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View metadata, citation and similar papers at core.ac.ukbrought to you byCOREprovided by Qucosa - Publikationsserver der Universität LeipzigWiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Testmessung eines Mini-SODARs im Vergleich mit einem 100mMast und einem Doppler-SODARKarin PietschmannSummary:Since March 2006 the Institute of Meteorology in Leipzig (LIM) is owner of acommercial Mini-SODAR. The Mini-SODAR is very small in size and thereforemobile. It can be set up with low effort in short time at any place. The first testmeasurement was operated in June 2006 at the boundary layer field site Falkenbergthat belongs to the Meteorological Observatory Lindenberg (MOL) of the GermanMeteorological Service (DWD) and was parallel accompanied by the measurement ofa windtower and a Doppler-SODAR. The results of this six-hour-measurement arepresented here. A statistical comparison between Mini-SODAR, tower data andDoppler-SODAR was performed. Also backscatter intensity and profile data fromMini-SODAR were analysed and interpreted.Zusammenfassung:Seit März 2006 ist das Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) in Besitz eineskommerziellen Mini-SODARs. Das Mini-SODAR ist auf Grund seiner Größe sehrmobil und lässt sich unter geringem Aufwand schnell an einem beliebigen Standortaufbauen. Die erste größere Testmessung und gleichzeitig Vergleichsmessung diesesGerätes mit einem Windmast und einem Doppler-SODAR fand im Juni 2006 auf demGrenzschichtmessfeld in Falkenberg statt, welches zum MeteorologischenObservatorium (MOL) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) gehört. Die Auswertungdieser 6-stündigen Messung wird hier vorgestellt. Es wurde ein statistischer Vergleichzwischen Mini-SODAR, Windmast und Doppler-SODAR durchgeführt. Weiterhinwurden das Sodargramm und die gemessenen Profildaten des Mini-SODARsuntersucht und interpretiert.1. EinleitungDas Leipziger Institut für Meteorologie (LIM) besitzt seit März 2006 ein MiniSODAR. Das SODAR gehört zu den akustischen Fernerkundungsverfahren und stehtkurz für Sonic Detecting And Ranging. Bei diesem Verfahren werden akustischeSignale mit einer Antenne in die Atmosphäre gesendet, wo sie an turbulentenStrukturen gestreut und schließlich von einem Empfänger erfasst werden. Derzurückgestreute Anteil ist dabei um ein vielfaches kleiner als die anfangs ausgesandteLeistung. Mit der SODAR-Technik lassen sich die Windkomponenten sowie derenStandardabweichung im Höhenprofil bestimmen.SODAR-Messungen haben sich zur Untersuchung der Grenzschicht – der Teil derAtmosphäre, welcher direkt durch die Erdoberfläche beeinflusst wird [Stull, 1988] –verdient gemacht. Das Verfahren eignet sich zur Untersuchung lokaler Windsysteme,aber auch zur Untersuchung der Grenzschichtturbulenz (Messung mmungvonGrenzschichtparametern. Neben ihrer Anwendung in Forschungsinstituten werdenSODAR-Systeme vor allem an kerntechnischen Anlagen zur Bestimmung derStabilität der Atmosphäre und des Horizontalwindes eingesetzt [Reitebuch, 1999].123

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Als Einführung in die Funktionsweise eines SODARs empfiehlt sich [Peters, 1991]und die VDI-Richtlinie „Bestimmung des vertikalen Windprofils mit DopplerSODAR-Messgeräten“ [VDI, 1994]. Etwas tiefgreifender mit der Signalverarbeitungbeschäftigen sich [Reitebuch, 1999] und [Antoniou und Jørgensen, 2003].In der Literatur finden sich viele Beispiele für Vergleichsmessungen zwischenSODAR und Windmast [Reitebuch, 1999; Seibert, 1997; Vogt, 1994], aber auchzwischen verschiedenen SODAR-Geräten [Vogt, 1994]. Die Ergebnisse statistischerVergleiche solcher Messungen variieren stark. [Bradley et al., 2005] setzten sich sehrintensiv