreme Niederschläge und Überflutungen besser voraussagen zu können Datentransfer seit 01.April ZAMG & Assimilation in ALADIN Zeitliche Auflösung: 1 Stunde, Delay: 35 Minuten, Genauigkeit: +/- 5mm ZWD 17

18 Ausblick Evaluierung der bisherigen Ergebnisse (ZAMG) Lösung der GLONASS Mehrdeutigkeiten Implementierung verbesserter Mapping Functions (VMF1) Verwendung von metrologischen Daten der IGS/EUREF Stationen Real-Time controlled IGS clocks and orbits Verwendung der TAWES Daten bereits in Bernese Azimutabhängige Schätzung des Wasserdampfgehaltes GNSS 3D Tomographie 18

19 Literaturverzeichnis [Thayer, 1974] Thayer G.D: (1974). An improved equation for the radio refractive index of air. Radio Science, Vol. 9, No. 10, pp [Saastamoinen, 1973] Saastamoinen J. (1973). Contributions to the theory of atmospheric refraction. In three parts. Bulletion Géodésique, No. 105, pp ; No. 106, pp ; No. 107, pp [Weber 2009] Weber R., Karabatic A., Leroch S., Haiden T. (2009). Schlussbericht GNSS-MET. [Möller, 2010] Möller G., Weber R., Karabatic A., Yan X.,Wang T. (2010). Estimation of near real-time tropospheric delays from a nationwide reference station network and their assimilation into weather forecast models. Poster EGU Mai 2010, Vienna.

20 DANKE FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! 20. Mai 2010