Vorlesungsprogramm

Radarmeteorologie, Susanne Crewell SS 2004

Vorlesungsprogramm22. 4 Einführung 29. 4 Radargleichung 6. 5. Doppler-Radar13. 5. Strahlausbreitung, Nutzung der Polarisation27. 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 SMHI15. 7. Tornados (Nikolai Dotzek)22. 7. Zusamenfassung


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


Nachlese zur Exkursion

Interpretation des Dopplersignals

Radartechnik


Doppler Effekt

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.

Annahme einer konstanten Windgeschwindigkeit!


Interpretation Dopplersignal Zunahme des Windes mit der Höhe

24000 ft ~7 km

Maximum der Windgeschwindigkeit nicht mehr direkt am Radar


Interpretation Dopplersignal Windmaximum in mittlerer Höhe

Maximum der Windgeschwindigkeit bei Kegelschnitt mit Maximum


Interpretation Dopplersignal Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe

Null Linie senkrecht zu Windrichtung


Interpretation Dopplersignal Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe

Null Linie senkrecht zu Windrichtung

Wie sieht so etwas aus?


Reale Bilder

PRFt nn

1

r4

0

rvdtdr

dtd

44

4/1 PRFv nnr


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


Hohlleiter

Hochfrequente Energie, die in einen Hohlleiter eingespeist wird, baut im Innern eine elektromagnetische Welle mit E- und H- Feld auf, die sich nahezu mit Lichtge-schwindigkeit 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.


Hohlleiter

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.

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/4- Leitung. Die elektromagnetische Welle kann sich also nur in der verbleibenden Richtung ausbreiten.


Hohlleiter


HornstrahlerSelbstverständlich 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.

http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/leitungen/tl22-de.html




Parabolantenne

. Eine Parabolantenne besitzt ein weitgehend rotationssymetrisches Richtdiagramm von hohem Gewinn, hohem Vor-/ Rückverhältnisund relativ kleinen Nebenzipfeln.

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.

http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/antennen/at13-de.html


Windprofiler

Mc Gill, Montreal

Vaisala-LAP 3000 Lower Atmosphere Profiler (bis 3 km) 915 oder 1290 MHz

RASS Radio acoustic sounding system

Lindenberg


http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/antennen/at13-de-t.html

http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/bauelemente/be16-de.html


Windprofiler-Netzwerk

COST Wind Initiative for a Network Demonstration in Europe (CWINDE)





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





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





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





Dopplerspektrum

Quiet-air fall velocityspectral line

Spectral broadeningby turbulence2w

Mean vertical speed w

wi -w

wi +w

wi

Resulting spectrum




Dopplerspektrum mit Regenvt – Fallgeschwindigkeit der RegentropfenVa – Geschwindigkeit der clear airvr = va-vt Gemessene Geschwindigkeit


Dopplerspektrum





Windprofiler

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

+ 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

http://www.a-research.com.au/

http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/remote/lecture_notes/profilers/index.html

http://www-dd.fsl.noaa.gov/descrip.html




http://www.remtechinc.com/rass.htm

http://www.windprofiler.com/

http://www.windprofiler.com/

http://www.dwd.de/research/mol/mol1s1.html



http://www.meto.gov.uk/sec5/CWINDE/graphics.html

http://www.meto.gov.uk/sec5/CWINDED/cwinde99/cwinde99e.html

http://www.meto.gov.uk/sec5/CWINDED/cwinde99/cwinde99e.html




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

047.20a

vCT

ca Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls

Grösster Fehler durch Vertikalbewegungenvrass = vac + w




Profil der virtuellen Temperatur




Aktuelle Profile

http://www.metoffice.com/research/interproj/cwinde/profiler/payerne/


Aktuelle Profile

low mode (Δz=43 m) high mode (Δz=200m)




Vertikalgeschwindigkeit

low mode high mode




Wind in 1 km Höhe




Signal-Rauschverhältnis


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 Thyratroneingang von der Vorstufe. Der Impulstrafo dient zur Widerstandsanpassung während des Entlademomentes .


http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/roehren/tu46-de.html





http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/roehren/tu46-de.html

http://mitglied.lycos.de/radargrundlagen/bauelemente/be16-de-t.html

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