mit der Kalibrierung von SODAR-Systemen und deren Fehlerquellenauseinander, speziell in Hinblick auf den Einsatz in der Windenergie-Branche. DasInteresse der Windenergie-Branche an der SODAR-Technik ist groß, da dieNabenhöhe von Windkraftanlagen auf Grund fortschreitender Technik in den letztenJahren gewachsen ist und teilweise über die Höhe eines Windmastes hinaus reicht, derteuer und aufwendig installiert werden muss.Die ersten SODAR-Geräte wurden in den frühen 1970er Jahren entwickelt und fandenumgehend Anwendung in der Grenzschichtmeteorologie. Einen Rückblick auf dieEntwicklung der SODAR-Messungen von 1970 bis heute liefern [Kallistratova undCoulter, 2003].2. Aufbau und Messprinzip des Mini-SODARs PA0Das Mini-SODAR PA0 von der französischen Firma Remtech hat ein Gewicht von 12kg (Antenne und Technik) und eine Antennenfläche von 0,4 x 0,4 m. Das leichteGewicht und die kompakte Größe verhelfen dem Mini-SODAR zu Mobilität. Es lässtsich in ca. 45 min ohne viel Aufwand auf- oder abbauen. Dabei muss derAzimutwinkel α (Winkel gegenüber Nord im Uhrzeigersinn) nach erfolgterAufstellung des SODARs bestimmt werden.Das PA0 besteht aus einer Phased Array Antenne mit 52 Lautsprecher-Elementen(Abb. 1, oben rechts). Durch eine geregelte Phasenansteuerung der Lautsprecher kanndie Hauptachse der Schallausbreitung in unterschiedliche Raumrichtungen geschwenktwerden. Das Mini-SODAR besitzt ein 5-Schallstrahlen-System mit einem vertikalenStrahl und vier um 30 geneigten Strahlen, welche in der horizontalen Ebene jeweilsum 90 versetzt sind.Das Mini-SODAR-Signal setzt sich aus mehreren Frequenzen zusammen. Es sendetwährend einer Pulsdauer neun verschiedene Frequenzen um die mittlere Frequenz 3,5kHz aus. Laut dem Hersteller Remtech soll durch die Frequenzsignatur die Detektiondes Rückstreusignals aus dem Hintergrundrauschen einfacher sein. Diese Technik wirdschon seit Jahren in RADAR-Geräten genutzt.Als Ergänzung zum Gerät existiert ein sechseckiger 1,60 m hoher Schallschutz, dermit schallabsorbierendem Material ausgekleidet ist (Abb. 4.1, unten rechts). Dieserdient in erster Linie zur Vermeidung von Festechos (Reflektion von Schall an festenGegenständen), aber auch als akustischer Schutz in unmittelbarer Nähe der Antenne.Die akustische Sendeleistung der Antenne liegt bei 1 W und die mittlere Reichweitedes Gerätes nach Herstellerangabe bei 600 m. Das PA0 ist über das Stromnetz (230 V)oder einen Batterieanschluss (12 V) betriebsfähig.124

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Abb. 1: Antenne des Mini-SODARs PA0 (oben) mit zugehöriger Technik-Box (unten links)und Schallschutz (unten rechts).Das allgemeine Funktionsprinzip eines monostatischen SODARs (Sendeantenne undEmpfangsantenne sind eine Einheit) soll hier kurz erläutert werden. Das SODARzeichnet, nachdem es einen Schallpuls ausgesendet hat, in einer Empfangsphase mitseinen Lautsprechern das von der Atmosphäre zurückgestreute Signal auf. Dabei wirddas sogenannte Dopplerspektrum (Abb. 2) aufgenommen, bei dem die empfangenespektrale Leistung über die Frequenz aufgetragen wird. Das Dopplerspektrum lässtsich hinsichtlich der Rückstreuamplitude A , der Frequenzverschiebung f d und derBreite des Doppler-Spektrums σ f auswerten. Diese Parameter werden auch als nulltes,erstes und zweites Moment bezeichnet. Die Frequenzverschiebung ergibt sich aus demDopplereffekt. Beim Streuprozess kommt es zu einer zweifachen Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt), wenn das Streuzentrum in Bewegung ist, so dass dieStreuwelle eine andere Frequenz als die ursprüngliche Ausgangsfrequenz des Schallshat. Über den Doppler-Effekt kann die Radialgeschwindigkeit vrad des Streuzentrumsentlang der radialen Achse zum Empfänger bestimmt werden.vrad c f d2 f0(1)Eine positive (negative) Radialgeschwindigkeit bedeutet, dass sich das Streuvolumenradial auf die Antenne zu (von ihr weg) bewegt. Aus der Breite des DopplerSpektrums erhält man die Standardabweichung für den Radialwind. Für dietemperaturabhängige Schallgeschwindigkeit c nutzt das SODAR in allen Höhen einenBodenwert und verursacht dadurch einen systematischen Fehler in derRadialgeschwindigkeit, aber auch in der Berechnung der Messhöhe (siehe Gleichung(4)).125

