Projekt:FE Beobachtung 1/Wolkenradar/Methoden und Typen

Aus Wikiversity
Zur Navigation springen Zur Suche springen

Hinweis:
In der englischsprachigen Literatur findet sich die Messmethode von Wolkenradaren unter "Millimeter-Wave Cloud Radar" bzw. “Wolkenradar im Millimeterwellenlängenbereich“. In diesem Artikel wird nur die Kurzform Wolkenradar verwendet, da praktisch alle Wolkenradare im Millimeterellenlängenbereich messen. Der Zusatz "...im Millimeterwellenlängenbereich" wird deshalb weggelassen.


Autor:Toni 17:26, 2. Jul. 2008 (CEST)


Einleitung[Bearbeiten]

Wolkenradare spielen eine große Rolle bei der Erforschung des Einflusses von Wolken auf das Klima. Dieser Einfluss drückt sich aus zum einen in der Rolle, die Wolken im Strahlungstransfer durch die Atmosphäre spielen, und zum anderen, da sie eine wichtige Verbindung im Wasserkreislauf der Erde sind.
Das amerikanische Committee on Earth Sciences (CES) erkannte 1989 diesen Einfluss, und 1994 initiierte das amerikanische Department of Energy, ein Programm zur Messung der atmosphärischen Strahlung (Atmospheric Radiation Measurement program, ARM), wodurch zahlreiche Forschungsprojekte angeregt wurden, unter anderem die Entwicklung eines Wolkenradars zur regelmäßigen Untersuchung von makro- und mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften wie Schichthöhe, -anzahl, horizontale Ausdehnung, Partikelgröße, -konzentration und Flüssigwasseranteil. Bisherige, episodische Wolkenuntersuchungen mit Ballonsonden oder Flugzeugen, wiesen nicht die benötigen Überwachungsfähigkeiten auf. [1]

Entwicklung[Bearbeiten]

Jahr Radareigenschaften Referenz
Mitte 1960er 35 GHz, Nicht-Doppler, vertikal ausgerichtet Petrocchi und Paulsen (1996), Paulsen et al. (1970)
1983 35 GHz, Doppler, vertikal ausgerichtet Hobbs et al. (1985)
1983 35 GHz, Doppler, Dual-Polarisation, Scanner Pasqualucci et al. (1983)
1987 94 GHz, Doppler, vertikal ausgerichtet Lhermitte (1987)
1993 94 GHz, Doppler, polarimetrisch, flugzeuggebunden Pazmany et al. (1994), Vali et al. (1995)
1996 35, 94 GHz, Doppler, polarimetrisch, Scanner Sekelsky und McIntosh (1996)
1998 35 GHz, Doppler, Pulskompression, bedienerlos Moran et al. (1998)
2003 94 GHz, Doppler, polarimetrisch, Einsatz in großen Höhen Racette et al. (2003), Li et al. (2004)
2004 94 GHz, Nicht-Doppler, satellitengebunden, „Cloud-Sat“ Stephens et al. (2002)
2005 14, 35, 94 GHz, Doppler, polarimetrisch, Scanner Majurec et al. (2005)
2005 35 GHz, Co-Scanner mit S-Pol Farquharson et al. (2005)

Tabelle: [2]

Anfänge[Bearbeiten]

Die Entwicklung von Wolkenradaren geht auf das US-amerikanische Militär zurück. Dort wurden bereits in den späten 1960er und frühen 70er Jahren 35 GHz-Radare (entspricht etwa einer Wellenlänge von 8,7 mm) eingesetzt. Die vertikal ausgerichteten AN/TPQ-11 hatten zwar weder Doppler- noch Zweifach-Polarisationsfähigkeit, konnten Wolkenstrukturen aber trotzdem recht gut erfassen. Leider war die Hardware sehr problemanfällig, vor allem der Hochleistungs-Magnetfeldröhren-Sender (high-power magnetron transmitter). Trotz der Außer-Dienst-Stellung der Anlagen in den 70er Jahren beschäftigten sich in den 80er Jahren einige Forschungsgruppen weiter mit Radaren im Millimeter-Wellenlängenbereich (z.B. Pasqualucci et al. 1983, Hobbs et al. 1985, Lhermitte 1987).

