VDI 3786 Blatt 17-2007 Environmental meteorology - Ground-based remote sensing of the wind vector - Wind profiler radar.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREUmweltmeteorologieBodengebundene Fernmessung des WindvektorsWind-Profil-RadarEnvironmental meteorologyGround-based remote sensing of the wind vectorWind profiler radarVDI 3786Blatt 17 / Part 17Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishKommission Reinhaltung der Luft im VDI

2、und DIN Normenausschuss KRdLArbeitsgruppe Bodengebundene Fernmessung des WindvektorsAusschuss Meteorologische MessungenVDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 1b: UmweltmeteorologieVDI-RICHTLINIENZu beziehen durch / Available at Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin Alle Rechte vorbehalten / All right

3、s reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007Vervielfltigung auchfr innerbetriebliche Zwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedICS 07.060, 13.040.01Februar 2007February 2007Frhere Ausgabe: 09.05 Entwurf,deutsch Former edition: 09/05 Draft, in German only

4、 Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundes-anzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen.Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this guideline has been subject to public scrutinyafter announcement in the Bundesanzeiger (Federal Gazette).T

5、he German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation. Inhalt SeiteVorbemerkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Grundlagen des Wind-Profil-Radar . . . . .

6、. 51.1 Einfhrung. . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Dopplereffekt . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Wind-Profil-Radar. . . . . . . . . . . . . 71.4 Radar-Gleichung fr Wind-Profil-Radar . . 81.5 Komponenten eines WPR-Systems . . . . 131.6 Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . 171.7 Erfassen

7、 des 3-D-Windvektors . . . . . . 221.8 Modifikationen und Ergnzungen der WPR-Messungen . . . . . . . . . . . . . 252 Verfahrensmerkmale . . . . . . . . . . . . . 282.1 Messgren . . . . . . . . . . . . . . . . 282.2 Zielgren . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Hilfsgren . . . . . . . . . . . . .

8、. . . 292.4 Definition der Verfahrenskenngren. . . 293 Gerteausfhrungen . . . . . . . . . . . . . 344 Messplanung und Anforderungen an den Einsatzort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Messnetze und Messbeispiele . . . . . . . . 375.1 Messnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2 Messbeis

9、piele . . . . . . . . . . . . . . . 39Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Wind profiler radar fundamentals . . . . . . . 51.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Doppler effect . . . . . . . . . . .

10、. . . . 61.3 Wind profiler radar. . . . . . . . . . . . . 71.4 Radar equation for wind profiler radars . . 81.5 Components of WPR systems . . . . . . 131.6 WPR signal analysis . . . . . . . . . . . 171.7 Determination of the 3-D wind vector . . 221.8 WPR measurement modifications and additions . . .

11、 . . . . . . . . . . . . . . 252 Characteristics of the method . . . . . . . . 282.1 Measurement variables. . . . . . . . . . 282.2 Target variables . . . . . . . . . . . . . 282.3 Auxiliary variables . . . . . . . . . . . . 292.4 Definition of performance characteristics . 293 Equipment design . .

12、. . . . . . . . . . . . 344 Planning of WPR measurements and site requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 Measurement networks and examples of WPR measurements . . . . . . . . . . . . . 375.1 Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.2 Selected WPR measurements . . . . . . 39B55EB1B3

13、E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 2 VDI 3786 Blatt 17 / Part 176 Qualittssicherung und Systemberwachung . 486.1 Automatische Qualittsprfung, statis-tische Filterung . . . . . . . . . . . . . . 496.2 System

14、berwachung . . . . . . . . . . . 497 Verfahrenskenngren . . . . . . . . . . . . 507.1 Auswahlkriterien fr verschiedene Wind-Fernmessverfahren . . . . . . . . . 507.2 Vergleichsmessungen . . . . . . . . . . . 517.3 Verfgbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . 558 Wartung und Strungen . . . . . . . . .

15、. . 58Anhang A Symbole und Abkrzungen . . . . . 59Anhang B Definition von Genauigkeitskenn-gren . . . . . . . . . . . . . . . . 64Anhang C Hhenauflsung eines WPR-Systems . . . . . . . . . . . . . . . 66Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696 Quality assurance and system maintenance .

16、 486.1 Automated data quality check, statistical filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496.2 WPR system maintenance . . . . . . . . . 497 Performance characteristics . . . . . . . . . 507.1 Remote wind-measurement method selection criteria . . . . . . . . . . . . . . 507.2 Comparison measure

17、ments . . . . . . . . 517.3 Availability . . . . . . . . . . . . . . . . 558 Maintenance and interferences . . . . . . . . 58Annex A Symbols and abbreviations . . . . . . 59Annex B Definition of accuracy characteristics . . 64Annex C Height resolution of a WPR system . . 66Bibliography. . . . . . .

