Wind Profiler
Windprofiler in Deutschland |
Ein Windprofiler oder Radar-Wind-Profiler (RWP) ist seit den frühen 1970er Jahren ein meteorologisches Messsystem, zur Messung der Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre.<ref name=":0">DWD, Deutscher Wetterdienst (Hrsg.): Radar-Windprofiler (UHF: 482 MHz). (dwd.de [abgerufen am 14. Oktober 2025]).</ref><ref name=":2">DWD, Deutscher Wetterdienst (Hrsg.): Windprofiler Radar/RASS. (dwd.de [abgerufen am 14. Oktober 2025]).</ref><ref name=":1">US Environmental Protection Agency, EPA-454/R-99-005, Meteorological Monitoring Guidance for Regulatory Modeling Applications, 2000.February. (epa.gov [PDF; abgerufen am 14. Oktober 2025]).</ref><ref name=":5">Radar Wind Profiler, Lehmann, V., Brown, W. (2021), Part C31 in Handbook of Atmospheric Measurements, Foken, Springer.</ref><ref>New Observations by Wind Profiling Radars, Masayuki K. Yamamoto. (intechopen.com [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref> Damit können Messungen der vertikalen Variation der Windrichtung und Windstärke (Vertikalprofil des horizontalen Windvektors) durchgeführt werden. Ein RWP besteht aus einem, auf dem Erdboden aufgebauten und vertikal strahlenden gepulsten Primär-Radarsensor.
Durch eins zusätzliches Radio Acoustic Sounding System (RASS) wird die Messung der schallvirtuellen Temperatur ermöglicht. Die RASS-Komponente eines RWP besteht aus zusätzlichen Lautsprechern, die durch vertikal abgestrahlte Schallwellen die Dichte der Atmosphäre modulieren. Durch die Wellenberge und Wellentäler der Schallwellen bilden sich Zonen unterschiedlicher Reflexionseigenschaften für die elektromagnetischen Wellen des Radars. Der Abstand dieser Zonen ändert sich aufgrund von Temperaturunterschieden in der Atmosphäre. Diese Abstandsänderungen können mit dem Radar gemessen und daraus der Temperaturverlauf bestimmt werden.<ref name=":0" /><ref name=":2" /><ref name=":1" />
Ein RWP-System mit einer Sendefrequenz von 915 MHz erlaubt z. B. die Messung der Temperatur der Atmosphäre mit einer vertikalen Auflösung von 60 m bis zu 1,5 km Höhe. Ein anderes System, das auf 449 MHz sendet, hat eine Auflösung von 60 m bis zu einer Höhe von 3,5 km bei einer Mittelung der Messwerte über 5 Minuten.<ref name=":3" />
Grundsätzlich hängt die erreichbare Reichweite, Auflösung und Genauigkeit u. a. von der Wahl der Betriebsfrequenz ab, wobei niedrigere Frequenzen eine bessere Durchdringung von Gewitterwolken ermöglichen, während höhere Frequenzen aufgrund des größeren Dopplereffekte eine höhere Genauigkeit erlauben. Die Eigenschaften der RWP-Systeme in den üblichen Frequenzbereichen sind:
- RWP-Systeme, die bei 50 MHz arbeiten, erlauben eine Messung zwischen ca. 2 km bis zu 20 km Höhe AGL (engl. Above Ground Level, dt. Höhe über Grund) bei einer vertikalen Auflösung zwischen 150 m bis 500 m. Die relativ große Wellenlänge von 6 m erfordert große Phased Antenna Arrays mit Abmessungen von bis zu 100 m × 100 m.<ref name=":5" details="Tbl. 31.4" /> Der Radar Wind Profiler and RASS (RWP50) erlaubt die Messung bis zu 12 km<ref name=":6">50RWP, Radar Wind Profiler (50 MHz). (arm.gov [abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref> (16 km)<ref>ARM TR-045Radar Wind Profiler and RASS (RWP50) Handbook, R. Coulter, 2004.November. (arm.gov [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref> Höhe AGL bei einer vertikalen Auflösung zwischen 300 m bis 1 km und Temperatur-Profile zwischen 2 km bis 4 km<ref name=":6" />
