Gliederung. 6. Aktive Fernerkundung der Atmosphäre 6.1 RADAR 6.2 LIDAR 6.3 SODAR 6.4 GPS. 14. Januar 2005, S.

Transkript

1 Gliederung 1. Einleitung. Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 3. Fernerkundung der festen Erde 4. Fernerkundung der Ozeanoberfläche 5. Passive Fernerkundung der Atmosphäre 5.1 Strahlungstransport 5. Mikrowellen Temperatur- und Feuchteprofile, Wolkenwasser, Niederschlag 5.3 Millimeter- und Submillimeter Spurengasprofile in der mittleren Atmosphäre 5.4 Infrarot Temperatur- und Feuchteprofile, Wolkenparameter 5.5 Solarer Bereich Wolkeneigenschaften, Strahlungsbilanz 6. Aktive Fernerkundung der Atmosphäre 6.1 RADAR 6. LIDAR 6.3 SODAR 6.4 GPS 1

2 6.Aktive Fernerkundung 6.1 Radarmeteorologie Forschungsradar DWD (C-Band) Meteorologisches Observatorium Hohenpeissenberg X-Band Radar Universität Bonn Polarimetrisches C-Band Radar Institut für Physik der Atmosphäre, DLR

3 Prinzipielles zum RADAR RADAR - RAdio Detection And Ranging LIDAR - LIght Detection And Ranging SODAR - SOund Detection And Ranging *LIDAR nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch Infrarotwellen Prinzip Aussenden elektromagnetischer Wellen, die an einem Ziel (target) reflektiert werden. Empfangenes Signal kann zur Bestimmung der Eigenschaften des Ziels genutzt werden. 3

4 Aufbau eines Radarsystems Transmit/Receive Schalter schützt den Empfänger vor hohen Leistungen, schnelles, zuverlässiges Schalten! Antenne legt Sende- bzw. Empfangscharakteristik fest Modulator steuert Zeitpunkt des Aussendens - Pulslänge τ (0.1-10µs) - Pulswiederholungsfrequenz PRF ( Hz) Hohlleiter - rechteckiges Rohr zur verlustarmen Wellenleitung - Dämpfung muss gemessen werden Modulator Sender Empfänger T/R Limiter 4

5 Entfernungsbestimmung Elektromagnetische Wellen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit c = m/s Pulsmodulation Laufzeitdifferenz t zwischen Empfang- und Sendezeit zur Bestimmung des Abstands r des reflektierenden Objekts zum Radar r c t = Frequenzmodulation frequency modulated continuous wave (FM-CW) Radar 5

6 Frequenzmodulation 6

7 Meßprinzip: gepulstes Radar τ Eindeutige Entfernung: r max = s m/s = 600 km Entfernungsauflösung: r = s m/s = 450 m 7

8 Meßprinzip: Rückstreuung λ= 3 cm Verhältnis von Wellenlänge λ zu Teilchengrösse d bestimmt Rückstreuung Rayleigh-Regime λ >> d 8

9 Radarwellenlängen Wellenlängen beeinflussen die Natur der zu entdeckenden Ziele durch deren Rückstreueigenschaften die 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 9

10 Radarwellenlängen Für meteorologische Anwendungen arbeiten Radargeräte mit Wellenlängen λ von Millimetern bis Metern. Mit der Lichtgeschwindigkeit c ν = c λ entspricht dies Frequenzen ν von ca. 1 bis 300 GHz. 10

11 Radarwellenlängen Band Wellenlänge Frequenz HF m 3-30 MHz VHF 1-10 m MHz UHF m MHz Windprofiler L cm 1- GHz S 8-15 cm -4 GHz NEXRAD C 4-8 cm 4-8 GHz DWD Radarnetzwerk X.5-4 cm 8-1 GHz Bonner Radar K u cm 1-18 GHz K cm 18-7 GHz K a cm 7-40 GHz Wolkenradar W.7-4 mm GHz 11

12 Meßgeometrie PPI Azimutscan RHI Elevationsscan 1-10 Umdrehungen per Minute 1

13 Messbeispiel PPI: Bonner Radar 13

14 Hohe zeitliche Abfolge Animationen Zur Erfassung des bodennahen Niederschlags wird meist ein Azimutscan mit niedriger Elevation mit rascher zeitlicher Abfolge (< 5 min) durchgeführt "precipitation scan" 14

15 Messbeispiel RHI: Bonner Radar Brightband Helles Band 15

16 Visualisierung: 3D- Radardaten Bonn 16

17 CAPPI=Constant Altitude PPI Pseudo-CAPPI Constant Altitude Plan Position Indicator 17

18 Radargleichung für Punktstreuer Sender Emfänger P o P r P o G S A t Leistung P i an der Fläche A t eines Zieles bei der Entfernung r vom Radar ist. P i = P o G A 4πr t Leistung, die auf das Ziel wird isotrop abgestrahlt. Antenne emfängt entsprechend ihrer effektiven Fläche G λ die Leistung P r A e = 4π Radarrückstreuquerschnitt σ B [m ] entspricht der Fläche, die die gleiche Rückstreuung wie das Ziel hat. P r P r = P i A 4π r G e ( 4π ) = λ = Po 3 4 r P o G A t A 4 ( 4π ) r σ B e 18

19 Radargleichung für Volumenstreuer dv = r sinθ dθ dφ f(θ,ϕ) h/ Der ausgesendete Puls eines Wetterradars wird von vielen Streukörpern (Hydrometeoren, Insekten,..) innerhalb des Einheitsvolumens reflektiert. Radarrreflektivität η [m /m 3 ] 19

