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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

2 Einleitung Dieses

2 Einleitung Dieses Datenprozessierungs- und Analysesystem wird auf einen operationellen meteorologischen Einsatz hin getestet und optimiert. Dazu werden die Daten des CHAMP- GPS-Okkultationsexperiments genutzt. Kriterien dabei sind einerseits die globale Verteilung, Qualität und Genauigkeit der Messungen sowie die vertikale Auflösung der Atmosphärenprofile. Zum anderen werden Aufwand, Schnelligkeit, Kontinuierlichkeit und Zuverlässigkeit der Prozessierung untersucht. Die Qualität der CHAMP-Profile wird durch einen statistischen Vergleich mit meteorologischen Analysen (ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) bewertet, bei dem sich eine Übereinstimmung von durchschnittlich 1 K im Bereich der oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre ergibt. Qualitätsmindernde Einflüsse durch die Ionosphäre sowie bei der Wasserdampfberechnung werden untersucht. Okkultationsereignisse werden simuliert, verschiedene Möglichkeiten der Berechnung der atmosphärischen Phasenwegverlängerung werden getestet. Dabei wird festgestellt, dass bei deaktiviertem Selective Availability–Modus des GPS-Systems eine Prozessierung ohne GPS- Bodendaten ebenfalls präzise Atmosphäreninformation liefert. Die tägliche Routineauswertung der CHAMP-Daten ergibt weiterhin, dass mit dem neuen GPS-Empfänger weitgehend unabhängig von geografischer Lage, Tageszeit, Wetter und Aktivierungsstatus des GPS-Antispoofing Modus gemessen werden kann. Damit kann das CHAMP- Radiookkultationsexperiment als erster, erfolgreicher Test der neuen GPS-Radiookkultationstechnik für den Einsatz in der operationellen Meteorologie angesehen werden. Die vorliegende Arbeit ist wie folgt strukturiert: Im ersten Kapitel wird der Untersuchungsgegenstand, die Erdatmosphäre, vor allem deren Vertikalstruktur, genauer beschrieben. Derzeit etablierte Fernerkundungsverfahren zur Gewinnung globaler atmosphärischer Daten für die Wettervorhersage werden charakterisiert. Eine kurze Einführung in die Datenassimilation und Wettervorhersage wird gegeben. Das nächste Kapitel führt die GNSS (Global Navigation Satellite System)-Radiookkultationstechnik ein. Im folgenden Kapitel werden die physikalischen Grundlagen des Verfahrens am Beispiel des GPS dargestellt und die Ableitung atmosphärischer Parameter aus GPS- Satelliten- und Bodendaten wird detailliert beschrieben. In den nächsten Kapiteln wird die praktische Umsetzung eines GNSS-Radiookkultationsexperiments am Beispiel der CHAMP-Mission beschrieben. Dazu werden zunächst die Mission selbst und der Satellit im vierten Kapitel kurz charakterisiert. Im fünften Kapitel werden das Experiment und die zugehörige Infrastruktur detailliert beschrieben. Im Mittelpunkt steht dabei das Prozessierungssystem für die Okkultationsdaten. Im letzten Kapitel wird die erste Phase des CHAMP-Okkultationsexperiments (Februar bis Juli 2001) beschrieben, erste Ergebnisse der operationellen Datenprozessierung werden vorgestellt, u.a. erfolgt ein statistischer Vergleich von CHAMP-Profilen mit meteorologischen Analysen und die Beschreibung und Validierung einer neuen Prozessierungsmethode ohne direkte Nutzung von GPS-Bodendaten. Am Ende der Arbeit werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst.

1 FERNERKUNDUNG DER ATMOSPHÄRE Ballongestützte Radiosondenmessungen waren lange Zeit die effektivste Möglichkeit, kontinuierliche und zuverlässige Informationen über den Zustand der freien Atmosphäre zu erhalten. Seit dem Start des ersten rein meteorologischen Satelliten, TIROS-1 am 1. April 1960 (Television and InfraRed Observational Satellite-1) spielen jedoch auch Wettersatelliten als Datenlieferanten eine immer wichtigere Rolle. Ein neues Zeitalter der meteorologischen Messtechnik begann [Kidder und Vonder Haar, 1995]. Eine der wesentlichen Hoffnungen, die in der GPS-Radiookkultationstechnik gesehen werden, ist das Potential, in naher Zukunft als wichtige Datenquelle u.a. für die globale Wettervorhersage zu dienen, also Informationen über die Erdatmosphäre im globalen Maßstab operationell zur Verfügung zu stellen. Damit würden die bisher dafür genutzten Fernerkundungsverfahren nicht überflüssig, sie können in exzellenter Weise ergänzt werden. Das in dieser Arbeit vorgestellte Prozessierungssystem für GPS-Radiookkultationsdaten wurde von Beginn an nach operationellen Gesichtspunkten entwickelt und ist in Zukunft für den Pilotbetrieb zur operationellen Bereitstellung atmosphärischer Daten für die Assimilation zur globalen Wettervorhersage des Deutschen Wetterdienstes (DWD) vorgesehen. Diese Aktivitäten finden im Rahmen des deutschen HGF (Helmholtz- Gemeinschaft für Forschung)-Strategiefondsprojektes GASP statt (Global Atmosphere Sounding Project, Reigber et al. [2001c]; Reigber [1998c]). Ist dieses Projekt erfolgreich, wird ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Wettervorhersage geleistet. Nach einer Kurzbeschreibung des zu untersuchenden Mediums, der Erdatmosphäre, werden die derzeit gebräuchlichsten Fernerkundungsverfahren für die globale Wettervorhersage und die mit ihnen verbundenen technischen Systeme charakterisiert. Dabei stehen Radiosondierungen und die Messungen von Wettersatelliten im Vordergrund. Im Anschluss werden Datenassimilation und globale Wettervorhersage kurz beschrieben und Anforderungen an die zeitliche Verfügbarkeit von Atmosphärendaten für die operationelle Datenassimilation abgeleitet. 1.1 Struktur der Atmosphäre Als Atmosphäre wird die Gashülle der Erde bezeichnet. Sie besitzt eine Gesamtmasse von ca. 5,1·10 18 kg und ist ein Gemisch verschiedener Gaskomponenten. Verursacht durch die intensive Sonnenstrahlung kommt es in den oberen Schichten zu einer teilweisen Ionisation ihrer Moleküle und Atome. Es ist daher sinnvoll, den elektrisch neutralen und den ionisierten Atmosphärenanteil getrennt zu behandeln. Detailliertere Darstellungen zum Aufbau und zur Zusammensetzung der Atmosphäre geben z.B. Liljequist und Cehak [1994], Roedel [1992] oder Kertz [1989]. 1.1.1 Vertikalstruktur des Neutralgases Nach dem Temperaturverlauf mit der Höhe über der Erdoberfläche werden folgende Höhenbereiche (Sphären) unterschieden: Tropo-, Strato-, Meso- und Thermosphäre

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