- RWP-Systeme, die bei 449 MHz oder 482 MHz betrieben werden, erlauben eine Messung zwischen ca. 500 m bis zu 16 km Höhe AGL bei einer vertikalen Auflösung zwischen 150 m bis 500 m. Durch weitaus kleinere Wellenlängen um 64 cm reduzieren sich die Abmessungen der Phased Antenna Arrays auf 11 m bis 15 m Kantenlänge.<ref name=":5" details="Tbl. 31.4" /> Das RWP des DWD, welches auf 482 MHz betrieben wird, erlaubt die Messung von Höhenwinden zwischen 0,5 km bis 9,3 km im Low Mode und 5,5 km bis 16,0 km Höhe im High Mode.<ref name=":0" /> RWP-Systeme, die im Bereich um 64 cm Wellenlänge arbeiten, können aber auch nur für eine Reichweite von 150 m bis 6 km ausgelegt sein, z. B. AP500.<ref name=":4" details="Notes 12.">Document AP 2004/1, Product Information, Radar Wind Profilers, AP10, AP100, AP1000, AP50, AP500, AP5000, Scintec.</ref> RWP-Systeme, die auf 449 MHz senden, sind mit Reichweiten bis zu 6 km<ref name=":4" details="Notes 12." /> oder 8 km Höhe<ref name=":3">Wind Data Hub for U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (Hrsg.): Radar - ESRL Wind Profiler with RASS, Wasco Airport - Raw Data. (energy.gov [abgerufen am 14. Oktober 2025]).</ref> spezifiziert. So nutzt z. B. das AP5000 eine EIRP von ca. 98 dBm, bei einem Antennengewinn von 32 dB (keine Angabe ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° nach oben erfolgt.<ref name=":4" details="Notes 12." />
- Von RWP-Systemen, die auf 915 MHz senden, wird eine vertikale Auflösung von 6 m und ein Reichweitenbereich von ca. 100 m bis zu 4 km<ref name=":3" /> abgedeckt. So nutzt z. B. das AP500 eine EIRP von ca. 85 dBm, bei einem Antennengewinn von 25 dB (keine Angabe, ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 8,4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° nach oben erfolgt.<ref name=":4" details="Notes 12." />
- RWP-Systeme, die auf 1290 MHz senden, erreichen vertikale Auflösung von ca. 30 m und Reichweitenbereich von ca. 100 m bis 4 km ohne, und 1,2 kM mit Nutzung eines zusätzlichen RASS-Systems.<ref name=":4" details="Notes 11." />Der WTR/RASSA (engl. Wind Temperature Radar and Radio Acoustic Sounding System) am Flughafen Frankfurt am Main arbeitete auf 1290 MHz. Das WTR/RASSA nutzte ein AP1000-Windprofiler Radar (Scintic)<ref name=":4" /> mit einer WR-RASS-Erweiterung, besaß eine EIRP von ca. 96 dBm bei einem Antennengewinn von 32 dB (keine Angabe ob als Referenz dBd oder dBi gilt) und einer Halbwertsbreite von 8,4° (−3 dB), wobei die Abstrahlung vertikal 0° ±11° nach oben erfolgt. Die Phased-Array-Antenne bestand aus 768 einzelnen Antennenelementen (4,8 m × 4,8 m). Die RASS-Komponente bestand aus 20 akustischen Arrays, die jeweils aus 1024 Piezo-Lautsprechern bestanden.<ref name=":4" details="Notes 11." /> Es konnten Wind und Temperatur bis 1500 m (max. 3000 m) mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % in 30 m Schritten von 200 m bis 1750 m AGL, wobei die Daten vor Ausgabe über 15 Minuten gemittelt wurden.<ref>Comparison of Boundary-Layer Profiles and Layer Detection by AMDAR and WTR/RASS at Frankfurt Airport, Clemens Drüe, Thomas Hauf, Axel Hoff, Boundary-Layer Meteorol 2010.March.20.</ref>
Die Zeitintervalle für die Mittlung der Messwerte von RWP und WTR können zwischen 1 Minute und 60 Minuten gewählt werden.<ref name=":4" details="Notes 11und 12." /> Damit können in kürzeren Abständen aktuelle Messungen erfolgen als bei der Sondierungen der Atmosphäre mit Ballonen. Die Daten können direkt in dafür geeignete Netzwerke eingespeist und für die Initialisierung und Anpassung der Wettermodelle verwendet werden und dienen einer möglichst genauen Wettervorhersage. Windprofiler arbeiten vollautomatisch und können daher auch mit wenig Personal betrieben werden.
