FAQs

Die Streuung von Schallwellen, die sich in der Atmosphäre ausbreiten, wird durch turbulente Dichtefluktuationen (Geschwindigkeit und Temperatur) verursacht. Im Falle der Rückstreuung, die typischerweise für kommerzielle Sodarsysteme verwendet wird, tragen nur turbulente Temperaturschwankungen dazu bei.

Daher führt eine geringe Turbulenz, wie sie bei stabiler Schichtung und/oder Windstille zu beobachten ist, zu einer erheblichen Verringerung der empfangenen Signalintensität. Starkes Umgebungsrauschen erhöht das Grundrauschen und verringert die Signalqualität (d. h. das Signal-Rausch-Verhältnis, „SNR“) weiter. Bei starken konvektiven Bedingungen kann die hohe Turbulenz unter optimalen Bedingungen Messbereiche bis zu 1000 m und mehr ermöglichen. An der Oberseite der Grenzschicht wird eine rasche Abnahme des SNR beobachtet, wodurch die maximale Reichweite nützlicher Sodardaten begrenzt wird. In vielen Situationen ist das SNR bereits weit unterhalb der Grenzschicht unzureichend.

Die atmosphärische Dämpfung des Schalls hängt von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit ab, wobei in der Regel trockene und kalte Umgebungen die Dämpfung erhöhen, während feuchte und warme Umgebungen die Dämpfung verringern.

Bei mäßigem Regen erhöht das Geräusch der Regentropfen, die auf die Lautsprecher der akustischen Antenne treffen, das akustische Hintergrundrauschen und verringert den SNR bis zu einem gewissen Grad, bei starken Regenschauern können die Sodardaten vorübergehend ganz fehlen.

Im Gegensatz zu Doppler-Lidar-Systemen kann ein Sodar-System prinzipiell problemlos bei Nebel und auch innerhalb von Wolken messen. Da Nebel jedoch oft mit geringer Turbulenz verbunden ist, kann die Höhenverfügbarkeit eingeschränkt sein.

Der METEK-interne Rekord mit einer maximalen Messhöhe von 1600 m wurde an einem Küstenstandort in Südostasien erzielt. Starke Winde und signifikante orografische Strukturen erzeugten ein starkes rückgestreutes Signal, während die Dämpfung bei 35° C und 90 % Luftfeuchtigkeit gering war. In der Arktis auf einem flachen, geschlossenen Eisstrom kann die maximale Messhöhe auf etwa 50 m begrenzt sein.

Ein Sodar-System benötigt mindestens drei nicht-koplanare Abstrahlrichtungen, um drei unabhängige Messungen der atmosphärischen Windströmung zu erhalten (Die Windströmung wird durch einen 3D-Vektor beschrieben.). Es ist unvermeidlich, dass diese drei Abstrahlrichtungen mit zunehmender Höhe divergieren. Um einen repräsentativen gemeinsamen Windvektor aus den drei unabhängigen Messungen zu berechnen, wird eine horizontal homogene Windströmung angenommen. Dies ist unter den meisten atmosphärischen Bedingungen für Zeitintervalle von 10 … 30 min erfüllt. Unter starken konvektiven Bedingungen ist diese Grundannahme jedoch nicht mehr erfüllt. Die Folge ist eine Erhöhung des statistischen Fehlers im berechneten 3D-Windvektor (d.h. der abgeleitete Windvektor schwankt in Richtung und Länge).

Neben der Einschränkung der Höhenverfügbarkeit durch den von Regen oder Hagel verursachten höheren Umgebungslärm erzeugt jede Art von Niederschlag auch einen zusätzlichen Signalbeitrag, der die Fallgeschwindigkeit der Niederschlagspartikel darstellt. Da die Fallgeschwindigkeit des Niederschlags in guter Näherung für alle Abstrahlrichtungen gleich ist, wird dieser Effekt bei der Berechnung des 3D-Vektors eliminiert. Die so berechneten Windprofile können in der Regel verwendet werden.

Ein Festecho wird als Reflexion (nicht als Rückstreuung) eines Teils des gesendeten Schallimpulses an (festen), unbeweglichen Strukturen wie Gebäuden, Türmen, Bäumen oder ähnlichem erzeugt. Es ist immer ein zusätzlicher Beitrag zum empfangenen Signal, daher wird die rückgestreute Intensität (Reflektivität) des Sodarsystems eine gewisse Zunahme in einer festen Höhe aufweisen.

