Transcript Windprofiler

Vorlesungsprogramm
22. 4 Einführung
29. 4
6. 5.


Doppler-Radar 
Radargleichung
13. 5. Strahlausbreitung, Nutzung der Polarisation
27. 5. Besichtigung Poldirad (DLR)

3. 6. wolkenphysikalische Aspekte,
Niederschlagsbestimmung (QPE)
17. 6.
Probleme bei QPE

24. 6. Besichtigung Hohenpeissenberg



1. 7. Wolkenradar + Windprofiler
8. 7. Scatterometer, Satellitenradar
9. 7. Haase: Radarfernerkundung SMHI
15. 7. Tornados (Nikolai Dotzek)
22. 7. Zusamenfassung
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
SS 2004
Probleme bei der Niederschlagsbestimmung
 Fehler in der Messung des Radarreflektivitätsfaktors Z
- Radareichung
- Dämpfungseffekte insbesondere hinter Gewitterzellen
- Festziele (clear-air scatter), bzw. ungenügende Korrektur
- Abschattung durch Orographie
- Annahme von Rayleigh-Streung (z.B. Hagel)
- Inhomogenitäten im Rückstreuvolumen
 Fehler in der Konversion von Z in Regenrate R
- Annahme der Tropfengrößenverteilung und Fallgeschwindigkeit
 Übertragung von Messung in der Höhe zum Boden
- Annomale Ausbreitung
- Radarstrahl ist oberhalb des Niederschlagsgebietes
- Messungen in der Schmelzzone (Brightband)
- Verdunstung unterhalb des Radarstrahls
- Orographische Niederschlagsverstärkung
- Unterschätzung des Niederschlags, wenn niedriger Nebel oder
Stratus den Niederschlag verstärkt
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
SS 2004
Nachlese zur Exkursion
 Interpretation des Dopplersignals
 Radartechnik
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Doppler Effekt
Annahme einer konstanten Windgeschwindigkeit!
Vereinfachter Fall ist in der Realität nicht gegeben:
 Windfeld ist nicht gleichförmig
 Informationen können nur aus Regionen mit Zielen
(Regen, Insekten,..) gewonnen werden.
Geschwindigkeit eines Rückstreuers wird gemessen.
 Die Höhe des Radarstrahls über Grund erhöht sich
mit zunehmender Distanz vom Radar.
Typischerweise dreht sich der Wind mit der Höhe.
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Interpretation Dopplersignal
 Zunahme des Windes mit der Höhe
24000 ft ~7 km
Maximum der Windgeschwindigkeit nicht mehr direkt am Radar
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Interpretation Dopplersignal
 Windmaximum in mittlerer Höhe
Maximum der Windgeschwindigkeit bei Kegelschnitt mit Maximum
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Interpretation Dopplersignal
 Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe
Null Linie senkrecht zu Windrichtung
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Interpretation Dopplersignal
 Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe
Wie sieht so etwas aus?
Null Linie senkrecht zu Windrichtung
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Reale Bilder
  0 
4 r