20 Radargleichung für Volumenstreuer P r+ h / π π λ G 1 r = Po dr N( D) σ B ( D) dd 3 64 π r r f ( θ, φ) sinθ dθ dφ Pulslänge h = c τ h r Radarreflektivität η [m /m 3 ] π θ 8 ln C' C - Radarkonstante mit gerätetypischen Konstanten P r = η r - Entfernungsabhängigkeit r σ B - η - Streuquerschnitt eines Tropfens des Durchmessers D enthält alle Eigenschaften der Streukörper 0

21 Radarreflektivitätsfaktor Z Wird der Rückstreuquerschnitt eines Partikels des Durchmesser D nach der Rayleigh-Theorie angenommen, ergibt sich mit der Dielektrizitätskonstante ε η = 5 π 4 λ ε 1 ε + D V e 6 K P r = P o 3 π G h θ 104 ln λ K r 1 V e D 6 P r C = r K z = N( D) D dd Z [mm 6 /m 3 ] 0 6 K hängt vom Material des Streukörpers (Wasser, Eis), dessen Temperatur und der 1 Wellenlänge ab. Für die typischen Radarbänder gilt K Wasser = 0.93 K Eis = 0.176

22 Niederschlagsbestimmung Messung der Radarreflektivität + Z = 0 N( D) D 6 dd Annahme über Tropfenspektrum + Annahme der Fallgeschwindigkeit Niederschlagsrate am Boden Beim Fall erfahren Tropfen signifikante Reibungskraft, die ihre Fallgeschwindigkeit limitiert (terminal velocity) Fallgeschwindigkeit ist eine Funktion des Tropfendurchmessers. Große Tropfen fallen schneller.

23 Unsicherheit durch Tropfengröße Z = 0 dbz D = 1 mm N = 100 Tropfen m w = 5. g Wasser R = 0.8 mm/h Z = 0 dbz D = 0.5 mm N = 6400 Tropfen m w = 0.4 g Wasser R = 3.1 mm/h 3

24 Marshall-Palmer Verteilung N( D) = N 0 e Λ = 41 R 0.1 N0 = cm 4 ΛD Niederschlagsrate R in mm/h Marshall & Palmer,

25 Z-R Beziehung: Marshall-Palmer Z Z Z Z Z = = = = 0 0 N N( D) N 0 N Λ = N Λ e e 0 0 Γ 7 D ΛD y e y (7) 6 D dd 6 dd 6 ( y Λ) dd y 6 = dy [mm 6 /m 3 ] N0 6! = 96 R 7 Λ 1.47 N( D) = N 0 e Λ = 41 R 0.1 N0 = cm y=λ D; Γ( k) dd = e 0 4 ΛD 1 = Λ y y k 1 Γ( n + 1) = n! dy dy "Klassische" Marschall- Palmer 14. Januar Verteilung 005, S. a = 00 und b=1.6 M&P, 1948 M et al,

26 Z-R Beziehung b Z = a R z.b. a=00 b=1.5 Radarreflektivität Z [mm 6 m -3 ] Regenrate am Boden R [mm/h] Messungen von Wetterradar und Regenmessern aus Darvin Anagnostou & Krajewski, 1998 Fehler in der mit Radar bestimten Niederschlagsrate ist im günstigen Fall zwischen 50 und 100 % 6

27 Probleme der Radarmessung Repäsentivität von Bodenmessern für Flächenniederschlag ist gering 7

28 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 8

29 Doppler Effekt Christian Doppler, östreichischer Mathemathiker und Physiker ( ) Schallwellen sind das klassische Beispiel: Ambulanz nähert sich (Kompression der Wellen) Intervall zwischen Wellen verkürzt sich, höhere Frequenz (Ton) Ambulanz entfernt sich (Streckung der Wellen) Frequenz reduziert sich, niedriger Ton Messung der Frequenzänderung Geschwindigkeit der Ambulanz Analog für elektromagnetische Wellen: Objekt nähert sich Frequenzanstieg (Blauverschiebung) Objekt entfernt sich Frequenzabnahme (Rotverschiebung) 9

30 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. 30

31 Doppler-Radar Relativgeschwindigkeit von rückstreuendem Objekt und Empfänger führt zur Frequenzverschiebung Windrichtung Tropfen bewegen sich zum Radar Tropfen bewegen sich vom Radar weg 31

32 Doppler-Radar 3

33 Das helle Band 33

34 Das helle Band 34

35 Was passiert? Bright Band Das Eis beginnt zu schmelzen, und zwar von außen nach innen die Eisteilchen bekommen eine Wasserhülle. Das Radar sieht diese Teilchen als langsam fallende Wassertropfen das erhöht die Reflektivität! deswegen nennt man es bright band. Die weiter fallenden und schmelzenden Teilchen werden zu Regentropfen, d.h. ihre Größe nimmt ab die Reflektivität wird reduziert; die Fallgeschwindigkeit nimmt zu mehr fallen unten raus als oben nachkommen die Anzahldichte geht zurück die Reflektivität wird reduziert. 35

36 Dämpfung P r r C = η exp σ e( r r 0 ) dr Gase ca..6 db/ 100 km (zwei Wege Dämpfung) Stärkste Dämpfung durch Hagel 36

37 DWD-Radarverbund 37

38 Niederschlag mittels Polarimetrie Axis ratio Beard, 1976 Goddard et al., 1994 Kubesh&Beard (1993) Beard et al. (1991) Jones (1959) Sterlyadkin (1988) Chandrasekar et al. (1988) Keenan et al., 1997 Pruppacher & Beard, 1970 Andsager et al., Drop diameter in mm 38

39 Niederschlag mittels Polarimetrie 39