Da sich die reflektierenden Strukturen nicht bewegen, wird das zusätzliche Signal immer mit einer Dopplerfrequenz von Null angezeigt. Dies kann als zweites Merkmal zur Erkennung für einen Festechoeinfluss verwendet werden.

Bei starken konvektiven Bedingungen kann ein hohes atmosphärisches Signal den Beitrag eines Festecho vollständig überdecken, aber bei geringer Turbulenz wird sich ein Festecho bevorzugt bemerkbar machen und kann das empfangene atmosphärische Signal sogar dominieren.

Unterhalb einer Inversionsschicht wird aufgrund der starken turbulenten Schwankungen in dieser Höhe ein Maximum der rückgestreuten Intensität beobachtet. Im Gegensatz zu einem Festecho ist diese Höhe nicht konstant, sondern variiert mit der Zeit.

Kunden missverstehen oft die Folgen einer übermäßigen Messhöhe. Auf der einen Seite ist die Absicht verständlich, Windmessungen in möglichst großen Höhen zu erhalten, aber eine solche Einstellung reduziert die Anzahl der Impulse für ein vorgegebenes Zeitintervall (z.B. 10 Minuten). Die Schallgeschwindigkeit ist relativ langsam und spielt hier eine Rolle. Eine geringere Anzahl von Impulsen reduziert das SNR (siehe SDR#001) auch in niedrigen Messhöhen, so dass die Signalqualität und die Höhenverfügbarkeit entsprechend sinken. Es ist ratsam, zunächst die tatsächlich benötigte Messhöhe zu ermitteln und die maximale Messhöhe entsprechend anzupassen.

Der Multi-Frequenzmodus ermöglicht eine aufeinanderfolgende Aussendung mehrerer Frequenzen innerhalb einer akustischen Impulsfolge. Da die atmosphärische Dämpfung bei niedrigeren Frequenzen abnimmt, beginnt der Mehrfrequenzimpuls mit einer niedrigen Frequenz, gefolgt von steigenden Frequenzen. Dadurch können niedrige Frequenzen für Signale verwendet werden, die aus höheren Höhen zurückgestreut werden, während die höchsten Frequenzen für die niedrigsten Messhöhen verwendet werden. Der Abstand zwischen den ausgewählten Frequenzen sollte in der Größenordnung von 250 Hz liegen, um Mehrdeutigkeiten im empfangenen Signal zu vermeiden, daher sollte die Anzahl der ausgewählten Frequenzen auf 4 bis 5 begrenzt werden. Beispiel: 1300 Hz, 1550 Hz, 1800 Hz, 2050 Hz, 2400 Hz.

Für operationell genutzte Sodar-Systeme wird eine regelmäßige Wartung im Abstand von 6 oder 12 Monaten empfohlen, je nach Relevanz der abgeleiteten Daten. Die Wartung sollte eine visuelle Inspektion aller Kabel und Stecker, mechanischer Befestigungen und des absorbierenden Schaums innerhalb der akustischen Abschirmung umfassen. Außerdem sollte jeder Lautsprecher auf seinen Wirkungsgrad und seine Phasenstabilität hin überprüft werden. Testsignale mit bestimmten spektralen Eigenschaften sollten in die Elektronik eingegeben werden, um das interne elektronische Rauschen und die Signalanalyse zu überprüfen. Eine umfassende Überprüfung der Messdaten auf Plausibilität über einen Zeitraum von mehreren Wochen ist obligatorisch, um gelegentlich auftretende Betriebsstörungen zu erkennen.

Ein uSonic benötigt eine Spannungsversorgung im Bereich 12 … 36 VDC. Als Anlaufwert wird eine Stromstärke von ca. 3 A benötigt, da der Sensor bei einem Neustart die Sensorkopfheizung automatisch einschaltet. Mit dem ersten gültigen Datensatz wird geprüft, ob eine Beheizung erforderlich ist, andernfalls wird diese sofort wieder ausgeschaltet.

Für die Kommunikation mit dem uSonic stehen eine serielle Schnittstelle vom Typ RS422 (optional auch vom Typ RS232) oder eine Ethernet-Schnittstelle (nur MP-Geräte) zur Verfügung.