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Abb. 2: Doppler-Spektrum zur Veranschaulichung von Standardabweichung σ f ,Rückstreuamplitude A und Frequenzverschiebung f d , nach [VDI, 1994].Da sich die Streuzentren mit dem mittleren Wind bewegen, ist es möglich, denWindvektor über die Bestimmung der Radialgeschwindigkeit in mindestens dreiunabhängigen Raumrichtungen zu bestimmen. Dies lässt sich mit der Phased ArrayAntenne, welche wie bereits erwähnt mehrere Schallstrahlrichtungen ansteuern kann,realisieren.Abb. 3: Zusammenhang zwischen den radialen Windgeschwindigkeiten im Vertikalschnitt(links und Mitte) sowie zwischen den Komponenten u ' und v ' mit derHorizontalgeschwindigkeit M und der Windrichtung Φ in der Draufsicht (rechts),nach [VDI, 1994].Beim Mini-SODAR PA0 dienen zwei der geneigten Schallstrahlen zusammen mit demvertikalen Schallstrahl der Berechnung des Windvektors und die anderen zweigeneigten Schallstrahlen einer Vergleichsprüfung für die Windkomponenten u und v .Der Vertikalwind entspricht mit umgekehrten Vorzeichen der Radialgeschwindigkeitin vertikaler Richtung ( w vrad 3 ). Zur Bestimmung des Windvektors mit denKomponenten u und v werden zunächst die Komponenten u ' und v ' in derhorizontalen Ebene über die Gleichungen (2) bestimmt. u ' und v ' sind dieGeschwindigkeitskomponenten in einem kartesischen Koordinatensystem, dass umden Azimutwinkel α im Uhrzeigersinn gegenüber dem uv -Koordinatensystem, dessenOrdinate nach Norden zeigt, gedreht ist (Abb. 3 rechts).126

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)vrad 1 vrad 3 cosθsin θv v cosθv ' rad 2 rad 3sin θu' (2)Aus u ' und v ' lässt sich bereits der Betrag des Horizontalwindes M bestimmen, derhäufig anstelle der Komponenten u und v bei SODAR-Messungen angegeben wird.Die Windrichtung Φ erhält man aus den gegebenen Winkelbeziehungen. Aus M undΦ lassen sich nun die Komponenten u in Ost-West-Richtung und v in Nord-SüdRichtung bestimmen (Gleichungen (3)).M u '2 v '2 v' Φ π α arctan u' u M sin Φv M cos Φ(3)Die Zuordnung eines gemessenen Doppler-Spektrums zu einer bestimmten Höheerfolgt über die Laufzeitmessung. Abb. 4 stellt diesen Zusammenhang dar. Durch dieLänge der Sendezeit (Pulsdauer) und durch den entsprechenden Empfangszeitraumwerden mittlere Höhe und Größe des Streuvolumens beeinflusst. Die Steigung derGeraden entspricht gerade der Schallgeschwindigkeit c . Die Höhe berechnet sich überdie Gleichung (4) und ist abhängig von der Ausrichtung der Antenne über denZenitwinkel. θ h ct cos 2 (4)Abb. 4: Schematischer Zusammenhang zwischen Laufzeit und Messhöhe, nach [VDI, 1994].3. Beschreibung des Messfeldes und der MessinstrumenteDas Grenzschichtmessfeld (GM) gehört zum Meteorologischen ObservatoriumLindenberg (MOL) des DWD und befindet sich bei Falkenberg ca. 5 km entfernt vonLindenberg im Nordosten von Deutschland (52 10' N, 14 07' E, 73 m ü. NN). Eswurde für die experimentelle Untersuchung von Landoberflächen- undGrenzschichtprozessen eingerichtet [Beyrich und Foken, 2005]. In der näherenUmgebung ist das Gelände mit Höhenunterschieden von 80 bis 100 m auf 10 bis 15127

