Kombinierte Messungen mit drei scannenden, gepulsten Doppler-Windlidaren in unterschiedlichen Anwendungsbereichen der Grenzschichtmeteorologie

Kurzfassung

Gepulste, kohärente Doppler Windlidargeräte sind vielseitige Instrumente zur Bestimmung von Windfeldern in der atmosphärischen Grenzschicht. Ihre zum heutigen Stand der Technik kompakte und robuste Bauweise erlaubt einen flexiblen Einsatz in verschiedensten Anwendungsbereichen. Scannende Systeme erlauben die Erfassung des dreidimensionalen Windfeldes, sowie Turbulenz mit speziellen Messstrategien und unter einschränkenden Annahmen von Homogenität und Stationarität. Durch die Kombination und Synchronisierung mehrerer Geräte können mit sogenannten Multi-Doppler-Verfahren die benötigten Annahmen verringert werden, und der Windvektor direkt gemessen werden. Das DLR betreibt drei Lidargeräte vom Typ Leosphere Windcube 200S und setzt diese in unterschiedlichen Bereichen ein. Im Rahmen des primären Einsatzgebietes wurden die Geräte in der Perdigão 2017 Kampagne zur Windenergieforschung in komplexem Gelände genutzt. Mit koplanaren Scans in Hauptwindrichtung konnten zweidimensionale Windfelder der Talüberströmung zwischen zwei parallelen Bergrücken vermessen werden. Außerdem dienten die Messungen der Charakterisierung des Nachlaufes einer auf dem Bergücken befindlichen Windenergieanlage (WEA). Um den Nachlauf nicht nur bei Situationen in Hauptwindrichtung vermessen zu können wurde eine innovative Scanstrategie getestet, die mehrere Multi-Doppler Messpunkte im Nachlauf der Anlage alle 30 Minuten automatisch der Windrichtung anpasst. So konnte über mehrere Stunden durchgehend das Windgeschwindigkeitsdefizit und die Turbulenzintensität in dem Turbinennachlauf vermessen werden. Im Rahmen der Carbon Dioxide and Methane Mission for HALO (CoMet) wurden die drei Lidargeräte eingesetzt, um bodenbasierte Messungen der Windgeschwindigkeit, -richtung und Turbulenz in einem Gebiet im polnischen Oberschlesien zu liefern, welches als ein Hotspot für anthropogene Methanemissionen bekannt ist. Zu diesem Zweck wurden Velocity Azimuth Display (VAD) Scans mit allen drei Geräten in einem räumlichen Abstand von jeweils ca. 50 km durchgeführt, woraus Vertikalprofile der genannten Parameter in der gesamten Grenzschicht abgeleitet werden können. Die Messungen dienen dem Prozessverständnis der Ausbreitung der Emissionen und können in entsprechende Modelle eingebunden werden. Ein weiteres Einsatzgebiet für Messungen mit gepulsten Lidargeräten ist die Vermessung von Flugzeugwirbelschleppen im Landeanflug. Mit schnellen, vertikalen Range Height Indicator (RHI) Scans kann die Entstehung und der Zerfall von Wirbelschleppen in einem bestimmten Abstand zum Landepunkt dokumentiert werden. Parameter wie die Vorticity, Zirkulation und maximal auftretende Querwindgeschwindigkeiten können ermittelt werden. Durch den Einsatz von mehreren Lidargeräten kann das Prozessverständnis und die Validierung von hochaufgelösten Simulationen deutlich verbessert werden, da in mehreren Abständen gleichzeitig gemessen werden kann. Anhand der genannten Beispiele wird ein breites Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten gezeigt, die sich mit Lidargeräten des aktuellen Standes der Technik realisieren lassen. Es soll hervorgehoben werden, dass insbesondere die Kombination mehrerer Lidargeräte, aber auch die Integration mit Messinstrumenten für weitere meteorologische Größen (z.B. Temperatur und Luftfeuchte), einen großen Beitrag zur Validierung von Modellen und zum Prozessverständnis in der atmosphärischen Grenzschicht liefern kann