Derivation and analysis of hydrological parameters from ground-based GNSS stations : Ableitung und Analyse von hydrologischen Parametern aus GNSS-Bodenstationen
The ability to measure multiple environmental parameters, such as atmospheric water vapour, soil moisture and snow height with the same hardware is the main advantage of Global Navigation Satellite System (GNSS) environmental measurements over other observation techniques. In this thesis state-of-ar...
Main Author: | |
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Format: | Article in Journal/Newspaper |
Language: | English |
Published: |
Technische Universität Berlin
2021
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Online Access: | https://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11448 https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12638 |
Summary: | The ability to measure multiple environmental parameters, such as atmospheric water vapour, soil moisture and snow height with the same hardware is the main advantage of Global Navigation Satellite System (GNSS) environmental measurements over other observation techniques. In this thesis state-of-art ground-based GNSS methods for environmental monitoring are used to derive atmospheric water vapour and soil moisture, to observe their dynamics on local, regional and global scales and to analyse both short-term case studies and long-term climatological monitoring. The GNSS Meteorology method of observing the atmospheric water vapour through the GNSS signal delay in the atmosphere is applied to several stations in Bulgaria and compared to simulations with the Weather Research and Forecast (WRF) model, as well as to radiosonde measurements. All the data from these experiments is stored in the Sofia University Atmospheric Data Archive (SUADA), specifically developed as a foundation for the atmospheric studies in this work. A study of the 2007 heatwave for station Sofia shows 6% lower Integrated Water Vapour (IWV), compared to the 2001-2010 mean. A trend analysis of all available GNSS and radiosonde time series for station Sofia for the time period between 2000-2019 shows an increase in the IWV of 0.8kg/m^2/decade on average from reprocessed GNSS datasets and an increase of 0.6kg/m^2/decade from the radiosonde measurements. A dedicated GNSS processing campaign using the NAPEOS software and employing a Precise Point Positioning (PPP) strategy is undertaken for measurements of IWV over a network of Bulgarian stations for one year. The GNSS derived IWV is used to evaluate the seasonal and diurnal variations of the WRF model and to analyse severe weather events. The single antenna ground-based GNSS Reflectometry (GNSS-R) method is used to estimate the soil moisture Volumetric Water Content (VWC) and snow height in GNSS stations in Germany and on a global scale. A dedicated software package for processing signal strength observations from GNSS ground stations is further developed to estimate soil moisture and snow height using the GNSS-R method. The software is validated, showing 0.98 correlation with data from an independent processing center. The GFZ Reflectometry and Atmospheric Database (GRAD) is designed to archive soil moisture observations from GNSS-R and Time Domain Reflectometry (TDR), as well as atmospheric parameters and model data. In two experimental stations (Marquardt and Furstensee) in Germany, VWC is monitored between 2014-2019 with specially installed high-end and low-cost GNSS antennae and receivers. The GNSS-R VWC retrievals are compared to collocated TDR and gravimetric measurements. The results show that the soil moisture retrievals, obtained from the low-cost receivers, show lower correlation (0.67), than the high-end receivers (0.75) when compared to TDR. Gravimetric measurements are used to calibrate the residual VWC from GNSS-R. An analysis of the error budget of the GNSS-R observations of soil moisture is done, based on the high-end receiver