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)km geringfügig geneigt. Das Messfeld ist zu je etwa 40% von Waldflächen undlandwirtschaftlich genutzten Flächen umgeben, die übrigen Flächen sind durch Seen,Ortschaften und Straßen bedeckt [Beyrich und Mengelkamp, 2006]. Die Waldflächenbefinden sich zum größten Teil westlich vom Messfeld, während dielandwirtschaftlichen Flächen im Osten liegen (näheres in [Beyrich und Mengelkamp,2006] sowie [Beyrich und Foken, 2005]). Die Bestandshöhe der Wiese auf demMessfeld betrug zum Zeitpunkt der Messung ca. 20 cm.Der DWD betreibt auf dem GM unter anderem einen 99m-Windmast und einSODAR/RASS-System des Typs METEK DSDPA.90-64, deren parallele Messungenfür einen statistischen Vergleich hinzugezogen wurden. Das SODAR-System desDWD (im folgenden DWD-SODAR) besitzt eine Antennenfläche von 1m2 und ist festinstalliert. Es arbeitet wie das Mini-SODAR mit einer Phased-Array-Antenne, einem5-Schallstrahlen-System und sendet mit einer singulären Frequenz von 1,598 kHz(weitere Angaben in [Engelbart et al., 1999]).Abb. 5: Standortkarte vom GM Falkenberg, M DWD-Mast, MS Mini-SODAR und DS DWD SODAR.Die Testmessung erfolgte am 22. Juni 2006 von 08:10 bis 14:00 UTC. Der Standortdes Mini-SODARs befand sich etwa mittig zwischen Windmast und DWD-SODAR(Abb. 5). Das Mini-SODAR wurde exakt in Richtung Nord ( α 0 ) ausgerichtet, sodass die drei Hauptschallstrahlen vertikal und schräg um 30 geneigt nach Nordenbzw. Westen zeigten. In Richtung Norden befanden sich entlang desLandwirtschaftsweges Büsche und kleinere Bäume, jedoch in ausreichendem Abstand,um starke Festechos zu vermeiden. Der Schallschutz wurde bei dieser Messung nichtgenutzt.Die Einstellungen am Mini-SODAR wurden mit denen des DWD-SODARsabgestimmt, ausgenommen der Mittelungszeit (Tab. 1). Diese betrug beim DWDSODAR 15 min, jedoch beim Mini-SODAR und beim großen 99m-Mast, derenVergleich im Mittelpunkt stand, waren es 10 min. Für den Vergleich mit dem DWDSODAR wurden 30min-Mittel erzeugt. Am großen Mast befanden sich in den Höhen10, 20, 40, 60, 80, und 98 m jeweils drei Ausleger in Richtung Nord, Süd und West,ausgestattet mit Schalenstern-Anemometern von der Firma Thies Clima. Durch dieseAnordnung kann eine Windmessung ohne Störeinflüsse durch Mast oder Ausleger128

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)erfolgen [Leiterer, 2003]. In den Höhen 40 und 98 m erfassten zusätzlich Windfahnen(Thies Clima) die heHöhenstufungMaximale HöheDWD-SODARMini-SODAR15 min40 m20 m700 m10 min40 m20 m400 mTab. 1: Einstellungen am Mini-SODAR und am DWD-SODAR im Vergleich.4. Qualität der SODAR-DatenDas akustische Spektrum wird beim Mini-SODAR über eine Fast FourierTransformation aus den Rohdaten der Messung gewonnen. Es folgen die Detektion derDoppler-Frequenz sowie eine automatische Detektion von Festechos und derenentsprechende Korrektur über die Software von der Firma Remtech. Über dieAlgorithmen der Software ist leider nichts näheres bekannt und auch eine Abfrage derRohdaten am Gerät ist nicht möglich. Die Genauigkeit der Mini-SODAR-Daten sindvom Hersteller wie folgt angegeben: Horizontalwind: 0,2 ms-1 oder 3 % für Geschwindigkeiten größer 6 ms-1 Vertikalwind: 0,05 ms-1 Windrichtung: 3 für Geschwindigkeiten größer 2 ms-1Das Sodargramm (die Rückstreuintensität aufgetragen über Höhe und Zeit) derMessung am 22.06.2006 ist in Abb. 6 dargestellt. Die Auswertung desQualitätsdatenblocks der Mini-SODAR-Messung zeigte, dass sich die Mess-Softwarein der ersten Stunde an die Umgebung angepasst hat. Der Hersteller bestätigte, dasssich die Software zu Beginn einer Messung in einer Lernprozedur befindet, in welcherdas Gerät in einem reduzierten Frequenzmodus arbeitet und konservative Kriterien fürdie Auswertung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses sowie für KorrekturAlgorithmen nutzt [Remtech, 2006]. Trotz dieser Tatsache wurden diese Daten alsvertrauenswürdig eingestuft