Meßsysteme

POLDIRAD
Falcon
Blitzlokalisierungssystem LPATS
Meßbus
Radar DWD, SMA, ETH
Radiosonden
Ozonsonden
Analysen und Vorhersagen
Bodenstationen
Übersicht

Einleitung


1 POLDIRAD

Das Doppler- Polarisationsradar POLDIRAD (Polarization Diversity Radar) der DLR liefert durch die Doppler-Messungen der Radialgeschwindigkeiten Informationen über die Dynamik der Wolken. Diese Messungen können natürlich nur ein eindimensionales Bild des Geschwindigkeitsfeldes liefern. Die Lage der Auf- oder Abwindzonen in den Gewittern lassen sich damit aber abschätzen. Zusätzliche Information kann man auch erhalten durch die Entwicklung der Reflektivität, deren Zentren (oder Grenzflächen) sich vertikal verlagern können, was ebenfalls auf vertikale Luftströmungen hindeutet. Darüber hinaus gibt es Verfahren, welche es gestatten, aus zeitlich aufeinander folgenden Volumensmessungen von Reflektivität und Dopplergeschwindigkeit das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld zu berechnen.

Die Polarisationsmessungen erlauben es, Rückschlüsse über die verschiedenen Teilchensorten in den Gewitterwolken zu ziehen. Mit Hilfe der Radarreflektivität Z, der differentiellen Reflektivität ZDR und dem linearen Deploarisationsverhältnis LDR lassen sich Regentropfen, Schnee, Graupel und verschiedene Hagelteilchen unterscheiden (Höller 1994). Solche Informationen sind sowohl wichtig für die Beurteilung der Elektrifizierung der Wolken, liefern aber auch Hinweise für die Initialisierung der Modellrechnungen sowie einen Vergleich mit den berechneten Feldern.

1.1 Systemcharakteristika

Die wichtigstem Systemcharakteristika des Radarsystems sollen kurz zusammengefaßt werden:
Wellenlänge 5.3 cm
Maximale Sendeleistung 500 kW
Pulslängen 0.5, 1 und 2 us
PRF 400 bis 2400 s-1
Antennentyp Offset, Paraboloid
Strahlweite 1 Grad
Entfernungsauflösung 75, 150, 300, 450, ... m
Entfernungsbereich 0-300 km
Sendepolarisation beliebig elliptisch
Empfangspolarisation ko- und kreuzpolar zur Sendepolarisation

1.2 Meßgrößen

Die folgenden Grundgrößen werden vom Radar gemessen: Hieraus können weitere, insbesondere für die Modellvergleiche benötigte Größen abgeleitet werden:

1.3 Meßmodus

Im wesentlichen werden PPI (Plan Position Indicator) und RHI Messungen (Range Height Indicator) Messungen durchgeführt. PPI-Messungen sollen bevorzugt gemacht werden, da die Auswertungen der Windfelder zumeist diesen Modus verlangen. Hierdurch ist auch eine bessere horizontale Abdeckung der Niederschlagsfelder möglich. Dies geht natürlich auf Kosten der vertikalen Auflösung, da ein Volumen-Scan in etwa 2-4 min beendet sein soll. Damit kann bei etwa 10 verschiedenen Elevationen gemessen werden. Im gegenwärtigen Zustand muß allerdings noch zwischen dem Dopplermodus und dem Reflektivitätsmodus gewechselt werden. Mit der Erweiterung der DV (Fertigstellung wahrscheinlich noch bis zum Experiment) ist es allerdings möglich, beide Datensätze gleichzeitig zu erfassen und abzuspeichern. Damit kann die zeitliche Auflösung der Messungen in etwa verdoppelt werden, so daß in etwa alle 2-4 min ein vollständiger Datensatz (Volumen-Scan) zur Verfügung steht.

