Projekt:FE Beobachtung 1/Wolkenradar/Theoretische Grundlagen

Teilprojekt Wolkenradar

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Autoren: Francis [Radar] , Tina [Wolken]

Einführung

Für die Disziplin des Wolkenradars sind sowohl die Eigenschaften von Wolken mit ihren physikalischen Parametern als auch die Grundlagen der Radartechnik von enormer Wichtigkeit. Hierbei spielen gerade die wolkenmikrodynamischen Einzelprozesse wie Partikelgröße, der Wassergehalt in Wolken und Eiskeime eine Rolle. Außerdem kommt es so zur Entwicklung von Parametrisierungen für diese Prozesse. Bei Radarprozessen kommt die Analyse des Zustandes und der Dynamik von Einzelwolken und Wolkensystemen zum Tragen. Dabei ist der Einfluss von Aerosolpartikeln und Niederschlagszellen zu nennen und zu berücksichtigen. Hinzu kommen quantitative und qualitative Betrachtungen.

Wolken

Bestandteile von Wolken

In Abhängigkeit vom Temperaturbereich bestehen Wolken aus Wassertropfen und/oder Eiskristallen. Damit sich Wolken bilden können, werden außer dem Wasserdampf noch Kondensationskerne, die die Abkühlung beschleunigen, benötigt. Solche Kondensationskerne sind fein verteilte feste und flüssige Partikel, die als Aerosole bezeichnet werden. Sie können sehr verschiedene Größen, Zusammensetzungen und Formen besitzen. Ohne Kondensationskerne ist eine Bildung von Wasserwolken nicht möglich.

Temperaturintervall	Bestandteile
0°C bis -12°C	unterkühlte Wassertropfen
-13°C bis -20°C	unterkühlte Wassertropfen und Eiskristalle
-21°C bis -40°C	überwiegend Eiskristalle
unter -40°C	ausschließlich Eiskristalle

Tabelle 1: Bestandteile einer Wolke mit zugehörigem Temperaturintervall, nach MALBERG (1997), verändert

=== Entstehung von Wol

Klassifikation von Wolken

Man kann Wolken nach dem Entstehungsprozess (genetisch) oder nach dem Aussehen und den Erscheinungsformen (phänomenologisch) klassifizieren. International wird die phänomenologische Klassifikation der Wolken nach Höhe und Gestalt, die im "International Cloud Atlas" der WMO ausführlich beschrieben ist, verwendet.

Stockwerk	Polargebiete	Mittlere Breiten	Tropen
hohe Wolken	3-8	5-13	6-18
mittelhohe Wolken	2-4	2-7	2-8
tiefe Wolken	0-2	0-2	0-2

Tabelle 2: Angaben zur Wolkenhöhe in km

Weitere Information zu Wolkeneigenschaften siehe Projekt FE Auswerteverfahren 1/Wolken

Wassergehalt

Flüssigwassergehalte von Wolken in niedrigen Stockwerken wie Cumulus, Stratus und Stratocumulus werden hauptsächlich durch Partikelsonden, welche sich auf Flugzeugen befinden, gemessen. Durchschnittlich gemessene Wassergehalte belaufen sich auf 0.2 g/m³ (Clothiaux ET AL. 1995). Auch das Tröpfchenspektrum variiert stark. Bei zunehmendem Durchmesser gibt es auch einen Anstieg der Tröpfchenkonzentration. Allerdings gibt es im Bereich von einem Durchmesser von 10 µm ein Maximum der Konzentration, die danach langsam abnimmt.

Radar

Einleitung

Die Entdeckung der Radartechnik ist einer Anhäufung vieler Entwicklungen und Verfeinerungen mehrerer Wissenschaftler verschiedener Nationen zu verdanken. Dies geschah ziemlich zeitnah. Die Theorie wurde durch den englischen Physiker J. C. Maxwell mit seiner elektromagnetischen Lichttheorie 1865 geschaffen. Erst 21 Jahre später gelang es dem deutschen Physiker H. R. Hertz erstmals die elektro – magnetischen Wellen nachzuweisen. Praktische Radarversuche gab es durch die Entfernungsberechnung zu metallischen Gegenständen. 1939 kam es dann zur Entwicklung vom Mikrowellenradar, welches gerade im Bereich der Wolkenerkennung zur Anwendung kommt. Das Radarverfahren ist in seiner zivilen Nutzung zur Alltagsanwendung geworden.

Arbeitsweise von Radargeräten

Für die Arbeit eines jeden Radargerätes wirken drei grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten, die im Folgenden genannt werden sollen.

