TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER - TY - THES A1 - Chen, Kejie T1 - Real-time GNSS for fast seismic source inversion and tsunami early warning T1 - Echtzeit-GNSS für schnelle seismischen Quelle Inversion und Tsunami-Frühwarnsystem N2 - Over the past decades, rapid and constant advances have motivated GNSS technology to approach the ability to monitor transient ground motions with mm to cm accuracy in real-time. As a result, the potential of using real-time GNSS for natural hazards prediction and early warning has been exploited intensively in recent years, e.g., landslides and volcanic eruptions monitoring. Of particular note, compared with traditional seismic instruments, GNSS does not saturate or tilt in terms of co-seismic displacement retrieving, which makes it especially valuable for earthquake and earthquake induced tsunami early warning. In this thesis, we focus on the application of real-time GNSS to fast seismic source inversion and tsunami early warning. Firstly, we present a new approach to get precise co-seismic displacements using cost effective single-frequency receivers. As is well known, with regard to high precision positioning, the main obstacle for single-frequency GPS receiver is ionospheric delay. Considering that over a few minutes, the change of ionospheric delay is almost linear, we constructed a linear model for each satellite to predict ionospheric delay. The effectiveness of this method has been validated by an out-door experiment and 2011 Tohoku event, which confirms feasibility of using dense GPS networks for geo-hazard early warning at an affordable cost. Secondly, we extended temporal point positioning from GPS-only to GPS/GLONASS and assessed the potential benefits of multi-GNSS for co-seismic displacement determination. Out-door experiments reveal that when observations are conducted in an adversary environment, adding a couple of GLONASS satellites could provide more reliable results. The case study of 2015 Illapel Mw 8.3 earthquake shows that the biases between co-seismic displacements derived from GPS-only and GPS/GLONASS vary from station to station, and could be up to 2 cm in horizontal direction and almost 3 cm in vertical direction. Furthermore, slips inverted from GPS/GLONASS co-seismic displacements using a layered crust structure on a curved plane are shallower and larger for the Illapel event. Thirdly, we tested different inversion tools and discussed the uncertainties of using real-time GNSS for tsunami early warning. To be exact, centroid moment tensor inversion, uniform slip inversion using a single Okada fault and distributed slip inversion in layered crust on a curved plane were conducted using co-seismic displacements recorded during 2014 Pisagua earthquake. While the inversion results give similar magnitude and the rupture center, there are significant differences in depth, strike, dip and rake angles, which lead to different tsunami propagation scenarios. Even though, resulting tsunami forecasting along the Chilean coast is close to each other for all three models. Finally, based on the fact that the positioning performance of BDS is now equivalent to GPS in Asia-Pacific area and Manila subduction zone has been identified as a zone of potential tsunami hazard, we suggested a conceptual BDS/GPS network for tsunami early warning in South China Sea. Numerical simulations with two earthquakes (Mw 8.0 and Mw 7.5) and induced tsunamis demonstrate the viability of this network. In addition, the advantage of BDS/GPS over a single GNSS system by source inversion grows with decreasing earthquake magnitudes. N2 - In den letzten Jahrzehnten haben schnelle und ständige Fortschritte die GNSS Technologie motiviert, die Fähigkeit zu erreichen, vorübergehende Bodenbewegungen mit einer Genauigkeit von mm bis cm in Echtzeit zu überwachen. Als Ergebnis wurde