Storm12345
Statussched.pendingpendingpendingpending
Datarefl. fa refl. fa Dopp. fi refl. fa Dopp. fi
Scan type PPI PPI PPI RHI RHI
Azimuth 0;360 Volume-Volume- 6-10 Az. 6-10 Az.
Res (deg) 1scanscan 0,20,2
Elevation 1,5mit 10 Elev.mit 10 Elev. 0;30 0;30
Range (km) 0;300 0;60-100 0;60-100 0;60-100 0;60-100
Res (m) 750 150-300 150-300 150-300 150-300
Tx. Ampl. 107;24 107;24 107 107;24 107
Tx. Phase 64;62 64;62 64 64;62 64
Rx. Ampl. 100;20 100;20 100 100;20 100
Rx. Phase 64;62 64;62 6464;62 64
PRF, Width 400;2.0 1200;1.0 1200;1.0 1200;1.0 1200;1.0
Points 3264646464
Wait 100000
STC yyyyy
Display surv. TDR;Tyy Vxx;Zxx TDR;Tyy Vxx;Zxx
Thresholds R FPCSRw R R FPCSRw

Tabelle 1: Übersicht über den Radar-Meßmodus.

Der Scan-Modus wird in Tabelle 1 näher erläutert. Die Stürme stehen für die verschiedenen Meßaufgaben. Der erste Sturm ist die Übersichtsmessung und wird alle 10 min wiederholt. Die Stürme 2 bis 5 dienen der Volumenserfassung des jeweiligen, interessierenden Gewitters und werden wiederholt so daß möglichst keine Meßpausen entstehen.


2 Falcon

2.1 Systemcharakteristika Falcon

Die chemischen Messungen werden mit dem Foschungsflugzeug Falcon der DLR durchgeführt. Die Falcon ist in der Lage bis in Höhen von etwa 14 km zu operieren. Damit kann sie die Tropopause erreichen und sogar in die unterste Stratosphäre eindringen. Die maximale Flugdauer beträgt dabei etwa 5 Stunden. Zur Instrumentierung gehören im Rahmen von LINOX sowohl meteorologische Standardgrößen wie Wind, Temperatur und Feuchte als auch chemische Komponenten.

2.2 Meßgrößen und Meßsysteme

Die chemischen Komponenten die erfaßt werden sollen sind NO, NO2, O3, SO2, CO2, HNO3 und Aceton. Die jeweiligen Volumens-Konzentrationen werden gemessen. Einen Überblick über die näheren Spezifikationen der einzelnen Meßsysteme gibt Tabelle 2.

Parameter Meßmethode Ansprech- zeit (t90) Nachweis- grenze Bestimmungs- grenze Relativ-/ AbsolutfehlerGruppe
NOCL (NO/O3)1 s10 ppt30 ppt10 / 20%DLR
NO2CL + Photolyse- konverter 5 s30 ppt50 ppt20 / 40%DLR
O3UV- Absorption2 s5 ppb3 ppb3 / 5%DLR
CO2 IR-Absorption 1 s0.5 ppm1 ppm0.15 / 0.3%DLR
HNO3 CIMS 3 s10 ppt30 ppt15 / 40%MPI-K
SO2 CIMS 3 s10 ppt30 ppt15 / 40%MPI-K
(CH3)2CO CIMS 3 s10 ppt30 ppt15 / 40%MPI-K
Kondensations-
kerne
CN-Counter 1 s---MPI-K
Druck kapazitiv 0.2 s 0.1 hPa-0.1 / 1 hPaDLR
Temperatur Pt 100/500 0.2 s0.1 K-0.1 / 0.5 KDLR
Rel. Feuchte kapazitiv 0.5 s0.5%5%1 / 5%DLR
Horizontal-/ Vertikalgeschw. Fünfloch- sonde + INS 0.2 s 0.5 ms-1 0.1 ms-1 2 ms-1
0.5 ms-1
0.5 / 2 ms-1 0.1 / 0.5 ms-1 DLR
Windrichtung Fünfloch-
sonde + INS
-2 Grad-2 / 5 GradDLR
Tabelle 2: Charakteristische Daten der luftchemischen Messungen.

Neben den Spurengasmessungen werden auch die meteorologisch interessanten Grundgrößen gemessen. Diese sind Druck, Temperatur, relative Feuchte sowie die Windkomponenten u, v, w. Für die Temperaturmessungen werden zwei Systeme benutzt: ein schnelles Pt-100 Instrument sowie eine relativ langsam reagierende Pt-500 Probe. Der Wind relativ zum Flugzeug wird mit einem am Nasenmast montierten Strömungssensor (5-Loch Sonde) gemessen. Zur Feuchtemessung werden eine schnelle Lyman-alpha Probe und ein genauer Frostpunktsensor verwendet.