Messprinzip
Windgeschwindigkeit
Eine gepulste elektromagnetische Welle wird über eine phasengesteuerten Gruppenantenne (engl.: Phased-Array-Antenne) in die Troposphäre abgestrahlt; zur Windmessung mit dem DBS-Verfahren (engl. Doppler beam swinging) werden dabei mindestens drei verschiedene Strahlrichtungen verwendet. Die elektromagnetischen Wellen werden durch Inhomogenitäten des Brechungsindexes gestreut. Aus der Phasenänderung der zurückgestreuten Welle kann die Dopplerverschiebung und damit die radiale Windgeschwindigkeit ermittelt werden.<ref>Electronic Communications Committee (ECC) within the European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT) Working Group SE, SE39(05)01, Wind Profiler Radar – Tests concerning the possible impact of Emissions from the Galileo System on the measurements of Wind Profile Radars, Germany, 2005.January.11 – 13.</ref><ref>Electronic Communications Committee (ECC) within the European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT) Working Group SE, SE39(06)XX Wind Profiler Radar – Fundamentals and Report on a GALILEO E6 - WPR Interference Simulation Experiment, Germany, 2005.March.30 – 31.</ref><ref>Electronic Communications Committee (ECC) within the European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT), ECC Report 90, Compatibility of Wind Profiler Radars in the Radiolocation Service (RLS) with the Radionavigation Satellite Service (RNSS) in the Band 1270-1295 MHz, Lübeck, 2006.September. (cept.org [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref>
Temperatur
Die Temperatur wird nach dem Prinzip des radio-acoustic sounding system gemessen. Dazu strahlen z. B. vier große Lautsprecher mit rund 135 dBa Schallwellen in die Atmosphäre, es können aber auch akustische Arrays aus Piezo-Lautsprechern genutzt werden. Das dabei entstehende Muster von Dichte-Fluktuationen wird vom Radar-Puls abgetastet, wobei die Schallgeschwindigkeit als Funktion der gemessenen Wellenlänge einer bekannten Frequenz bestimmt wird. Über die Laplacesche Beziehung wird dann aus der Schallgeschwindigkeit die Temperatur abgeleitet. Die Reichweite der Temperaturmessung ist auf 4 km begrenzt durch die Reichweite des akustischen Signals.
Genutzte Frequenzen
Für die Bestimmung von Windgeschwindigkeiten kann jede Radarfrequenz als Sendefrequenz genutzt werden. Es ist ein Kompromiss zu schließen:
- je höher die Sendefrequenz, desto größer auch die Dopplerfrequenz bei gleicher Windgeschwindigkeit, weswegen höhere Frequenzen eine bessere Messgenauigkeit bieten; allerdings werden sie innerhalb von Wolken sehr stark bedämpft und haben deswegen keine große Reichweite.
- tiefere Frequenzen können dichtere Wolkendecken durchdringen, haben aber eine schlechtere Genauigkeit.
Bodengestützt
Die üblicherweise international für RWP genutzten Frequenz-Bereiche im VHF- bis UHF-Band sind
- 46–68 MHz (typ. 50 MHz)<ref name=":7" details="No. 5.162A.">ITU-RR (International Telecommunication Union Radio Regulations) Articles, Edition 2024. (itu.int [abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref>
- 440 MHz bis 450 MHz (typ. 449 MHz)
- 470 MHz bis 494 MHz, (typ. 482 MHz)<ref name=":7" details="No. 5.291A." /> Auf der World Radio Conference 1997 (WRC-97) der ITU (International Telecommunication Union) wurden auch die folgenden Frequenzbereiche zugewiesen<ref>Report ITU-R M.2013, Wind Profiler Radars, 1997. (itu.int [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref>
- 904 MHz bis 928 MHz nur in ITU Region 2 (typ. 915 MHz),
- 1270 MHz bis 1295 MHz (typ. 1290 MHz) und
- 1300 MHz bis 1375 MHz beschlossen.<ref>Recommendation ITU-R M.1227-2, Technical and operational characteristics of wind profiler radars in bands in the vicinity of 1000 MHz, 1997-2000-2001. (itu.int [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref>
Es gibt aber auch vereinzelt WPR Systeme, die auf unüblichen Frequenzen wie z. B. 205 MHz<ref>Radio Science Research Article 10.1002/2015RS005836, Validation of 205 MHz wind profiler radar located at Cochin, India, using radiosonde wind measurements, Ajil Kottayil, K. Mohanakumar, Titu Samson, Rejoy Rebello, M. G. Manoj, Rakesh Varadarajan, K. R. Santosh, P. Mohanan, K. Vasudevan,.</ref> genutzt werden.
