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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

128 Zusammenfassung

128 Zusammenfassung und Ausblick Messungen und deren Analyse wurde beschrieben. Dabei wurde eine Prozessierungsmethode für die Nutzung einer verringerten Datenrate (1 Hz) auf der L2-Meßfrequenz vorgestellt und validiert. Die Datenqualität bzw. Signalstärke der CHAMP-Messungen wurde bewertet und mit GPS/MET verglichen. Das wesentliche Ergebnis ist, dass die CHAMP-Messungen unabhängig vom Anti-Spoofing-Status des GPS ausgewertet werden können, ein großer Fortschritt in der Anwendung der GPS-Okkultationstechnik. Ein Überblick über Messperioden sowie aufgezeichnete und prozessierte Okkultationen der ersten Phase des CHAMP-Okkultationsexperiments (Februar-Juli 2001) wurde gegeben. Durchschnittlich konnten 220-230 Okkultationen täglich aufgezeichnet werden. Die globale Verteilung der Okkultationen in der geografischen Breite ist symmetrisch zum Äquator, weist allerdings stark ausgeprägte Maxima bei ca. 25° und 55° Nord und Süd auf. Die Längenabhängigkeit ist gleichförmiger, zeigt jedoch periodische Strukturen mit Perioden von 60-70°. Erste statistische Vergleiche von CHAMP-Trockentemperaturprofilen mit meterologischen Analysen (ECMWF) ergaben eine gute Übereinstimmung. Die Tropopausenhöhe wird von den CHAMP-Messungen besser aufgelöst als von den Analysen. Der beobachtete Bias ist kleiner ~1 K oberhalb der Tropopause und sogar 30°N. Der statistische Vergleich von Refraktivitäten ergab einen negativen Refraktivitätsbias der CHAMP-Messungen gegenüber den ECMWF-Analysen unterhalb von 8 km. Die verglichenen Profile wurden dabei ohne Anwendung wellenoptischer Auswertemethoden abgeleitet. Weiterhin wurden aus den CHAMP-Messungen unter Verwendung meteorologischer Analysen Vertikalprofile der spezifischen Feuchte berechnet. Globale Wasserdampfverteilungen wurden erzeugt, die qualitativ Strukturen der globalen Feuchteverteilung gut wiedergeben, wie speziell die Gesamtstruktur der Innertropischen Konvergenzzone oder tropischen Konvergenzzentren über Südamerika, Afrika und Indonesien. In 33% der abgeleiteten Wasserdampfprofile treten jedoch unphysikalische Werte in der spezifischen Feuchte auf, welche auf verschiedene noch zu verbessernde Unzulänglichkeiten des bestehenden Systems bei der Wasserdampfableitung hinweisen. Die Eindringtiefe der CHAMP-Messungen in die untere Troposphäre wurde analysiert. Die minimal erreichbare Höhe ist von der Art der Datenanalyse abhängig. Für die gewählte Art der Prozessierung erreichte in der ersten Phase des CHAMP-Okkultationsexperiment nahezu jedes zweite Vertikalprofil den ersten Kilometer über der Erdoberfläche. Dieser Wert hängt von der geografischen Breite ab und beträgt ca. 30-35% in äquatorialen, 60% in mittleren und 70% in polaren Breiten. Auch dieses Ergebnis bedeutet einen Fortschritt in der GPS-Okkultationstechnik. Zu Zeiten geomagnetischer Stürme kann der prozentuale Anteil von Profilen unzureichender Qualität auf der Tagseite nahezu 50% betragen. Bei vollständiger Verfügbarkeit der GPS-Bodenstationsdaten stehen durchschnittlich Daten von ca. 4,5 Stationen pro Okkultation für die Auswertung der Okkultationsmessungen zur Verfügung. Mit der realen Datenverfügbarkeit wird ein Wert von ca. 3,5 erreicht. Allein mit 2 polaren Bodenstationen (McMurdo und Ny-Alesund) können nahezu