In den 90er Jahren wurden die Forschungen verstärkt, nachdem die bedeutende Rolle von Wolken im Klimawandel festgestellt wurde (siehe oben). Zeitgleich kamen zahlreiche ingenieurtechnische Neuerungen auf den Markt, und neu konstruierte bzw. umfangreich erneuerte Wolkenradare wurden in verschiedenen aktuellen Forschungen eingesetzt (z.B. bei Albrecht et al. 1990, Kropfli et al. 1990, Pazmany et al. 1994, Clothinaux et al. 1995).

Beim Environmental Technology Laboratory (ETL) der amerikanischen Wetter- und Ozeanografiebehörde (NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration) entwickelte man in den frühen 80er Jahren den so genannten NOAA/K-Radar. Dieser ist, durch fortlaufende Verbesserungen, heute noch weltweit im Einsatz, benötigt aber ständige Betreuung durch einen Wissenschaftler und einen Ingenieur. Seine Fähigkeiten, unter anderem die gute Erkennung von mehrschichtigen Wolkenstrukturen, veranlassten das ETL, einen neuen, bedienerlosen, Wolkenradar für das ARM-Programm zu entwickeln. Das bedienerlose Wolkenradar ist die Weiterentwicklung des NOAA/K, hat außer der verwandten Wellenlänge von 8,7 mm aber nur wenige Gemeinsamkeiten. Im November 1996 ging der erste bedienerlose Wolkenradar auf dem Wolken- und Strahlungs-Messfeld (CART, Cloud And Radiation Testbed) von ARM im Norden von Oklahoma (USA) in Betrieb. [1]

Logo des amerikanischen ARM-Programmes

Der Start des ARM-Programmes markierte einen wichtigen Schritt für den Einsatz von Wolkenradaren im Rahmen von atmosphärischer Wolkenforschung. Sie sind nun wichtiger Bestandteil sowohl von Wolken-Langzeitbeobachtungen und deren Auswirkungen auf den Strahlungshaushalt der Erde, als auch verbesserter Erfassung von Wolkenparametern für globale Klimamodelle. [2]

Aktueller Stand[Bearbeiten]

Datei:SGPRegionMap.jpg
Karte des ARM-Geländes in Oklahoma und Kansas (USA)
Datei:ARMMF BlackForest.jpg
mobile ARM-Einrichtung in Heselbach im Schwarzwald (Deutschland)

Aktuell (2007) befinden sich die meisten der Wolkenradare des ARM-Programmes in Oklahoma, Alaska (beide USA), Australien sowie auf Manus und Nauru (beides Inseln im Pazifik). Zwei bodengebundene 94 GHz-Dopplerradare befinden sich auf dem Gebiet der ARM Mobile Facility (AMF) und der ARM Continental Southern Great Plains Site (GPS) in Oklahoma. Weitere ähnliche Wolkenradare arbeiten in Geestracht (D), Chilbolton (GB), Cabauw (NL), Palaiseau (F) und Eureka ( Northwest Territory, CN). Weitere Informationen sind auf einer Google Maps-Übersichtskarte zu finden.

Die beeindruckende Entwicklung von Wolkenradaren schließt mit dem Start eines satellitengebundenen 94 GHz Radars (April 2006), CloudSat, Teil des A-Train-Satellitenverbundes. Mit ihm ist die globale Überwachung und Erfassung von Wolken und Niederschlag möglich. [2]

Blick in die Zukunft[Bearbeiten]

Immer zahlreichere und weiter reichende Anwendungen sowie neue technologische Entwicklungen und verstärkte wissenschaftliche Bedürfnisse für die Radarmeteorologie lassen eine neue Phase in der Entwicklung von Wolkenradaren vermuten.

Neue, bereits jetzt verfügbare Bauteile werden die Leistung von Wolkenradaren weiter steigern und dafür sorgen, dass mehr und mehr analoge Komponenten gegen kostengünstige Computerbauteile ersetzt werden. Im Zuge der Miniaturisierung und Integration von Radarkomponenten wird sowohl Größe und Gewicht, als auch der Energieverbrauch der Geräte sinken. Gleichzeitig wird jedoch der Preis steigen, infolge hoher Kosten für Entwurf, Herstellung und Wartung. [2]