Die Flugzeugposition wird mittels Trägheitsnavigationssystem (INS) bestimmt. Als Zusatzinformation dienen Videoaufzeichnungen des gesamten Fluges mittels einer fest montierten, nach vorne aus dem Cockpitfenster schauenden Videokamera.

Die Daten des Flugsicherungsradars in Erding werden dort abgespeichert und für 3-6 Monate aufbewahrt. Aus diesen Daten ist der Flugverkehr ersichtlich. Solche Informationen sind eine Hilfe bei der Interpretation der Chemie-Messungen, da sich einzelne Peaks dann besser zuordnen lassen (Blitze oder Flieger). Diese Daten können für die Experimentauswertungen benutzt werden.
Abb. 1
: Karte des erweiterten Untersuchungsgebietes. Neben den Radarstandorten OP und Zürich sind einige der möglichen Flugrouten eingetragen.

2.3 Meßmissionen, Flugmuster

Für die Planung der Meßmissionen müssen sowohl die verschiedenen Meßziele als auch die zu erwartende Variabilität der Wetter- und Gewitterentwicklung berücksichtigt werden. Es können zwei wesentliche Meßziele unterschieden werden: Die beiden Ziele lassen sich, je nach Wettersituation, auch miteinander kombiniert verfolgen (z.B. ein Überwachungsflug (Mapping) mit anschließendem Cb-Durchflug). Diese Vorgehensweise bietet sich auch schon wegen der besseren Lokalisierung der Gewitter aus der Höhe während eines Überwachungsfluges an. Ein solcher Flug ist auch besser planbar (Flugplan). Dann kann gegebenenfalls (wenn geeigneter Cb in der Nähe) auf Anfrage die Flugroute geändert werden.


Abb. 2
Vertikales Schemabild der Flugmuster 2 für den Amboßdurchflug.

Im Prinzip können zwei verschiedene Meßmissionen/Flugpattern identifiziert werden:

  1. Monitoring bzw. Mapping

    Flüge vor oder nach einem Gewitterereignis, entweder bei ungestörten Verhältnissen (z.B. am Tag vorher), am Morgen eines wahrscheinlichen Gewittertages oder aber nach einem Gewitterereignis. Zur Kombination mit den Ozonflügen bietet sich eine Flugroute über HP (Hohenpeißenberg) und Payerne an (s. Abb. 1 ). Die weitere Flugstrecke kann variieren längs und/oder quer zur Strömung (T oder L Pattern). Zu überdeckender Bereich 300-500 km. Höhen: 10 und 7 km. Zur Kombination mit dem Amboßdurchflug (falls sich ein Gewitter entwickelt hat) eignet sich der Radar-Bereich OP-Zürich (bzw. der nördlichen Alpenrand) z.B. längs bestimmter Flugstraßen; falls geeigneter Cb in Sicht, Erlaubnis zum Durchflug einholen.
    Ziele:

    1. Überwachung der Umgebungsvariabilität im NOx und
    2. der NOx Reste vorheriger Gewitter,
    3. Ozonvergleich.

  2. Amboßdurchflug, Scannen

    Horizontaler Amboßdurchflug in verschiedenen Niveaus oder von oben herab durch den Amboß absteigen (wie in Abb. 2 und Abb. 3 erläutert). Für die Konzentrationsmessungen sind Mindestniveaus erforderlich: > 500 hPa für NOx und > 3 km für Ozon sowie kein Flüssigwasser. Ausgehend von einem Mapping-Pattern (vgl. Abb. 1) könnten, nach Absprache mit der Flugsicherung, Gewitterdurchflüge in verschiedenen Höhen durchgeführt werden. Das Gewitter sollte möglichst im Radarbereich um OP liegen. Auch der Bereich um das ETH Radar wäre interessant. Für die Radarbeobachtungen optimal wäre eine Entfernung zwischen etwa 20 und 100 km um den jeweiligen Radarstandort herum.
    Ziel:

    1. Erfassung der zeitlichen Variation der Konzentrationen in einer Fläche senkrecht zur Ausströmrichtung im Amboß. Kombination mit den Blitzmessungen.

