Projekt:FE Beobachtung 1/Wolkenradar/Methoden und Typen/Wolkenradar MIRA 36

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Autor:Dasthes

Bei dem Wolkenradar MIRA 36 handelt es sich um ein kohärentes, gepulstes 35,5 GHz – Radarsystem, das in 2 Polarisationsebenen arbeitet. Es wird genutzt zur Messung von Vertikalprofilen der Reflektivität, der Varianz der Geschwindigkeit im Höhenbereich von 150 m bis 15 km und zur Messung der Dopplergeschwindigkeit. Durch die Messungen können sowohl direkte als auch indirekte Größen bestimmt werden. Zu den direkten gehören dabei die makroskopischen Wolkenparameter wie Ober- und Untergrenze einer Wolke, als indirekte Parameter können Flüssig – und Eiswassergehalt, sowie die Tröpfchengrößenverteilung abgeleitet werden.

Die Firma Metek entwickelte zusammen mit dem Institut für Radioastronomie Kharkov ein System, das für den kontinuierlichen Messbetrieb ausgelegt wurde. Dieses wurde 2003 für das Meteorologische Observatorium Lindenberg in Betrieb genommen. Weiterhin wird das Wolkenradar MIRA 36 seit Ende 2006 am Max-Planck-Institut betrieben. [1][2]


Technische Daten[Bearbeiten]

MIRA 36 besteht aus Antenne, jeweils zwei Empfängern und Sendern, einem Radarcomputer, einem Controller, einer Kalibrierungseinheit und der Stromversorgung. Die Komponenten ausgenommen der Antenne werden in einem Kofferanhänger installiert und die Antenne an dessen Dach befestigt. (Bilder: [2][3][4])


In nachfolgender Tabelle sind einige wichtige technische Merkmale des Wolkenradars aufgeführt. Im Meteorologischen Observatorium Lindenberg wird dieses momentan mit einer Pulslänge von 200 ns, was einer vertikalen Auflösung von 30 m entspricht betrieben. Weiterhin werden 256 FFT – Punkte, 420 Höhenstufen mit einer minimalen und maximalen Messhöhe von 240 m bzw. von 12840 m genutzt. Die Pulswiederholperiode liegt bei 200 μs, was einer Pulswiederholfrequenz von 5 kHz entspricht. Daraus lässt sich zum einen die spektrale Auflösung von 0,08 m/s und zum Anderen der Eindeutigkeitsbereich von 10,24 m/s ableiten. Mit dem Radar können die Momente in den einzelnen Höhenstufen, sowie die Spektren für jede Höhenstufe aufgezeichnet und gespeichert werden. Beim Observatorium Lindenberg geschieht die Speicherung dieser Parameter aufgrund der Speicherkapazität nur einmal in der Woche (mittwochs von 10:00 bis 12:00 UTC). [2][3][4]


Tabelle 1: wichtige technische Merkmale von MIRA 36

Antennendurchmesser 1 m
Antennengewinn 49 dB
Antennentyp Cassegrain mit Polarisationsfilter
Anzahl der FFT - Punkte 128, 256, 512, 1024
Frequenz 35,5 GHz
Minimale Messhöhe 150 m
Mittelungszeit 0,1 – 60 s
Maximale Empfindlichkeit in 5 km - 50 dBZ
Maximale Messhöhe 15 km
Polarisationstrennung - 35 dBZ
Pulsfolgefrequenz 2,5; 5; 7,5 kHz
Pulslänge 100, 200, 400 ns
Sendertyp Magnetron
Spitzenleistung 30 kW
Strahlbreite 0,55
Vertikale Auflösung 15, 30, 60 m

Funktionsweise und Signalverarbeitung von MIRA 36[Bearbeiten]

Vom Wolkenradar MIRA 36 werden elektromagnetische Impulse senkrecht in die Atmosphäre gesendet. Diese Impulse werden dann Hydrometeore ebenso gestreut, wie an Insekten und Staubpartikeln. Anhand der durch die Rückstreuung der Impulse empfangenen Signale kann durch Auswertung der Amplitude und Phase die Reflektivität und deren Bewegung abgeleitet werden. Die Reflektivität ist proportional zur Anzahl und Größe der Hydrometeore.

Die Signalverarbeitung erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst wird das Leistungsspektrum des demodulierten Empfangssignals mittels Fourier – Transformation berechnet. Danach schließt sich eine spektrale Mittelung an. Damit ist die nicht – kohärente Integration der Spektren gemeint. Als dritter Schritt folgt dann die Bestimmung der drei Komponenten des detektierten Signals, d.h. der Dopplergeschwindigkeit, der Geschwindigkeitsvarianz und der Vertikalprofilen der Reflektivität. Zuletzt wird der effektive Radarreflektionsfaktor bestimmt.

Ebenso kann eine Bestimmung des Rauschniveaus durchgeführt werden. Dabei kommen zwei Verfahren zur Anwendung. Es wird entweder das Rauschen aus dem Leistungsspektrum statistisch abgeleitet (Hildebrand, Sekhon) oder das Signal aus einer Höhe (kein meteorologisches Signal) wird als Rauschen angenommen.

Ein Polarisationsfilter in der Antenne erlaubt, dass ko – und kreuzpolarisierte Signalkomponenten getrennt werden können. Wenn aus den getrennten Signalen das „Lineare Dipolarisationsverhältnis“ bestimmt wird, können Rückschlüsse über die geometrische Form der Hydrometeore gezogen werden. [2]

Messbeispiele[Bearbeiten]

Wie schon erwähnt können sowohl Zeit – Höhenschnitte der Momente, als auch Spektren aller Höhenschichten mit Hilfe des MIRA 36 aufgezeichnet werden. Unter [2]und [4] sind einige Beispiele dazu zu finden.

Quellen[Bearbeiten]

  1. Melchionna,S., Peters,G. und Bauer,M., 2007: Ableitung dynamischer und mikrophysikalischer Vertikalstrukturen aus Wolkenradar-Messungen pdf
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 www.dwd.de
  3. 3,0 3,1 www.imk.uni-karlsruhe.de
  4. 4,0 4,1 4,2 www.metek.de Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „metek“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert. Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „metek“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.