Satellitengebundene Systeme
Die schon begonnene Entwicklung von satellitengebundenen Wolkenradaren (CloudSat, 2004) wird fortgeführt in der NASA-Entwicklung eines Dual-Frequenz-Niederschlagsradars, welches 2013 gestartet werden soll. Das 13,6/35 GHz-Radar soll dann detaillierte dreidimensionale Messungen der Wolkenstruktur, Regenfall und –menge liefern.
Der Start eines ebenfalls weltraumgebundenes 94GHz-Radar der Europäische Weltraumagentur ESA (European Space Agency) ist für 2012 vorgesehen. Es soll durch die EarthCARE (Earth, Clouds, Aerosols and Radiation Explorer)-Mission, ein europäisch-japanisches Gemeinschaftsprojekt für ein besseres Verständnis von Wolken-, Strahlungs-, und Aerosolvorgängen in der Atmosphäre und deren Einfluss auf Wolken und Niederschlagsvorgänge sorgen. [2]


Flugzeuggebundene Systeme
Das kanadische NRC Aerospace (Canadian National Research Council Institute for Aerospace Research) entwickelt zurzeit (Anfang 2007) einen hochmodernen flugzeuggebundenen Dual-Frequenz (9,4/94 GHz)-Radar. Das Radar wird mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit auch schwach streuende Wolken erfassen können.
Weiterhin besitzt das Gerät folgende Eigenschaften:

  • Fähigkeit zur Dopplermessung und
  • Fähigkeit zu polarimetrischen Messung auf beiden Frequenzen
  • Pulskompression bei 94 GHz
  • digitale Empfängertechnologie

Eine ähnliche Technologie wird derzeit auch vom amerikanischen Energieministerium DOE (Dept. of Energy) erforscht. [2]

Schiffgebundene Systeme
NOAA entwickelt zurzeit einen schiffgebundenen 94GHz-Radar, der mit speziellen Stabilisatoren Wellengang und Schiffsneigung ausgleichen soll. Die Anlage dient zur Erforschung von marinen Schichtwolken und Passatcumuluswolken. [2]

ARM vs. CloudNet
Weiterhin werden Wolkenradare in steigendem Maße von Forschungsprogrammen wie dem amerikanischen ARM (Atmospheric Radiation Measurement)-Programm oder dem europäischen CloudNet-Programm eingesetzt. Beim amerikanischen DOE, das ARM betreut, ist der Schwerpunkt auf die Erforschung von Unsicherheiten beim Globalen Klimawandel gerichtet, mit besonderem Fokus auf die Rolle von Wolken und deren Einfluss auf Strahlungsprozesse in der Atmosphäre. ARM verfügt über fortlaufende Daten zur Wolkenstruktur, die in Verbindung mit Strahlungsmessungen zum besseren Einordnen von Wolken und strahlungsphysikalischen Vorgängen in numerische Modelle (u. a. globale Klimamodelle) dienen.
CloudNet verfolgt mit der besseren Einordnung von Wolken in numerische Modelle ähnliche Ziele wie ARM. Länder wie Japan und Kanada tragen durch technische Entwicklungen wie satelliten- oder flugzeuggebundenen Systemen zur Entwicklung bei. [2]

3D-Erfassung
Zurzeit arbeiten Wolkenradare nach dem Prinzip der „Säulenerfassung“: das senkrecht nach oben gerichtete Radar erfasst nur den Teil der Atmosphäre, der über ihn hinweg zieht und erzeugt davon ein Zeitverlauf-Höhen-Diagramm dieser Säule. Um dreidimensionale Strahlungstransfervorgänge (three-dimensional radiative transfer issues) zu erforschen, muss Wissen über die dreidimensionale Wolken- und Niederschlagsstruktur vorhanden sein. Aus diesem Grund erprobt ARM die volumetrische Erfassung von Wolken per Abtastradarsystemen (scanning cloud radar systems).
Es ist anzunehmen, dass in naher Zukunft Gruppen von abtastenden Wolkenradaren zum Einsatz kommen, die kleinere Atmosphärenausschnitte (etwa 20 x 20 km) auf dem ARM - Testgebiet in Oklahoma analysieren. Die Reichweite beträgt etwa 20 bis 30 km, was weit unter der heute üblichen Reichweite von 150 bis 200 km eines Wetterradars liegt. Das liegt daran, dass die Radarstrahlen durch die höheren Frequenzen (und kürzeren Wellenlängen) stärker von Luftpartikeln wie Wassertröpfchen und Hydrometeoren gestreut werden. Außerdem erfordern 3D-Messungen generell eine höhere Genauigkeit, als sie Wetterradare liefern können. Das liegt daran, dass sie nur Niederschlagswolken erfassen müssen und demzufolge in einem anderen Wellenlängenbereich arbeiten. Für Strahlungsübergangs- und Wolkenmodellierungsanwendungen sind jedoch alle Arten von Wolken und Hydrometeoren von Bedeutung, wie sie nur hochempfindliche Radare erfassen können. Dafür, wie auch für die korrekte Erfassung Wolkengrenzen und Mikrophysik sind Technologien wie Polarimetrie, Doppler und Multi-Wellenlängen-Radare (multiwavelength radars) sind diese unerlässlich. [2]

