Bestimmung und Analyse des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes aus globalen GPS-Beobachtungen einer Dekade mit besonderem Blick auf die Antarktis

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gehört zu den Hauptkontrolleuren des Treibhauseffektes und spielt eine Schlüsselrolle im globalen Energiekreislauf, wobei den Polargebieten als globale Wärmesenken eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aus Messungen des Global Positioning System (GPS) der integrierte Wasserdampfgehalt innerhalb der letzten Dekade bestimmt und analysiert. Die Untersuchungen stützen sich auf die Reprozessierung eines aus 195 Stationen bestehenden globalen GPS-Netzes. Die aus den geschätzten GPS-Troposphärenparameter bestimmten Wasserdampf- zeitreihen wurden hinsichtlich Genauigkeit und Homogenität untersucht. Nach Korrektion der Inhomogenit äten ist es möglich, mit GPS mehrjährige Schwankungen im potenziellen Niederschlagswasser mit einer Genauigkeit besser als 0,3 mm Höhe der Wassersäule zu erfassen. Als Ergebnis der Untersuchungen zeigen sich in Europa und großen Teilen Nordamerikas Anomalien des Wasserdampfgehaltes im Bereich eines Millimeters, welche sich vor allem auf thermodynamische Effekte zurückführen lassen. In den Tropen und im Südosten der USA können die Wasserdampfanomalien 3 bis 5 mm betragen. Sie sind durch dynamische Prozesse bedingt, die mit der Südlichen Oszillation im Zusammenhang stehen. Eine Anwendung der aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen ist die Validierung des Wasserdampfes im globalen Wettervorhersagemodell des National Center for Environmental Predicton (NCEP). Über Europa und großen Teilen Nordamerikas reproduziert NCEP die Schwankungen des Wasserdampfgehaltes sehr gut und stellt damit eine gute Datengrundlage für ?ächendeckende Untersuchungen langfristiger Veränderungen im Wasserdampfgehalt dar. In der Antarktis und den Tropen wird jedoch das saisonale und mehrjährige Signal des Wasserdampfes von NCEP um 25% bis 40% unterschätzt. Als zweite Anwendung der GPS-Wasserdampfzeitreihen erfolgt die Validierung satellitenbasierter Radiometermessungen über der Antarktis. Sie zeigt eine gute Übereinstimmung der Wasserdampfwerte aus GPSund Radiometermessungen. Die im Rahmen dieser Arbeit aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen bilden eine sehr gute Datengrundlage für weitergehende Untersuchungen der Wetter- und Klimaforschung.The atmospheric water vapour is one of the main variables controlling the greenhouse effect and it plays a crucial role in the global energy cycle. In this context the polar regions which act as global heat sinks are especially important. This study uses observations from the Global Positioning System (GPS) to investigate changes of the integrated atmospheric water vapour. It is based on a reprocessing of a global GPS network consisting of 195 stations. A strong emphasis was placed on the investigation of the accuracy and the homogeneity of the GPS derived water vapour time series. After correcting the inhomogeneities interannual ?uctuations in the precipitable water can be determined from GPS data with an accuracy of 0.3 mm in water column height. As a result, the interannual variations in the water vapour content are in the order of one millimetre over Europe and over large areas of North America. They are mainly related to thermodynamic effects. In the tropics and in the south east of the USA water vapour anomalies can reach 3 to 5 mm caused by dynamic processes connected to the Southern Oscillation. As one application of the estimated GPS water vapour time series a validation of water vapour from the global numerical weather prediction model of the National Center for Environmental Prediction (NCEP) was carried out. Over Europe and large parts of North America the seasonal signal and the interannual variations of the water vapour are very well reproduced by NCEP. Hence, in these regions NCEP presents a good database for area-wide investigations of long-term changes in the water vapour content. However, in Antarctica and in the Tropics the seasonal and also the interannual signals of the NCEP water vapour are strongly underestimated by 25% to 40%. A second application of the estimated GPS water vapour time series is the validation of satellite-based radiometer measurements over Antarctica. A good agreement was found between the water vapour derived from GPS and radiometer data. The water vapour time series estimated in this study provide a good basis for further weather and climate related investigations

