Vorlesungsprogramm

1. Vorlesungsprogramm  22. 4 Einführung 29. 4 Radargleichung 6. 5. Doppler-Radar 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       

2. 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

3. Nachlese zur Exkursion • Interpretation des Dopplersignals • Radartechnik

4. 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.

5. Interpretation Dopplersignal • Zunahme des Windes mit der Höhe 24000 ft ~7 km Maximum der Windgeschwindigkeit nicht mehr direkt am Radar

6. Interpretation Dopplersignal • Windmaximum in mittlerer Höhe Maximum der Windgeschwindigkeit bei Kegelschnitt mit Maximum

7. Interpretation Dopplersignal • Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe Null Linie senkrecht zu Windrichtung

8. Interpretation Dopplersignal • Windgeschwindigkeit ist konstant mit der Höhe Wie sieht so etwas aus? Null Linie senkrecht zu Windrichtung

9. Reale Bilder

10. 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.

11. 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.

12. 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/4- Leitung. 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.

13. Hohlleiter

14. 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.

15. 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-/ Rückverhältnisund relativ kleinen Nebenzipfeln.

16. Windprofiler Vaisala-LAP 3000 Lower Atmosphere Profiler (bis 3 km) 915 oder 1290 MHz RASS Radio acoustic sounding system Lindenberg Mc Gill, Montreal

17. Windprofiler-Netzwerk COST Wind Initiative for a Network Demonstration in Europe (CWINDE)

18. 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

19. 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

20. 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 

21. Quiet-air fall velocity spectral line Mean vertical speed w Spectral broadening by turbulence 2w Resulting spectrum wi wi-w wi+w Dopplerspektrum

22. Dopplerspektrum mit Regen vt – Fallgeschwindigkeit der Regentropfen Va – Geschwindigkeit der clear air vr = va-vt Gemessene Geschwindigkeit

23. Dopplerspektrum

24. 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

25. 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 Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls Grösster Fehler durch Vertikalbewegungen vrass = vac + w

26. Profil der virtuellen Temperatur

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

28. Aktuelle Profile low mode (Δz=43 m) high mode (Δz=200m)

29. Vertikalgeschwindigkeit low mode high mode

30. Wind in 1 km Höhe

31. Signal-Rauschverhältnis

32. 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 .