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8.2 Meteorologische Sensoren und Modelle 101
ROTHACHER ET AL. (1986) alle 15 Minuten. Da das angewandte GPS-Ausgleichungsmodell i.d.R. sehr empfindlich
gegenüber ungenauer Oberflächenmeteorologie ist, können schon durch geringe Fehler (z.B. σT = 1° C) in Abhängigkeit
von der vorherrschenden Umgebungsmeteorologie (p = 1000 hPa, T = 30° C, rh = 100%) große (nahezu 3 cm), von der
Länge der Basislinie unabhängige Fehler in den Koordinatenkomponenten auftreten (BEUTLER ET AL. 1988).
ROTHACHER (2000b) gibt einen alternativen Wert von 8 cm im Speziellen für die Stationshöhe an, dies wird von
BLOMENHOFER (1996) gestützt, da er mittels differenzieller Abschätzung die Auswirkung von fehlerhaften
Meteorologiedaten auf die Ergebnisse berechnet. Diese Untersuchungen belegen die Wichtigkeit von repräsentativen
und unverfälschten Meteorologiewerten. Liegt jedoch repräsentative und genaue Oberflächenmeteorologie (σT < 0.5° C,
σP < 0.5° hPa) vor, so kann daraus der Einfluss der trocken bzw. der hydrostatischen neutrosphärischen Laufzeitverzögerung
ausreichend genau berechnet werden. Basierend auf dem Modell von Saastamoinen, welches sich u.a. durch
einen einfachen und effektiven Formelapparat auszeichnet, kann diese Aussage belegt werden. Nach SAASTAMOINEN
(1972) ergibt sich
woraus
NEU Saas h[m]
= 0.
002277 p [hPa] , (8-15)
∆ ,
Zenit
,
[ hPa]
σ [mm] = ± 2.
277σ
p
(8-16)
∆ , ,
Zenit
NEU Saas h
folgt. Im Gegensatz dazu sind Messungen zur Bestimmung der feuchten bzw. nicht-hydrostatischen neutrosphärischen
Laufzeitverzögerung an der Erdoberfläche nur sehr ungenau möglich (σrh ≈ 5%). JANES ET AL. (1991) führten unter
Berücksichtigung von empirischen Modellen, repräsentative Oberflächendaten vorausgesetzt, einen Nachweis, wobei
Sensitivitätswerte für die totale zenitale neutrosphärische Laufzeitverzögerung für Druck, Temperatur und relative
Feuchte zu 2 mm/hPa, 5-20 mm/° C und 1-3 mm/% erhalten werden.
Liegen keine repräsentativen Meteorologiedaten vor, so können unter Umständen Langzeitmittelwerte oder Vorhersagewerte
verwendet werden. Hierauf wird in den Unterkapiteln 8.2.2 und 8.2.4 eingegangen.
8.2.1.2 Wasserdampfradiometer
Als Radiometer werden i.d.R. Geräte bezeichnet, die physikalische Messungen zur Bestimmung von Strahlungsgrößen
durchführen. Wasserdampfradiometer beobachten von der Erdoberfläche aus Strahlungsgrößen aus diskreten 8-8
Richtungen, um daraus den Wasserdampfgehalt abzuleiten. Im Gegensatz zur o.g. Oberflächenmeteorologie wird einerseits
lediglich ein u.a. für die GPS-Modellbildung wichtiger atmosphärischer Parameter erfasst, andererseits jedoch kein
erdnaher Wert bestimmt, sondern ein über die gesamte Atmosphäre integrierter Wert ermittelt. Ein Nachteil dieses
zeitlich gut aufgelösten Beobachtungsverfahrens besteht darin, dass i.d.R. keine Beobachtungen in Horizontnähe
ausgeführt werden. Der minimale Elevationswinkel liegt deshalb i.d.R. bei 20°-25° (POTTIAUX UND WARNANT 2002).
CUCURULL ET AL. (2000) weisen auf die schlechte räumliche Auflösung dieses teueren Verfahrens hin, da die
terrestrischen Wasserdampfradiometerbeobachtungen den räumlichen Restriktionen terrestrischer Sensoren unterliegen.
Sie sind deshalb nur in begrenztem Umfang verfügbar.
Zur nahezu direkten Bestimmung des atmosphärischen Wasserdampfgehalts werden Beobachtungen der Mikrowellenemission
(Helligkeitstemperatur) im Bereich der zentralen Emissionslinie des Wasserdampfs ausgeführt. Die Resonanzfrequenz
des Wasserdampfs liegt bei exakt 22.235 GHz. Die Messungen werden jedoch durch den atmosphärischen
Druck und flüssiges Wasser 8-9 sowie Sauerstoff und atmosphärischer Hintergrundstrahlung beeinflusst (ELGERED
(1993), POTTIAUX UND WARNANT (2002)). Deshalb wird die Emission entlang des jeweiligen diskreten Signalweges
hochauflösend auf zwei Frequenzen indirekt über die Strahlungsmenge bestimmt. Je nach Gerät werden Beobachtungen
im Bereich 20.6-23.8 GHz (Wasserdampfkanal) bzw. 31.0-31.7 GHz (Flüssigwasserkanal) durchgeführt. Dies ermöglicht
das Bilden von Linearkombinationsen (BÜRKI UND KAHLE 1995); dadurch kann die Druckabhängigkeit der
Ergebnisse minimiert und der Einfluss des flüssigen Wassers auf diese empfindlichen Geräte kompensiert werden. Zur
Elimination von durch Regen beeinflussten Beobachtungen wird in Nähe des Radiometerstandorts eine meteorologische
Station betrieben, die neben Druck, Temperatur und Feuchte auch Informationen hinsichtlich des Regenvolumens
sammelt. I.d.R. werden Radiometerbeobachtungen während Regenereignissen eliminiert. AONASHI ET AL. (2000) beschreiben
in diesem Zusammenhang beispielhaft den Verlust von ca. 26% der ausgeführten Beobachtungen. Als entscheidungsfindende
Kenngröße wird hierbei der Wasserdampfgehalt verwendet. EMARDSON ET AL. (1998) wählen einen
zenitalen Grenzwerte von 0.7 kg/m².
8-8 Der Literatur sind verschiedene Beobachtungsszenarien zu entnehmen. POTTIAUX UND WARNANT (2002): Elevationsbereich [25°; 90°]; 72
Beobachtungen (azimutale Auflösung: 45°, zenitale Auflösung: 9 Elevationsstufen); Dauer: 19 Minuten; AONASHI ET AL. (2000): Azimutale
Auflösung: 30°.
8-9 Wassertropfen mit einem Durchmesser größer als einige 1/10 mm verfälschen nach ELGERED (1993) die Ergebnisse signifikant, da der bestimmte
Wasserdampfgehalt zu groß geschätzt wird. Es werden somit GRADINARSKY ET AL. (2000) bestätigt, welche starke Limitierungen durch Regen und
Wolken feststellen.