d 4 dr 4


vr
dt
 dt


  n 1   n   PRF
t
vr    n1  n   PRF / 4
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Hohlleiter
Möglichst verlustfreie Leistung für Frequenzen > 1 GHz. Theoretisch entsteht ein
Hohlleiter, indem unzählige, kurzgeschlossene λ /4 – Leitungen aneinandergereiht
werden. Zwei dieser Gebilde aneinandergefügt ergeben einen Hohlleiter mit
rechteckigem Querschnitt.
Signale können sich aber erst ab einer bestimmten Frequenz im Hohlleiter ausbreiten.
Diese Frequenz ist von den Abmessungen des Hohlleiters, speziell von der Seite a,
abhängig. Ausbreitungsbedingungen bestehen, wenn die Welle kleiner als die
sogenannte Grenzwellenlänge λ Grenz wird.
λ Grenz = 2 • a
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Hohlleiter
Hochfrequente Energie, die in einen
Hohlleiter eingespeist wird, baut im Innern
eine elektromagnetische Welle mit E- und HFeld auf, die sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit in dem Hohlleiter ausbreitet.
Zwischen den a- Wänden bildet sich ein
E- Feld aus, das zu den b- Wänden hin
abnimmt und schließlich an den Wänden
kurzgeschlossen wird. Das E- Feld weist
im Querschnitt einen sinusförmigen Verlauf
auf.
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Hohlleiter
Die elektrische Energie wird mit einer Sonde eingekoppelt,
die λ/4 vom geschlossenen Ende entfernt in den Hohlleiter
hineinragt. Der Einspeisepunkt ist somit λ/4 vom Ende und
λ/4 von den b-Seiten entfernt. Die sich von der Sonde des
Kopplers ablösende Welle „sieht” an drei Seiten den
unendlich hohen Widerstand der kurzgeschlossenen λ/4Leitung. Die elektromagnetische Welle kann sich also nur
in der verbleibenden Richtung ausbreiten.
Bei der Sondenkopplung wird zuerst ein E-Feld erzeugt, welches ein H-Feld zu Folge
hat. Hohlleitersonden sind prinzipiell reversibel, d.h. eine Sonde zum Einkoppeln
von HF-Energie kann ebensogut auch zum Auskoppeln von HF-Energie verwendet
werden.
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Hohlleiter
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Hornstrahler
Selbstverständlich kann man einen Hohlleiter an einem Ende einfach offen lassen,
um die elektromagnetische Welle in den freien Raum abstrahlen zu lassen. Da aber
der Wellenwiderstand der Luft einen anderen Wert hat, als der Hohlleiter, werden an
dieser Stelle durch die Fehlanpassung schädliche Reflexionen auftreten.
Deshalb werden die mechanischen Abmessungen des Hohlleiters an der Stelle des
gewünschten Austritts der Elektromagnetischen Welle ausgedehnt, um einen
besseren Übergang zu erreichen. Diese Konstruktion nennt man Hornstrahler.
Hornstrahler haben eine gute Richtcharakteristik, die von der konstruktiven
Gestaltung abhängen. Die Öffnung des Hornstrahlers ist mit einem dielektrischen
Material (z.B. Schaumpolystyrol) verschlossen. Wenn in dem Hohlleitersystem ein
Überdruck aufgebaut wird, werden als Dichtmittel keramische Werkstoffe oder
Quarzglas verwendet.
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Parabolantenne
Der Erreger (im Brennpunkt F angeordnet)
leuchtet den symetrischen Reflektor aus.
Im Idealfall werden aufgrund der besonderen
Eigenschaft eines Parabols, die von dem
Erreger (Primärstrahler) ausgehenden Strahlen
im Parabol (Sekundärstrahler) in eine Richtung
parallel zur Parabolachse A reflektiert. Damit
weisen die Strahlen bis zu einer beliebigen
Ebene senkrecht zur Parabolachse keine
Wegunterschiede auf.
.
Eine Parabolantenne besitzt ein weitgehend
rotationssymetrisches Richtdiagramm
von hohem Gewinn, hohem
Vor-/ Rückverhältnis
und relativ kleinen Nebenzipfeln.
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Windprofiler
Vaisala-LAP 3000
Lower Atmosphere Profiler (bis 3 km)
915 oder 1290 MHz
RASS
Radio acoustic
sounding system
Lindenberg
Mc Gill, Montreal
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Windprofiler-Netzwerk
COST Wind Initiative
for a Network Demonstration
in Europe (CWINDE)
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Windprofiler
 Messung der Windgeschwindigkeit und -richtung als Profil über
dem Meßort
 in den 30er Jahren Entdeckung von "Klarluft-Echos"
clear-air structures
 bei Experimenten erkannte man, daß auch Streuung
elektromagnetische Wellen in der Atmosphäre beeinflußt
 erste Theorie zur Streuung aufgrund
Brechungsindexschwankungen von Tatarskii (1961)
 in USA seit 1991/92 Netzwerk aus zunächst 31 Profilern
 CWINDE COST Aktion
 Assimilation im ECMWF
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Windprofiler (WPR)
 Die rückgestreuten Wellen erfahren dabei eine Frequenzverschiebung in
Abhängigkeit von der Bewegung der turbulenten Störungen (Dopplereffekt), aus
der man auf die Radialgeschwindigkeit schließen kann.
 WPR nutzen die durch Turbulenz, Wellen und differentielle Advektion entstehenden
Schwankungen des Brechungsindexs.
 Maximale Höhe hängt vor allem von der Frequenz ab; maximale Höhen von 30 km,
16 km und 5 km entsprechen ca.
50 MHz (Kurzwellenbereich), 400 MHz (TV-Bereich) und 1000 MHz (Mobilfunk)
Der Brechungsindex n ist im VHF und UHF eine Funktion von Druck,
Temperatur und Feuchte. Wesentliche Streuprozesse:
• Fresnel Streuung (unterer VHF) an horizontal ausgebreiteten vertikalen
Diskontinuitäten
• Bragg-Streuung durch zufällig verteilte Fluktuationen des
Brechungsindexfeldes
• Rayleigh-Streuung an Partikeln wie Regen, aber auch Vögeln
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Windprofiler- Prinzip
 Messungen von 3-5 Anntennestrahlen (beams) in verschiedenen Richtungen
und Annahme horizontaler Homogenität!
 Für jeden Strahl wird die Radialgeschwindigkeit und die Turbulenzintensität als
Funktion des Abstandes beobachtet
 Dopplerverschiebung ist in der Praxis sehr schwierig zu messen, daher mißt
man die Phasenänderung aufeinanderfolgender Pulse.
 Zeitreihe von Meßwerten, die charakterisiert wird durch ihre
Autokorrelationsfunktion im Zeitbereich
Leistungsdichtespektrum (= Dopplerspektrum) im Frequenzbereich
 Informationen stecken in den ersten drei Momenten des Dopplerspektrums
S(w), nämlich:
- empfangene Leistung Z
- mittlere Radialgeschwindigkeit des rückstreuenden Mediums vr
- Varianz der Radialgeschwindigkeit 
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Dopplerspektrum
Mean vertical speed w
Quiet-air fall velocity
spectral line
2w
Spectral broadening
by turbulence
Resulting spectrum
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Dopplerspektrum mit Regen
vt – Fallgeschwindigkeit der Regentropfen
Va – Geschwindigkeit der clear air
vr = va-vt Gemessene Geschwindigkeit
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Dopplerspektrum
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Windprofiler
+ hohe zeitliche und vertikale Auflösung und Verfügbarkeit (bes. für NWP)
+ Windmessung mit ähnlicher Genauigkeit (in größeren Höhen sogar besser) wie
Radiosonden mit Radarverfolgung, zufälliger Meßfehler kleiner als 1 m/s
+ permanente Messung, geringe Kosten pro Messung
Infos über RASS, mit "Slideshow", von Australian Atmospheric Profilers
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/remote/lecture_notes/profilers/index.html (lecture notes)
NOAA Profiler Network, Beschreibung mit Bild (ganz unten)
Remtech, Firma, die RASS-Geräte etc. herstellt
Radian International, Meteorological Systems and Services, Hersteller von Windprofilern
DWD - Windprofiler LAP-16000
Europäisches Profilernetz von CWINDE 97, Seite vom MetOffice
Nochmal MetOffice, mit Links zu aktuellen Windprofiler-Daten
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RASS-Radio Acoustic Sounding System
 Messung des Profils der virtuellen Temperatur in
der unteren Atmosphäre
 oft in Verbindung mit Windprofiler eingesetzt
 Ausbreitungsgeschwindigkeit der ausgesandten
akustischen Pulse wird mit Hilfe des Windprofilers
erfasst
 Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen
hängt von der virtuellen Temperatur Tv ab
 Ca 
Tv  