Schneeflocken und Regentropfen können beim Durchkreuzen der Messstrecken den Schallimpuls teilweise oder vollständig absorbieren. Regentropfen und Hagelkörner können künstliche Signalimpulse auf den Empfangswandlern erzeugen. Außerdem können Hindernisse wie Vögel die Sensorpfade blockieren. All diese Ereignisse werden durch die internen Plausibilitätsprüfungen in allen unseren uSonic-Sensoren erkannt und die Datenausgabe wird ausgeblendet. Auch eine geometrische Fehlausrichtung des Sensorkopfes wird als ungültiges Datenereignis erkannt und die Messwerte in der Datenausgabe durch Leerstellen ersetzt. Daher werden die abgeleiteten gemittelten Daten für Wind (und auch für Turbulenzgrößen) ohne Beeinflussung durch fehlerhafte Messungen berechnet.

Schneeflocken und Regentropfen können den Schallimpuls absorbieren, wenn sie die Messstrecken kreuzen. Regentropfen und Hagelkörner können künstliche Signalimpulse auf den Empfangswandlern erzeugen. Alle derartigen Ereignisse werden durch die internen Plausibilitätsprüfungen in allen unseren uSonic-Sensoren erkannt und entweder in der Datenausgabe ausgeblendet oder von der weiteren Verwendung in der Turbulenzerweiterung ausgeschlossen. Der Anteil der verworfenen Daten wird für Mittelwerte durch den Wert „SDQ“ angegeben. Bei extrem starken Regenschauern kann der „SDQ“-Wert bis auf 50% sinken, die verbleibenden Daten können als frei von Störungen angesehen werden.

Die Sensorkopfheizung besteht aus zwei verschiedenen Heizvorrichtungen, einer direkten Beheizung der einzelnen Schallwandler und einer Beheizung der Sensorkopfstruktur:
A) Die Schallwandler werden durch PTC-Elemente beheizt, die bei niedriger PTC-Temperatur mehr Heizleistung erzeugen. Folglich ist die PTC-Heizleistung unmittelbar nach dem Einschalten der Heizung oder des gesamten Sensors am höchsten. Mit zunehmender Zeit sinkt die Heizleistung auf einen Endwert, der von der Außentemperatur abhängt.
B) Die Sensorkopfstruktur wird durch innenliegende Heizdrähte mit einer konstanten Heizleistung erwärmt.

Bei Betrieb im Freien weisen die Oberflächen der Schallwandler und des Sensorkopfes aufgrund der Oberflächenkühlung oft nur eine minimale Übertemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur auf. Dennoch besteht ein effizienter Schutz gegen Vereisung des Sensorkopfes.

Wenn ein uSonic gestartet wird und die Sensorkopfheizung auf den Parameterwert “2”  (Automatik) oder “3” (Automatik mit Prüfung der Datenverfügbarkeit) eingestellt ist und keine gültigen Messwerte vorliegen, schaltet sich die Sensorkopfheizung automatisch ein. Die Steuerung der Sensorkopfheizung geht in diesem Fall davon aus, dass der Sensor aufgrund von Vereisung keine Daten liefern kann.

Achtung: Wenn ein uSonic im Labor oder innerhalb des Versandkartons betrieben wird und keine gültigen Messwerte vorliegen (z.B. weil Messstrecken blockiert sind oder weil es im Versandkarton zu starken Reflektionen kommt), kann die oben angeführte automatische Steuerung die Sensorkopfheizung einschalten.

Alle Betriebskomponenten unserer uSonic-Sensoren sind für Temperaturen bis -30°C spezifiziert, testweise wurden die Sensoren sogar bei Temperaturen unter -50°C betrieben. Die Sensorkopfheizung ist erforderlich, um eine Vereisung der Oberflächen des Sensorkopfes zu verhindern.

Wenn die Sensorkopfheizung in Betrieb ist, können die erwärmten Oberflächen bei sehr geringen Luftgeschwindigkeiten, typischerweise <1m/s, einen künstlichen vertikalen Luftstrom erzeugen.

Die mittlere gemessene Temperatur wird nach dem Einschalten der Heizung um etwa 1 Kelvin sinken und umgekehrt. Dies hat einen Einfluss auf den berechneten turbulenten Wärmestrom der Turbulenzerweiterung, gelegentlich konnte ein einzelner verzerrter Wert für ein solches Ereignis beobachtet werden.

Um den Betriebszustand der Sensorkopfheizung zu dokumentieren, überprüfen Sie das führende Zeichen jeder Datenausgabezeile, das bei Ausgabe von Momentanwerten zwischen „M:“ und „H:“ variiert. Bei einer Störung der Sensorkopfheizung wechselt das führende Zeichen auf „E:“. Bei Sonics mit Turbulenzerweiterung wird der Betriebszustand und die korrekte Funktion in der Kopfzeile dokumentiert.