und gingen mit in die statistische Analyse ein. DieUrsache des Datenausfalls in allen Höhen von 9.00 – 9.10 UTC bleibt ungeklärt, dennes traten keine Wettererscheinungen wie z.B. Niederschlag auf, welche einenDatenausfall begründen könnten. Zwischen 11.00 und 12.00 UTC ist in den untersten100 Metern ein verstärktes Echo aufgetreten, welches in Kapitel 6 mit Hilfe derWinddaten noch weiter untersucht wurde. Gegen Ende der Messung um 14.00 UTCkündigte sich erneut ein Anstieg in der Rückstreuintensität an.Die Winddaten des Mini-SODARs wurden auf ihre Vertrauenswürdigkeit untersuchtund entsprechend einer Qualitätsstufe zwischen 0 und 3 zugeordnet (siehe Tab. 2). DieKriterien richteten sich dabei nach der Intensität des Echos (CT) und nach Lücken imWindprofil. Ist das Echo zu einem Zeitpunkt t und einer Höhe h sehr gering, dann sinddie zugehörigen Werte für SPEED (Horizontalwind), DIR (Windrichtung) und W(Vertikalwind) mit größeren Unsicherheiten behaftet. Daher wurden Winddaten, derenzugehörige Echowerte geringer als 30 waren als bedenklich eingestuft. Es erfolgteeine Aussortierung der Winddaten, dessen zugehöriger Echowert –9999 betrug, da129

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)ohne ein detektierbares Echo keine Windparameter bestimmt werden können. Dass dieSoftware in manchen Fällen doch Werte für SPEED, DIR und W angibt, liegtwahrscheinlich an unterschiedlichen Abbruchkriterien für die Mittelungsprozedur derParameter. Nachdem eine Einstufung der Winddaten hinsichtlich des Echos erfolgte,wurden diese auf Lücken im Profil untersucht. Daten oberhalb größerer Lücken (zweioder mehr Fehlwerte) im Windprofil wurden aussortiert, da ihre Glaubwürdigkeitgering ist. Alle Daten mit der Qualitätsstufe 1 und 2 gingen anschließend in dieAuswertungen ein.Abb. 6: Sodargramm der Mini-SODAR-Messung vom GM Falkenberg am 22.06.2006 von08.10 - 14.00 UTC (Echo in relativen Einheiten aufgetragen über Höhe und Zeit).Qualitätsabstufung Schritt 10 Fehlwerte1 verlässlich2 bedenklich3 unzuverlässig(aussortiert)CT 30CT 30Schritt 2UNDUND/ODERCT -9999 UND/ODERWWindprofil ist ohne LückenWinddaten befinden sich oberhalbeiner LückeWinddaten befinden sich oberhalblängerer Lücke (3 aus Schritt 1entspricht einer Lücke)Tab. 2: Qualitätsabstufung der Winddaten vom Mini-SODAR in Abhängigkeit von denEchowerten (Schritt 1) und von Lücken im Windprofil (Schritt 2).Die fehlerhaften Daten („bad values“) des DWD-SODARs wurden mit Hilfe einerFehlerkodierung aussortiert, welche die Mess-Software für jeden Wert pro Höhe undZeitpunkt im Datensatz mitliefert. Die Messgenauigkeit des DWD-SODARs ist mit-1 0,3 ms für die Geschwindigkeit und 5 für die Windrichtung angegeben [Leiterer,2003].130

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)5. Statistischer Vergleich der DatenZum Vergleich der gemessenen Daten wurde zum einen die systematischeAbweichung BIAS des Datensatzes Xi von Yi gebildet und zum anderen dieStandardabweichung STD des BIAS als Streumaß gewählt (Gleichungen (5)). DerErwartungswert des BIAS beträgt Null. Da allerdings zwei Messreihen vonverschiedenen Messsystemen oder Messgeräten vorliegen, deren Messung jeweils mitunterschiedlichen Unsicherheiten behaftet sind, wird der wahre BIAS von Nullverschieden sein. Die Standardabweichung des BIAS wird dann darüber aussagen, wiestark die Differenz der einzelnen Wertepaare ( X i ,Yi ) streut.BIAS 1 n (Yi X i ) Y Xn i 12σ BIAS 1 n1 n[(Yi X i ) (Yi X i )]2 n 1 i 1n i 1(5)2STD σ BIASAbb. 7: Zeitreihenvergleich zwischen DWD Mast (schwarz) und Mini-SODAR (grau) von08.10 – 14.00 UTC für den Horizontalwind in den Höhen 40, 60, 80 und 98/100 m(oben) sowie für die Windrichtung in den Höhen 40 und 98/100 m (unten).131

