Bestimmung des atmosphärischen Wasserdampfes mittels VLBI als Beitrag zur Klimaforschung

Abstract

Innerhalb der geodätischen Weltraumverfahren verfügt die VLBI (Very Long Baseline Interferometry) über lange und homogene Beobachtungsreihen, deren Anfänge in den späten Siebziger Jahren teilwei-se über 25 Jahre zurückliegen. An den global verteilten VLBI-Stationen wurden seit den Anfängen parallel zu den geodätischen Messungen die meteorologischen Größen Luftdruck, relative Feuchte und Temperatur aufgezeichnet. Die Refraktionen der geodätischen Beobachtungssignale in der Troposphä-re werden überwiegend als zu korrigierende Fehleranteile betrachtet und im Zuge der Analyse mit entsprechenden Modellen korrigiert, damit die primären geodätischen Zielparameter möglichst unver-fälscht erhalten werden. Aus den in der Parameterschätzung bestimmten troposphärischen Laufzeit-verzögerungen kann jedoch mit Hilfe der meteorologischen Zustandsgrößen der Wasserdampfgehalt der freien Atmosphäre in der Nähe der Beobachtungsstationen abgeleitet werden. Da im Vergleich zu den Satellitenpositionierungsverfahren bei VLBI wegen der Richtwirkung der Teleskope auch bei Be-obachtung unter sehr kleinen Elevationswinkeln keine nennenswerten Mehrwegeffekte auftreten, kön-nen diese für die Bestimmung der Troposphärenparameter äußerst wertvollen Beobachtungen in die Auswertung miteinbezogen werden. Die Berücksichtigung dieser niedrigen Beobachtungen bringt ebenso eine hohe Dekorrelation der Parametergruppen der Troposphäre, der Uhren und der Stations-höhen mit sich und verbessert die Schätzung der Troposphärengradienten. Die vorliegende Arbeit un-tersucht die Möglichkeiten und Grenzen der VLBI lange Zeitreihen homogener troposphärischer Lauf-zeitverzögerungen für klimatische Studien bereitzustellen. Die in der VLBI-Auswertesoftware OCCAM vorhandenen Analyseoptionen und Modelle werden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Be-stimmung überprüft, woraufhin eine optimale Analysekonfiguration vorgeschlagen werden kann. Die langen Zeitreihen werden mit den Zeitreihen anderer Analysezentren des IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry) verglichen und kombiniert. Das kombinierte IVS-Troposphärenprodukt wird mit einem Troposphärenprodukt des IGS (International GNSS Service) und mit den aus dem numerischen Wettermodell des ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts) abgeleiteten Laufzeitverzögerungen verglichen.<br />

Among the space geodetic techniques VLBI provides long and homogeneous time series of observa-tions, which date back to the late seventies covering almost 25 years. Since then meteorological sur-face data such as atmospheric pressure, relative humidity, and air temperature were simultaneously recorded at its globally distributed network stations. So far the refraction of geodetic radio signals by the troposphere were mostly considered a nuisance, for what geodetic parameters of interest have to be corrected during the analysis.<br />However, the estimated tropospheric delays together with the surface meteorological data enable the derivation of water vapor within the free atmosphere surrounding the sites. Due to the pointing characteristics of VLBI antennae the technique is insensitive to multi-path effects, thus it is possible to include observations under very low elevation angles for the determina-tion of tropospheric parameters. Processing those observations within the parameter estimation ac-complishes a high degree of decorrelation between troposphere, clock, and vertical station groups of parameters and enhances the feasibility to obtain reliable troposphere gradients. In the course of the thesis the application and limits of VLBI for the determination of long and homogeneous time series of tropospheric water vapor are investigated in terms of its possible role in climate research. Effects due to analysis options and models within the VLBI software package OCCAM are quantified in order to develop an optimal analysis configuration. Long time series of tropospheric signal delays are there-upon compared and combined with the time series of seven other Analysis Centers of the IVS. The IVS combined troposphere time series are compared with a combined IGS troposphere product and with theoretical delays derived by numerical integration through meteorological data of the ECMWF weather model.