GNSS - ein Werkzeug für globale und regionale geophysikalische Forschung

Beitrag zu GNSS anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich

Bestimmung und Analyse des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes aus globalen GPS-Beobachtungen einer Dekade mit besonderem Blick auf die Antarktis

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gehört zu den Hauptkontrolleuren des Treibhauseffektes und spielt eine Schlüsselrolle im globalen Energiekreislauf, wobei den Polargebieten als globale Wärmesenken eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aus Messungen des Global Positioning System (GPS) der integrierte Wasserdampfgehalt innerhalb der letzten Dekade bestimmt und analysiert. Die Untersuchungen stützen sich auf die Reprozessierung eines aus 195 Stationen bestehenden globalen GPS-Netzes. Die aus den geschätzten GPS-Troposphärenparameter bestimmten Wasserdampf- zeitreihen wurden hinsichtlich Genauigkeit und Homogenität untersucht. Nach Korrektion der Inhomogenit äten ist es möglich, mit GPS mehrjährige Schwankungen im potenziellen Niederschlagswasser mit einer Genauigkeit besser als 0,3 mm Höhe der Wassersäule zu erfassen. Als Ergebnis der Untersuchungen zeigen sich in Europa und großen Teilen Nordamerikas Anomalien des Wasserdampfgehaltes im Bereich eines Millimeters, welche sich vor allem auf thermodynamische Effekte zurückführen lassen. In den Tropen und im Südosten der USA können die Wasserdampfanomalien 3 bis 5 mm betragen. Sie sind durch dynamische Prozesse bedingt, die mit der Südlichen Oszillation im Zusammenhang stehen. Eine Anwendung der aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen ist die Validierung des Wasserdampfes im globalen Wettervorhersagemodell des National Center for Environmental Predicton (NCEP). Über Europa und großen Teilen Nordamerikas reproduziert NCEP die Schwankungen des Wasserdampfgehaltes sehr gut und stellt damit eine gute Datengrundlage für ?ächendeckende Untersuchungen langfristiger Veränderungen im Wasserdampfgehalt dar. In der Antarktis und den Tropen wird jedoch das saisonale und mehrjährige Signal des Wasserdampfes von NCEP um 25% bis 40% unterschätzt. Als zweite Anwendung der GPS-Wasserdampfzeitreihen erfolgt die Validierung satellitenbasierter Radiometermessungen über der Antarktis. Sie zeigt eine gute Übereinstimmung der Wasserdampfwerte aus GPSund Radiometermessungen. Die im Rahmen dieser Arbeit aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen bilden eine sehr gute Datengrundlage für weitergehende Untersuchungen der Wetter- und Klimaforschung.The atmospheric water vapour is one of the main variables controlling the greenhouse effect and it plays a crucial role in the global energy cycle. In this context the polar regions which act as global heat sinks are especially important. This study uses observations from the Global Positioning System (GPS) to investigate changes of the integrated atmospheric water vapour. It is based on a reprocessing of a global GPS network consisting of 195 stations. A strong emphasis was placed on the investigation of the accuracy and the homogeneity of the GPS derived water vapour time series. After correcting the inhomogeneities interannual ?uctuations in the precipitable water can be determined from GPS data with an accuracy of 0.3 mm in water column height. As a result, the interannual variations in the water vapour content are in the order of one millimetre over Europe and over large areas of North America. They are mainly related to thermodynamic effects. In the tropics and in the south east of the USA water vapour anomalies can reach 3 to 5 mm caused by dynamic processes connected to the Southern Oscillation. As one application of the estimated GPS water vapour time series a validation of water vapour from the global numerical weather prediction model of the National Center for Environmental Prediction (NCEP) was carried out. Over Europe and large parts of North America the seasonal signal and the interannual variations of the water vapour are very well reproduced by NCEP. Hence, in these regions NCEP presents a good database for area-wide investigations of long-term changes in the water vapour content. However, in Antarctica and in the Tropics the seasonal and also the interannual signals of the NCEP water vapour are strongly underestimated by 25% to 40%. A second application of the estimated GPS water vapour time series is the validation of satellite-based radiometer measurements over Antarctica. A good agreement was found between the water vapour derived from GPS and radiometer data. The water vapour time series estimated in this study provide a good basis for further weather and climate related investigations