Zusammenfassung und Ausblick 50% der Okkultationen mittels der Doppeldifferenzentechnik prozessiert werden. Bei Anwendung der Doppeldifferenzentechnik zeigt eine Vergleichsstudie für einen Testdatensatz, dass die derzeit verwendete Datenrate der Bodenstationen ohne Qualitätsverlust der atmosphärischen Vertikalprofile von 1 s auf 30 s reduziert werden kann. Erstmals wurde eine Einfachdifferenzenmethode auf die Prozessierung von GPS- Okkultationsdaten angewendet. Dabei wurden die GPS-Uhrenfehler mit der Interpolation von 5 min-GPS-Uhrenlösungen korrigiert. Ein statistischer Vergleich von Vertikalprofilen, die mit Doppel- und Einfachdifferenzmethode berechnet wurden, mit ECMWF-Anlaysen ergab statistisch nahezu identische Ergebnisse. Damit konnte erstmals die Prozessierung von GPS-Okkultationsdaten ohne direkte Nutzung von GPS-Bodendaten zur GPS- Uhrenkorrektur durchgeführt werden. Dieses Ergebnis kann zur erheblichen Vereinfachung bestehender Prozessierungssysteme für GPS-Okkultationsdaten führen und besitzt vor allem für operationelle Anwendungen eine große Bedeutung. Durch die Anwendung der vorgestellten Einfachdifferenzenmethode können weiterhin Fehlereinflüsse eliminiert werden, die durch die Verwendung der Bodenmessungen entstehen. Weitere Studien sind jedoch notwendig, um die Unterschiede zwischen Doppel- und Einfachdifferenzenprofilen detailliert zu untersuchen. Ausblick Die ersten Okkultationsergebnisse von CHAMP zeigen, dass ein deutlicher Fortschritt in der Okkultationstechnik erreicht wurde. Die hohe Signalqualität ermöglicht eine Datenanalyse unabhängig vom AntiSpoofing-Modus des GPS und gestattet auch die Sondierung der unteren Troposphäre. Die CHAMP-Daten sind somit u.a. von großer Bedeutung für die Vorbereitung und Datennutzung zukünftiger Satellitenmissionen (GRACE, COSMIC, METOP, NPOESS), da sie die Weiterentwicklung der Auswertealgorithmen, vor allem für die untere Troposphäre, erlauben. Mit CHAMP und seiner Bodeninfrastruktur ergibt sich erstmals die Möglichkeit, in operationeller Weise GPS-Okkultationsdaten für die Wettervorhersage bereitzustellen. Die zeitliche Verfügbarkeit der Eingabedaten für die Okkultationsprozessierung ist dabei von entscheidender Bedeutung. Die schnelle Verfügbarkeit der GPS-Okkultationsdaten von CHAMP wird im weiteren Verlauf des Experiments mit einer Satellitenempfangsstation in polaren Breiten erreicht werden. Mit der vorgestellten Methode der Einfachdifferenzenprozessierung kann eine wesentliche Vereinfachung der Prozessierung für den operationellen Einsatz erreicht werden. Eine Schlüsselrolle kommt der schnellen Bereitstellung genauer Satellitenbahninformationen und GPS-Uhrenlösungen zu. Gelingt dies zeitgleich oder mit nur geringer Verzögerung zum Empfang der Satellitendaten, ist eine Bereitstellung globaler atmosphärischer Information aus GPS-Okkultationsmessungen mit nur 3 h Verzögerung nach der Messung ein realistisches Ziel. Die ersten Ergebnisse des CHAMP-Radiookkultationsexperimentes deuten darauf hin, dass CHAMP einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der GNSS-Radiookkultationstechnik liefern wird. Damit wird ein innovatives Fernerkundungsverfahren zur Sondierung der Erdatmosphäre im globalen Maßstab weiter verbessert, dessen Daten vielfältig in der Atmosphärenforschung, Wettervorhersage und Klimaforschung angewendet werden können. 129

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