VDI 3786 Blatt 11-2015 Environmental meteorology - Ground-based remote sensing of the wind vector and the vertical structure of the boundary layer - Doppler sodar.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieBodengebundene Fernmessung des Windvektors und der Vertikalstruktur der GrenzschichtDopplersodarEnvironmental meteorologyGround-based remote sensing of the wind vector and the vertical structure of the boundary layerDoppler sodarVDI 3786Blatt 11 / Part 11A

2、usg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1b: UmweltmeteorologieVDI-RICHTLINIENICS 07.060, 13.040.01 Juli 2015 July 2015Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Anwendungsberei

3、ch . . . . . . . . . . . . . . 42 Normative Verweise . . . . . . . . . . . . . . 53 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Grundlagen der Sodarmessung . . . . . . . . 9 5.1 Ausbreitungsbedingungen fr Schallwellen in der Atmosphre. . .

4、 . . . 95.2 Sodargleichung . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Strahlbildung . . . . . . . . . . . . . . . 125.4 Dopplereffekt . . . . . . . . . . . . . . . 145.5 Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 165.6 Doppler-Beam-Swinging-Verfahren (DBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.7 Messvol

5、umen und Homogenittsannahme 19 5.8 Hhenzuordnung und Hhenauflsung . . 20 5.9 Reichweite . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.10 Zeitauflsung . . . . . . . . . . . . . . . 235.11 Genauigkeit und Auflsung der Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . 236 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . . . . .

6、 . 266.1 Messgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.2 Zielgren. . . . . . . . . . . . . . . . . . 266.3 Hilfsgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.4 Mittelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.5 Definition der Verfahrenskenngren. . . . 28Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndig

7、ung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this standard has been subject to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this standard shall be taken

8、 as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Normative references . . . . . . . .

9、. . . . . 53 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 64 Symbols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Fundamental principles of sodar measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . 95.1 Propagation conditions for sound waves in the atmosphere . . . . . . . . . . . . . 95.2 Sodar equati

10、on . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Beam formation . . . . . . . . . . . . . . 125.4 Doppler effect . . . . . . . . . . . . . . . 145.5 Signal analysis . . . . . . . . . . . . . . 165.6 Doppler beam swinging technique (DBS) 17 5.7 Measured volume and homogeneity assumption . . . . . . . . . . . . .

11、 . . . 195.8 Height determination and height resolution. . . . . . . . . . . . . . 205.9 Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.10 Temporal resolution . . . . . . . . . . . . 23 5.11 Accuracy and velocity resolution . . . . . 23 6 Characteristics of the method. . . . . . . . . 266.1 Measure

12、d variables . . . . . . . . . . . . . 266.2 Target values . . . . . . . . . . . . . . . . 266.3 Auxiliary quantities. . . . . . . . . . . . . 276.4 Averaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.5 Definition of method parameters . . . . . . 28FrhereAusgaben: 01.94; 01.14 Entwurf, deutsch Former e

13、ditions: 01/94; 01/14Draft, in German onlyZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2015Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permit

14、tedKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmeteorologieB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 2 VDI 3786 Blatt 11 / Part 11 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015Seite7 Systemausfhrungen. . .

15、 . . . . . . . . . . 317.1 Aktiver, akustischer Teil der Sodarantennen. . . . . . . . . . . . . . . 327.2 Passiver, akustischer Teil der Sodarantennen. . . . . . . . . . . . . . . 338 Messplanung und Anforderungen an den Einsatzort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Qualittssicherung und Ausw

16、ertung . . . . 369.1 Standortbewertung . . . . . . . . . . . . 369.2 Systemberwachung und -strungen . . . 379.3 Datenprfungen . . . . . . . . . . . . . . 379.4 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389.5 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . 3810 Verfahrenskenngren ausgewhlter Systeme . .

17、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3910.1 Systemklassifizierungen . . . . . . . . . 3910.2 Vergleichstests . . . . . . . . . . . . . . 3910.3 Konventionsreichweite. . . . . . . . . . 4011 Messbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . 4011.1 Windprofil . . . . . . . . . . . . . . . . 4011.2 Turbu

18、lenz . . . . . . . . . . . . . . . . 4011.3 Mischungsschichthhe. . . . . . . . . . 4211.4 Chinook . . . . . . . . . . . . . . . . . 4311.5 Windenergie . . . . . . . . . . . . . . . 4411.6 Berg- und Talwind . . . . . . . . . . . . 4411.7 Land- und Seewind . . . . . . . . . . . 47Anhang A Berechnung d

19、er Dopplerverschiebung 49Anhang B Temperatur- und Feuchteabhngigkeit der Schallabsorption . . . . . . . . . . 52Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle

20、Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die

21、in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3786.Seite7 System designs. . . . . . . . . . . . . . . .