Bestimmung und Analyse des atmosphärischen Wasserdampfgehaltes aus globalen GPS-Beobachtungen einer Dekade mit besonderem Blick auf die Antarktis

Der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre gehört zu den Hauptkontrolleuren des Treibhauseffektes und spielt eine Schlüsselrolle im globalen Energiekreislauf, wobei den Polargebieten als globale Wärmesenken eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde aus Messungen des Global Positioning System (GPS) der integrierte Wasserdampfgehalt innerhalb der letzten Dekade bestimmt und analysiert. Die Untersuchungen stützen sich auf die Reprozessierung eines aus 195 Stationen bestehenden globalen GPS-Netzes. Die aus den geschätzten GPS-Troposphärenparameter bestimmten Wasserdampf- zeitreihen wurden hinsichtlich Genauigkeit und Homogenität untersucht. Nach Korrektion der Inhomogenit äten ist es möglich, mit GPS mehrjährige Schwankungen im potenziellen Niederschlagswasser mit einer Genauigkeit besser als 0,3 mm Höhe der Wassersäule zu erfassen. Als Ergebnis der Untersuchungen zeigen sich in Europa und großen Teilen Nordamerikas Anomalien des Wasserdampfgehaltes im Bereich eines Millimeters, welche sich vor allem auf thermodynamische Effekte zurückführen lassen. In den Tropen und im Südosten der USA können die Wasserdampfanomalien 3 bis 5 mm betragen. Sie sind durch dynamische Prozesse bedingt, die mit der Südlichen Oszillation im Zusammenhang stehen. Eine Anwendung der aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen ist die Validierung des Wasserdampfes im globalen Wettervorhersagemodell des National Center for Environmental Predicton (NCEP). Über Europa und großen Teilen Nordamerikas reproduziert NCEP die Schwankungen des Wasserdampfgehaltes sehr gut und stellt damit eine gute Datengrundlage für ?ächendeckende Untersuchungen langfristiger Veränderungen im Wasserdampfgehalt dar. In der Antarktis und den Tropen wird jedoch das saisonale und mehrjährige Signal des Wasserdampfes von NCEP um 25% bis 40% unterschätzt. Als zweite Anwendung der GPS-Wasserdampfzeitreihen erfolgt die Validierung satellitenbasierter Radiometermessungen über der Antarktis. Sie zeigt eine gute Übereinstimmung der Wasserdampfwerte aus GPSund Radiometermessungen. Die im Rahmen dieser Arbeit aus GPS-Beobachtungen bestimmten Wasserdampfzeitreihen bilden eine sehr gute Datengrundlage für weitergehende Untersuchungen der Wetter- und Klimaforschung.The atmospheric water vapour is one of the main variables controlling the greenhouse effect and it plays a crucial role in the global energy cycle. In this context the polar regions which act as global heat sinks are especially important. This study uses observations from the Global Positioning System (GPS) to investigate changes of the integrated atmospheric water vapour. It is based on a reprocessing of a global GPS network consisting of 195 stations. A strong emphasis was placed on the investigation of the accuracy and the homogeneity of the GPS derived water vapour time series. After correcting the inhomogeneities interannual ?uctuations in the precipitable water can be determined from GPS data with an accuracy of 0.3 mm in water column height. As a result, the interannual variations in the water vapour content are in the order of one millimetre over Europe and over large areas of North America. They are mainly related to thermodynamic effects. In the tropics and in the south east of the USA water vapour anomalies can reach 3 to 5 mm caused by dynamic processes connected to the Southern Oscillation. As one application of the estimated GPS water vapour time series a validation of water vapour from the global numerical weather prediction model of the National Center for Environmental Prediction (NCEP) was carried out. Over Europe and large parts of North America the seasonal signal and the interannual variations of the water vapour are very well reproduced by NCEP. Hence, in these regions NCEP presents a good database for area-wide investigations of long-term changes in the water vapour content. However, in Antarctica and in the Tropics the seasonal and also the interannual signals of the NCEP water vapour are strongly underestimated by 25% to 40%. A second application of the estimated GPS water vapour time series is the validation of satellite-based radiometer measurements over Antarctica. A good agreement was found between the water vapour derived from GPS and radiometer data. The water vapour time series estimated in this study provide a good basis for further weather and climate related investigations

