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Lidar-Network

Abb. 1: Scanner des "WindTracer"


Die LIDAR-Technik ist eine der fortschrittlichsten Techniken zur aktiven Fernerkundung der Atmosphäre. Der Begriff LIDAR ist ein Akronym für LIght Detection And Ranging und somit direkt angelehnt an das bekanntere RADAR-Verfahren. Im Gegensatz zu den dort genutzten Radiowellen, verwendet die LIDAR-Technik jedoch elektromagnetische Wellen mit wesentlich kürzeren Wellenlängen, die in die Atmosphäre ausgesandt und von dort, an Molekülen oder Aerosolteilchen, reflektiert werden. Aus dem Rückstreusignal können, abhängig von der konkreten Realisation des LIDAR-Systems, Informationen zum Aerosolrückstreuverhältnis, zur Extinktion, zum Depolarisationsverhältnis (und damit zur Form des Streuers), aber auch zum Wind, zur Konzentration von Wasserdampf und anderen Spurengasen bis hin zur Temperatur der Luft abgeleitet werden.

Abb. 2: “WindTracer” Systeme Baujahr 2004 (hinten) und Baujahr 2009. Beide Systeme sind auf Wechselbrücken installiert, die einen einfachen Transport ermöglichen.

Das IMK-TRO LIDAR-Network besteht aus drei bodengebundenen Doppler LIDAR-Systemen, die speziell zur Messung von Wind konzipiert sind.  Die Messtechnik basiert auf dem Doppler Effekt, der die Frequenzverschiebung des gestreuten Lichts an bewegten Objekten beschreibt.
Herzstück des Netzwerks bilden zwei “WindTracer” Systeme der Firma Lockheed Martin Coherent Technologies: ein 2μm System aus dem Jahr 2004 sowie ein 1.6 μm System Baujahr 2009.

 

Jedes System verfügt über einen frei programmierbarer 2-Achsen Scanner, welcher beliebige Scanmuster im Bereich der oberen Hemisphäre ermöglicht. Die Geräte sind unter optimalen Bedingungen in der Lage, die Atmosphäre bis zu Distanzen von 15 km Entfernung vom Messsystem in 120 Rangegates zu vermessen. Die effektive Pulslänge der Geräte, und damit ein unteres Limit für die räumliche Auflösung, liegt bei 56 m bzw. 45 m. Beide Systeme verfügen über gleiche Steuerungs- und Verarbeitungssoftware, was einen Betrieb als Dual-Doppler System problemlos ermöglicht. Die baubedingte Messlücke der “WindTracer” im Bereich bis ca. 350 m Entfernung vom Gerätwird durch das dritte Doppler System geschlossen: ein “Windcube” der Firma Leosphere mit einer Wellenlänge von 1.54 μm, der in einem Bereich von 40 bis 500 m Entfernung vom Gerät das Windfeld vermessen kann.

 

Abhängig von verwendeten Scanverfahren können vertikale Profile des horizontalen bzw. vertikalen Windes gemessen werden und es können Turbulenzgrößen wie Varianzen, Spektren, integrale Längenskalen oder auch Dissipationraten bestimmt werden. Basierend auf dem Signal-zu-Rausch Verhältnis ist zusätzlich eine hoch aufgelöste Bestimmung der Grenzschichthöhe möglich, die auch die Visualisierung von kleinskalige “Prozesse” (Einmischprozessen an der Oberkante der Grenzschicht) erlaubt. Durch die Kombination der beiden "Windtracer" Systeme werden Dual-Doppler- Techniken möglich und damit eine umfassende Darstellung von 3dimensionalen Windfeldern. Zusätzlich können die präzisen Windmessungen des LIDAR-Networks zur Evaluation der Windmessung anderer Instrumente, der Ergebnisse von Modellen oder der Anwendbarkeit gängiger wissenschaftlicher Verfahren genutzt werden.

Eine kleine Auswahl an Darstellungen soll das Potential des LIDAR-Networks verdeutlichen:


Abb. 3: Mit Hilfe von so genannten PLAN-POSITION SCANS (PPI) wird entlang von kegelförmigen Schnitten die Atmosphäre gemessen. Hier ein Beispiel aus der COPS Messkampagne (2007). Dieses Verfahren vermittelt einen Eindruck des 3D Windfeldes, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Wind immer nur in Strahlrichtung bestimmt werden kann.


Abb. 4: Mit Hilfe von bekannten Algorithmen (VAD) können die gemessenen Windinformationen genutzt werden, um vertikale Profile des horizontalen Windes zu ermitteln.

Abb. 5: Hochauflösende Messungen des Signal-zu-Rauschen Verhältnisses sowie des Vertikalwindes liefern die Möglichkeit, Variationen der Grenzschichthöhe auf verschiedenen zeitlichen Skalen zu detektieren.


Abb. 6: Bedingt durch eine gleiche Steuerungssoftware können die beiden “WindTracer” als Dual- Doppler-System betrieben werden. Die Darstellung zeigt eine synchrone Messung von 2 RANGE-HEIGHT-INDICATOR Scans (RHI) in zwei verschiedene Richtungen. Im Schnittbreichen können virtuelle Masten errichtet werden, an denen ein Vertikalprofil des Horizontalwindes ableitbar ist.

Abb. 7: Die Kombination des LIDAR-Networks mit anderen Messsystemen erlaubt die Ableitung weiterer Messgrößen. So konnte gezeigt werden, dass die sychrone Messung mit dem Wolkenradar Mira 36-S (in Abb. Rechts) verwendet werden kann, um Tropfenspektren mittels aktiver Fernerkundung abzuschätzen. Links ist ein typisches Dopplerprofil für eine Messung im Regen zu sehen, das sich durch das Vorhandensein von 2 Peaks im Spektrum auszeichnen. Es kann mit Hilfe des LIDARS eine Geschwindigkeit der fallenden Regentropfen und eine der Aerosolteilchen in der Luft gemessen werden.

 

Links

Probing the atmospheric boundary layer with Doppler lidar