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Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

Algorithmen, Prozessierungssystem und erste Ergebnisse

54 3 Prozessierung von

54 3 Prozessierung von GNSS-Radiookkultationsdaten Abb. 3.18: Ergebnisse der Raytracingsimulationen. Links: Strahlenwegaufspaltung zwischen L1- und L2-Signalweg; Mitte: Eingabetemperaturprofil und Temperaturprofile nach Anwendung der Ionosphärenkorrektur der Brechungswinkel für verschiedene Elektronendichteverteilungen; Rechts: Vergleich unterschiedlicher Ionosphärenkorrekturen für verschiedene Elektronendichteverteilungen, Differenz zwischen Ausgabe- und Eingabetemperaturprofil (aus [Wickert et al., 1997]). Abb. 3.18 (Mitte) zeigt einen Vergleich des Eingabetemperaturprofiles mit den ionosphärenkorrigierten Ausgabetemperaturprofilen (Linearkombination der Brechungswinkel α1 und α2). Die Abweichungen zum Eingabetemperaturprofil sind in einem Vergleich der Eingabe- mit den Ausgabetemperaturprofilen noch deutlicher dargestellt [Abb. 3.18 (Rechts)]. Für alle drei simulierten ionosphärischen Bedingungen liefert die Linearkombination der Brechungswinkel deutlich bessere Ergebnisse (durchgezogene Linie) als die Linearkombination der Trägerphasen (gestrichelte Linie). Die Ionosphäre auf der Nachtseite kann bei geringer Solaraktivität mit beiden Methoden nahezu komplett korrigiert werden, auf der Tagseite gelingt mit der Brechungswinkelkorrektur bis in Höhen von 40 km ebenfalls eine Korrektur im Bereich deutlich unter 1 K Abweichung. Für hohe Solaraktivität entsteht allerdings schon in einer Höhe von 40 km ein Restfehler von ca. 3 K, der in einer Höhe von ca. 55 km schon auf 10 K anwächst. Die dargestellten Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung zu Resultaten von Simulationen, die durch Gorbunov et al. [1996a] und Ladreiter und Kirchengast [1996] durchgeführt wurden. Zusammenfassend kann eingeschätzt werden, dass die modellunabhängige (d.h. Korrektur ohne zusätzliche, ergänzende Informationen) Ionosphärenkorrektur durch die Linearkombination der Brechungswinkel α1 und α2 für geringe Solaraktivität ausreichend ist, während unter Bedingungen hoher Solaraktivität ein signifikanter Restfehler verbleibt. 3.3.4 Statistische Optimierung des Brechungswinkels Im Höhenbereich oberhalb von 40/50 km haben der abgeleitete Brechungswinkel und sein Messrauschen eine vergleichbare Größenordnung (u.a. [Hocke, 1997; Sokolovskiy und Hunt 1996]). Eine Initialisierung der oberen Randbedingung mit zusätzlichen Brechungs-

3.3 Ableitung atmosphärischer Parameter winkeldaten („Optimierung“) ist notwendig, um unplausible Messwerte in diesem Höhenbereich zu eliminieren und um die folgenden Prozessierungsschritte, beginnend mit der Abelinversion, zu stabilisieren. Die mit dieser Optimierung verbundene Einführung von Fehlern in die abgeleiteten Vertikalprofile wird ausführlich durch Steiner [1998] diskutiert. Hier wird eine statistische Optimierungsmethode verwendet, die durch Hocke [1997] beschrieben und von Sokolovskiy und Hunt [1996] eingeführt wurde. In beiden Arbeiten wird das Atmosphärenmodell MSISE-90 [Hedin, 1991] benutzt. Die Umsetzung der Optimierung erfolgt mit der Anwendung einer Wichtungsfunktion, mit der Mess- und Modellwerte miteinander verknüpft werden. Zuerst wird das Rauschen σrausch des gemessenen Brechungswinkels α durch die lineare Abweichung vom Modellbrechungswinkel αm abgeschätzt: σ = α −α . (3.53) rausch m Die klimatologisch bedingte Variation des Brechungswinkels in der Mesosphäre/Stratopause wird mit 20% angenommen (ausgewählt durch Sokolovskiy und Hunt [1996]): σ = 20% α . (3.54) signal Der Wichtungsfaktor C berechnet sich nach: 1 C = σ 1+ σ rausch signal m . (3.55) Der statistisch optimierte Brechungswinkel αopt ergibt sich wie folgt: α = α + Cσ . (3.56) opt m rausch Bei geringen Höhen (C → 1) ist der optimierte Brechungswinkel mit dem gemessenen identisch (αopt → α), zu größeren Höhen hin (C → 0) geht der optimierte Brechungswinkel in den Modellbrechungswinkel über (αopt → αm). In der ersten Version der Prozessierungssoftware wird die Korrektur bei Höhen oberhalb von 45 km angewendet. Das verwendete MSISE-90-Brechungswinkelprofil wird bei einer Höhe von 130 km initialisiert. Den Einfluss unterschiedlicher Initialisierungshöhen für das Modell-Brechungswinkelprofil auf das abgeleitete Temperaturprofil beschreibt Steiner [1998]. Der Einfluss der Abweichung des Hintergrundmodells für die statistische Optimierung vom tatsächlichen atmosphärischen Zustand, also des Fehlers des Modells, auf die abgeleiteten atmosphärischen Parameter wurde detailliert von Steiner [1998] untersucht. Abb. 3.19 zeigt als Beispiel den Temperaturfehler einer GPS/MET-Sondierung, der durch einen Fehler im Hintergrundmodell von 5% verursacht wird. Es ergibt sich ein Bias in der Temperatur, der bei 30 km Höhe 3 K und bei 40 km ca. 8 K beträgt. 55

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