results. All stations in the International GNSS Service (IGS) global network are individually tested for soil moisture observation capabilities. Out of 506 stations in this global network only 30 stations (6\%) are found to satisfy the requirements for GNSS-R observations, namely: reflections coming from flat grasslands. The Volumetric Water Content (VWC) observations are compared with results from the ECMWF Reanalysis model's 5th implementation - ERA5. The comparisons show fair correlation between the two datasets with ERA5 overestimating the residual VWC in most sites. Each station is discussed separately with an emphasis on station surroundings and climate conditions. A new 1-dimensional empirical soil moisture model is developed to quantify the relation between VWC in the soil and atmospheric water vapour. Several different implementations of the model, based on temperature, water vapour and precipitation are discussed and compared to GNSS-R and TDR soil moisture observations in experimental station Marquardt. The resulting model is applied to GNSS stations from the IGS network for further assessment. The comparisons with GNSS-R derived soil moisture show higher correlation, than the soil moisture, derived in the ERA5 and are higher than 0.6. Contrary to the ERA5, the model does not overestimate the residual soil moisture in the stations. A new technique for snow height measurement is validated in a GNSS-R setup in Antarctic station Neumayer III. This new technique shows improved characteristics to the classical single antenna ground-based GNSS-R snow height determination method. The validation is done in an environment of constant snow accumulation. The results from the different techniques show very similar results with correlation between the de-trended GNSS-R and snow buoy measurements of above 0.85. Snow height is also determined in the 7 IGS stations within the continental climate zones. The results are compared with the ERA5, local snow height measurements and climate normals. : Das Erfassen von Umweltdaten mit dem Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) hat gegenüber anderen Beobachtungstechniken einen entscheidenden Vorteil: es können mehrere Parameter wie zum Beispiel der atmosphärischer Wasserdampf, Bodenfeuchtigkeit und Schneehöhen mit einem einzigen Hardwaresystem erfasst werden. In dieser Arbeit wird aufgezeigt wie modernste bodengestützte GNSS-Methoden zur Umweltüberwachung eingesetzt werden können um atmosphärischen Wasserdampf und Bodenfeuchte abzuleiten und deren Variabilität auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu analysieren und sie sowohl in kurzfristige Fallstudien als auch in langfristige klimatologische Beobachtungen zu implementieren. Die GNSS-Meteorologie-Technologie nutzt Verzögerungen in den GNSS Signalen zur Beobachtung des atmosphärischen Wasserdampfs in der Atmosphäre. Diese Methode wird auf mehrere Stationen in Bulgarien angewandt und mit Simulationen mit dem Modell für Wetterforschung und -vorhersage (WRF) sowie mit Radiosondenmessungen verglichen. Alle Daten aus diesen Experimenten werden im Atmosphärendatenarchiv der Universität Sofia (SUADA) gespeichert, welches speziell für die atmosphärischen Studien in dieser Arbeit angelegt wurde. Eine Untersuchung der Hitzewelle im Sommer 2007 für die Station Sofia zeigt eine um 6% niedrigere integrierte Wasserdampfmenge (IWV) im Vergleich zum Mittelwert von 2001-2010. Eine Trendanalyse aller verfügbaren GNSS- und Radiosonden-Zeitreihen für die Station Sofia im Zeitraum zwischen 2000-2019 zeigt einen Anstieg des IWV von durchschnittlich 0,8kg/m^2/Dekade aus den wiederaufbereiteten GNSS-Datensätzen und einen Anstieg von 0,6kg/m^2/Dekade aus den Radiosonden-Messungen. Eine Kampagne zur Messungen des IWV wird über die Dauer von einem Jahr über ein Netzwerk bulgarischer Stationen durchgeführt. Das Ziel ist es die Verarbeitung der GNSS-Signale mit der NAPEOS-Software unter Anwendung der präzisen