VDI 3786 Blatt 18-2010 Environmental meteorology - Ground-based remote sensing of temperature - Radio-acoustic sounding systems (RASS).pdf

1、wVEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieBodengebundene Fernmessung der TemperaturRadioakustische Sondierungssysteme (RASS)Environmental meteorologyGround-based remote sensing of temperatureRadio-acoustic sounding systems (RASS)VDI 3786Blatt 18 / Part 18Ausg. deutsch/englischIssue German/English

2、VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1b: UmweltmeteorologieVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2010Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Repro

3、duction evenfor internal use not permittedDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 07.060, 13.040.01 Mai 2010 May 2010The draft of this guideline has been subject

4、 to public scrutiny after announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Einleitung . . . .

5、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 42 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Grundlagen des RASS . . . . . . . . . . . . . 104.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Zusammenha

6、ng zwischen Temperatur und Schallgeschwindigkeit . . . . . . . . 114.3 Reflexion von Radarwellen an akustischen Wellen . . . . . . . . . . . . 144.4 Doppler-RASS . . . . . . . . . . . . . . 174.5 Bragg-RASS. . . . . . . . . . . . . . . . 194.6 Trennung von Radialwind und Schallgeschwindigkeit. . . .

7、 . . . . . . . 214.7 Erfassen vertikaler Temperaturprofile. . . 21 4.8 Verbesserung der Messgenauigkeit von RASS-Verfahren . . . . . . . . . . . 234.9 Erfassen von Windprofilen aus dem RASS-Signal . . . . . . . . . . . . . . . 244.10 Erfassen von Turbulenzprofilen aus dem RASS-Signal. . . . . . . .

8、 . . 264.11 Hhenauflsung . . . . . . . . . . . . . . 264.12 Reichweite. . . . . . . . . . . . . . . . . 294.13 Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 314.14 Antennenkonfigurationen . . . . . . . . . 325 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . . . . . . 335.1 Messgren . . . . . . . . . . . . . . .

9、 . 335.2 Zielgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Abbreviations . . .

10、 . . . . . . . . . . . . . . 94 RASS fundamentals . . . . . . . . . . . . . . 104.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . 104.2 Relationship between temperature and sound velocity . . . . . . . . . . . . . . 114.3 Reflection of radar waves from acoustic waves . . . . . . . . . . . . . . 144.4

11、Doppler RASS . . . . . . . . . . . . . . 174.5 Bragg RASS . . . . . . . . . . . . . . . 194.6 Separation of the radial wind from the sound velocity . . . . . . . . . . . . . . 214.7 Determination of vertical temperature profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.8 Improvement of RASS precision

12、 . . . . 23 4.9 Determination of wind profiles from the RASS signal . . . . . . . . . . 244.10 Determination of turbulence profiles from the RASS signal . . . . . . . . . . 264.11 Height resolution . . . . . . . . . . . . . 264.12 Maximum range . . . . . . . . . . . . . 294.13 Signal analysis . . .

13、 . . . . . . . . . . . 314.14 Antenna configurations. . . . . . . . . . 325 Characteristics of the method . . . . . . . . 335.1 Measurement variables . . . . . . . . . . 335.2 Target variables. . . . . . . . . . . . . . 33Frhere Ausgabe: 02.09 Entwurf, deutsch Formeredition: 02/09Draft, in German on

14、lyKommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmeteorologieB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 2 VDI 3786 Blatt 18 / Part 18Seite5.3 Hilfsgren . . . . . .

15、 . . . . . . . . . 345.4 Definition der Verfahrenskenngren . . 346 Gerteausfhrungen . . . . . . . . . . . . . 377 Messplanung und Anforderungen an den Einsatzort . . . . . . . . . . . . . . . 398 Messbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . 398.1 Temperaturprofile . . . . . . . . . . . . 398.2 K

16、ombinierte Wind- und Temperaturmessung . . . . . . . . . . . 418.3 Grenzschicht und Turbulenz. . . . . . . 419 Qualittssicherung und Systemberwachung . . . . . . . . . . . . . 489.1 Automatische Qualittsprfung, statistische Filterung. . . . . . . . . . . 489.2 Systemberwachung. . . . . . . . . . . 4

17、810 Verfahrenskenngren ausgewhlter Gerte . . . . . . . . . . . . . 4910.1 Auswahlkriterien fr verschiedene RASS-Ausfhrungen . . . 4910.2 Vergleichsmessungen . . . . . . . . . . 5010.3 Verfgbarkeit . . . . . . . . . . . . . . 5211 Wartung und Strungen . . . . . . . . . . . 52Anhang A Definition von G

18、enauigkeitskenngren . . . . . 55Anhang B Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . 57B1 Doppler-RASS . . . . . . . . . . . . . . 57B2 Bragg-RASS . . . . . . . . . . . . . . . 57B3 Auszug aus VDI 3786 Blatt 17 WPR. . . 57Anhang C Temperatur- und Feuchteabhngigkeit der Schallabsorption. . . . . . . . .

