Entwicklung eines Verfahrens zur Verbesserung der mittels GPS-Tomographie berechneten Wasserdampfprofile in der Atmosphäre und deren Assimilation in numerischen Wettermodellen im Hinblick auf bessere Niederschlagsprognosen (Kurztitel: GANUWE)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 186.16.06

Schlüsselwörter (Deutsch)

GPS-Tomographie, numerisches Wettermodell, MeteoSchweiz

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Moderne satellitengestützte Methoden ermöglichen die Entwicklung neuer innovativer Verfahren zur Bestimmung des Wasserdampfgehaltes in der Atmosphäre. Anhand von GPS-Messungen und mit Hilfe eines tomografischen Ansatzes kann die Verteilung des Wasserdampfes in Form von 3D-Profilen und in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung bestimmt werden. Es wird dabei die physikalische Eigenschaft ausgenützt, wonach die GPS-Radiowellen eine zeitliche Verzögerung erfahren, in Funktion der Menge Wasserdampf, die sie auf dem Weg zwischen Satellit und Permanentstation am Boden durchlaufen.

Die neu gewonnenen Daten bezüglich Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre sollen ins numerische Wettermodell aLMo2 mit feinen Maschen von ca. 2x2 km eingespiesen werden zur Verbesserung der Prognosen insbesondere bezüglich Niederschläge Damit sollen auch die Prognosen über extreme Niederschlagsereignisse verbessert werden, so dass Sicherheitsmassnahmen zum Schutz von Menschen und Infrastrukturen schneller und präziser getroffen werden können.

Das Projekt ist vorerst auf die Schweiz als Untersuchungsgebiet beschränkt, die eine hohe Dichte von GPS-Stationen aufweist. Bei positiven Ergebnissen kann das Verfahren auf grössere Gebiete angewendet werden. Dabei stünde die Ausdehnung auf den gesamten Alpenraum im Vordergrund, da sich hier die hydrologische Gefahrensituation und extreme Wettereignisse in einem ähnlichen Kontext zeigen. Das Konzept der Assimilation von GPS-tomographischen Technologien wird in diesem Projekt weltweit erstmalig umgesetzt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Operationalisierte GPS-Tomographie-Software AWATOS zur Erstellung von Feuchterefraktivitätsprofilen.

2. Algorithmik für die Konversion von Feuchterefraktivitätsprofilen in Wasserdampfprofile und für die Assimilation dieser Daten in das Wettermodell aLMo

3. Quantitative und qualitative Einschätzung der verbesserten numerischen Wettervorher-sage dank GPS-Tomographie und deren Assimilation in aLMo.

Projektziele (Deutsch)

Entwicklung eines Verfahrens zur Verbesserung der mittels GPS-Tomographie berechneten Wasserdampfprofile in der Atmosphäre und deren Assimilation in numerischen Wettermodellen im Hinblick auf bessere Niederschlagsprognosen.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Mit modernen satellitengestützten Methoden, neuen innovativen Verfahren und einem tomografischen Ansatz wurde die Verteilung des Wasserdampfes in der Atmosphäre in Form von 3D-Profilen und in hoher raum-zeitlicher Auflösung bestimmt. Dabei wird die physikalische Eigenschaft ausgenützt, dass die Satellitensignale (GPS-Radiowellen) in Funktion der Menge Wasserdampf, die sie auf dem Weg zwischen Satellit und Permanentstation am Boden durchlaufen, verzögert werden. Die GPS Daten wurden durch das Bundesamt für Landestopographie swisstopo aufgearbeitet und bereitgestellt.

Die tomographische Methode wurde weiter verbessert: Zum Einen durch die Modellierung der variierenden Refraktion innerhalb einer Digitalisationszelle und zum Anderen durch Berücksichtigung der zeitlichen Variation des Wasserdampfgehaltes mittels Filteransätzen (Kalman-Filter).

Dies wird real-time Berechnungen und deren Einbindung in die neueste Generation der in Entwicklung begriffenen Assimilationsverfahren ermöglichen. Die Validierung der neuen Algorithmen und Verfahren erfolgte anhand von Simulationen und von realen Daten.