Bei uSonic-Sensoren ab Baujahr 2020 kann die Sensorkopfheizung auf den Parameterwert „3“ („HT=3“ oder “HTM=3”) eingestellt werden. In diesem Heizmodus wird die Sensorkopfheizung eingeschaltet, wenn die gemessene Außentemperatur unter +4,5° C fällt und ausgeschaltet, wenn die gemessene Außentemperatur über +5,5° C steigt (wie bei „HT=2“ oder “HTM=2”, Automatikbetrieb). Zusätzlich wird geprüft, ob gültige Daten für Wind und Temperatur abgeleitet werden. Nur wenn keine gültigen Daten vorliegen, wird die Heizung aktiviert, da eine Vereisung angenommen wird. Bei vielen Installationen kann mithilfe von „HT=3“ oder “HTM=3” erheblich Energie eingespart werden.

Die mittlere Temperatur wird aus der Messung der Schallgeschwindigkeit entlang der Messpfade abgeleitet („akustische“ Temperatur), sie entspricht daher der in der Meteorologie häufig verwendeten virtuellen Temperatur, wenn Auftriebseffekte berücksichtigt werden. Sie kann um +1 … +2 Kelvin verfälscht werden, wenn die Oberflächen der Messwertaufnehmer z.B. durch Staub oder Salz bedeckt sind. Aus diesem Grund geben wir keine bestimmte Genauigkeit für die Temperaturmessung an, da die Installationsbedingungen unbekannt sind und unserere uSonics als quasi wartungsfrei gelten.

Die turbulenten Schwankungen der Temperatur werden immer mit sehr hoher Genauigkeit (<0,01 Kelvin) gemessen, so dass die Messung des fühlbaren Wärmestroms nicht beeinträchtigt wird.

Mit zunehmender Höhe des Aufstellungsortes und abnehmender Luftdichte nimmt die Signalintensität der Schallwandler ab. Normalerweise können Installationen in Höhen bis zu 4000 m durchgeführt werden. Falls die Installation in großen Höhen beabsichtigt ist, sollte dies METEK mitgeteilt werden, um die interne Signalintensität zu erhöhen (was möglicherweise zu einer gewissen Erhöhung des internen Rauschens führen kann).

Alle Materialien des Sensorkopfes, einschließlich der Schallwandler, sind aus seewasserbeständigem Edelstahl gefertigt, sodass die Meeresumgebung dem Sensor keinen Schaden zufügen sollte. Die Meerestauglichkeit gilt auch für alle Kabel und Stecker. Es wird empfohlen, alle Anschlussteile mit etwas Haftfett zu versehen.

Der wichtigste Schutz ist eine geeignete Blitzfangstange, die in der Nähe des Sensorkopfes installiert wird, sodass ein direkter Blitz in diese Stange und nicht in den Sensorkopf einschlagen wird. Der Blitzableiter muss mit einem stromtragfähigen Kabel verbunden sein, das gegen die Maststrukturen isoliert ist. Ein Blitzableiter kann auch anstelle des Sensorkopfes als Rastplatz für Vögel dienen.

Im Prinzip ist keine Wartung oder Rekalibrierung der uSonic-Sensoren erforderlich, solange gültige Daten ausgegeben werden. Bei leichtem Zugang  zum uSonic empfiehlt es sich, die Oberflächen der Sensoren zu überprüfen und von Staub, Salz, Vogelkot etc. zu reinigen.

Die Genauigkeit der Windmessung wird hauptsächlich durch Abschattungseffekte an den Schallwandlern und die Strömungsdeformation an den Messkopfstrukturen bestimmt. Alle Messpfade werden von diesen Effekten entsprechend ihrer Lage und Ausrichtung relativ zum Anströmwinkel beeinflusst. Daneben ist auch die so genannte Nullkalibrierung zu berücksichtigen, die einen möglichen Offset in den Windkomponenten kompensiert.

Bei konventionellen uSonics werden von Windkanalmessungen abgekeitete Korrekturverfahren angewendet, um diese Schatteneffekte und Strömungsdeformation zu kompensieren. Die typischerweise erreichte Genauigkeit beträgt 2 % für Windgeschwindigkeiten >5 m/s bzw. 0,1 m/s für vertikale Anströmwinkel innerhalb von ± 15°.