Aufbau und Eigenschaften[Bearbeiten]

Wolkenradar auf dem ARM-Gelände in Oklahoma

Beim Einsatz von Radargeräten gilt es, zwei Grundsätze zu beachten. Für Radare mit gleicher Auflösung und gleicher übertragener Energie gilt: je kürzer die verwendete Wellenlänge, desto kleiner die Partikel, die in der Atmosphäre erfasst werden können. Je kürzer jedoch die Wellenlänge, desto undurchlässiger wird die Atmosphäre für die Radarstrahlung, die Reichweite nimmt also ab. Für große, stark reflektierende Objekte (Flugzeuge, Vögel, Regentropfen) werden größere Wellenlängen (1-10 cm) verwendet, um die Reichweite zu maximieren und die Objekte auch in über 100 km noch zu registrieren. Diese langwellige Strahlung kann Wolkenteilchen (5-10 µm) jedoch nicht erfassen. Aus diesem Grund in die Entwicklung von Radaren nötig, die ihre elektromagnetische Strahlung im Millimeter-Wellenlängenbereich aussenden. Jedoch ist die Reichweite dieser kurzwelligen Strahlung abhängig vom Wassergehalt der Atmosphäre. Bei klarer Atmosphäre beträgt sie einige zehner Kilometer. Bildet sich jedoch Niederschlag, nimmt die Reichweite ab.

Datei:ARM MMCR single column.jpg
Messprinzip eines Wolkenradars

Äußerlich besteht das Wolkenradar aus einer senkrecht nach oben gerichteten Parabolantenne, die auf einem klimatisierten Schiffscontainer montiert ist. Die Antenne hat einen Durchmesser von 3 m (einige Versionen haben einen Durchmesser von 2 m, dadurch bessere Transportierbarkeit), der Container misst 2,5 x 2,5 x 6 m.

Datei:Mmcr diagramm kollias.jpg
48-Stunden-Ausgabediagramm eines Wolkenradars

Im Innern des Containers befindet sich die Elektronik und Computertechnik, die für die Speicherung und Auswertung der Messdaten, die Kalibrierung der Anlage, sowie die Weiterleitung der Daten via Internet zuständig ist. Über Internet ist es auch möglich, die Anlage und alle Messoptionen fernzusteuern sowie eine Echtzeitanzeige der Messwerte und des Zustandes der gesamten Anlage zu bekommen.

Das Wolkenradar besitzt durch die vertikale Ausrichtung des Radarstrahls optimale Voraussetzungen für die Erfassung von Wolkengrenzen (z.B. Ober- und Untergrenzen von Wolken), sowie durch die Dopplerfähigkeit die Geschwindigkeit von Wolken. Der schmale Ausstrahlwinkel von 0,2° (bzw. 0,3° unter Berücksichtigung des Saumbereichs des Strahls) führt zu einer Strahlbreite von 35 – 50 m in einer Höhe von 10 km (bzw. 105 m in 30 km Höhe). Durch diese geringe Breite ist eine quasi-Punktbetrachtung der Atmosphäre direkt über dem Radar möglich. Die Visualisierung erfolgt in einer Tabelle in Form eines Höhen-Tageszeit-Diagramms. Das Wolkenradaren arbeitet in einem Wellenlängenbereich von 8,7 mm (Ka-Band, entspricht einer Frequenz von 35 GHz). [1]

Ausstrahlwinkel vertikale Auflösung Reichweite(Höhe) Wellenlängenbereich
Wolkenradaren 0,2 – 0,3° ca. 50 m 10 – 30 km 8,7 mm

Tabelle: [1]

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile des Wolkenradaren genannt und erläutert. Denn obgleich es speziell für die Wolkenbeobachtung entwickelt und konstruiert wurde, gibt es Nachteile gegenüber anderen Beobachtungssystemen (s. u.), die auf Grund der speziellen Konstruktion auftreten.

