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Nutzung von GNSS troposphärischen Gradienten für Monitoring und Vorhersage von Extremwetterereignissen (EGMAP)

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) haben die Positionierung, Navigation und Zeitmessung revolutioniert und sind mittlerweile aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Eine geophysikalische Anwendung ist die Bestimmung des Wasserdampfgehalts der Atmosphäre. Daten von europäischen GNSS-Netzwerken werden bereits operationell zur Verbesserung der Wettervorhersage verwendet. Der Einfluss der GNSS Zenith Total Delays (ZTDs) in den Vorhersagesystemen ist allerdings durch den Informationsgehalt limitiert. Das durch die DFG geförderte Projekt EGMAP zielt auf die Ableitung und Nutzung von GNSS-Datenprodukten der nächsten Generation ab, den sogenannten Troposhärischen Gradienten (Bild 1). Es soll untersucht werden, inwieweit die neuen GNSS-Datenprodukte die numerische Wettervorhersage verbessern können.

Die Bildmitte zeigt ein Beispiel einer GNSS Gradienten-Karte. Im Bild links ist zum Vergleich die aus einem Numerischen Wettervorhersagemodell abgeleitete Gradienten-Karte gezeigt. Um zu demonstrieren, dass die Präsenz von Gradienten mit speziellen Wetterlagen in Verbinndung steht, sind die Bilder mit dem Radar Daten (Niederschlag) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) überlagert. Die stationsspezifischen GNSS Integrierten Wasserdampf Werte im Bild rechts zeigen, dass die GNSS Gradienten mit horizontalen Gradienten im Integrierten Wasserdampf in Verbinndung stehen; typischerweise zeigen die Gradienten den Übergang von trockenen in feuchte Regionen.
Bild 1: Die Bildmitte zeigt ein Beispiel einer GNSS-Gradienten-Karte. Im Bild links ist zum Vergleich die aus einem Numerischen Wettervorhersagemodell abgeleitete Gradienten-Karte gezeigt. Um zu demonstrieren, dass die Präsenz von Gradienten mit speziellen Wetterlagen in Verbindung steht, sind die Bilder mit Radardaten (Niederschlag) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) überlagert. Die stationsspezifischen GNSS Integrierten Wasserdampfwerte im Bild rechts zeigen, dass die GNSS-Gradienten mit horizontalen Gradienten im Integrierten Wasserdampf in Verbindung stehen; typischerweise zeigen die Gradienten den Übergang von trockenen in feuchte Regionen. (GFZ)
Schematische Darstellung der Arbeitspakete des Projekts
Bild 2: Schematische Darstellung der Arbeitspakete des Projekts (GFZ)

Die drei Kernarbeitspunkte des Projekts sind (Bild 2):

  1. Ableitung von GNSS-ZTDs und Gradienten in Nahe-Echtzeit und Installation eines Monitoring-Systems.
  2. Implementierung eines neuen Operators in das Variationelle/Ensemble-basierte Datenassimilationssystems des Weather Research and Forecasting (WRF) Modells.
  3. Impaktstudien mit dem state-of-the-art Numerischen Wettervohersagemodell.

 

Referenzen:

Skamarock, W.C., Klemp, J.B., Dudhia, J., Gill, D.O., Barker, D.M., Duda, M.G., Huang, X.Y., Wang, W., Powers, J.G. (2008): A Description of the Advanced Research WRF Version 3; NCAR tech. note NCAR/TN-475+STR; NCAR: Boulder, CO, USA.

Zus, F., G. Dick, S. Heise, and J. Wickert (2015): A forward operator and its adjoint for GPS slant total delays, Radio Sci., 50, pp. 393-405, doi.org/10.1002/2014RS005584.

Zus, F., Douša, J., Kačmařík, M., Václavovic, P., Dick, G., Wickert, J. (2019): Estimating the Impact of Global Navigation Satellite System Horizontal Delay Gradients in Variational Data Assimilation. Remote Sens., 11, 41. https://doi.org/10.3390/rs11010041.

Zus, F., Thundathil, R., Dick, G., Wickert, J. (2023): Fast Observation Operator for Global Navigation Satellite System Tropospheric Gradients. Remote Sens., 15, 5114. https://doi.org/10.3390/rs15215114.

Thundathil, R., Zus, F., Dick, G., and Wickert, J. (2024): Assimilation of GNSS tropospheric gradients into the Weather Research and Forecasting (WRF) model version 4.4.1, Geosci. Model Dev., 17, 3599–3616, https://doi.org/10.5194/gmd-17-3599-2024.

Link zum Projekt in der GEPRIS-Projektdatenbank der DFG:

gepris.dfg.de/gepris/projekt/443676585

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