Für MultiPath-uSonics (uSonic-3 Class A MP, uSonic-3 Cage MP) werden die günstigsten Pfade automatisch ermittelt und ausgewählt. Die typischerweise erreichte Genauigkeit beträgt 1 % für Windgeschwindigkeiten >5 m/s oder 0,05 m/s für vertikale Anströmwinkel innerhalb von ± 25°.

Es ist zu beachten, dass die angegebenen Genauigkeiten für perfekt nullkalibrierte Sensoren gelten.

Für die Turbulenzerweiterung verwenden die uSonic-Sensoren die gültigen Momentandaten und berechnen online Mittelwerte, Standardabweichungen und Kovarianzen von x-, y- und z-Windkomponenten und der akustischen Temperatur. Zusätzlich werden weitere Turbulenzgrößen berechnet, wie z.B. turbulente Wärme- und Impulsflüsse, Monin-Obukhov-Länge, Widerstandsbeiwert etc. Die Anzahl der verwendeten gültigen Momentandaten wird in der Kopfzeile des Turbulenzdatensatzes angegeben.

Das hier vorgestellte Beispiel eines turbulenten Wärmestroms im Tagesverlauf wurde mit einem uSonic-3 Scientific bei einer Abtastrate von 10 Hz und in einer Höhe von 10 m gemessen. Während des gesamten Tages waren keine Wolken am Himmel. Während der Nacht sorgt die strahlungsbedingte Abkühlung für einen negativen Wärmestrom von etwa -50 W/m2, tagsüber sorgt die strahlungsbedingte Erwärmung für einen positiven Wärmestrom von bis zu 700 W/m2. Typischerweise nimmt die zeitliche Variation während des Tages zu, für viele Anwendungen wird daher ein gleitender Mittelwert über 30 – 60 min empfohlen.

Die Leistung der Rohspektren ist eine Überlagerung von Signalen aufgrund von Radarechos und aufgrund des internen elektronischen Rauschhintergrundes. Der Rauschhintergrund würde die Tropfengrößenverteilung und folglich auch den Flüssigwassergehalt und die Regenrate auf Werte größer Null abbilden – selbst bei niederschlagsfreien Bedingungen. Um diese Verzerrung zu vermeiden, wird der Rauschhintergrund geschätzt und entfernt. Diese Schätzung basiert auf der so genannten Hildebrand-Sekhon-Methode, die unter der Annahme eines weißen Rauschens einen Mittelwert zur Beschreibung des Rauschhintergrundes liefert. Dieser wird vom Leistungsspektrum abgezogen. Im Idealfall wäre die rauschkorrigierte Leistung (ncsp) nun unter niederschlagsfreien Bedingungen gleich Null. Aufgrund stochastischer Schwankungen des tatsächlichen Rauschhintergrundes werden einige ncsp-Werte jedoch positiv oder negativ. Im Falle einer symmetrischen stochastischen Verteilung sollte die Wahrscheinlichkeit für beide Vorzeichen 0,5 betragen. Aufgrund von Effekten der endlichen Anzahl von Messungen ist die tatsächliche Schätzung des Rauschhintergrundes jedoch leicht verzerrt. Daher sieht die Implementierung der Methode für das MRR eine leichte Bevorzugung von positiven ncsp-Werten vor. Das negative Vorzeichen wird nun einfach für die Berechnung negativer spektraler Fallzahlen beibehalten, um Verzerrungen in integralen Produkten wie Radarreflexion, Flüssigwassergehalt und Regenrate zu minimieren.

Folglich würde man erwarten, dass auch bei diesen integralen Parametern gelegentlich negative Vorzeichen auftauchen. Dies ist aus den folgenden Gründen nicht der Fall:

• Die Reflektivität wird auf einer logarithmischen Skala angegeben, die nur positive Zahlen darstellen kann. Werte mit negativem Vorzeichen werden durch Leerzeichen ersetzt.
• Regenraten, die bestimmte Kriterien (Schwellenwert des Signal-Rausch-Verhältnisses, Kohärenz in benachbarten Bereichstoren) nicht erfüllen, werden durch Null ersetzt. Das gleiche gilt für den entsprechenden Flüssigwassergehalt.

Die Signalverarbeitung des MRR geht von der flüssigen Phase des Niederschlags aus und ist an diese angepasst. Sie ist optimiert für die Ableitung von Tropfengrößenverteilungen und für entsprechende Integrale wie Regenrate und Flüssigwassergehalt.

