radameteorologie, susanne crewell ss 2004 - lmu münchen · pdf filechicago, il:...

Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004

Radarmeteorologie

22. 4 Einführung29. 4 Radargleichung6. 5. Doppler-Radar

13. 5. Strahlausbreitung27. 5. Brightband3. 6. Technische + wolkenphysikalische Aspekte17. 6. Niederschlagsbestimmung (QPE)24. 6. Probleme bei QPE1. 7. Nutzung der Polarisation8. 7. Wolkenradar + Windprofiler9. 7. Haase: Radarfernerkundung am SMHI15. 7. Scatterometer22. 7. Satellitenradar

Grundlagen


Exkursion zur Radarstandorten

Meteorologisches Observatorium Hohenpeissenberghttp://www.dwd.de/en/FundE/Observator/MOHP/MOHP.htm

Forschungsradar des Deutschen WetterdienstAnsprechpartner: Jörg Seltmann

Institut für Physik der Atmosphäre, DLRhttp://www.pa.op.dlr.de/poldirad/index.html

Polarisationsradar POLDIRADAnsprechpartner: Martin Hagen


Literatur

Battan, Louis J., "Radar Observation of the Atmosphere", Rev. ed. Chicago, IL: University of Chicago Press, 1973.

Collier, G.C., "Applications of weather radar systems", Wiley-Praxis Series in Atmospheric Physics, 1996.

Doviak, Richard J. and Dusan S. Zrnic, "Doppler Radar and WeatherObservations." 2 ed., Academic Press, 1993, 562 pp.

Rinehart, Ronald E., "Radar for Meteorologists", 3rd Edition, RinehartPublications, 2001.

Sauvageot, Henri, "Radar Meteorology", Artech House Publishers 1992, 384 pp.

Ulaby, F.T., R.K. Moore, and A. K. Fung, "Microwave Remote Sensing -Active and Passive Techniques. 3 Bände, 1981, 1982,1986.

http://www.radarwx.com/

http://www.radarwx.com/


Literatur - onlineJörg Seltmann, Radarforschung im DWDhttp://www.met.fu-berlin.de/dmg/dmg_home/promet/26_12/26_1_2_11.pdfRadar Meteorology Online Remote Sensing Guide University of Illinoishttp://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/rs/rad/home.rxmlCOST 717 Aktion (Europäische Initiative)http://www.smhi.se/cost717/Radar Glossary: http://www.pa.op.dlr.de/cleocd/poldirad/glossary.htm Polarisation: Chilbolton (RAL und University of Reading)http://www.rcru.rl.ac.uk/chil/met/polarisation.htmDoppler: ChilboltonDual wavelength: ChilboltonKaltfronten im Radar : Chilbolton und weitere meteorologische EreignisseBrightband: Mc Gill Unversity, MontrealBeispielsmessungen : Mc Gill University, Montreal http://www.radar.mcgill.ca/bright_band.html

http://www.met.fu-berlin.de/dmg/dmg_home/promet/26_12/26_1_2_11.pdf

http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/rs/rad/home.rxml

http://ww2010.atmos.uiuc.edu/%28Gh%29/guides/rs/rad/home.rxml

http://www.smhi.se/cost717/

http://www.smhi.se/cost717/

http://www.pa.op.dlr.de/cleocd/poldirad/glossary.htm

http://www.rcru.rl.ac.uk/chil/met/polarisation.htm

http://www.rcru.rl.ac.uk/chil/met/doppler.htm

http://www.rcru.rl.ac.uk/chil/met/clouds.htm

http://www.rcru.rl.ac.uk/chil/met/cold.htm

http://www.radar.mcgill.ca/bright_band.html

http://www.radar.mcgill.ca/data_examples.html


Prinzipielles zum RADAR

PrinzipAussenden elektromagnetischer Wellen, die an einem Ziel (target) reflektiert werden. Empfangenes Signal kann zur Bestimmung der Eigenschaften des Ziels genutzt werden.

RADAR - RAdio Detection And RangingLIDAR - LIght Detection And Ranging SODAR - SOund Detection And Ranging

*LIDAR nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch Infrarotwellen


Entfernungsbestimmung

Elektromagnetische Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c = 3·108 m/s

Pulsmodulation Laufzeitdifferenz ∆t zwischen Empfang- und Sendezeit zur Bestimmung des Abstands r des reflektierenden Objekts zum Radar

Frequenzmodulationfrequency modulated continuous wave (FM-CW) Radar

2tcr ∆⋅

=


Frequenzmodulation


Meßprinzip: gepulstes Radar

τ

Entfernungsauflösung: ∆r = 0.5 · 3·10-6 s · 3·108 m/s = 450 m

Eindeutige Entfernung: rmax = 0.5 · 4·10-3 s · 3·108 m/s = 600 km


Meßprinzip: Rückstreuungλ= 3 cm

Verhältnis von Wellenlänge λ zu Teilchengrösse d bestimmt “Rückstreuung”Rayleigh-Regime λ >> d


Verschiedene Radartypen

Kohärentes Radarfeste Phasenbeziehung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Signal

Laufzeit ist sehr genau meßbarWichtig für Doppler!