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Zunächst folgt ein Zeitreihenvergleich zwischen Mast und Mini-SODAR in Abb. 7.Auf Grund des Datenausfalls des Mini-SODARs in allen Höhe um 09:00 und 09:10UTC ist dessen Zeitreihe (grau) lückenhaft. Es verbleiben dadurch 34 Vergleichsdatenpaare in den Höhen 40, 60 und 80 m und 33 Datenpaare in 98/100 m.Vergleicht man die Zeitreihen des Horizontalwindes, so sieht man deutlich, dass dasMini-SODAR in allen vier Höhen meist größere Beträge gemessen hat. Es überschätztdie mit dem Mast gemessenen Werte. Beide Zeitreihen folgen parallel größerenSprüngen im Betrag des Horizontalwindes, allerdings verlaufen kleinereSchwankungen teilweise entgegengesetzt. Beim Vergleich der Windrichtung (Abb. 7unten) stimmen in 40 m die Werte von Mast und Mini-SODAR bei höherenWindgeschwindigkeiten sehr gut überein. Es traten jedoch große Abweichungen vorund nach dem Datenausfall des Mini-SODARs sowie gegen 13 UTC bei kleinerenGeschwindigkeiten unter 6 ms 1 auf. In 100 m ist es umgekehrt, hier stimmen dieWindrichtungswerte bei den hohen Geschwindigkeiten zwischen 10:30 und 12:00UTC weniger gut überein, ein Versatz ist erkennbar.Hinsichtlich der Horizontalwindmessung ist das Verhalten des Mini-SODARsgegenüber dem Mast eher untypisch für ein SODAR. Betrachtet man lange Zeitreihen,dann unterschätzt für gewöhnlich ein SODAR die Windmessung und ein SchalensternAnemometer überschätzt, was zu einem negativen BIAS führt [z.B. Reitebuch, 1999;Vogt und Thomas, 1994; Antoniou et al., 2003]. Dafür gibt es mehrere möglicheGründe, die im folgenden erläutert werden. Erhält ein SODAR von Gebäuden oder Gegenständen in der Umgebung einreflektiertes Signal bzw. ein so genanntes Festecho, dann wird dadurch das inder Atmosphäre an bewegten Streukörpern gestreute Signal verändert. Denn dieReflexion an festen Gegenständen erfolgt ohne Auftreten eines Doppler-Effekts(Dopplerverschiebung ist Null), so dass im Mittel die Dopplerverschiebungkleiner ist, wenn das Festecho nicht von der Mess-Software gefiltert wird. Einekleinere Dopplerverschiebung führt zu einer geringeren Radialgeschwindigkeitund letztendlich zu einem geringeren Betrag der Horizontalgeschwindigkeit imGegensatz zum wahren Wert. Eine Eigenheit der Schalenstern-Anemometer ist das „Overspeeding“ aufGrund der Trägheit des Schalenkreuzes. Beim Auftreten von Böen führt dieszum Nachlaufen des Schalenkreuzes und somit zur Messung höhererWindgeschwindigkeiten. Dieser Effekt ist auf Grund der Abnahme derTrägheitszeit der Anemometer mit zunehmender Windgeschwindigkeit beigeringen Windgeschwindigkeiten am größten [Schönfeldt, 2003]. Beientsprechend hoher Turbulenz liefert auch die Vertikalwindkomponente überdas Schalenkreuz einen Beitrag zum Horizontalwind und erhöht diesengegenüber dem wahren Wert. Diese Effekte am Anemometer können unterentsprechenden Umständen zu einem negativen BIAS führen. Ein Unterschied in den Mittelungsverfahren der beiden Messsysteme leistetstets einen negativen BIAS. Die Mastmessung ist eine Punktmessung, bei derdie Daten skalar gemittelt werden. Bei der SODAR-Messung hingegen erfolgtdie Bestimmung des mittleren Horizontalwindes aus den mittlerenWindkomponenten u und v , was einem Vektormittel entspricht. In [Antoniou132