Inter-annual water mass variations from GRACE in central Siberia

Our study analyses satellite and land-based observations of the Yakutsk region centred at the Lena watershed, an area characterised mainly by continuous permafrost. Using monthly solutions of the Gravity Recovery And Climate Experiment satellite mission, we detect amass increase over central Siberia from 2002 to 2007 which reverses into a mass decrease between 2007 and 2011. No significant mass trend is visible for the whole observation period. To further quantify this behaviour, different mass signal components are studied in detail: (1) inter-annual variation in the atmospheric mass, (2) a possible effect of glacial isostatic adjustment (GIA), and (3) hydrological mass variations. In standard processing the atmospheric mass signal is reduced based on the data from numerical weather prediction models. We use surface pressure observations in order to validate this atmospheric reduction. On inter-annual time scale the difference between the atmospheric mass signal from model prediction and from surface pressure observation is <4mm in equivalentwater height. The effect of GIA on the mass signal over Siberia is calculated using a global ice model and a spherically symmetric, compressible, Maxwell-viscoelastic earth model. The calculation shows that for the investigated area any effect of GIA can be ruled out. Hence, the main part of the signal can be attributed to hydrological mass varia-tions. We briefly discuss potential hydrological effects such as changes in precipitation, river discharge, surface and subsurface water storage

Water storage changes in the Lena watershed, Siberia observed by GRACE and satellite altimetry

Hydrological processes in permafrost regions are very sensitive to climate change. Siberia is affected in particular, as it experiences a stronger warming trend than the global average. We use data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission to study inter-annual water mass variations in the Siberian permafrost between 2003 and 2010. The observed mass changes indicate long-term changes in the hydrological budget of the large Siberian watersheds. For selected lakes in the Lena basin, we employ satellite radar altimetry observations to estimate water storage changes related to lake level variations. Large parts of Siberia are covered by thousands of lakes. As consequence of a strong wetting trend in this region lake levels are rising. The lake level rise can explain about half of the mass increase observed by GRACE. Other potential reasons for water storage variations such as changes in lake surface extension, soil moisture and the talik formation are discussed

Monitoring of inter-annual water storage changes in the Lena basin, Siberia using GRACE and satellite altimetry

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission has proven as valuable tool to observe hydrological mass variations, e.g., in the Amazon basin, groundwater depletion in Northwest India, inland glacier mass losses. The long time span of more than 10 years of GRACE observations now allows also the detection of smaller inter-annual mass variations. In our study, we address the permafrost-regime in Siberia, Russia. We use GRACE data to study water mass variations in the Lena basin between 2003 and 2011. The observed mass changes indicate long-term changes in the hydrological budget of the large Siberian watersheds. For selected lakes in the Lena basin, we employ satellite radar altimetry observations to estimate water storage changes related to lake level variations. Large parts of Siberia are covered by thousands of lakes. As consequence of a strong wetting trend in this region lake levels are rising. We compare the total mass variation derived from GRACE and the mass variations related to changes in lake level. The lake level changes can explain between 15% to 40% of the water storage changes observed by GRACE. Other potential reasons for water storage variations could be related to changes in lake surface extension, soil moisture changes, increase in sub-permafrost ground-water storage and talik formation

Position measurements at GPS station SMR5

This data collection contains position measurements at GPS station SMR5 (San Martín, Antarctica) during 2009-2020

GNSS - ein Werkzeug für globale und regionale geophysikalische Forschung

Beitrag zu GNSS anläßlich einer Festschrift zum 65. Geburtstag von Prof. Reinhard Dietrich