Im Falle von Schnee (oder Graupel, Hagel) liefert die Signalverarbeitung keine physikalisch sinnvollen Ergebnisse, da die Verhältnisse von Streuquerschnitt zu Masse und Fallgeschwindigkeit für Eiskristalle ganz anders als für Wassertropfen sind. Außerdem werden bestimmte Frequenzintervalle der Rohspektren verworfen, um stabile Ergebnisse zu erzielen (siehe z.B. Peters et al., 2005). Insbesondere bei Schnee kann sich die Haupt-Spektralleistung gerade in diesen verworfenen Frequenzbereichen konzentrieren, was zu einer scheinbar geringen Radarempfindlichkeit führt.

Maahn und Kollias (2012) haben einen speziellen Algorithmus zur Schneedetektion entwickelt, der im Internet unter mrr_snow verfügbar ist. Die Eingabe, die zur Initialisierung benötigt wird, ist das Rohspektrum, wie es vom MRR bereitgestellt wird. Dieser Algorithmus liefert die Reflektivität und die höheren spektralen Momente von Schneeechos mit erhöhter Empfindlichkeit und wurde von den Autoren anhand gleichzeitiger Messungen mit einem empfindlicheren Wolkenradar überprüft.

Die meisten Variablen werden um die integrierte Pfaddämpfung (PIA) korrigiert. Wenn PIA unrealistisch hohe Werte annimmt (PIA ≥ 10 dB), werden diese Variablen (einschließlich PIA selbst) nicht mehr als vertrauenswürdig angesehen, und die Ergebnisse werden in den oberen Höhen durch Leerzeichen ersetzt.

Zusätzlich zur dämpfungskorrigierten Reflektivität Z wird auch ein unkorrigierter Wert von Z ausgegeben, der relative Reflektivitätsstrukturen auch in den Bereichen zeigt, in denen die absolute Reflektivität nicht bestimmt werden kann.

Die Dopplergeschwindigkeit W ist nicht durch die Dämpfung verzerrt und wird daher für alle Höhen ausgegeben. Beachten Sie, dass W auch dann ausgegeben werden kann, wenn keine signifikante Reflektivität ermittelt wurde.

Im Idealfall sollte es bei fehlendem Regen kein Signal geben und Z (dargestellt auf einer logarithmischen Skala) -∞ entsprechen. In der Realität gibt es mittlere und stochastische Rauschbeiträge, die auch bei fehlendem Regensignal bestehen bleiben. In FAQ MRR#001 wird erklärt, wie der mittlere Rauschpegel geschätzt und abgezogen wird. Aufgrund stochastischer Schwankungen sind die rauschkorrigierten Stichproben um Null herum verteilt. Negative Werte werden auf der logarithmischen Skala durch Leerstellen ersetzt, positive Werte werden ausgegeben.

Der positive Zweig der Z-Verteilung kann bei niederschlagsfreien Bedingungen zur Bestimmung der höhenabhängigen Nachweisgrenze (Empfindlichkeit) des MRR genutzt werden. Geht man im linearen Bereich von einer Gaußschen Verteilung von Z zentriert um Null aus, ist der Mittelwert des positiven Zweigs gleich der Standardabweichung der Verteilung. Ein Wert, der doppelt (dreimal) so hoch ist wie der Mittelwert, zeigt das Vorhandensein von Regensignalen mit 76 % (92 %) Wahrscheinlichkeit an.

In Wirklichkeit liegt der Schwerpunkt der Verteilung allerdings nicht bei Null, sondern bei einem kleinen positiven Wert, da die Methode zur Schätzung des Rauschens eine leichte Verzerrung verursacht. Daher ist die o.a. einfache Schätzung konservativ. Falls gewünscht, kann das Zentrum der Verteilung durch Zählen des Verhältnisses von positiven und negativen (leeren) Werten bestimmt werden. Eine weitere Verfeinerung ist möglich, indem die Gauß-Verteilung durch eine Chi-Quadrat-Verteilung mit n-1 Freiheitsgraden ersetzt wird, wobei n die Anzahl der gemittelten Leistungsspektren ist (n ≈ 60 für „Processed Data“ für 10-Minuten-Intervalle).

Definition: W ist das erste Moment des rauschkorrigierten Leistungsspektrums – oder äquivalent – W ist die reflexionsgewichtete mittlere Fallgeschwindigkeit.