22、 317.1 Active acoustic part of the sodar antenna . . . . . . . . . . . . . . . 327.2 Passive acoustic part of sodar antennas. . 33 8 Measurement planning and requirements relating to the operating site. . . . . . . . . 339 Quality assurance and evaluation. . . . . . 369.1 Site evaluation . . . . . .

23、 . . . . . . . . 369.2 System monitoring and interference . . . 379.3 Data auditing . . . . . . . . . . . . . . . 379.4 Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . 389.5 Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3810 Characteristics of selected systems . . . . 39 10.1 System classification . . . . .

24、 . . . . . 3910.2 Comparative tests . . . . . . . . . . . . 3910.3 Standardised range . . . . . . . . . . . 4011 Measurement examples . . . . . . . . . . . 4011.1 Wind profile . . . . . . . . . . . . . . . 4011.2 Turbulence. . . . . . . . . . . . . . . . 4011.3 Mixing layer height . . . . . . . . .

25、. . 4211.4 Chinook . . . . . . . . . . . . . . . . . 4311.5 Wind energy . . . . . . . . . . . . . . . 4411.6 Mountain wind and valley wind. . . . . 4411.7 Land breeze and sea breeze . . . . . . . 47Annex A Doppler shift calculation . . . . . . . . 49Annex B Temperature- and humidity-dependence of so

26、und absorption . . . . . . . . . . 52Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Preliminary noteThe content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and recom-mendations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,

27、 reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this standard without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices.

28、We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standard.A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3786.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08VDI 3786 Blatt 11 / Part 11 3 All righ

29、ts reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015EinleitungDie Richtlinienreihe VDI 3786 ist in mehrere Bltter gegliedert. Das vorliegende Blatt zu Dopplersodar-systemen ergnzt die in VDI 3786 Blatt 2 (Wind) und der Tabelle 3 von VDI 3786 Blatt 13 (Messstation) mitgeteilten Messverfahren

30、bezglich In-situ-Messungen der bodennahen horizontalen Windkomponenten, die in VDI 3786 Blatt 12 beschriebenen boden-nahen Turbulenzmessungen mit Ultraschall-Ane-mometern bezglich der Messung des Vertikal-profils der Turbulenz, die in VDI 3786 Blatt 14 (Dopplerlidar), Blatt 17 (Wind-Profil-Radar) un

31、d Blatt 18 (Radioakusti-sche Sondierungssysteme RASS) gemachten Angaben bezglich bodengebundener Fernmes-sungen des Vertikalprofils des dreidimensionalen Windvektors.Zu einer allgemeinen bersicht ber Wind- und Tur-bulenzmessverfahren siehe 1.Die Abkrzung Sodar“ leitet sich von Sonic Detec-tion And R

32、anging1) her und ist in Analogie zu dem Begriff Radar“ (Radio Detection And Ranging) ge-bildet. Mit Sodar werden Systeme bezeichnet, mit de-nen z. B. Vertikalprofile der drei Komponenten der mittle-ren Windgeschwindigkeit (u(z), v(z), w(z), Vertikalprofile der Standardabweichung der verti-kalen Wind

33、komponente als Ma fr die atmos-phrische Turbulenz und Vertikalprofile der von kleinrumigen Tempera-turgradienten abhngigen Rckstreuintensittbestimmt werden. Das Messverfahren beruht auf der Aussendung gepulster akustischer Signale und dem Empfang der von der Atmosphre an kleinen Tempe-raturgradiente

34、n reflektierten Anteile dieser Signale. Der Ort des Messvolumens wird aus der Abstrahl-richtung und der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Sendesignals und dem Empfang des Streusignals bestimmt.1) Die Abkrzung Sodar“ wird mit Sound Detection And Ranging“ oder mit Sonic Detection And Ranging“ erklrt

35、. Die Verwendung ist etwa gleich hufig. Dem Wortsinn nach erscheint die Wendung Sonic Detection And Ranging“ eher angebracht, da es hier darum geht mittels Schall“ (= sonic“) und nicht den Schall (also eine Wellenart) selbst zu messen. Die Analogie zu Radar“ ist ebenfalls gegeben, da der in der berw