Die Untersuchungen haben zusätzlich gezeigt, dass alleine durch den Einsatz eines weiteren Satellitensystems (Galileo) die Genauigkeit um ca. 10% verbessert wird. Die Bestückung des existierenden meteorologischen Messnetzes mit Satellitenempfängern würde die Genauigkeit der Tomographielösung um etwa 10-20% verbessern.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

‚GANUWE‘, (Projektpartner:  BAFU, ETHZ, MeteoSchweiz,, swisstopo)  hat die Entwicklung der GPS-Tomographie entscheidend weitergebracht. Die gewonnenen Erkenntnisse fliessen in neue Folgeprojekte ein wie z.B. das Projekt APUNCH (CCES-ETH-Bereich), wo die GPS-tomographische Bestimmung von sehr kleinräumigen, unter 2 km Auflösung, Wasserdampffeldern untersucht und entwickelt wird. Zudem könnten die im Laufe dieses Projektes entworfenen Ansätze für klimatische Untersuchungen der Entwicklung der globalen Wasserdampfverteilung verwendet werden, dies im Rahmen von Neuauswertungen von permanenten GPS-Messungen der letzten zehn bis zwanzig Jahre (Projekt ‚ GPS-Reprocessing‘, ETHZ, TU Dresden). Die Ergebnisse und Erkenntnisse aus ‚GANUWE‘ finden direkt Eingang bei der Einbindung Satelliten-tomographischer Daten in neukonzipierten numerischen Wettermodellen (Projekt ‚KENDA‘, MeteoSchweiz, DWD). In diesen neuen Modellen werden auch indirekte Beobachtungen in die Prognosen einfliessen.

 

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Gegenwärtige Überlegungen zielen auf einen eigentlichen Paradigmenwechsel ab, wonach die tomographische Algorithmik direkt in der GPS Auswertung oder direkt im Wettermodell einzubinden wären. In jedem Fall wird die nahe Zukunft mit der Installation zusätzlicher Bodenstationen und dem Aufbau neuer Satellitensysteme nochmals eine Qualitätssteigerung der tomographischen Wasserdampfbestimmung mit Navigationssatelliten bringen. Dies sind Glonass, Galileo und Compass. Es ist zu erwarten, dass in den kommenden Jahren somit 4 globale Systeme zur Verfügung stehen werden und die Tomographieresultate mit entsprechend hoher Genauigkeit in das numerische Wettermodell eingebunden werden können.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Lutz, S., 2009. High-resolution GPS tomography in view of hydrological hazard assessment, Schweizerische Geodätische Kommission, 202 Seiten. ISBN 978-3-908440-20-8

Lutz, S., M. Troller, D. Perler, A. Geiger, H.-G. Kahle, 2010. Better Weather Prediction Using GPS: Water Vapor Tomography in the Swiss Alps. GPS World, innovation, Remote Sensing, 40-47, July 2010.

Perler, D., A. Geiger, 2010. 4D GPS water vapor tomography: New parameterized approaches. Submitted to IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing.

Perler, D., A. Geiger, D. Leuenberger, E. Brockmann, H.-G. Kahle, M. Rothacher, 2009. A new parameterized fully ellipsoidal 3D-filtered tomographic approach for GNSS water vapor retrieval. Proceedings, EGU, Wien, 2009.

Perler, D., A. Geiger, M. Rothacher, 2010. Long-term study about water vapor retrieval with parameterized GPS tomography. Proceedings, EGU, Wien.

Perler, D., M. Troller, D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger, H.-G. Kahle, 2007. GPS-Tomographie: Was bringt Galileo? Proceedings, AHORN 2007 in Bad Reichhall, Deutschland.

Perler, D.; A. Geiger, D. Leuenberger, E. Brockmann, H.-G. Kahle, 2008. Impact of GNSS Network Design on Water Vapour Tomography. Proceedings of the Swiss Geoscience Meeting 2008, Lugano, p. 141.

Rotach, M., D. Leuenberger, 2008: DAQUA-GPS Tomography, Report on DFG Project: Use of Humidity Profiles from GPS-Tomography for NWP. DFG Ro 3433/2-2.

Trentmann, J., C. Barthlott, H. Bauer, C. Keil, M. Salzmann, M. Lawrence, D. Leuenberger, H. Wernli and V. Wulfmeyer, 2007: Multi-model simulations of a convective situation in mountainous terrain, In: Proceedings, 29th International Conference on Alpine Meteorology, 4.-8. June, Chambéry, France, 793-796.

Troller, M., A. Geiger and H.-G. Kahle, 2007: Determination of the Spatial Distribution of Water Vapor above Switzerland using GPS Tomography, Swiss National Report on the Geodetic Activities in the years 2003 to 2007, 2007

Troller, M., A. Geiger, D. Perler, H.-G. Kahle, D. Leuenberger, E. Brockmann, 2007: GPS-Tomography for Meteorology: Impact on Operational Weather Forecast, Proceedings ION-GNSS, Fort Worth (Texas), 2861-2869.

Troller, M., D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger H.-G. Kahle, 2007: Impact of GPS-Tomography on Operational Weather Forecast: Determination of the 3D Distribution of Humidity, Proceedings, TimeNav, Geneva, 2007.