das Potential der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Vorhersage von Naturgefährdungen und Frühwarnungen in den letzten Jahren intensiv ausgenutzt, zum Beispiel beim Beobachten von Hangrutschungen und vulkanischen Eruptionen. Besonders im Vergleich mit traditionellen seismischen Instrumenten tritt bei GNSS bei seismischen Verschiebungen keine Sättigung oder Neigung auf, was es für Erdbeben und durch Erdbeben induzierte Tsunamis besonders wertvoll macht. In dieser Arbeit richtet sich der Fokus auf die Anwendung von Echtzeit GNSS auf schnelle seismische Quelleninversion und Tsunami Frühwarnung. Zuerst präsentieren wir einen neuen Ansatz, um präzise seismische Verschiebungen durch kosteneffiziente Einzelfrequenz-Empfänger zu erhalten. Wie in Bezug auf Hochpräzisions-Positionierung bekannt ist, ist das hauptsächliche Hindernis für Einzelfrequenz-GPS die Verzögerung durch die Ionosphäre. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Änderung in der ionosphärischen Verzögerung über mehrere Minuten hinweg linear ist, haben wir ein lineares Modell für jeden Satelliten konstruiert, um die ionosphärische Verzögerung vorherzusagen. Die Effizienz dieser Methode wurde bei einem Freiluft-Experiment und bei dem Tohoku Ereignis 2011 validiert, was die Verwendbarkeit eines dichten GPS Netzwerks für Frühwarnung vor Geo-Gefahren bei vertretbaren Kosten bestätigt. Als Zweites haben wir die zeitliche Punkt-Positionierung von GPS-only zu GPS/GLONASS erweitert und den potentiellen Nutzen von Multi-GPNSS für die Bestimmung seismischer Verschiebungen bewertet. Freiluft-Experimente zeigen, dass zusätzliche GLONASS Satelliten in feindlicher Umgebung verlässlichere Ergebnisse liefern könnten. Die Fallstudie vom 2015 Illapel Erdbeben mit 8,3 Mw zeigt, dass die mit GPS-only und GPS/GLONASS abgeleiteten seismischen Verschiebungen von Station zu Station variieren und bis zu 2 cm in horizontaler Richtung und beinahe 3 cm in vertikaler Richtung betragen könnten. Zudem sind Verwerfungen, die durch GPS/GLONASS seismische Verschiebungen umgekehrt sind und eine geschichtete Krustenstruktur benutzen, auf einer gekrümmten Ebene flacher und größer für das Illapel Ereignis. Als Drittes haben wir verschiedene Inversionstools getestet und die Unsicherheiten der Benutzung von Echtzeit GNSS zur Tsunami Frühwarnung diskutiert. Um genau zu sein, wurden eine Schwerpunkts Momenten-Tensoren-Inversion, eine gleichmäßige Verwerfungsinversion bei Benutzung einer einzelnen Okada Verwerfung und eine verteilte Verwerfungs-Inversion in geschichteter Kruste auf einer gekrümmten Ebene durchgeführt. Dafür wurden seismische Verschiebungen genutzt, die beim Pisagua Erdbeben 2014 aufgezeichnet wurden. Während die Inversionsergebnisse ähnliche Magnituden und Bruchstellen liefern, gibt es signifikante Unterschiede bei Tiefe, Streichen, Einfalls- und Spanwinkel, was zu verschiedenen Tsunami Ausbreitungs-Szenarien führt. Trotzdem ist die resultierende Tsunami Vorhersage entlang der chilenischen Küste allen drei Modellen ähnlich. Schlussendlich und basierend auf der Tatsache, dass die Positionierungsleistung von BDS nun äquivalent zu GPS im Asia-Pazifischen Raum ist und die Manila Subduktionszone als potentielle Tsunami Gefährdungszone identifiziert wurde, schlagen wir ein Konzept für ein BDS/GPS Netzwerk für die Tsunami Frühwarnung im Südchinesischen Meer vor. Numerische Simulationen mit zwei Erdbeben (Mw 8.0 und Mw 7.5) und induzierten Tsunamis demonstrieren die Realisierbarkeit dieses Netzwerks. Zusätzlich wächst der Vorteil von BDS/GPS gegenüber einem einzelnen GNSS Sytem bei steigender Quelleninversion mit abnehmender Erdbebenmagnitude. KW - global navigation satellite systems KW - seismic source inversion KW - tsunami early warning KW - GNSS KW - Quelle Inversion KW - Tsunami-Frühwarnsystem Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93174 ER -