Inkohärentes RadarPhase des ausgesendeten Signals ist nicht stabil

PolarisationsradarNutzung der Depolarisation des Radarsignals and nicht-sphärischen Hydrometeoren z.B. POLDIRAD http://www.pa.op.dlr.de/poldirad/index.html



Monostatisches RadarSender und Empfänger befinden sich am selben Ort

gleiche oder kollokierte Antenne

Bistatisches RadarSender und Empfänger sind getrennt

Mulitstatisches RadarEin Sender und mehrer örtlich verteilte Empfänger



Monostatisches RadarSender und Empfänger befinden sich am selben OrtBistatisches RadarSender und Empfänger sind getrenntMulitstatisches RadarEin Sender und mehrer örtlich verteilte Empfänger


Messbeispiel


Hydrometeoverteilung


Radarwellenlängen

Wellenlängen beeinflussen

die Natur der zu entdeckenden Ziele durch deren Rückstreueigenschaftendie zu überdeckende Entfernung durch die Dämpfung der Wellen durch Streuung und Absorption

- je kleiner das Ziel, desto kleiner muss die Wellenlänge sein- je kleiner die Wellenlänge, desto kürzer ist der maximale

Entfernungsradius (range), wegen der meist zunehmenden Dämpfung

- je kleiner die Wellenlänge, desto kleiner kann auch die Antenne sein


Radarwellenlängen

Für meteorologische Anwendungen arbeiten Radargerätemit Wellenlängen λ von Millimetern bis Metern. Mit der

Lichtgeschwindigkeit c

entspricht dies Frequenzen ν von ca. 1 bis 300 GHz.λ

ν c=


Radarwellenlängen

Band Wellenlänge FrequenzHF 10-100 m 3-30 MHzVHF 1-10 m 30-300 MHzUHF 0.3-1 m 300-1000 MHzL 15-30 cm 1-2 GHzS 8-15 cm 2-4 GHzC 4-8 cm 4-8 GHzX 2.5-4 cm 8-12 GHzKu 1.7-2.5 cm 12-18 GHzK 1.2-1.7 cm 18-27 GHzKa 0.75-1.2 cm 27-40 GHzW 2.7 - 4 mm 75-110 GHz

Windprofiler

NEXRADDWD RadarnetzwerkBonner Radar

Wolkenradar


Historische Entwicklung

siehe auch http://www.radarworld.org/

1889 Heinrich Hertz entdeckt die elektromagnetische Strahlung als Dipolstrahlung, Radiowellen (66 cm) reflektieren an Metallen

1904 Christian Hülsmeyer detektiert zum ersten Mal Schiffe mittels kontinuierlicher Strahlung bei 40 cm Wellenlänge. Patente!

1907 DeForest setzt die Elektronenröhre für eine stabilere Erzeugung von elektromagnetischen Wellen ein.

1922 Marconi schlägt Schiffsradar für Nebelsituationen vor1924 Appelton und Barnett nutzen in England erstmals Frequenz-

modulation zur Entfernungsbestimmung -> Ionosphärehöhe.1926 Breit&Tuve (USA) nutzen Pulsprinzip zur Entfernungsbestimmung.1930 Erste zufällige Flugzeugdetektion1938 Erstes operationelles Flugabwehr-Radar (SCR-268)

http://www.radarworld.org/


Historische Entwicklung1940 Offizieller Name Radar nach Taylor&Furth (US Navy), koordinierte

Radarentwicklung zwischen England und USA1940 Entwicklung des Magnetrons (Resonanzkörper) zur Erzeugung

stabiler Mikrowellenpulse, UBirminghamkürzere Wellenlängen, kleiner Sender

1941 Entdeckung von Radarsignalen an Niederschlagsteilchen durch Ryde (General Electric, England), erste Entwicklung von Wetterradar

1947 Marshall et al. finden Zusammenhang zwischen Radarintensität undRegenrate

1949 Gunn & Kinzer messen die Fallgeschwindigkeit von Regentropfen1956 Entwicklung des Doppler Wetterradars zur Detektion von Tornados

durch J.Q. Brantley1966 X-Band-Radar des Meteorologischen Instituts wird installiert1978 SEASAT erster ziviler Satellit mit Scatterometer1985 Planung des DWD Radarverbundes


Historische Entwicklung

1987 Erstes Radar des DWD-Radarverbundes wird in München installiert1990 Erstes Composit-Bild des DWD-Radarverbunds aus 4