Punktpositionierung (PPP) zu testen. Der abgeleitete IWV wird zur Validierung der jahreszeitlichen und tageszeitlichen Schwankungen des WRF-Modells und zur Analyse von Unwetterereignissen verwendet. Die bodengebundene GNSS Reflektometrie (GNSS-R) Methode wird zur Abschätzung des volumetrischen Wassergehalts (VWC) und der Schneehöhe an GNSS-Stationen in Deutschland und auf globaler Ebene verwendet. Ein spezielles Software-Paket zur Verarbeitung von Signalstärke-Beobachtungen von GNSS-Bodenstationen wird weiterentwickelt, um Bodenfeuchte und Schneehöhe mit Hilfe der GNSS-R-Methode abzuschätzen. Die Software ist validiert und zeigt eine Korrelation von 0,98 mit Daten eines unabhängigen Verarbeitungszentrums. Die GFZ-Reflektometrie- und Atmosphärendatenbank (GRAD) wurde erstellt um Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen von GNSS-R und Time Domain Reflectometry (TDR) sowie atmosphärische Parameter und Modelldaten zu archivieren. Zwischen 2014-2019 wurde der VWC an zwei Messstationen (Marquardt und Fürstensee) in Deutschland mit speziell installierten hochwertigen sowie kostengünstigen GNSS-Antennen und -Empfängern überwacht. Die GNSS-R Messungen des VWC- werden mit Ergebnissen der TDR- sowie gravimetrischen Methoden verglichen. Im Vergleich zu den TDR Messungen des Bodenfeuchtegehalts weisen die kostengünstigen Empfänger eine geringere Korrelation (0,67) als die High-End-Empfänger (0,75) auf. Die gravimetrischen Messungen werden zur Kalibrierung der VWC-Restbodenfeuchte von GNSS-R verwendet. Eine Analyse des Fehlerbudgets der GNSS-R-Beobachtungen der Bodenfeuchte wird auf der Grundlage der Ergebnisse der High-End-Empfänger durchgeführt. Alle Stationen im globalen Netzwerk des Internationalen GNSS-Dienstes (IGS) werden einzeln auf ihre Tauglichkeit zur Beobachtung der Bodenfeuchte getestet. Von den 506 Stationen in diesem globalen Netzwerk erfüllen nur 30 Stationen (6%) die Voraussetzung für GNSS-R Beobachtungen: die Reflexionen sollten von flachem Grasland kommen. Die Beobachtungen des volumetrischen Wassergehalts (VWC) werden mit den Ergebnissen der 5. Version des ECMWF-Reanalysemodells - ERA5 - verglichen. Die Vergleiche zeigen eine gute Korrelation zwischen beiden Datensätzen, wobei ERA5 den Restwassergehalt an den meisten Standorten überschätzt. Die Korrelationen werden in der Arbeit für jede Station separat diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss der Umgebungsbedingungen der Station und den klimatischen Bedingungen liegt. Ein neues 1-dimensionales empirisches Bodenfeuchtemodell wird entwickelt, um die Beziehung zwischen der Bodenfeuchte und dem Wassergehalt der Atmosphäre zu quantifizieren. Verschiedene Modellversionen, die auf Temperatur, Wasserdampf und Niederschlag basieren, werden diskutiert und mit GNSS-R- und TDR-Bodenfeuchtigkeitsbeobachtungen in der Versuchsstation Marquardt verglichen. Das resultierende Modell wird zur weiteren Bewertung auf GNSS-Stationen aus dem IGS-Netz angewendet. Vergleiche mit der von GNSS-R abgeleiteten Bodenfeuchte zeigen eine höhere Korrelation (>0,6) als die aus ERA5 abgeleitete Bodenfeuchte. Im Gegensatz zum ERA5 überschätzt das neue Modell die Restbodenfeuchte in den Stationen nicht. Eine neue Methode zur Schneehöhenmessung wird in einem GNSS-R-Aufbau in der Antarktisstation Neumayer III validiert. Diese neue Technik zeigt verbesserte Eigenschaften zu der klassischen bodengebundenen GNSS-R-Schneehöhenbestimmung mit einer einzigen Antenne. Die Validierung erfolgt in einer Umgebung mit konstanter Schneedecke. Die Ergebnisse der verschiedenen Messmethoden zeigen sehr ähnliche Ergebnisse mit einer Korrelation von über 0,85 zwischen GNSS-R- und Schneebojenmessungen. Die Schneehöhe wird auch in den 7 IGS-Stationen innerhalb der kontinentalen Klimazonen bestimmt. Die Ergebnisse werden mit dem ERA5, den lokalen Schneehöhenmessungen und den klimatischen Mittelwerten verglichen. |
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