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)et al., 2003; Schönfeldt, 2003] wird in einer theoretischen Ausführung gezeigt,dass das skalare Mittel immer größer ausfällt als das Vektormittel. DerUnterschied ist um so größer, je höher die Rauhigkeitslänge z0 ist und liegtzwischen 0 und 2% [Antoniou et al., 2003].Da nun der Vergleich zwischen Mastmessung und Mini-SODAR-Messung in allenMesshöhen einen positiven BIAS aufweist (Tab. 3), müssen andere Faktoren einewesentlichere Rolle gespielt haben. Unsicherheiten bei der SODAR-Messung könnenz.B. durch Mängel in der horizontalen Ausrichtung des Mini-SODARs, durchunkorrigierte Temperatureffekte (Einfluss des Temperaturfeldes auf den Schallwegdurch die Atmosphäre) und turbulente Strahlaufweitung auf Grund vonMehrfachstreuung entstehen [Bradley et al., 2005]. Diese Faktoren können unteranderem einen positiven BIAS bewirken. Die Beeinflussung einer SODAR-Messungdurch äußere Faktoren ist sehr komplex, so dass die genaue Ursache für dieÜberschätzung der Windgeschwindigkeit durch das Mini-SODAR in diesem kurzenMesszeitraum nicht spezifiziert werden konnte.Die Unterschiede in der Windrichtung übertreffen die Genauigkeitsangaben derMessgeräte deutlich. Die Vertrauenswürdigkeit der Mastdaten ist dabei größer, da dieWindrichtungsdaten zwischen 40 und 98 m sichtbar miteinander korrelieren. DieVertrauenswürdigkeit der SODAR-Daten ist eher in Frage gestellt.Mast (x) vs. Minisodar (y)DWD Sodar (x) vs. Minisodar (y)Mast (x) vs. DWD Sodar (y)DIR [deg]BIASSTDBIASSTDBIASSTD40 m-3,946,371,154,97-5,672,7260 m---0,835,20--80 m--2,114,21--100 m / 98 m1,886,621,623,80-0,423,31Horizontalwind [m/s]BIASSTDBIASSTDBIASSTD40 m0,550,751,110,84-0,570,6160 m0,520,670,900,56-0,400,6480 m0,450,650,380,780,060,73100 m / 98 m0,350,660,780,83-0,410,69Tab. 3: Übersicht der statistischen Parameter BIAS und STD für den Vergleich von Mast,DWD-SODAR und Mini-SODAR bis in 100 m Höhe.In Tab. 3 sind für den Vergleich aller drei Messsysteme die systematischeAbweichung und deren Standardabweichung für jede Höhe bis 100 m angegeben.Beim Vergleich Mast mit Mini-SODAR, der eben schon näher diskutiert wurde, fälltbeim Horizontalwind eine Abnahme des BIAS und seiner Standardabweichung mit derHöhe auf. Grund für die höheren Werte in Bodennähe könnte die mechanischeTurbulenz sein, deren Intensität mit der Entfernung vom Boden abnimmt, so dass dieVolumenmessung des SODARs in mittleren Höhen genauer ist.Der Vergleich zwischen Mast und DWD-SODAR führte zu einem negativen BIAS infast allen Höhen der Windgeschwindigkeitsmessung. Ursache dafür können, wie133

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)bereits beschrieben, ungefilterte Festechos in der SODAR-Messung und Overspeedingder Schalensternanemometer sein. Der Effekt, welcher durch die skalare und dievektorielle Mittelung entsteht, wirkt sich jedoch nur geringfügig aus, da dieRauhigkeitslänge auf dem GM Falkenberg und in dessen Umgebung nicht so groß ist.Der Windrichtungsvergleich in 40 m Höhe weist eine besonders hohe systematischeAbweichung mit kleiner Standardabweichung auf.Der dritte Vergleich erfolgte zwischen den beiden SODAR-Systemen. Nachdemdeutlich geworden ist, dass das Mini-SODAR die Winddaten des Mastes überschätzthat und das DWD-SODAR die Mastdaten unterschätzte, resultierte demzufolge einenoch größere Abweichung zwischen beiden Geräten hinsichtlich derHorizontalwindmessung. Der Vergleich der Windrichtungsmessung wiederum lag imRahmen der Messunsicherheiten der SODAR-Geräte ( 3 und 5 ) und fiel deutlichbesser aus als mit dem Mast, was sich auf das gleiche Messprinzip zurückführen lässt.Zur Untersuchung der Höhenabhängigkeit der Standardabweichung wurden nun auchHöhen größer 100 m betrachtet (siehe Abb. 8). Die durchgezogene Linie in Abb. 8zeigt die Anzahl der verglichenen Datenpaare pro Höhe. Da für den Vergleichzwischen Mini-SODAR und DWD-SODAR 30min-Mittel erzeugt wurden, konntenmaximal 12 Datenpaare in jeder Höhe verfügbar sein. Der Verlauf der Kurve istausschließlich durch die geringere Datenverfügbarkeit am Mini-SODAR geprägt. AufGrund der geringen Anzahl an Vergleichspunkten lässt sich nur schwer eine Aussageaus dieser Abbildung ableiten. Tendenziell nimmt die Standardabweichung für denHorizontalwind und die Windrichtung mit der