Die sehr kurze Wellenlänge ermöglicht zum einen eine sehr hohe räumliche Auflösung und macht die Messungen nahezu unempfindlich gegenüber Echostrahlung. Nachteil dieser kurzwelligen, relativ schwachen Strahlung ist aber die hohe Empfindlichkeit gegenüber Regeneffekten und die dadurch verminderte Reichweite, auch verglichen mit Niederschlagsradar, welches in längeren Wellenlängenbereichen arbeitet. Durch diesen Umstand liefert das Wolkenradaren nur unter niederschlagsfreien Bedingungen bis maximal leichtem Regen bzw. Sprühregen zuverlässige Ergebnisse. Der Einfluss von Flüssigwasser in Wolken oder Wasserdampf ist bei 3 mm größer als bei 9 mm, aber allgemein nicht schwerwiegend. Besonders bei bodengebundenen Messungen wird daher das Ka-Band bevorzugt. Einkristalle oder Schnee verursachen nur sehr geringe Abschwächungen, weswegen auch starke Schneestürme kaum Abschwächungen verursachen. [1]

Vergleich zu anderen Radarsystemen[Bearbeiten]

Neben dem Wolkenradar gibt es zwei weitere Arten von meteorologischen Radarsystemen, die in der Lage sind, Wolken zu beobachten: Windprofiler und Niederschlagsradar. Jedoch bedingt durch deren primären Einsatz für andere Zwecke und die damit verbundenen unterschiedlichen Messmethoden und –prioritäten eignen sie sich nicht gleichgut für die Untersuchung von Wolken. Niederschlagsradar und Windprofiler können Wolken nur in bestimmtem Umfang erfassen. [1]

Einsatzzweck Wellenlängen Auflösung Reichweite Nachteile
Windfelderfassung 6 m – 33 cm (VHF – UHF) 60 – 500 m 5 – 20 km schlechte Auflösung
Niederschlagsüberwachung 10 – 3 cm (S-Band – X-Band) 150 – 1000 m 100 – 450 km flacher Betrachtungswinkel
Wolkenbeobachtung 9 – 3 mm (Ka-Band – W-Band) 30 – 90 m 10 – 30 km starker Regeneffekt

Tabelle: [1]

Sturmüberwachungs-Niederschlagsradar[Bearbeiten]

Das Sturmüberwachungs-Niederschlagsradar des amerikanischen National Weather Service, WSR-88D (NEXRAD) arbeitet mit einer Wellenlänge von 3 cm (das so genannte X-Band) bis 10 cm (S-Band). Diese Wellenlänge ist etwa eine Zehnerpotenz länger als die des automatischen Wolkenradars (3 bis 8 mm, W- bis K-Band). Dadurch ist das Bodenecho, das durch den Radar erzeugt wird, wesentlich einflussreicher, da es im Vergleich zum Signal kaum abgeschwächt wird und somit erst in großer Entfernung (ab etwa 15 km) zuverlässige Messungen gemacht werden können. Weitere Probleme sind der flache Betrachtungswinkel, wodurch die Vertikalstruktur der Atmosphäre nur ungenügend erfasst werden kann, sowie die geringe räumliche Auflösung und die oben genannte zeitliche Inkonsistenz, also der nicht-dauerhafte Einsatz von Sturmüberwachungs-Niederschlagsradaren an einem Ort. [1]

Radar-Windprofiler[Bearbeiten]

Obwohl Radar-Windprofiler mit sehr viel größeren Wellenlängen arbeiten (33 cm bis 6 m, UHF bis VHF), besitzen auch sie die Fähigkeit, sowohl Wolken als auch Niederschlag zu beobachten (siehe White et al. 1996, Orr und Martner 1996, Ralph et al. 1995). Jedoch bedingt durch den eigentlichen Einsatzzweck von Windprofilern – Horizontalwinde in Höhen von 5 bis 20 km zu messen – besteht nur eine bedingte Sensibilität für kleine Wolkenpartien. Neuartige Entwicklungen (siehe Ecklund et al. 1995) von Windprofilern im S-Band (10 cm Wellenlänge) jedoch ermöglichen neben der Niederschlagserfassung auch die Erfassung stärker reflektierende Wolken mit mittlerer räumlicher und zeitlicher Auflösung. [1]

Einsatzmöglichkeiten[Bearbeiten]

MIRA 36[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Quellen[Bearbeiten]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Moran et al. (1998): An unattended Cloud-Profiling Radar for Use in Climate Research.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 Kollias et al. (2007): Millimeter-Wavelength Radars. New Frontier in Atmospheric Cloud and Precipitation Research.

Jeweils erschienen in: Bulletin of the American Meteorological Society (BAMS)