Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

30 Näherungsverfahren zur Ableitung von Turbulenzparametern
aus Radarmessungen
(R. Latteck, W. Singer, N. Engler)
Turbulenz hat eine wesentliche Bedeutung für die Energie- und Impulsbilanz der oberen Atmosphäre,
da sie zur Erwärmung wie auch zur Abkühlung der Atmosphäre beitragen kann. So
können Erwärmungsraten durch die Dissipation von turbulenter kinetischer Energie bestimmt
werden. Neben direkten Raketenmessungen ermöglichen bodengebundene Radarverfahren die
Bestimmung turbulenter kinetischer Energiedissipationsraten aus dem Spektrum der radialen
Geschwindigkeiten im VHF- und MF-Bereich. Die Breite des beobachteten Spektrums σ 2 obs setzt
sich aus dem durch turbulente Geschwindigkeitsfluktuationen hervorgerufenen turbulenten Anteil
σ 2 turb und einem durch den Hintergrundwind σ2 beam+shear sowie Wellenaktivität σ2 wave bestimmten
nichtturbulenten Anteil zusammen.
σ 2 obs = σ2 turb + σ2 beam+shear + σ2 wave = σ 2 turb + σ2 corr
Traditionell wird σ2 wave abgeschätzt, σ2 beam+shear mit Hilfe des simultan gemessenen Horizontalwindes
(U, V ), des Windgradienten uz, der Halbwertsbreite des Radarstrahls θ und des
Schwenkwinkels α in der Entfernung R berechnet
σ 2 �
θ2 �cos
2 2 2
beam+shear = α U + V
3
� − 2 cos α sin 2 α U (uzR) + sin 4 α (uzR) 2�
(2)
und der so gewonnene Korrekturterm σ2 corr von der beobachteten spektralen Breite abgezogen,
um den turbulenten Anteil des Spektrum zu erhalten. Diese Methode ist aber bei hohen
Windgeschwindigkeiten oder starken Windgradienten nur eingeschränkt einsetzbar.
Van Zandt et al. entwickelten eine Methode zur Bestimmung des turbulenten Anteils der
spektralen Breite ohne zusätzliche Kenntnis des horizontalen Windfeldes sowie des Schwenkwinkels
α und testeten sie erfolgreich in der Troposphäre. Diese sogenannte Dual-beam-width-method
(2BW) setzt simultane Messungen eines mit Turbulenz gefüllten Radarvolumens mit zwei Radarstrahlen
unterschiedlicher Breite voraus (Abbildung 30.1, links). Aus den so gewonnenen
zwei beobachteten spektralen Breiten und den bekannten Halbwertsbreiten θn und θw der Radarstrahlen
kann dann direkt der turbulente Anteil des Spektrums berechnet werden.
σ 2 turb = θ2 w · σ2 obs,n − θ2 n · σ2 obs,w
θ 2 w − θ2 n
Abb. 30.1: Radarmessungen mit Strahlen unterschiedlicher Breite im selben Volumen (links) und azimutale
Strahlungsdiagramme des Saura-MF-Radars für einen um 17,2 ◦ nach Nordosten geschwenkten
6,4 ◦ und 13,8 ◦ breiten Antennenstrahl.
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