20
.
047


ca
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls
Grösster Fehler durch Vertikalbewegungen
vrass = vac + w
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SS 2004
Profil der virtuellen Temperatur
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
SS 2004
Aktuelle Profile
http://www.metoffice.com/research/interproj/cwinde/profiler/payerne/
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
SS 2004
Aktuelle Profile
low mode (Δz=43 m)
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
high mode (Δz=200m)
SS 2004
Vertikalgeschwindigkeit
low mode
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
high mode
SS 2004
Wind in 1 km Höhe
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
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Signal-Rauschverhältnis
Radarmeteorologie, Susanne Crewell
SS 2004
Radarmodulator
- Erzeugung hoher Leistung im kurzen Sendeimpuls
- Modulator erzeugt zum Sendemoment eine Hochspannung für die Senderöhre
Dieser Modulator benutzt zur Energiespeicherung eine Laufzeitkette. Diese
Laufzeitkette wird auf dem Ladeweg mit Hilfe des Magnetfeldes der Ladedrossel auf
die doppelte Spannung des Hochspannungsnetzteils aufgeladen. Diese Ladedrossel
begrenzt gleichzeitig den Ladestrom. Damit nach erfolgter Aufladung der Laufzeitkette
diese sich nicht über den Innenwiderstand des Netzteils entlädt, ist eine Ladediode
eingefügt.
Das Thyratron arbeitet als elektronischer Schalter und wird durch einen nadelförmigen
Impuls gesteuert. Die R-C Kombination trennt gleichspannungsmäßig den
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Thyratroneingang
vonSusanne
der Vorstufe.
Radarmeteorologie,
Crewell Der Impulstrafo dient zur Widerstandsanpassung