Troller, M.; Geiger, A.; Brockmann, E.; Bettems, J.-M.; Bürki, B.; Kahle, H.-G., 2006: Tomographic determination of the spatial distribution of water vapor using GPS observations. Advances in space research, Elsevier, Vol. 37, ISSN / ISBN: 0273-1177, 2211-2217.

Troller, M.; Geiger, A.; Brockmann, E.; Kahle, H.-G., 2006: Determination of the spatial and temporal variation of tropospheric water vapour using CGPS networks. Geophysical journal international, vol. 167, ISSN / ISBN 0956-540X;1365-246X.

Troller, M.; Leuenberger, D.; Brockmann, E.; Geiger, A.; Kahle, H.-G., 2007: GPS-Tomography: Results and analyses of the operational determination of humidity profiles over Switzerland. Geophysical research abstracts ISSN / ISBN: 1029-7006; 1607-7962 Vol. 9 Issue: A-03221.

 

Vorträge:

 

Geiger, A., D. Perler, 2009: High resolution GNSS tomography for water vapour retrieval and quasi real-time heavy precipitation forecast. International Association of Institutes of Navigation – IAIN, Stockholm, October 27th - 30th 2009.

Geiger, A., D. Perler, M. Troller, 2009: Tomographic Determination of the Spatial Distribution of Water Vapor Using GPS observations, Report to Swiss Geodetic Commission, Zurich.

Hurter, F., 2009: GPS tomography and weather radar - benefit from synergies, APUNCH workshop, Zürich, 19. Juni, 2009.

Hurter, F., 2010: The Zermatt campaign 2010: Measuring atmospheric water vapor, Zürich, APUNCH progress meeting, 25. May, 2010.

Hurter, F., 2010: Why do geodesists care about water vapor?, Hydrology seminar, ETH Zürich, 26. März, 2010:

Keil, C., D. Leuenberger, G. Craig, 2007: Radar Rainfall Assimilation and Short-Range QPF in a High-Resolution Ensemble Prediction System. Proceedings, 29th International Conference on Alpine Meteorology, 4.-8. June 2007, Chambéry, France, Vol1, pp. 123-126

Leuenberger, D. and M. Troller, 2007: Humidity profiles from GPS Tomography for the use in the COSMO model, COSMO General Meeting, 18.–21.9. 2007, Athens, Greece

Perler, D., A. Geiger, D. Leuenberger, E. Brockmann, H.-G. Kahle, M. Rothacher: 2009. A new parameterized fully ellipsoidal 3D-filtered tomographic approach for GNSS water vapor retrieval. Vortrag an der EGU, Wien.

Perler, D., A. Geiger, M. Rothacher: 2010. Long-term study about water vapor retrieval with parameterized GPS tomography. Poster an der EGU in Wien.

Perler, D., D. Leuenberger, M. Troller, S. Lutz: 2008. Wasserdampf-Tomographie und Anwendungen. MO-Seminar des Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie, Zürich.

Perler, D., F. Hurter, B. Bürki, 2010: Atmospheric water vapor monitoring for weather prediction and climate. IPEG, ETH Zürich, 19. January, 2010.

Perler, D.; A. Geiger, D. Leuenberger, E. Brockmann, H.-G. Kahle, 2008. Impact of GNSS Network Design on Water Vapour Tomography. Proceedings of the Swiss Geoscience Meeting 2008, Lugano, p. 141.

Perler, D., M. Troller, D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger, H.-G. Kahle, 2007: GPS-Tomographie: Was bringt Galileo? AHORN07, Bad Reichhall, Deutschland, 2007.

Schraff, Ch. Priority Project "KENDA", 2010: Km-Scale Ensemble-Based Data Assimilation, http://cosmo-model.cscs.ch/content/tasks/priorityProjects/kenda/default.htm

Troller, M., D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger and H.-G. Kahle, 2007: GPS-Tomography: Results and Analyses of the Operational Determination of Humidity Profiles over Switzerland, Poster an der EGU in Wien, 2007.

Troller, M., D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger, H.-G. Kahle, 2007b: Impact of GPS-Tomography on Operational Weather Forecast: Determination of the 3D Distribution of Humidity, European Navigation Conference (ENC-GNSS), 29 May - 1 June 2007, Geneva, Switzerland.

Troller, M., D. Leuenberger, E. Brockmann, A. Geiger, H.-G. Kahle, 2007c: GPS-Tomography: Results and Analyses of the Operational Determination of Humidity Profiles over Switzerland, European Geosciences Union General Assembly, 15 – 20 April 2007, Vienna, Austria