Wind Profiler

Ein Windprofiler oder Radar-Wind-Profiler (RWP) ist seit den frühen 1970er Jahren ein meteorologisches Messsystem, zur Messung der Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre.^{[1][2][3][4][5]} Damit können Messungen der vertikalen Variation der Windrichtung und Windstärke (Vertikalprofil des horizontalen Windvektors) durchgeführt werden. Ein RWP besteht aus einem, auf dem Erdboden aufgebauten und vertikal strahlenden gepulsten Primär-Radarsensor.

Wind Profiler (Deutschland) Bayreuth Lindenberg Ziegendorf Nordholz

Windprofiler in Deutschland

Durch eins zusätzliches Radio Acoustic Sounding System (RASS) wird die Messung der schallvirtuellen Temperatur ermöglicht. Die RASS-Komponente eines RWP besteht aus zusätzlichen Lautsprechern, die durch vertikal abgestrahlte Schallwellen die Dichte der Atmosphäre modulieren. Durch die Wellenberge und Wellentäler der Schallwellen bilden sich Zonen unterschiedlicher Reflexionseigenschaften für die elektromagnetischen Wellen des Radars. Der Abstand dieser Zonen ändert sich aufgrund von Temperaturunterschieden in der Atmosphäre. Diese Abstandsänderungen können mit dem Radar gemessen und daraus der Temperaturverlauf bestimmt werden.^[1][2][3]

Ein RWP-System mit einer Sendefrequenz von 915 MHz erlaubt z. B. die Messung der Temperatur der Atmosphäre mit einer vertikalen Auflösung von 60 m bis zu 1,5 km Höhe. Ein anderes System, das auf 449 MHz sendet, hat eine Auflösung von 60 m bis zu einer Höhe von 3,5 km bei einer Mittelung der Messwerte über 5 Minuten.^[6]

Grundsätzlich hängt die erreichbare Reichweite, Auflösung und Genauigkeit u. a. von der Wahl der Betriebsfrequenz ab, wobei niedrigere Frequenzen eine bessere Durchdringung von Gewitterwolken ermöglichen, während höhere Frequenzen aufgrund des größeren Dopplereffekte eine höhere Genauigkeit erlauben. Die Eigenschaften der RWP-Systeme in den üblichen Frequenzbereichen sind:

• RWP-Systeme, die bei 50 MHz arbeiten, erlauben eine Messung zwischen ca. 2 km bis zu 20 km Höhe AGL (engl. Above Ground Level, dt. Höhe über Grund) bei einer vertikalen Auflösung zwischen 150 m bis 500 m. Die relativ große Wellenlänge von 6 m erfordert große Phased Antenna Arrays mit Abmessungen von bis zu 100 m × 100 m.^[4.1] Der Radar Wind Profiler and RASS (RWP50) erlaubt die Messung bis zu 12 km^[7] (16 km)^[8] Höhe AGL bei einer vertikalen Auflösung zwischen 300 m bis 1 km und Temperatur-Profile zwischen 2 km bis 4 km^[7]
• RWP-Systeme, die bei 449 MHz oder 482 MHz betrieben werden, erlauben eine Messung zwischen ca. 500 m bis zu 16 km Höhe AGL bei einer vertikalen Auflösung zwischen 150 m bis 500 m. Durch weitaus kleinere Wellenlängen um 64 cm reduzieren sich die Abmessungen der Phased Antenna Arrays auf 11 m bis 15 m Kantenlänge.^[4.1] Das RWP des DWD, welches auf 482 MHz betrieben wird, erlaubt die Messung von Höhenwinden zwischen 0,5 km bis 9,3 km im Low Mode und 5,5 km bis 16,0 km Höhe im High Mode.^[1] RWP-Systeme, die im Bereich um 64 cm Wellenlänge arbeiten, können aber auch nur für eine Reichweite von 150 m bis 6 km ausgelegt sein, z. B. AP500.^[9.1] RWP-Systeme, die auf 449 MHz senden, sind mit Reichweiten bis zu 6 km^[9.1] oder 8 km Höhe^[6] spezifiziert. So nutzt z. B. das AP5000 eine EIRP von ca. 98 dBm, bei einem Antennengewinn von 32 dB (keine Angabe ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° nach oben erfolgt.^[9.1]

