docX-Band Radar Bonn - Meteorologisches Institut München
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X-Band Radar Bonn - Meteorologisches Institut München
Radarmeteorologie 22. 4 Einführung 29. 4 Radargleichung 6. 5. Doppler-Radar 13. 5. Strahlausbreitung Grundlagen 27. 5. Brightband 3. 6. Technische + wolkenphysikalische Aspekte 17. 6. Niederschlagsbestimmung (QPE) 24. 6. Probleme bei QPE 1. 7. Nutzung der Polarisation 8. 7. Wolkenradar + Windprofiler 9. 7. Haase: Radarfernerkundung am SMHI 15. 7. Scatterometer 22. 7. Satellitenradar Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Exkursion zur Radarstandorten Meteorologisches Observatorium Hohenpeissenberg http://www.dwd.de/en/FundE/Observator/MOHP/MOHP.htm Forschungsradar des Deutschen Wetterdienst Ansprechpartner: Jörg Seltmann Institut für Physik der Atmosphäre, DLR http://www.pa.op.dlr.de/poldirad/index.html Polarisationsradar POLDIRAD Ansprechpartner: Martin Hagen Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 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 Weather Observations." 2 ed., Academic Press, 1993, 562 pp. Rinehart, Ronald E., "Radar for Meteorologists", 3rd Edition, Rinehart Publications, 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. Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Literatur - online Jörg Seltmann, Radarforschung im DWD http://www.met.fu-berlin.de/dmg/dmg_home/promet/26_12/26_1_2_11.pdf Radar Meteorology Online Remote Sensing Guide University of Illinois http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/rs/rad/home.rxml COST 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.htm Doppler: Chilbolton Dual wavelength: Chilbolton Kaltfronten im Radar : Chilbolton und weitere meteorologische Ereignisse Brightband: Mc Gill Unversity, Montreal Beispielsmessungen : Mc Gill University, Montreal http://www.radar.mcgill.ca/bright_band.html Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 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. Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 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 c ⋅ ∆t r= 2 Frequenzmodulation frequency modulated continuous wave (FM-CW) Radar Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Frequenzmodulation Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Meßprinzip: gepulstes Radar τ Eindeutige Entfernung: rmax = 0.5 · 4·10-3 s · 3·108 m/s = 600 km Radameteorologie, Susanne Crewell Entfernungsauflösung: ∆r = 0.5 · 3·10-6 s · 3·108 m/s = 450 m SS 2004 Meßprinzip: Rückstreuung λ= 3 cm Verhältnis von Wellenlänge λ zu Teilchengrösse d bestimmt “Rückstreuung” Rayleigh-Regime λ >> d Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Verschiedene Radartypen Kohärentes Radar feste Phasenbeziehung zwischen dem ausgesandten und dem empfangenen Signal Laufzeit ist sehr genau meßbar Wichtig für Doppler! Inkohärentes Radar Phase des ausgesendeten Signals ist nicht stabil Polarisationsradar Nutzung der Depolarisation des Radarsignals and nicht-sphärischen Hydrometeoren z.B. POLDIRAD http://www.pa.op.dlr.de/poldirad/index.html Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Verschiedene Radartypen Monostatisches Radar Sender und Empfänger befinden sich am selben Ort gleiche oder kollokierte Antenne Bistatisches Radar Sender und Empfänger sind getrennt Mulitstatisches Radar Ein Sender und mehrer örtlich verteilte Empfänger Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Verschiedene Radartypen Monostatisches Radar Sender und Empfänger befinden sich am selben Ort Bistatisches Radar Sender und Empfänger sind getrennt Mulitstatisches Radar Ein Sender und mehrer örtlich verteilte Empfänger Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Messbeispiel Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Hydrometeoverteilung Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 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 Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Radarwellenlängen Für meteorologische Anwendungen arbeiten Radargeräte mit Wellenlängen λ von Millimetern bis Metern. Mit der Lichtgeschwindigkeit c c ν= λ entspricht dies Frequenzen ν von ca. 1 bis 300 GHz. Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Radarwellenlängen Band Wellenlänge Frequenz HF 10-100 m 3-30 MHz VHF 1-10 m 30-300 MHz UHF 0.3-1 m 300-1000 MHz L 15-30 cm 1-2 GHz S 8-15 cm 2-4 GHz NEXRAD C 4-8 cm 4-8 GHz DWD Radarnetzwerk X 2.5-4 cm 8-12 GHz Bonner Radar Ku 1.7-2.5 cm 12-18 GHz K 1.2-1.7 cm 18-27 GHz Ka 0.75-1.2 cm 27-40 GHz W 2.7 - 4 mm 75-110 GHz Radameteorologie, Susanne Crewell Windprofiler Wolkenradar SS 2004 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 vor 1924 Appelton und Barnett nutzen in England erstmals Frequenzmodulation zur Entfernungsbestimmung -> Ionosphärehöhe. 