Die in Deutschland zugelassenen Frequenz-Bereiche für (meist bodenständige) Windprofil-Radargeräte sind:<ref name="BNA">Frequenznutzungsplan der Bundesnetzagentur für Deutschland</ref>
| min. Frequenz | max. Frequenz | im Frequenzband |
|---|---|---|
| 46 MHz | 68 MHz | VHF |
| 470 MHz | 790 MHz | UHF |
| 1260 MHz | 1300 MHz | UHF (L-Band) |
Satellitengestützt
Bei satellitengestützten Radargeräten (Abstrahlung nach unten) müssen durch die meist sehr große Höhe der Umlaufbahn über der Erdoberfläche oder der Wolkendecke Einschränkungen in der Genauigkeit durch die Divergenz der elektromagnetischen Wellen hingenommen werden. Das kann kompensiert werden durch die Wahl extrem hoher Sendefrequenzen und daraus folgender höherer Richtwirkung bei kleineren geometrischen Abmessungen der Antennen; die höhere Dämpfung durch die Atmosphäre ist bei Messungen aus dem Weltall nur auf einem sehr kurzen Stück des Ausbreitungsweges wirksam. Von Satelliten aus werden zusätzlich folgende Frequenzbänder für die Erkundung von Wettererscheinungen genutzt:<ref name="BNA" />
| min. Frequenz | max. Frequenz | im Frequenzband |
|---|---|---|
| 5,250 GHz | 5,255 GHz | C |
| 9,300 GHz | 9,900 GHz | X |
| 13,25 GHz | 13,75 GHz | Ku |
| 24,05 GHz | 24,25 GHz | K |
| 35,5 GHz | 36,0 GHz | Ka |
| 94,0 GHz | 94,1 GHz | W |
| 130,0 GHz | 134,0 GHz | F |
| 237,9 GHz | 238,0 GHz | J |
Geschichte
- 1966–1969: erste Versuche von Windmessungen mittels Radar in Wallops Island
- 1975: erstes spezielles Radar für Höhenwindmessungen nimmt in Boulder (Colorado) den Betrieb auf (Sunset-Radar)
- 1976: SOUSY (Sounding System) des MPAE arbeitet nahe Katlenburg-Lindau
- 1984: Colorado Wind Profiler Network mit fünf Profilern nimmt Arbeit auf
- 1991: Wind Profiler Demonstration Network arbeitet mit 32 Systemen
- ab 1996: der Deutsche Wetterdienst beginnt mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Profiler-Networks in Deutschland. Der Prototyp wird am Meteorologischen Observatorium Lindenberg (Brandenburg)<ref>Neues von Rohde&Schwarz, Wind-Profiler für den Deutschen Wetterdienst, Heft 180 (2003/IV), S. 58 ff. (radartutorial.eu [PDF; abgerufen am 16. Oktober 2025]).</ref> in Betrieb genommen. Es folgen Systeme in Ziegendorf (Mecklenburg-Vorpommern), Nordholz (Niedersachsen) und Bayreuth (Bayern).
Siehe auch
- SODAR (Sound Detecting And Ranging, ein ein akustisches Fernmessverfahren zur Windmessung in der unteren Atmosphäre)
Weblinks
![[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]:](/index.php/Datei:Commons-logo.svg){kind=link}
Einzelnachweise
<references />