1. Elektromagnetische Wellen breiten sich geradlinig aus
2. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen ist konstant
3. Elektromagnetische Wellen werden an Hindernissen reflektiert

Ein leistungsfähiger Sender erzeugt eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung. Der Duplexer, falls vorhanden, ist für die Umschaltung zwischen senden und empfangen zuständig. Die erzeugte Energie wird über eine Antenne ausgestrahlt und auch das Echosignal (die vom Objekt reflektierte elektromagnetische Welle) wird empfangen. Die Reflektion der elektromagnetischen Welle geschieht diffus. Die Signale können dann auch visuell dargestellt werden.

Einteilung von den verschiedenen Radargeräten

Um unterschiedliche Informationen der zu messenden Objekte über Radargeräte zu erfahren, müssen diese verschiedene Eigenschaften und Techniken besitzen. Somit werden sie nach den unterschiedlichen Kriterien unterteilt. Sie können auch nach ihrem Verwendungszweck eingeteilt werden. Dies gehört hier nicht zum Thema.

Datei:Radareinteilung.gif

Einteilung von Radargeräten

Vor- und Nachteile von Primär- bzw. Sekundärradargeräten können in der angegeben Quelle nachgelesen werden.

Gleichung zur Entfernungsbestimmung

$r={\frac {c_{0}\cdot t}{2}}$ <br\>

$c_{0}$ . . . Lichtgeschwindigkeit = $3\cdot 10^{8}{\frac {m}{s}}$<br\> $t$ . . . Laufzeit [s]<br\> $r$ . . . Entfernung [m]<br\>

Die Gleichung enthält den Faktor 2, da ja der Hin- sowie der Rückweg betrachtet wird. Man kann auch mit der Lichtgeschwindigkeit rechnen, obwohl die Atmosphäre kein Luftleerer Raum ist. Die Abschwächung der Elektromagnetischen Strahlung ist jedoch gering und kann vernachlässigt werden.<br\>

Auch eine Winkelbestimmung ist möglich, da aber nur die senkrechte Ausstrahlung von Relevanz ist, wird auch diese nicht weiter betrachtet.

Radargleichung

${\overline {P}}=C\cdot {\frac {\eta }{r^{2}}}$

$C$	... Konstante
$\eta$	... Reflektivität
$r$	... Entfernung [m]

In der Radargleichung wird die empfangene mittlere rückgestreute Leistung ${\overline {P}}$ mit den Eigenschaften des Radars und den atmospärischen Parametern, die die Stahlung beeinflussen, zusammengestellt. Die Konstante $C$ beinhalte dabei technische Parameter des Radars. Diese sind Wellenlänge, Verluste durch Antenne und Empfänger und andere Antenneneigenschaften.

Für nähere Informationen zur Radargleichung siehe im Projekt Wetterradar.

Signalabschwächung

Elektromagnetische Wellen werden an Teilchen in der Atmosphäre abgeschwächt. Dies geschieht einerseits durch Absorption und andererseits durch Streuung. Beide Prozesse werden unter der Extinktion zusammengefasst. Die Hauptquellen für diese Prozesse in der Atmosphäre sind Hydrometeore, Aerosole sowie Sauerstoff und Wasserstoff. Da diese Prozesse wellenlängenabhängig sind, werden elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen im Millimeterbereich anders absorbiert und gestreut als zum Beispiel das sichtbare Licht. Die verwendeten Frequenzen von Wolkenradargeräten liegen mit 33-35 GHz bzw. 94/95 GHz im "atmosphärischen Fenster".<br\>

Bei Wolken sind die einzelnen Partikel deutlich kleiner als die verwendete Wellenlänge von minimal 3 mm. Dies führt dazu, dass Absorptionsprozesse stärker ins Gewicht fallen als Streuprozesse. Ein Unterschied wird auch zwischen Eis- und Wasserwolken sichtbar. Die Extinktion liegt bei Wasserwolken fast zweimal höher als bei Eiswolken. Die Signalabschwächung von Eiswolken ist sogar geringer, als die, die durch Absorption an Sauerstoff/Wasserdampf entsteht. Ferner kommt es bei Eisteilchen, wegen ihrer kristallienen Struktur zur Bragg - Streuung.<br\>

Bei Niederschlagsereignissen kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass die Streuung gering ist. Die Partikelgrößen liegen etwa zwischen einigen hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern. Damit kann die Rayleight-Streuung (Näherung der Mie - Theorie) nicht mehr angenommen werden. In Versuchsmessung von Ulaby (1981) wird die Signalabschwächung von 95 GHz untersucht. Dabei ergeben sich für leichte Niederschläge ähnliche Abschwächungen wie für Wolken ansich. Bei starken Niederschlägen ist die Signalabschwächung so stark, dass mit Wolkenradargeräten keine vernüftigen Messungen mehr gemacht werden können.