    Sollte es nicht möglich sein, die Amboßmuster zu fliegen, so soll versucht werden, längs Flugstraßen zu fliegen und dabei möglichst einen Gewitteramboß zu durchfliegen.


Abb. 3
: Horizontales Schemabild der Flugmuster 2 für den Amboßdurchflug.

Die Prioritäten bei sehen insgesamt folgendermaßen aus:

  1. Amboß scannen (alle oder einen Teil der Flugmuster) im Radarbereich OP (100 km Umkreis), evt. in der TRA
  2. Amboß scannen (alle oder einen Teil der Flugmuster) außerhalb des Radarbereiches OP (bevorzugt im Bereich des Züricher Radars)
  3. irgendein Durchflug in irgendeinem Niveau
Beim Amboß kann es sich durchaus auch um einen Restamboß handeln, wobei der aktivere Teil des Gewitter schon wieder zerfallen ist. Auch interessant sind die Verhältnisse stromabwärts, in Bereichen, in denen zwar Luft aus den Gewittern ausfließt, der sichtbare Amboß aber nicht mehr vorhanden ist.

Die am jeweiligen Meßtag zu fliegenden Flugmuster werden im Briefing besprochen. Einen möglichen Entscheidungsbaum zeigt Abb. 4.


Abb. 4
Schematischer Ablaufplan der Entscheidungen für die Flugmissionen.

2.4 Verfügbarkeit

Die Falcon steht in der Zeit vom 15.7.96 bis zum 2.8.96 für das LINOX-Feldexperiment zur Verfügung. Einsatzort ist der Flugplatz in OP. Die Betriebszeit endet damit wochentags normalerweise um 19 Uhr, an Samstagen um 13 Uhr. Sonntags ist kein Betrieb vorgesehen. In Ausnahmefällen kann jedoch von diesen Zeiten abgewichen werden. Falls es erforderlich sein sollte, könnte außerdem nach München ausgewichen werden.

Geplant sind etwa 6 Flüge, davon 2 WMO Ozon-Vergleichsflüge. Insgesamt sind etwa 20 Flugstunden vorgesehen, davon rund 5 h für 2 Ozon-Flüge und 15 h für vielleicht 5 Gewitterflüge. Die maximale Flugdauer für einen Flug beträgt rund 5 h.

Die Zeit für die Vorbereitung und Eichung der Meßgeräte für jeden Flug beträgt etwa 2-3 Stunden. Danach wäre die Falcon im Standby-Einsatz. Für die Nachbereitung sind etwa 2 Stunden erforderlich. Es kann also pro Meßtag mit maximal 2 Flugen gerechnet werden, wobei etwa 2 Stunden Zwischenpause erforderlich sind.


3 Blitzlokalisierungssystem LPATS
(Bayernwerk und Badenwerk AG)

3.1 Meßprinzip

Das LPATS (Lightning Position and Tracking System) System mißt die 2-dimensionale (horizontale) Position eines Blitzes entsprechend dem stärksten Signal. Für Wolke-Erde Blitze ist dies in etwa der Ort des Blitzeinschlages am Boden. Das System mißt die elektrische Komponente der Strahlung, die bei einer Blitzentladung ausgesandt wird. Die Durchlaßcharakteristik ist so eingestellt, daß wenig Wolke-Wolke-Blitze (IC), die eine weniger steile Anstiegszeit als die Wolke-Erde-Blitze (CG) aufweisen, erfaßt werden. Aus der Signalform und der Polarität wird auf die Art der Entladung geschlossen.

Von jedem Signal, das die Ansprechschwelle überschritten hat, wird der Zeitpunkt fixiert. Wurde ein Signal an mindestens 4 Stationen empfangen, so wird aus der Differenz der Ankunftszeiten die Position der Quelle (geogr. Länge und Breite) lokalisiert. Die ausgewiesene Orts- und Zeitangabe entsprechen etwa dem Einschlagsort des Blitzes am Erdboden. Der Fehler dabei liegt meist unter 1 km.