36、iegend blichen und sinnvollen Erkl-rung Radio Detection And Ranging“ vorkommende Begriff Radio“ im englischen Sprachgebrauch auch eine Methode ist (mittels Radiowellen“) und nicht eine Wellenart. Es msste sonst in der Erklrung Radio wave Detection And Ranging“ heien (was nur selten vorkommt). Widers

37、prchlich bleibt allerdings, dass Sonar“ berwiegend mit Sound Navigation And Ranging“ erklrt wird und Lidar“ sich von Light Detection And Ranging“ ableitet.IntroductionThe series of standards VDI 3786 is divided into sev-eral parts. This part dealing with Doppler sodar sys-tems supplements the measur

38、ement method discussed in VDI 3786 Part 2 (Wind) and Table 3 in VDI 3786 Part 13 (Measuring station) regarding in-situ measure-ments of near-ground horizontal wind components, the near-ground turbulence measurements using ultrasound anemometers described in VDI 3786 Part 12 as regards measurement of

39、 the vertical profile of the turbulence, the information provided in VDI 3786 Part 14 (Doppler lidar), Part 17 (Wind profile radar) and Part 18 (Radio-acoustic sounding systems RASS) regarding ground-based remote sensing of the vertical profile of the three-dimensional wind vector.For a general over

40、view of wind and turbulence meas-urement methods, see 1.The abbreviation “sodar” derives from “sonic detec-tion and ranging”1) and is analogous to radar (radio detection and ranging). Sodar systems are used to de-termine e. g. vertical profiles of the three components of the mean wind velocity (u(z)

41、, v(z), w(z), vertical profiles of the standard deviation of the vertical wind components as a measure of atmos-pheric turbulence and vertical profiles of the backscatter intensity as a function of small-scale temperature gradients.The measurement method relies on emitting pulsed acoustic signals an

42、d receiving the fraction of these signals that are reflected at small temperature gradi-ents in the atmosphere. The location of the measured volume is determined from the direction of the emit-ted signal and the time interval between sending it and receiving the scattered signal. 1) The abbreviation

43、 “sodar” stands for “sound detection and ranging” or “sonic detection and ranging”. Both are used fairly equally. Liter-ally, the expression “sonic detection and ranging” seems more appropriate, since the method involves measurement “by means of sound” (= “sonic”) rather than measurement of the soun

44、d (i. e. a type of wave) itself. This is analogous with “radar”, since in English the term “radio” in the usual phrase “radio detection and ranging” is also a method (“by means of radio waves”) and not a type of wave: otherwise the phrase should have been “radio wave detection and ranging” (which is

45、 seen only rarely). Inconsistently, however, “sonar” is usually written out in full as “sound navigation and rang-ing” and “lidar” derives from “light detection and ranging”. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF86D9NormCD - Stand 2015-08 4 VDI 3786 Blatt 11 / Part 11 Alle Rechte vorbehalten Ve

46、rein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015Die ersten Sodarsysteme wurden 1946 konstruiert 2. Zunchst wurden nur Rckstreuintensitten in Form von Zeit-Hhen-Schnitten der Rckstreuinten-sitt (z. B. als Faksimile-Plots) dargestellt (siehe z. B. 3) und in Bezug auf die Vertikalstruktur der atmos-phris

47、chen Grenzschicht (z. B. Inversionen) ausge-wertet. Fr eine Echtzeitauswertung der Dopplerver-schiebung zur Messung der Windgeschwindigkeit fehlten anfangs noch die notwendigen Computerres-sourcen, sodass diese erst ab 1964 vorgenommen wurden 4; 5. Der weitere Ausbau der Dopplerso-dartechnik, der au

48、ch zur Entwicklung von Phased-An-tenna-Systemen und Multifrequenz-Sodarsystemen fhrte, ist in der Literatur beschrieben (z. B. 6 bis 8).Erweitert man ein Sodarsystem um eine elektromag-netische Sondierungskomponente, so erhlt man das in VDI 3786 Blatt 18 behandelte Doppler-RASS oder Sodar-RASS, das

49、erstmals in 9 beschrieben wurde und das zustzlich zum Wind- und Turbulenz-profil auch das Temperaturprofil erfassen kann. Bei der Planung der Fernmessung des Windprofils ist eine Abwgung zu treffen, ob ein Sodar, ein Wind-Profil-Radar (WPR-System, siehe VDI 3786 Blatt 17)oder ein Dopplerlidar (siehe VDI 3786 Blatt 14) ein-gesetzt werden soll. Die Vorteile des Sodars gegen-ber den anderen beiden Verfahren liegen