Radarstandorten wird generiert1992 POLDIRAD erstes Polarisationradar in Deutschland1991 ERS-1 erster europäischer Satellit mit drei Radargeräten (Altimeter,

Scatterometer, Synthetic Aperture Radar) 1998 Erstes Regenradar PR vom Satelliten bei Tropical Rainfall Measuring

Mission (NASA, NASDA)2000 Planungen bei der ESA ein Wolkenradar auf einen Satelliten zu

bringen (EARTHCARE)2004 Geplanter Start von CLOUDSAT (NASA) im Rahmen des A-Trains2008 Geplanter Start vom dual wavelength radar PR-2

(Ku & Ka Band) auf GPM


Das Bonner Radar

1961 Gründung des MIUB durch Prof. Dr. Hermann FlohnInstallation des 1. deutschen Universitätsradar

Kontinuierliche Modernisierung in den letzten Jahren2003 : Dopplerfähigkeit


Diplomarbeiten mit dem Bonner Radar

Grimbacher, Tobias, 2001 Niederschlag und Orographie im Bonner Raum aus Radardaten

Bagdohn, Stefan, 2000Dämpfungskorrektur im X-Band durch Stereo-Radar-Verfahren

Hantke, Oliver, 2000 Bestimmung von Cirrus-Wolken mit dem Bonner X-Band Radar

Müller, Markus, 1999Untersuchung der dynamischen Prozesse an Kaltfronten anhand von DM-und LM-Simulationen

Meetschen, Dirk, 1999 Erkennung, Nutzung und Entfernung von Clutter zur Verbesserung der Niederschlagsmessung mit dem Bonner Radar

Haase, Günther, 1998Simulation von Radarmessungen mit Daten des Lokalmodells


Diplomarbeiten mit dem Bonner Radar

Kopp, Eva-Maria, 1997Eine kritisch-statistische Untersuchung von Bonner Tropfenspektren und den daraus resultierenden aktuellen Beziehungen von Regenkenngrößen.

Hacker, Stephan, 1996Probleme mit der Dämpfungskorrektur von Radardaten

Böde, Ulla, 1995Gebietsniederschlags-Untersuchungen und Zellstatistiken aus Rückstreumessungen einer stationären Nahbereichs-Radaranlage

Kammer, Axel, 1982Quantitative Messungen der Feinstrukturen von Gebietsniederschlägen mit Radar

Scheidtmann, E., 1970Vertikale Verteilung der Echointensität und Niederschlagsrate


Meßgeometrie

PPI Azimut-scan RHI

Elevations-scan

1-10 Umdrehungen per Minute


Messbeispiel PPI: Bonner Radar


Messbeispiel RHI: Bonner Radar


Visualisierung: 3D- Radardaten

Bonn


Pseudo-CAPPI

Constant Altitude Plan Position Indicator


Messzeiten des Bonner Radar

Bonn University X-band radar measurement modes


Aufbau eines Radarsystems

Sender

steuert Zeitpunkt des Aussendens- Pulslänge τ (0.1-10µs)- Pulswiederholungs-

frequenz PRF (100-3000 Hz)

Modulator

Hohlleiter- rechteckiges Rohr zurverlustarmen Wellenleitung

- Dämpfung muss gemessenwerden

legt Sende- bzw. Empfangs-charakteristik fest

Empfänger

Transmit/Receive Schalterschützt den Empfänger vorhohen Leistungen, schnelles, zuverlässiges Schalten!

T/R Limiter


Verwendete Leistungen

Sendeleistung

Pulsleistung: 106 W Bonn: 200 KW

Strichleistung: 103 W Bonn: 150 W

Duty Cycle: Pusdauer zu Pulswiederkehrzeitτ = 3 ·10-6 s PRF = 250 s-1 → 4 ·10-3 s

Empfangsbereich

Dynamikbereich: 0 bis -100 dBm 0 dBm = 1 mW = 10-3 W10-3 W 10-13 W


Aufgaben

Wie hoch ist die mittlere Sendeleistung eines Radars mit 1 MW Pulsleistung, einer PRF von 500 Hz und einer Pulslänge von 1 µs? Sind diese Angaben realistisch (Vergleiche z.B. mit S-Pol Radars) ?

Wie groß ist das Rückstreuvolumen des Bonner X-Band Radars (∆r=250 m) in einer Entfernung von 5, 50 und 100 km? Darstellung des Volumens und des Durchmessers als Funktion der Entfernung.


Zusammenfassung 1. Doppelstunde

Entfernungsbestimmung mittels Radar

kohärentes/inkohärentes Radar

mono-, bi- und multi-statisches Radar

Wellenlängenbereiche eines Radar (C, X und W-Band)

PPI und RHI

Komponenten eines Radars

Leistungsbereich (Sende- und Empfangsbereich)

radameteorologie, susanne crewell ss 2004 - lmu münchen · pdf filechicago, il:...

Documents