Es muß beachtet werden, daß vom LPATS nicht alle Blitzentladungen erfaßt werden. Zum einen werden IC-Blitze bewußt unterdrückt, zum anderen werden auch CG-Blitze mit geringer Amplitude nicht erfaßt. Blitze, deren Signalform von der Norm abweichen, werden falsch lokalisiert oder verworfen. Die Schätzung der Amplitude der Stromstärke kann durch verschiedene Einflüsse stark verfälscht werden und muß mit Vorsicht interpretiert werden. Bei sehr hoher Blitzfrequenz oder bei starker Störung wird die Empfangsschwelle einzelner Sensoren herabgesetzt, so daß weniger Blitze registriert werden.
Die LPATS Blitzdaten sind vom Bayernwerk und Badenwerk erhältlich.

3.2 Systemparameter:

Die wichtigsten Charakteristika des Systems sind:

Frequenz 2-500 kHz
Antennenstandorte 6
Meßgebiet 07 -15 E, 46.5 -51.5 N
Erfassungseffizienz 70%
Auflösungzeitlich 7ms
räumlich kleiner 1km
Amplitude 1kA

3.3 Datenformat

Jeder erfaßte Blitz wird charakterisiert durch

Zeit seit 00 UTC ms,
Ortsvektor: Longitude, Latitude Grad
Stromamplitude kA
Polarität +, -, 0

Diese Werte werden als ASCII-String nach der Zeit sortiert in Tagesdateien gespeichert (zum Beispiel: 61234567 8.3456 48.3456 +65 ). Die Rohdaten werden mit 1-2 Tagen Verspätung zur Verfügung stehen.


4 Meßbus

Vom Meßbus aus werden meteorologische Parameter sowie luftchemische Messungen durchgeführt. Die Tabelle 3 gibt eine Übersicht der verfügbaren Meßparameter:

Zwei Meßalternativen sind für den Bus geplant:

Parameter Meßbus MeßmethodeAnsprechzeit Nachweis- grenzeBestimmungs- grenzeRelativ-/ Absolutfehler
NO2 CL (Luminol) 1 s0.1 ppb0.2 ppb10 / 20%
NOx CL + CrO3 - Konverter 1 s0.1 ppb0.2 ppb10 / 25%
O3 CL (Ethylen) 2 s2 ppb5 ppb5 / 15%
O3 UV-Absorption 30 s2 ppb5 ppb3 / 5%
SO2 Floureszenz 10 s0.5 ppb1.5 ppb10 / 25%
Druck kapazitiv 0.2 s--±0.2 hPa
Temperatur NTC-Resistance 5 s--±0.2 C
Rel. Feuchte kapazitiv <15 s--±2%
Horizontale Windgeschw. Gleichstrom- generator ---±0.3 ms-1
Windrichtung Spannungsgeber über Ringpotentiometer ----
Tabelle 3: Charakteristika verschiedener vom Bus aus gemessener Parameter.


Weitere Beteiligungen und Zusatzinformationen

1 Radar

Die ETH Zürich führt mit ihrem Dopplerradar in den Sommermonaten wieder ein Beobachtungsprogramm (Monitoring Projekt) durch. Es interessieren insbesondere konvektive Systeme. Es besteht die Bereitschaft (bei Bedarf und nach Absprache) gezielte Messungen für LINOX-Zwecke durchzuführen, falls die Falcon einen Amboßdurchflug im Bereich des Züricher Radars (etwa 100 km Umkreis) machen kann.

Weiterhin sind die routinemäßig von den Wetterdiensten aufgenommenen Radardaten auf Anfrage nach dem Experiment verfügbar. Für LINOX interessante Radardaten sind von folgenden Institutionen erhältlich:


2 Radiosonden

Zusätzliche Radiosonden LMU MIM (M. Peristeri, R. Smith)

Das MIM beteiligt sich an der Meßkampagne mit zusätzlichen, von OP aus startenden Radiosonden (in Ergänzung der DWD Sonden). Die Anlage ist schon betriebsbereit und steht während des Experimentes bis zum 28. Juli zur Verfügung. Zusätzliche Radiosonden wurden ebenfalls von der DLR beschafft und sollen mit dieser Anlage erfaßt werden.

Zusätzliche Radiosonden DWD (Oberschleißheim, Stuttgart)

Auf Anfrage können auch zusätzliche DWD Sonden gestartet werden.

Radiosonden Geophys

Die Sonde Sigmaringen (3 UTC) ist ebenfalls verfügbar.