Dopplerradar

Einleitung

Wellenlängen im Bereich von mm (hauptsächlich verwendet beim Wolkenradar) und cm (hauptsächlich verwendet vom Wetterradar) werden genutzt, um Hydrometeore zu beobachten. Beim Windprofiler werden Wellenlängen im Meterbereich verwendet und damit Brechungsindexe betrachtet. Da man nicht davon ausgehen kann, dass diese Wolken bzw. Niederschlagspartikel sich an einem festen Ort in der Atmosphäre befinden, bewegen sich diese also relativ zum Radar. Alle diese Prozesse sind nur möglich, in dem Dopplerprozesse genutzt werden. Dadurch kann sowohl Strahlung mit konstanter als auch mit verschiedener Polarisationsrichtung verwendet werden. Dies ist gerade bei Eiswolken, wo man nicht zwangsläufig von kugeliger Form der Partikel ausgehen kann, von erhöhtem Interesse.

Dopplerfrequenz und Dopplergeschwindigkeit

Dadurch dass Partikel oder andere Objekte sich bewegen, kommt es zu einer zeitabhängig veränderten Phase. Dies kann durch die Dopplerfrequenz beschrieben werden. Dies ergibt sich damit zu : $\omega _{D}={\frac {d\phi }{dt}}$.
Die Dopplerfrequenz kann auch über die Dopplergeschwindigkeit ausgedrückt werden zu: $\omega _{D}={\frac {4\pi }{\lambda }}\cdot \nu _{D}$ (Das Vorzeichen ist abhängig von der Bewegungsrichtung)

$\phi (t)$	... gegenüber dem Ausgangssignal veränderte Phase
$\lambda$	... Wellenlänge mit $\lambda ={\frac {2\pi }{\omega _{0}}}$ [m]
$\nu _{D}$	... Dopplergeschwindigkeit

damit ergibt sich der ausgesendete Radarpuls zu: $v_{t}(t)=a_{t}\cdot \cos {(\omega _{0}\cdot t)}$<br\> und das empfangene Signal zu: $v_{r}(t)=a_{r}\cdot \cos {\left[{\left(\omega _{0}+\omega _{D}\right)\cdot t}\right]}$

$a_{t},a_{r}$	... Amplitude, des rückgestreuten Signals
$t$	... Dauer des Pulses
$\omega _{0}$	... Kreisfrequenz

<br\>

Aufgrund von der begrenzten Geometrie der Antennenabmessungen, sowie die endliche Länge von Pulsen (zeitlich und örtlich) kommt es dazu, dass Messvolumina betrachtet werden. Dieses Messvolumen enthält dann eine größere Anzahl von Hydrometeoren. Weiterhin ist zu bemerken, dass mit dem Dopplerradar nur die radialen Komponenten gemessen werden können. Dies führt dazu, dass Bewegungen, die nicht direkt zum Radar hin- bzw. weggerichtet sind, nicht gemessen werden können.

Für Vor- und Nachteile von gepulsten, frequenzmoduliert bzw. kontinuierlichem Radar vergleiche Russchenberg (1992).

Parameter, die mit einem Wolkenradar bestimmt werden

dazu gehören in erster Linie

• Radarreflektivität
• Partikelgröße
• Partikelgeschwindigkeit
• Partikelaufenthaltsort
• Dopplergeschwindigkeit
• Dopplerverbreiterung
• Lebensdauer
• Wasserhalt
• Eisgehalt
• Wolkenober- und Wolkenuntergrenzen

Allerdings werden bei einigen dieser zu messenden Parameter auch die Grenzen des Wolkenradars aufgezeigt, sowie deren Nachteile deutlich sichtbar.<br\>

Es ist nicht möglich aus den gemessenen Radarreflektivitäten unmittelbar die physikalischen Parameter abzuleiten. Denn erst aus der Partikelgrößenverteilung lassen sich mikrophysikalische Größen bestimmen. Auch sind die Unsicherheiten bei der Bestimmung der Parameter noch zu groß.<br\>

Bei der Messung der Wolkenunterseiten kann es durch Grenzschichtechos, welche durch Aerosole und Insekten hervorgerufen werden können, zu Störsignalen kommen. Auch Niederschläge führen zu einem falschen Messwert. Dies wird behoben indem Simultanmessungen durchgeführt werden. Für Wolkenuntergrenzen kann hierzu gut das Ceilometer verwendet werden.<br\>

Bei Eiswassergehalten gibt es nur wenig in situ Messungen mit denen man die gewonnen Daten der Wolkenradare vergleichen und somit validieren könnte.<br\>

Diese Problematiken können durch redundante Messungen mit anderen Messgeräte behoben werden.