19、 62 Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Page5.3 Auxiliary variables . . . . . . . . . . . . 345.4 Definition of performane characteristics . 346 Equipment design . . . . . . . . . . . . . . . 377 Planning of RASS measurements and site requirements . . . . . . . . . . . . . . . 39

20、8 Selected RASS measurements . . . . . . . . 398.1 Temperature profiles . . . . . . . . . . 398.2 Combined measurements of wind and temperature . . . . . . . . . . 418.3 Boundary layer and turbulence . . . . . 419 Quality assurance and system surveillance . . . . . . . . . . . . . . 489.1 Automated

21、data quality check, statistical filtering . . . . . . . . . . . . 489.2 System surveillance . . . . . . . . . . . 4810 Performance characteristics of selected systems . . . . . . . . . . . . . . . 4910.1 Selection criteria for different RASS implementations . . . . . . . . . 4910.2 Comparison measur

22、ements . . . . . . . 5010.3 Availability . . . . . . . . . . . . . . . 5211 Maintenance and interferences . . . . . . . 52Annex A Definition of accuracy characteristics . . . . . . . 55Annex B Signal analysis . . . . . . . . . . . . . 57B1 Doppler RASS . . . . . . . . . . . . . 57B2 Bragg RASS . . .

23、 . . . . . . . . . . . 57B3 Extract from VDI 3786 Part 17 WPR. . 57Annex C Dependence of atmospheric acoustic absorption on temperature and humidity . . . . . . . . . . . . . . . . 62Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2

24、012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI 3786 Blatt 18 / Part 18 3 VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der el

25、ektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die eh

26、renamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3786.EinleitungDie Richtlinienreihe VDI 3786 ist in mehrere Bltter gegliedert. In den Richtlinien VDI 3786 Blat

27、t 11 (Doppler-Sodar), Blatt 14 (Doppler-Lidar) und Blatt 17 (Wind-Profil-Radar) werden bodengebun-dene Fernmessverfahren vorgestellt, die zur Ermitt-lung von vertikalen Profilen des Windvektors dienen.Mit dem hier beschriebenen RASS-Verfahren (Radio-Acoustic Sounding System, deutsch radioakustisches

28、 Sondierungssystem) werden vorrangig Profile der Lufttemperatur bestimmt. Darber hinaus lassen sich RASS-Verfahren bei modifizierter Betriebsweise auch zur Erfassung von Profilen des dreidimensiona-len Windvektors und der Turbulenz einsetzen. Diese Anwendungen werden in den Richtlinien VDI 3786 Blat

29、t 11 und Blatt 17 detailliert beschrieben.Mit RASS werden Verfahren bezeichnet, mit denen die Schallgeschwindigkeit in einem begrenzten Messvolumen aus der Reflexion ausgesendeter elek-tromagnetischer Wellen an gleichzeitig ausgesende-ten Schallwellen ermittelt werden kann. Der Ort des Messvolumens

30、wird aus der Abstrahlrichtung und der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Sendesignals und dem Empfang des Streusignals bestimmt. Die Richtlinie greift bei der Definition von Radar-Kenngren auf die Richtlinie VDI 3786 Blatt 17 und bei der Bercksichtigung der Mittelungsdauer auf die Richtlinie VDI 37

31、86 Blatt 1 zurck. Sicherheitstech-nische Probleme werden nicht behandelt, hier wird auf einschlgige Normen und gesetzliche Vorgaben verwiesen: 26. BImSchV, BEMFV, BGV B 11, BGR B 11, DIN VDE 0848. Zustzlich sind zum Be-Preliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accord

32、ance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without i

33、nfringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.A catalogue of all available parts of this guide-line series can be accessed on the inter

34、net at www.vdi.de/3786.IntroductionThe guideline series VDI 3786 is divided into several parts. Guidelines VDI 3786 Part 11 (Doppler sodar), Part 14 (Doppler lidar), and Part 17 (Wind profiler ra-dar) present ground-based remote measurement methods for the determination of wind vertical pro-files.Th

35、e purpose of the radio-acoustic sounding system (RASS) described in this guideline, is predominantly the determination of profiles of atmospheric temper-ature. When operated in a modified mode, RASS de-vices can also be used for the measurement of vertical profiles of the three-dimensional wind vect

36、or and of atmospheric turbulence. These applications are de-scribed in detail in guidelines VDI 3786 Part 11 and Part 17.RASS is a family of methods that provide informa-tion about the sound velocity in a confined measure-ment volume from the reflection of electromagnetic waves on sound waves transm

37、itted simultaneously with those. The location of the volume in which the reflection occurs is determined from the direction into which the transmitters are pointed and from the propagation time elapsed between the transmitted and received backscattered radiation.For the definition of the radar chara

38、cteristics this guideline refers to guideline VDI 3786 Part 17, for the consideration of the averaging interval to guide-line VDI 3786 Part 1. Safety aspects are not treated here; instead, reference is made to the corresponding standards and regulations: 26. BImSchV, BEMFV, BGV B 11, BGR B 11, DIN V

39、DE 0848. In addition, the national regulations on the allocation of operating B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 4 VDI 3786 Blatt 18 / Part 18trieb von Radar-Systemen die nationalen Frequenz-zul

40、assungsvorschriften besonders zu beachten (in Deutschland: RegTP 321 ZV 044; enthlt auch Hin-weise auf internationale Zulassungsvorschriften).1 AnwendungsbereichRASS-Verfahren haben sich seit vielen Jahren fr die Fernmessung von vertikalen Profilen der Temperatur bewhrt. Sie ergnzen die konventionel

41、le Messtech-nik, da sie fr eine groe Anzahl von Messaufgaben geeignet sind, die mit punktfrmig messenden In-situ-Verfahren nicht adquat gelst werden knnen oder wo der Einsatz von Messmasten oder Messtr-men aus technischen, administrativen oder Kosten-grnden nicht infrage kommt.Besonders vorteilhaft

42、ist der Einsatz von RASS-Ver-fahren zur Temperaturmessung in Atmosphrenschichten bis zu einigen Kilometern Hhe Messung der thermischen Stabilitt der Atmos-phre Verfolgung des Aufbaus und Zerfalls konvektiver Grenzschichten (Mischungsschichthhe) Erfassung der Hhe und Struktur von stabilen Grenzschich

43、ten Erfassung der Hhe und Strke von abgehobenen Inversionen Messung der turbulenten Flsse in der atmosph-rischen Grenzschicht Messung von Windprofilen an Standorten mit ho-hem Geruschpegel, an denen der Einsatz von So-dar-Verfahren nur eingeschrnkt mglich ist, und an Standorten mit hohem Strecho-Pot

44、enzial, das auch den Einsatz von Radar erschwert Messung unter AllwetterbedingungenBesondere Bedeutung haben folgende Einsatzge-biete: Routinemessungen der Temperatur an aerologi-schen Stationen Gewinnung von Daten zur Ausbreitungsrechnung, z. B. fr Genehmigungsverfahren nach BImSchG, 9. BImSchV und

45、 TA Luft: Ausbreitungszeitreihen (TA Luft, Anhang 3 Nr. 1), Monin-Obukhov-Lnge (TA Luft, Anhang 3 Nr. 8.4), Mischungs-schichthhe (TA Luft, Anhang 3 Nr. 8.5) Gewinnung von Daten fr Standortgutachten fr den Immissionsschutz und Umweltvertrglich-keitsprfungen Flugsicherheit, Flugwetterberatung (quantit

46、ative Erfassung auch extremer Bodeninversionen) frequencies shall be observed when using radar sys-tems. For Germany, this is the standard RegTP 321 ZV 044 in which reference is made to certain interna-tional regulations as well.1 ScopeRASS systems have successfully been used for many years for the

47、remote determination of vertical temper-ature profiles. They complement conventional instru-mentation as they lend themselves to a large number of measurement tasks that cannot be fulfilled ade-quately with in-situ or point measurement devices or for which masts or towers are not suitable for techni

48、cal, administrative or economical reasons. The use of RASS systems is particularly advanta-geous for measurement of temperature in atmospheric lay-ers up to several kilometers height determination of the thermal stability of the at-mosphere pursuit of the development and decay of convec-tive bounda

49、ry layers (height of the mixing layer) determination of the height and structure of stable boundary layers determination of the altitude and strength of de-tached inversions measurement of turbulent flows in the atmos-pheric boundary layer measurement of wind profiles in noisy areas or in sites with potentially large radar echoes where the use of sodar and radar systems is restricted measurements in heavy weather conditionsThe followi