• Von RWP-Systemen, die auf 915 MHz senden, wird eine vertikale Auflösung von 6 m und ein Reichweitenbereich von ca. 100 m bis zu 4 km^[6] abgedeckt. So nutzt z. B. das AP500 eine EIRP von ca. 85 dBm, bei einem Antennengewinn von 25 dB (keine Angabe, ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 8,4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° nach oben erfolgt.^[9.1]

• RWP-Systeme, die auf 1290 MHz senden, erreichen vertikale Auflösung von ca. 30 m und Reichweitenbereich von ca. 100 m bis 4 km ohne, und 1,2 kM mit Nutzung eines zusätzlichen RASS-Systems.^[9.2]Der WTR/RASSA (engl. Wind Temperature Radar and Radio Acoustic Sounding System) am Flughafen Frankfurt am Main arbeitete auf 1290 MHz. Das WTR/RASSA nutzte ein AP1000-Windprofiler Radar (Scintic)^[9] mit einer WR-RASS-Erweiterung, besaß eine EIRP von ca. 96 dBm bei einem Antennengewinn von 32 dB (keine Angabe ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 8,4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° ±11° nach oben erfolgt. Die Phased-Array-Antenne bestand aus 768 einzelnen Antennenelementen (4,8 m × 4,8 m). Die RASS-Komponente bestand aus 20 akustischen Arrays, die jeweils aus 1024 Piezo-Lautsprechern bestanden.^[9.2] Es konnten Wind und Temperatur bis 1500 m (max. 3000 m) mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % in 30 m Schritten von 200 m bis 1750 m AGL, wobei die Daten vor Ausgabe über 15 Minuten gemittelt wurden.^[10]

Die Zeitintervalle für die Mittlung der Messwerte von RWP und WTR können zwischen 1 Minute und 60 Minuten gewählt werden.^[9.3] Damit können in kürzeren Abständen aktuelle Messungen erfolgen als bei der Sondierungen der Atmosphäre mit Ballonen. Die Daten können direkt in dafür geeignete Netzwerke eingespeist und für die Initialisierung und Anpassung der Wettermodelle verwendet werden und dienen einer möglichst genauen Wettervorhersage. Windprofiler arbeiten vollautomatisch und können daher auch mit wenig Personal betrieben werden.

Messprinzip

Windgeschwindigkeit

Ehemaliger Windprofiler am Meteorologischen Observatorium Lindenberg

Mobiler Wind Profiler von Meteoschweiz

Eine gepulste elektromagnetische Welle wird über eine phasengesteuerten Gruppenantenne (engl.: Phased-Array-Antenne) in die Troposphäre abgestrahlt; zur Windmessung mit dem DBS-Verfahren (engl. Doppler beam swinging) werden dabei mindestens drei verschiedene Strahlrichtungen verwendet. Die elektromagnetischen Wellen werden durch Inhomogenitäten des Brechungsindexes gestreut. Aus der Phasenänderung der zurückgestreuten Welle kann die Dopplerverschiebung und damit die radiale Windgeschwindigkeit ermittelt werden.^[11][12][13]

Temperatur

Lautsprecher

Die Temperatur wird nach dem Prinzip des radio-acoustic sounding system gemessen. Dazu strahlen z. B. vier große Lautsprecher mit rund 135 dBa Schallwellen in die Atmosphäre, es können aber auch akustische Arrays aus Piezo-Lautsprechern genutzt werden. Das dabei entstehende Muster von Dichte-Fluktuationen wird vom Radar-Puls abgetastet, wobei die Schallgeschwindigkeit als Funktion der gemessenen Wellenlänge einer bekannten Frequenz bestimmt wird. Über die Laplacesche Beziehung wird dann aus der Schallgeschwindigkeit die Temperatur abgeleitet. Die Reichweite der Temperaturmessung ist auf 4 km begrenzt durch die Reichweite des akustischen Signals.