Zusätzliche Radiosonden Payerne

Montags bis Freitags besteht die Möglichkeit auf Anfrage zusätzlich zu dem festen Starttermin 1100 UTC weitere Sonden zu starten.

Zusätzliche Radiosonden Innsbruck

Zusätzliche Sonden konnten auch auf relativ kurzfristige Voranmeldung von Innsbruck aus gestartet werden.

Welche Sonden an welchen Tagen jeweils angefordert werden wird beim Wetterbriefing entschieden und vom Operationszentrum veranlaßt.

3 Ozonsonden

Die im Rahmen der Ozon Vergleichsmessungen durchgeführten sowie zusätzlich für LINOX zu startenden Ozonsonden sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. WMO-Ozonvergleich Hohenpeissenberg - Payerne - Falcon 15.7-2.8.1996
O3-Sonde* Tag Zeit [UTC] Zusatz O3-Sonde? Vorbereitung Vorwarnung Bestätigung
HPMo, Mi6 ja, auch am Wochenende 2 StundenVortag5 UTC
PAY Mo, Mi, Fr 11 Di, Do 11 UTC 4-5 Stunden Vortag 6 UTC
Mo-Fr 14-17 UTC 10 UTC
nicht am Wochenende
*Met. Parameter werden auch gemessen mit der O3-Sonde.


4 Analysen und Vorhersagen

Analysen und Vorhersagen des Europa- und des Deutschlandmodells des DWD können bezogen werden. Diese stehen dann im Nachhinein z.B. zur Modellinitialisierung zur Verfügung.

Herr Velthoven (KNMI) wird Trajektorienberechnungen mit Hilfe der ECMWF Daten durchführen. Diese Studien stehen dann ebenfalls nach dem Experiment zur Verfügung.

An der ETH-Zürich läuft weiterhin das Monitoring Projekt starker Gewitter. In diesem Rahmen werden auch Vorhersagen erstellt (z.B. Konvektionsindizes), die von uns genutzt werden können. Dort gestartete Radiosonden sind nicht mehr von uns für die aktuelle Vorhersage nutzbar (zeitlich zu knapp).


5 Bodenstationen

Die Immissionsdaten der Bodenstationen des LfU (Bayerisches Landesamt für Umweltschutz) sollen zur Experimentauswertung mit herangezogen werden. Kontinuierlich messende Stationen erfassen eine Reihe umweltrelevanter Spurengase, darunter auch NO und NO2. Die Stationen liegen dabei meist in Stadtgebieten.

Ein NOx-Emissionskataster für den süddeutschen Raum wird vom Institut für Energiewirtschaft und rationelle Energieanwendung (IER) der Universität Stuttgart erstellt und kann für die Experimentauswertung zur Verfügung gestellt werden.


Feldexperiment Datenkatalog

Falcon Volumen Konzentrationen von NO, NO2, O3, SO2, CO2, HNO3 und Aceton
Druck, Temperatur, relative Feuchte
Wind u, v, w
Position
Video
POLDIRAD: PPI und RHI Messungen
Radarreflektivität bei beliebigen Polarisationswinkeln (i.a. horizontal und vertikal) ZHH, ZVV, ZHV, ZVH
Differentielle Phasen phiDP, KDP
Korrelation rhoHV
Differentielle Reflektivität ZDR
Lineares Depolarisationsverhältnis LDR
Dopplergeschwindigkeit vD, spektrale Breite ws
abgeleitete Größen:Wasser-und Eisgehalte rho für Regen, Graupel, Hagel und Schnee,
VAD Windprofile
ETH Radar: Radarreflektivität Z, Dopplergeschwindigkeit vD, spektrale Breite ws
DWD Radar: Radarreflektivität Z
Meßbus: meteorologische Parameter, NO, NO2, O3 und SO2
Blitze (LPATS): 2D Lokalisierung von Blitzen
Radiosonden: Vertikalprofile von Druck, Temperatur, Feuchte, Ozon
Meteosat, NOAA: IR, vis, WV Bilder
Tabelle 4: Zusammenfassung der wesentlichen Systeme und der von ihnen gelieferten Meßgrößen.


Einleitung
Meßsysteme
Daten
Modellierung
Literatur


LINOx-Heimatseite