1926 Breit&Tuve (USA) nutzen Pulsprinzip zur Entfernungsbestimmung. 1930 Erste zufällige Flugzeugdetektion 1938 Erstes operationelles Flugabwehr-Radar (SCR-268) Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Historische Entwicklung 1940 1940 1941 1947 1949 1956 1966 1978 1985 Offizieller Name Radar nach Taylor&Furth (US Navy), koordinierte Radarentwicklung zwischen England und USA Entwicklung des Magnetrons (Resonanzkörper) zur Erzeugung stabiler Mikrowellenpulse, UBirmingham kürzere Wellenlängen, kleiner Sender Entdeckung von Radarsignalen an Niederschlagsteilchen durch Ryde (General Electric, England), erste Entwicklung von Wetterradar Marshall et al. finden Zusammenhang zwischen Radarintensität und Regenrate Gunn & Kinzer messen die Fallgeschwindigkeit von Regentropfen Entwicklung des Doppler Wetterradars zur Detektion von Tornados durch J.Q. Brantley X-Band-Radar des Meteorologischen Instituts wird installiert SEASAT erster ziviler Satellit mit Scatterometer Planung des DWD Radarverbundes Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Historische Entwicklung 1987 Erstes Radar des DWD-Radarverbundes wird in München installiert 1990 Erstes Composit-Bild des DWD-Radarverbunds aus 4 Radarstandorten wird generiert 1992 POLDIRAD erstes Polarisationradar in Deutschland 1991 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-Trains 2008 Geplanter Start vom dual wavelength radar PR-2 (Ku & Ka Band) auf GPM Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Das Bonner Radar 1961 Gründung des MIUB durch Prof. Dr. Hermann Flohn Installation des 1. deutschen Universitätsradar Kontinuierliche Modernisierung in den letzten Jahren 2003 : Dopplerfähigkeit Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Diplomarbeiten mit dem Bonner Radar Grimbacher, Tobias, 2001 Niederschlag und Orographie im Bonner Raum aus Radardaten Bagdohn, Stefan, 2000 Dämpfungskorrektur im X-Band durch Stereo-Radar-Verfahren Hantke, Oliver, 2000 Bestimmung von Cirrus-Wolken mit dem Bonner X-Band Radar Müller, Markus, 1999 Untersuchung der dynamischen Prozesse an Kaltfronten anhand von DMund LM-Simulationen Meetschen, Dirk, 1999 Erkennung, Nutzung und Entfernung von Clutter zur Verbesserung der Niederschlagsmessung mit dem Bonner Radar Haase, Günther, 1998 Simulation von Radarmessungen mit Daten des Lokalmodells Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Diplomarbeiten mit dem Bonner Radar Kopp, Eva-Maria, 1997 Eine kritisch-statistische Untersuchung von Bonner Tropfenspektren und den daraus resultierenden aktuellen Beziehungen von Regenkenngrößen. Hacker, Stephan, 1996 Probleme mit der Dämpfungskorrektur von Radardaten Böde, Ulla, 1995 Gebietsniederschlags-Untersuchungen und Zellstatistiken aus Rückstreumessungen einer stationären Nahbereichs-Radaranlage Kammer, Axel, 1982 Quantitative Messungen der Feinstrukturen von Gebietsniederschlägen mit Radar Scheidtmann, E., 1970 Vertikale Verteilung der Echointensität und Niederschlagsrate Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Meßgeometrie PPI Azimutscan RHI Elevationsscan 1-10 Umdrehungen per Minute Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Messbeispiel PPI: Bonner Radar Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Messbeispiel RHI: Bonner Radar Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Visualisierung: 3D- Radardaten Bonn Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Pseudo-CAPPI Constant Altitude Plan Position Indicator Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Messzeiten des Bonner Radar Bonn University X-band radar measurement modes Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Aufbau eines Radarsystems Transmit/Receive Schalter schützt den Empfänger vor hohen Leistungen, schnelles, zuverlässiges Schalten! steuert Zeitpunkt des Aussendens - Pulslänge τ (0.1-10µs) - Pulswiederholungsfrequenz PRF (100-3000 Hz) Modulator legt Sende- bzw. Empfangscharakteristik fest Hohlleiter - rechteckiges Rohr zur verlustarmen Wellenleitung - Dämpfung muss gemessen werden Empfänger Sender T/R Limiter Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 Verwendete Leistungen Sendeleistung Pulsleistung: 106 W Bonn: 200 KW Strichleistung: 103 W Bonn: 150 W Duty Cycle: Pusdauer zu Pulswiederkehrzeit PRF = 250 s-1 → 4 ·10-3 s τ = 3 ·10-6 s Empfangsbereich Dynamikbereich: 0 bis -100 dBm 10-3 W 10-13 W Radameteorologie, Susanne Crewell 0 dBm = 1 mW = 10-3 W SS 2004 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. Radameteorologie, Susanne Crewell SS 2004 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