Andere gewichtete mittlere Geschwindigkeiten (z. B. massegewichtet) können durch Nachbearbeitung auf der Grundlage der Tropfengrößenverteilungen berechnet werden.

Es wird angenommen, dass W immer abwärts gerichtet ist (positives Vorzeichen). Für das MMR-2 erscheinen aufwärts gerichtete Geschwindigkeiten (W_up) aufgrund von Aliasing zu W = W_up + W_nyquist mit W_nyquist = 12,08 m/s. Für das MMR-PRO können Aliasing-Effekte durch die geeignete Wahl des Analysebereiches auch für aufwärts gerichtete Geschwindigkeiten vermieden werden.

W wird immer berechnet, auch wenn kein signifikantes Regensignal vorhanden ist. Im letzteren Fall hat W keine physikalische Bedeutung, ist aber für Diagnosezwecke im Falle von Fehlfunktionen des MRR hilfreich.

Der Algorithmus zur Ermittlung der Doppler-Geschwindigkeit berechnet den Schwerpunkt innerhalb der 1/e-Umgebung des Maximums des Spektrums. Selbst bei reinem Rauschen weist jedes Spektrum ein Maximum an einer zufälligen Position auf.

Bei Abwesenheit von Regen hat die Doppler-Geschwindigkeit keine wirkliche physikalische Bedeutung. Dennoch wird die Ausgabe nicht unterdrückt, da sie Hinweise auf externe Störquellen enthalten kann.

Für eine automatisierte physikalische Interpretation der Doppler-Geschwindigkeit sollten ihre Werte verworfen werden, wenn kein Regen erkannt wird.

Bei der Herleitung des Radarreflexionsvermögens Z wird davon ausgegangen, dass die Tropfengröße viel kleiner als die Radarwellenlänge ist (Rayleigh-Streuung). In der Realität ist diese Annahme für große Tropfen nicht erfüllt. Das äquivalente Radarreflexionsvermögen Z_e berücksichtigt die entsprechenden Effekte (Mie-Streuung). Für den Vergleich mit Wetterradargeräten, die viel längere Wellenlängen als das MRR verwenden, ist Z die geeignete Größe.

Die gesendete Radarsignalleistung verteilt sich mit zunehmender Entfernung über ein größeres Kugelsegment (geometrische Verbreiterung). Um diesen Effekt zu kompensieren, wird im kalibrierten Empfänger eine automatische Verstärkung mit zunehmender Entfernung vorgenommen. Als Nebeneffekt werden auch das thermische und das elektronische Rauschen, das am Eingang des Empfängers immer vorhanden ist (zusätzlich zum atmosphärischen Regensignal), mit zunehmender Reichweite immer weiter verstärkt.

Diese Werte enthalten die mittleren Durchmesser der Regentropfen entsprechend der beobachteten Doppler Fallgeschwindigkeit. Während die Fallgeschwindigkeiten äquidistant sind, sind die Durchmesser aufgrund der nicht linearen Beziehung zwischen Fallgeschwindigkeit und Durchmesser nicht äquidistant.

Weiterhin führt die höhenabhängige Dichte zu einer höhenabhängigen Fallgeschwindigkeit der Tropfen. Folglich ist der Durchmesser der Tropfen, der einer bestimmten Fallgeschwindigkeit entspricht, höhenabhängig.

Beim MRR wird nicht das Signal eines einzelnen Tropfens beobachtet, sondern die Überlagerung der Signale vieler Tropfen innerhalb des Streuvolumens. Daher hängt die kleinste Tropfengröße, die beobachtet werden kann, von der tatsächlichen Anzahl der Tropfen innerhalb einer Tropfengrößenklasse ab. Diese ist keine Konstante, sondern hängt von dem jeweiligen Regenereignis ab.

Im Falle des MRR werden nur Tropfen mit einer Fallgeschwindigkeit von größer oder gleich 0,75 m/s (in ruhender Luft) in die Analyse einbezogen. Dies entspricht (in ruhender Luft) einem Mindestdurchmesser von 0,245 mm in Bodennähe.