Genutzte Frequenzen

Für die Bestimmung von Windgeschwindigkeiten kann jede Radarfrequenz als Sendefrequenz genutzt werden. Es ist ein Kompromiss zu schließen:

• je höher die Sendefrequenz, desto größer auch die Dopplerfrequenz bei gleicher Windgeschwindigkeit, weswegen höhere Frequenzen eine bessere Messgenauigkeit bieten; allerdings werden sie innerhalb von Wolken sehr stark bedämpft und haben deswegen keine große Reichweite.
• tiefere Frequenzen können dichtere Wolkendecken durchdringen, haben aber eine schlechtere Genauigkeit.

Bodengestützt

Die üblicherweise international für RWP genutzten Frequenz-Bereiche im VHF- bis UHF-Band sind

1. 46–68 MHz (typ. 50 MHz)^[14.1]
2. 440 MHz bis 450 MHz (typ. 449 MHz)
3. 470 MHz bis 494 MHz, (typ. 482 MHz)^[14.2] Auf der World Radio Conference 1997 (WRC-97) der ITU (International Telecommunication Union) wurden auch die folgenden Frequenzbereiche zugewiesen^[15]
4. 904 MHz bis 928 MHz nur in ITU Region 2 (typ. 915 MHz),
5. 1270 MHz bis 1295 MHz (typ. 1290 MHz) und
6. 1300 MHz bis 1375 MHz beschlossen.^[16]

Es gibt aber auch vereinzelt WPR Systeme, die auf unüblichen Frequenzen wie z. B. 205 MHz^[17] genutzt werden.

Die in Deutschland zugelassenen Frequenz-Bereiche für (meist bodenständige) Windprofil-Radargeräte sind:^[18]

min. Frequenz	max. Frequenz	im Frequenzband
46 MHz	68 MHz	VHF
470 MHz	790 MHz	UHF
1260 MHz	1300 MHz	UHF (L-Band)

Satellitengestützt

Bei satellitengestützten Radargeräten (Abstrahlung nach unten) müssen durch die meist sehr große Höhe der Umlaufbahn über der Erdoberfläche oder der Wolkendecke Einschränkungen in der Genauigkeit durch die Divergenz der elektromagnetischen Wellen hingenommen werden. Das kann kompensiert werden durch die Wahl extrem hoher Sendefrequenzen und daraus folgender höherer Richtwirkung bei kleineren geometrischen Abmessungen der Antennen; die höhere Dämpfung durch die Atmosphäre ist bei Messungen aus dem Weltall nur auf einem sehr kurzen Stück des Ausbreitungsweges wirksam. Von Satelliten aus werden zusätzlich folgende Frequenzbänder für die Erkundung von Wettererscheinungen genutzt:^[18]

min. Frequenz	max. Frequenz	im Frequenzband
5,250 GHz	5,255 GHz	C
9,300 GHz	9,900 GHz	X
13,25 GHz	13,75 GHz	Ku
24,05 GHz	24,25 GHz	K
35,5 GHz	36,0 GHz	Ka
94,0 GHz	94,1 GHz	W
130,0 GHz	134,0 GHz	F
237,9 GHz	238,0 GHz	J

Geschichte

• 1966–1969: erste Versuche von Windmessungen mittels Radar in Wallops Island
• 1975: erstes spezielles Radar für Höhenwindmessungen nimmt in Boulder (Colorado) den Betrieb auf (Sunset-Radar)
• 1976: SOUSY (Sounding System) des MPAE arbeitet nahe Katlenburg-Lindau
• 1984: Colorado Wind Profiler Network mit fünf Profilern nimmt Arbeit auf
• 1991: Wind Profiler Demonstration Network arbeitet mit 32 Systemen
• ab 1996: der Deutsche Wetterdienst beginnt mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Profiler-Networks in Deutschland. Der Prototyp wird am Meteorologischen Observatorium Lindenberg (Brandenburg)^[19] in Betrieb genommen. Es folgen Systeme in Ziegendorf (Mecklenburg-Vorpommern), Nordholz (Niedersachsen) und Bayreuth (Bayern).

Siehe auch

• SODAR (Sound Detecting And Ranging, ein ein akustisches Fernmessverfahren zur Windmessung in der unteren Atmosphäre)

Weblinks

Commons: Wind Profiler – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien