VDI 3786 Blatt 20-2014 Environmental meteorology - Ground-based remote sensing of precipitation - Weather radar.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieBodengebundene Fernmessungdes NiederschlagsWetterradarEnvironmental meteorologyGround-based remote sensing of precipitationWeather radarVDI 3786Blatt 20 / Part 20Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1b: Umwe

2、ltmeteorologieVDI-RICHTLINIENInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 52 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Abkrzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3、 84 Grundlagen der Radarmessung . . . . . . . . 94.1 Messprinzip des Wetterradars. . . . . . . . 94.2 Radargleichung . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Rckstreuquerschnitt . . . . . . . . . . . . 104.4 Rumliche Auflsung . . . . . . . . . . . . 114.5 Zeitliche Auflsung . . . . . . . . . . . . . 115 A

4、ufbau und Betrieb einesWetterradars . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.1 Ausfhrungsformen . . . . . . . . . . . . . 125.2 Komponenten des Wetterradars . . . . . . . 125.3 Frequenzbnder . . . . . . . . . . . . . . . 195.4 Messplanung und Strategie . . . . . . . . . 206 Messgren und Zielgren . .

5、. . . . . . . . 216.1 Messgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.2 bersicht der Zielgren . . . . . . . . . . 226.3 Radarreflektivittsfaktor . . . . . . . . . . 226.4 Radialgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . 236.5 Polarimetrische Zielgren . . . . . . . . . 236.6 Unsicherheit des Radarreflektiv

6、ittsfaktors. 257 Niederschlagsbestimmung. . . . . . . . . . . 267.1 Regenintensitt . . . . . . . . . . . . . . . 267.2 Regentropfengrenverteilung . . . . . . . 27Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Scope . . . . .

7、 . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 63 Abbreviations. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Fundamentals of radar measurement. . . . . 94.1 Measuring principle of the weather radar . 94.2 Radar equation . . . . . . . . . . . . . . . 94.3 Backscatterin

8、g cross-section . . . . . . . . 104.4 Spatial resolution . . . . . . . . . . . . . . 114.5 Temporal resolution . . . . . . . . . . . . 115 Construction and operation of a weather radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.1 Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125.2 Components of weather

9、 radars . . . . . . . 125.3 Frequency bands . . . . . . . . . . . . . . 195.4 Measurement planning and strategy . . . . 206 Measured variables and target variables . . . 216.1 Measured variables . . . . . . . . . . . . . 216.2 Overview of target variables . . . . . . . . 226.3 Radar reflectivity fac

10、tor . . . . . . . . . . 226.4 Radial velocity . . . . . . . . . . . . . . . 236.5 Polarimetric target variables . . . . . . . . 236.6 Reflectivity factor uncertainty . . . . . . . 257 Determining the precipitation . . . . . . . . . 267.1 Rain intensity . . . . . . . . . . . . . . . . 267.2 Raindrop

11、size distribution . . . . . . . . . 27ICS 07.060, 13.040.01 September 2014Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedFrhere Ausgabe: 08.13 Entwurf, deutschFormer edition: 08/13Draft, in German onlyZubeziehen durch /AvailableatBeuth

12、Verlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2014Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN Normenausschuss KRdLFachbereich UmweltmeteorologieDer Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen

13、Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.The draft of this standard has been subject to public scrutiny afterannouncement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be gi

14、ven with respect to the English trans-lation.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EE8ED9NormCD - Stand 2014-10 2 VDI 3786 Blatt 20 / Part 20 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014Seite7.3 Form fallender Regentropfen . . . . . . 277.4 Bestimmung der Regenintensitt

15、 aus dem Reflektivittsfaktor . . . . . . . 297.5 Niederschlagsbestimmung mittelspolarimetrischer Zielgren . . . . . . . 307.6 Klassifikation von Hydrometeoren . . . 328 Einflussgren auf dieNiederschlagsbestimmung. . . . . . . . . . 348.1 bersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . 348.2 Radarkalibrier

16、ung . . . . . . . . . . . . 358.3 Radom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358.4 Abschattung und ungleichmigeStrahlfllung . . . . . . . . . . . . . . . 368.5 Dmpfung . . . . . . . . . . . . . . . . 378.6 Strahlausbreitung . . . . . . . . . . . . 388.7 Nicht meteorologische Echos . . . . . . 418.8 D

17、rift und Verdunstung . . . . . . . . . . 438.9 Schmelzschicht . . . . . . . . . . . . . 438.10 Zeitliche Auflsung . . . . . . . . . . . 448.11 Elektromagnetische Strungen . . . . . 449 Qualittssicherung . . . . . . . . . . . . . . 459.1 Einflussgren und ihre Bercksichtigung . . . . . . . . . . . . 4

18、69.2 Qualittsindizes . . . . . . . . . . . . . 499.3 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . 4910 Koordinatentransformation undKompositierung . . . . . . . . . . . . . . . . 5010.1 Koordinatentransformation . . . . . . . 5010.2 Kompositierung . . . . . . . . . . . . . 5011 Verbesserung der Nieders

19、chlags-bestimmung durch Kombination mitanderen Messverfahren . . . . . . . . . . . 5111.1 Vor- und Nachteile der Radarmessung im Vergleich zur konventionellenNiederschlagsmessung. . . . . . . . . . 5111.2 Aneichung . . . . . . . . . . . . . . . . 5112 Krzestfristvorhersage (Nowcasting) . . . . 5313

20、Anwendungen und Anforderungen in derWasserwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . 5513.1 Onlineanwendung vonRadarniederschlagsdaten . . . . . . . . 5613.2 Offlineanwendungen von Radarniederschlagsdaten . . . . . . . . 58Anhang A Mikro-Regenradar . . . . . . . . . . 60A1 Anwendungsbereich . . . . .

21、. . . . . . 60A2 Ausfhrung . . . . . . . . . . . . . . . 60A3 Messbeispiele . . . . . . . . . . . . . . 61Anhang B Koordinatenumrechnung . . . . . . 64Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Page7.3 Shape of falling raindrops . . . . . . . . 277.4 Determining rain intensity from there

22、flectivity factor . . . . . . . . . . . . 297.5 Determining the precipitation throughpolarimetric target variables. . . . . . . 307.6 Classification of hydrometeors . . . . . 328 Variables affectingprecipitation estimation . . . . . . . . . . . 348.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . 348.2 Ra

23、dar calibration . . . . . . . . . . . . 358.3 Radome . . . . . . . . . . . . . . . . . 358.4 Partial beam blockage andnon-uniform beam filling . . . . . . . . 368.5 Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . 378.6 Beam propagation . . . . . . . . . . . . 388.7 Non-meteorological echoes . . . . . . .

24、418.8 Drift and evaporation . . . . . . . . . . 438.9 Melting layer . . . . . . . . . . . . . . 438.10 Temporal resolution . . . . . . . . . . . 448.11 Electromagnetic disturbances . . . . . . 449 Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . 459.1 Factors and conditions affectingdata quality and

25、their consideration . . . 469.2 Quality indices . . . . . . . . . . . . . 499.3 Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . 4910 Coordinate transformation and compositing. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5010.1 Coordinate transformation . . . . . . . 5010.2 Compositing . . . . . . . . . . . . . . .

26、5011 Improving precipitation measurements through combination with other methods . . . . . . . . . . . . . . . . 5111.1 Advantages and disadvantages of radarmeasurements compared with conventio-nal precipitation measurement methods. 5111.2 Adjustment . . . . . . . . . . . . . . . 5112 Nowcasting . .

27、 . . . . . . . . . . . . . . . . 5313 Applications and requirements in water management . . . . . . . . . . . . . . 5513.1 Online applications ofradar precipitation data . . . . . . . . . 5613.2 Offline applications of radar precipitation data . . . . . . . . . 58Annex A Micro rain radar . . . . . .

28、 . . . . . . 60A1 Application . . . . . . . . . . . . . . . 60A2 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60A3 Measurement examples . . . . . . . . . 61Annex B Coordinate conversion . . . . . . . . 64Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EE8

29、ED9NormCD - Stand 2014-10VDI 3786 Blatt 20 / Part 20 3 All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der

30、Fotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.

31、Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/3786.EinleitungDie Richtlinienreihe VDI 3786 ist in mehrere Blttergegliedert, die Messmethoden fr met

32、eorologischeMessgren behandeln. In der Richtlinie VDI 3786Blatt 7 wird die konventionelle Messung von Nieder-schlag mit bodengebundenen Gerten behandelt.Whrend damit nur der Niederschlag am Ort des je-weiligen Messgerts bestimmt wird, kann mit demhier beschriebenen Wetterradar die rumliche Vertei-lu

33、ng des Niederschlags in einem greren Umkreisum das Radar erfasst werden. Das Wetterradar stelltdamit ein wesentliches Instrument fr die flchende-ckende Erfassung von Niederschlgen dar.Die Abkrzung Radar“ leitet sich von radio detec-tion and ranging“ ab. Mit Radar werden Gerte be-zeichnet, mit denen

34、die Reflektion des ausgesandtenMikrowellenstrahls an Krpern erfasst wird. Dadurchwird mit dem Wetterradar nicht direkt der Nieder-schlag definiert als Massenfluss durch eine hori-zontale Einheitsflche gemessen. Vielmehr mussder Niederschlag mithilfe empirischer Beziehungenaus der Radarreflektivitt u

35、nd gegebenenfalls zustz-lich gemessenen polarimetrischen Parametern abge-leitet werden. Diese empirischen Beziehungen hn-gen von der aktuellen Regentropfengrenverteilungab, die nur innerhalb einer gewissen Bandbreite be-kannt ist. Daher sind Wetterradarmessungen kein Er-satz fr die in VDI 3786 Blatt

36、 7 beschriebenen kon-ventionellen Verfahren, sondern sie mssen sogar, fallshhere Genauigkeitsanforderungen an die erfassteNiederschlagsmenge gestellt sind (z.B. fr Hochwas-serwarnsysteme), durch konventionelle Messungengesttzt werden. Das Wetterradar ermglicht aber dieErfassung von rumlich sehr fein

37、 strukturierten Nie-Preliminary noteThe content of this standard has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing sys

38、tems and translation, either ofthe 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.We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standar

39、d.A catalogue of all available parts of this series ofstandards can be accessed on the Internet atwww.vdi.de/3786.IntroductionThe series of standards VDI 3786 is divided into sev-eral parts that deal with measurement methods formeteorological variables. The standard VDI 3786Part 7 covers conventiona

40、l measurement of precipita-tion using ground-based instruments. Whereas thiscan only be used to determine the precipitation at thelocation of the relevant measuring system, theweather radar described here makes it possible to de-termine the spatial distribution of the precipitationover a larger area

41、 around the radar. The weather radaris, therefore, an essential tool for area-wide detectionof precipitation.The abbreviation “radar” is derived from radio detec-tion and ranging. It refers to equipment used to detectthe reflection of an emitted microwave beam fromobjects. A weather radar does not m

42、easure the precip-itation defined as mass flow through a horizontalunit area directly. Instead, this needs to be derivedwith the help of empirical relationships from the ra-dar reflectivity, and where possible by using addi-tional measured polarimetric parameters. These em-pirical relationships depe

43、nd on the raindrop size dis-tribution at that particular time, which is known onlywithin some uncertainty. Therefore, weather radarmeasurements are not a substitute for the conven-tional methods described in VDI 3786 Part 7; indeed,where higher accuracy is required in terms of quanti-tative precipit

44、ation estimation (e.g. for flood warningsystems), they may need to be supported by conven-tional measurements. The weather radar, however,makes possible the detection of spatially very finelystructured precipitation distributions, which cannotbe achieved solely with conventional measurements.B55EB1B

45、3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EE8ED9NormCD - Stand 2014-10 4 VDI 3786 Blatt 20 / Part 20 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014derschlagsverteilungen, was mit konventionellenMessungen alleine nicht erreichbar wre. Die Erfas-sung von Niederschlag mit Wetterradar i

46、st die ltestenicht militrische Anwendung seit Erfindung des Ra-dars im Zweiten Weltkrieg.Fr Nebenanwendungen, wie die Interpretation vonClear Air Echos und die Bestimmung von Windpro-filen aus der Dopplerverschiebung, wird auf dieRichtlinie VDI 3786 Blatt 17 ber die bodengebun-dene Fernmessung des W

47、indvektors mittels Wind-Profil-Radar verwiesen.Sicherheitstechnische Probleme werden nicht behan-delt. Hier wird auf einschlgige Normen und gesetz-liche Vorgaben verwiesen:Die 26. BImSchV beschreibt Anforderungen fr dieErrichtung und den Betrieb von Hoch- und Nieder-frequenzanlagen zum Schutz gegen

48、schdliche Um-welteinwirkungen durch elektromagnetische Felder.Die BEMFV beschreibt ein Nachweisverfahren zurBegrenzung elektromagnetischer Felder.BGR B 11 und BGV B 11 treffen Festlegungen berzulssige Werte, Mess- und Bewertungsverfahrenund Sonderfestlegungen fr spezielle Anlagen in Be-zug auf elekt

49、romagnetische Felder.Die Norm DIN EN 50 413*VDE 0848-1 beschreibtMess- und Berechnungsverfahren der Exposition vonPersonen in elektrischen, magnetischen und elektro-magnetischen Feldern.Zustzlich sind zum Betrieb von Radarsystemen dienationalen Frequenzzulassungsvorschriften zu beach-ten (in Deutschland: TKG, Telekommunikationsge-setz; FTEG, Gesetz ber Funkanlagen und Telekom-munikationsendeinrichtungen; FreqNP, Frequenz-Nutzungsplan; VV