Ein RASS nutzt die Wirkung einer Schallwelle auf RADAR-Wellen, um vertikale Temperaturprofile zu bestimmen. Die vertikal abgestrahlte Schallwelle dient sozusagen als rückstreuende Struktur auf ein ebenfalls vertikal abgestrahltes Radarwellenfeld. Bei der Rückstreuung der Radarwelle entsteht eine Frequenzverschiebung (Doppler-Effekt) gegenüber der abgestrahlten Radarwelle. Dieser Frequenzunterschied ist ein Maß für die vertikale Schallgeschwindigkeit, die wiederrum in direkter Beziehung zur sogenannten virtuellen Temperatur der Atmosphäre steht. Für das METEK-RASS wird die Kombination eines gepulsten Schallsignals und eines kontinuierlich gesendeten RADAR-Signals verwendet (Doppler-RASS). Daher sind für das Doppler-RASS getrennte RADAR-Antennen für den Sende- und Empfangsbetrieb notwendig. Eine gegenteilige Kombination aus gepulstem RADAR-Signal und einem kontinuierlich gesendeten Schallsignal wird in der RADAR-Messtechnik verwendet (Bragg-RASS).

Alle RADAR-Signale erfahren bei der Leitung durch Kabel mit zunehmender Kabellänge eine gewisse Dämpfung. Für den Sendebetrieb ist dies von untergeordneter Bedeutung, weil hier ein verstärktes Signal verwendet wird. Empfangsseitig liegt jedoch nur ein geringer Signalpegel vor, da die Verstärkung nicht direkt in der RADAR-Empfangsantenne erfolgt. Auf dem Weg zum Empfangsverstärker ist eine Dämpfung also möglichst gering zu halten. Daher ist der RADAR-Empfänger dicht an der RADAR-Empfangsantenne zu platzieren. Ist dies nicht möglich, können spezielle Signalleitungen mit besonders geringen Dämpfungskoeffizienten verwendet werden. Diese sind nicht flexibel und eignen sich bauartbedingt nur für eine feste Verlegung.

Die abgestrahlte Schallwelle wird durch den Horizontalwind mit zunehmender Messhöhe und/oder zunehmender Windgeschwindigkeit aus den Sichtfeldern der Radarantennen bewegt, womit der mögliche Bereich der RASS-Messung begrenzt wird. Bei turbulenten Bedingungen werden die Schallwellenfronten moduliert, sodass auch aus größeren Messhöhen als theoretisch möglich sinnvolle Messwerte abgeleitet werden können. In turbulenzarmen Situationen (z.B. bei stabiler Schichtung) ist eine solche Erhöhung des Messbereiches nicht möglich. Eine Erhöhung der Schall- oder RADAR-Leistung erzeugt nur eine geringfügige Erhöhung der Messhöhe. Die hier beschriebene Einschränkung der Messhöhe spielt in der praktischen Anwendung nur eine untergeordnete Rolle, da bei hohen Windgeschwindigkeiten in der Regel eine neutrale Temperaturschichtung vorliegt.

Im Gegensatz zu SODAR- oder RADAR-Geräten findet die Rückstreuung beim RASS nicht an natürlichen, statistisch zufällig verteilten Dichte- oder Feuchtefluktuationen statt, sondern an der weitgehend festgelegten Struktur der Schallwellenfronten. Dies verringert den statistischen Messfehler der RASS-Messung. Die Genauigkeit der Temperaturprofile liegt bei ca. 0,3 K, beobachtete Korrelationskoeffizienten liegen typisch oberhalb von 0,95.

Die Schallgeschwindigkeit ist direkt mit der virtuellen Temperatur verknüpft. Diese unterscheidet sich von der sogenannten trockenen Temperatur (z.B. gemessen mit PT-100-Fühlern), indem sie den Anteil von Wasserdampf in Form eines virtuellen Temperaturzuschlags berücksichtigt. Dieser beträgt zumeist 1 – 2 K. Für Anwendungen, in denen thermodynamische Auftriebsterme relevant sind, ist die Verwendung der virtuellen Temperatur vorteilhaft.

Die durch den Doppler-Effekt erzeugte Frequenzverschiebung der rückgestreuten RADAR-Welle wird neben der Lufttemperatur auch durch vertikale Auf- und Abwinde beeinflusst. Unter starken konvektiven Bedingungen entstehen häufig Vertikalwinde im Bereich von ±1 – 2 m/s. Dies entspricht einer Temperaturvariation von 1,7 – 3,4 K. Es ist daher empfehlenswert, RASS-Temperaturen als Mittelwert über 10 – 30 Minuten zu betrachten.

Neben der oben angeführten künstlichen Erweiterung des Messbereiches und dem Einfluss von Vertikalwinden auf die Genauigkeit der Messung bestehen keine relevanten Einflüsse von Turbulenz auf die RASS-Messungen.