Höhe zu, was zum einen mit derabnehmenden Anzahl der Datenpaare einhergeht und zum anderen eine Ursache in derZunahme des Abstandes zwischen den Streuvolumen der geneigten Schallstrahlen mitder Höhe hat. Je weiter die Streuvolumen auseinander liegen, um so geringer ist dieKorrelation zwischen den Messungen der einzelnen Schallstrahlen.Abb. 8: Entwicklung der STD mit der Höhe für den Horizontalwind (gepunktet) und dieWindrichtung (gestrichelt) sowie die Anzahl der verglichenen Datenpaare pro Höhe(durchgezogen) für den Vergleich DWD-SODAR mit Mini-SODAR.134

Wiss. Mitteil. Inst. f. Meteorol. Univ. LeipzigBand 41 (2007)Das Mini-SODAR erreichte bei der Messung am 22.06. 2006 (10min-Mittel) auf demGM Falkenberg eine Datenverfügbarkeit von 50% in einer Höhe von 200 m. ImVergleich dazu lag die 50%-Datengrenze beim DWD-SODAR (15min-Mittel) in einerHöhe von 520 m mehr als doppelt so hoch.6. Auswertung der HöhenprofileZur Untersuchung der erhöhten Echointensität zwischen 11:00 und 11:50 UTC in denuntersten 100 m der Mini-SODAR-Messung wurden die Höhenprofile allergemessenen Parameter (Abb. 9) in diesem Zeitraum näher betrachtet. Wie bereits ausdem Sodargramm (Abb. 6) hervorgeht, weist das Echo in ca. 80 m Höhe einenplötzlichen Anstieg in der Intensität bis 11:30 Uhr auf. Parallel dazu entwickelte sicheine spürbare Zunahme des Horizontalwindes in Bodennähe von 6,3 ms-1 gegen 11:00UTC auf ca. 10 ms-1 um 11:20 UTC, welche sich vom Boden beginnend nach obendurchsetzte und in der Höhe (siehe 200 m) verzögert auftrat. Mit der Zunahme desHorizontalwindes ging ebenfalls eine Erhöhung des Vertikalwindes zwischen 50 und200 m Höhe um teilweise den doppelten Betrag einher (Aufwind). Die Windrichtungänderte sich in diesem Zeitraum nur allmählich von 210 nach 200 und zeigte sichnahezu höhenkonstant.Zur Untersuchung dieser Zusammenhänge wurden weitere meteorologische Datenherangezogen und die Wettersituation genauer studiert. Zum Messzeitpunkt am 22.Juni 2006 befand sich Norddeutschland zwischen einem Hochdruckgebiet mitZentrum über dem Westen Russlands (Kerndruck 1021 hPa um 00 UTC) und einemheran nahenden Tiefdruckgebiet mit Kern über Schottland (988 hPa um 00 UTC). Eineschon ältere, schwach ausgeprägte Kaltfront kündigte ihren Durchgang im Verlauf desspäten Nachmittags am 22. Juni 2006 an. Mittels der Daten von Temperatur, Druckund relativer Feuchte (10min-Mittel) vom kleineren 10m-Mast auf dem Gelände desGM Falkenbergs sowie der vorhandenen Informationen über die Windrichtung vonden Mini-SODAR-Daten konnte der Zusammenhang einer Kaltfront mit dengemessenen Profilen zwischen 11:00 und 12:00 UTC ausgeschlossen werden, dawährend dieses Zeitraumes keine entsprechenden Kennzeichen einer Kaltfrontauftraten. Der Durchgang der Kaltfront konnte jedoch mit Hilfe der Daten vom 10mMast auf ca. 14:20 UTC unmittelbar nach dem Ende der Mini-SODAR-Messungdatiert werden.Am Vortag war eine Gewitterfront über das Messgebiet hinweg gezogen, welche überNacht sehr feuchte Luft zurück ließ. Dadurch herrschte am Vormittag zu Beginn derMessung eine relative Luftfeuchtigkeit von etwa 80 %. Diese sank im Verlauf dersechsstündigen Messung auf 60 % ab. Eine Altocumulus- und Cumulus-Bedeckungvon ca. 5/8 bis 6/8 hielt sich vom Vormittag bis zum Durchgang der Kaltfront aufrechtund bot zwischendurch zum Teil größere Wolkenlücken. Im Tagesgang derGlobalstrahlung sind diese längeren Wolkenlücken gut in auftretenden Peakserkennbar. Maximale Globalstrahlungswerte wurden zwischen 11:00 und 11:30 UTC,gegen 12

Testmessung eines Mini-SODARs im Vergleich mit einem 100m-Mast und einem Doppler-SODAR Karin Pietschmann . Nabenhöhe von Windkraftanlagen auf Grund fortschreitender Technik in den letzten . dass die drei Hauptschallstrahlen vertikal u