18、. . . . . . . . . . . . . 69VorbemerkungIn der Kommission Reinhaltung der Luft im VDI undDIN Normenausschuss KRdL erarbeiten Fach-leute aus Wissenschaft, Industrie und Verwaltung infreiwilliger Selbstverantwortung VDI-Richtlinienund DIN-Normen zum Umweltschutz. Diese be-schreiben den Stand der Techn

19、ik bzw. Stand der Wis-senschaft in der Bundesrepublik Deutschland unddienen als Entscheidungshilfen bei der Erarbeitungund Anwendung von Rechts- und Verwaltungsvor-schriften. Die Arbeitsergebnisse der KRdL flieenferner als gemeinsamer deutscher Standpunkt in dieeuropische technische Regelsetzung bei

20、 CEN(Europisches Komitee fr Normung) und in die in-ternationale technische Regelsetzung bei ISO (Inter-nationale Organisation fr Normung) ein.Folgende Themenschwerpunkte werden in vier Fach-bereichen behandelt:Preliminary noteIn the Commission on Air Pollution Prevention ofVDI and DIN Standards Comm

21、ittee (KRdL) expertsfrom science, industry and administration, acting ontheir own responsibility, establish VDI Guidelinesand DIN Standards in the field of environmental pro-tection. These describe the state of the art in scienceand technology in the Federal Republic of Germanyand serve as a decisio

22、n-making aid in the preparatorystages of legislation and application of legal regula-tions and ordinances. KRdLs working results arealso considered as the common German point of viewin the establishment of technical rules on the Euro-pean level by CEN (European Committee for Stand-ardization) and on

23、 the international level by ISO(International Organization for Standardization).The following topics are dealt with in four subdivi-sions:B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2007 VDI 3786 Blatt 17 / P

24、art 17 3 Fachbereich I Umweltschutztechnik“Produktionsintegrierter Umweltschutz; Verfahrenund Einrichtungen zur Emissionsminderung undEnergieumwandlung; ganzheitliche Betrachtungvon Emissionsminderungsmanahmen unter Be-rcksichtigung von Luft, Wasser und Boden;Emissionswerte fr Stube und Gase; anlage

25、nbe-zogene messtechnische Anleitungen; Umwelt-schutzkostenrechnungFachbereich II Umweltmeteorologie“Ausbreitung von Luftverunreinigungen in derAtmosphre; strfallbedingte Freisetzungen; mikro-und mesoskalige Windfeldmodelle; Wechselwir-kung zwischen Atmosphre und Oberflchen;meteorologische Messungen;

26、 angewandte Klima-tologie; Lufthygienekarten; human-biometeoro-logische Bewertung von Klima und Lufthygiene;bertragung meteorologischer DatenFachbereich III Umweltqualitt“Wirkung von Luftverunreinigungen auf Mensch,Tier, Pflanze, Boden, Werkstoffe und Atmosphre;wirkungsbezogene Mess- und Erhebungsve

27、rfahren:z.B. Bioindikation mit Hheren und NiederenPflanzen, Erhebungsverfahren zur Biodiversitt;Werkstoffexposition; Erfassung mikrobieller Luft-verunreinigungen; Olfaktometrie; Umweltsimulation Fachbereich IV Umweltmesstechnik“ Emissions- und Immissionsmesstechnik fr anor-ganische und organische Ga

28、se sowie fr Partikel;optische Fernmessverfahren; Messen von Innen-raumluftverunreinigungen; Messen von Boden-luftverunreinigungen; Verfahren zur Herstellungvon Referenzmaterialien; Prfplne fr Mess-gerte; Validierungsverfahren; Messplanung; Aus-werteverfahren; Qualittssicherung Die Richtlinien und No

29、rmen werden zunchst alsEntwurf verffentlicht. Durch Ankndigung imBundesanzeiger und in der Fachpresse erhalten alleinteressierten Kreise die Mglichkeit, sich an einemffentlichen Einspruchsverfahren zu beteiligen.Durch dieses Verfahren wird sichergestellt, dass un-terschiedliche Meinungen vor Verffen

30、tlichung derendgltigen Fassung bercksichtigt werden knnen.Die Richtlinien und Normen sind in den sechs Bn-den des VDI/DIN-Handbuches Reinhaltung der Luftzusammengefasst. Subdivision I “Environmental Protection Techniques”Integrated pollution prevention and control forinstallations; procedures and in

31、stallations foremission control and energy conversion; overallconsideration of measures for emission controlwith consideration given to the air, water and soil;emission limits for dusts and gases; plant-relatedmeasurement instructions; environmental indus-trial cost accountingSubdivision II “Environ

32、mental Meteorology”Dispersion of pollutants in the atmosphere; emis-sions from accidental releases; micro- and meso-scale wind field models; interaction between theatmosphere and surfaces; meteorological measure-ments; applied climatology; air pollution maps;human-biometeorological evaluation of cli

33、mateand air hygiene; transfer of meteorological dataSubdivision III “Environmental Quality”Effects of air pollutants on man, farm animals,vegetation, soil, materials, and the atmosphere;methods for the measurement and evaluation of ef-fects: e.g. biomonitoring with higher and lowerplants; evaluation

34、 techniques for biodiversity; ex-posure of materials; determination of microbial airpollutants and their effects; olfactometry; environ-mental simulationSubdivision IV “Environmental Measurement Techniques”Techniques for emission and ambient air measure-ments of inorganic and organic gases as well a

35、sparticulate matter; optical open-path measurementmethods; measurement of indoor air pollutants,measurement of soil air pollutants; procedures forestablishing reference material; test procedures formeasurement devices; validation procedures;measurement planning; evaluation methods; qual-ity assuranc

36、eThe guidelines and standards are first published asdrafts. These are announced in the Bundesanzeiger(Federal Gazette) and in professional publications inorder to give all interested parties the opportunity toparticipate in an official objection procedure. Thisprocedure ensures that differing opinio

37、ns can be con-sidered before the final version is published.The guidelines and standards are published in the six-volume VDI/DIN Reinhaltung der Luft (Air Pollu-tion Prevention) manual.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure

38、 e.V., Dsseldorf 2007 4 VDI 3786 Blatt 17 / Part 17EinleitungDie Richtlinienreihe VDI 3786 ist in mehrere Blttergegliedert. In einigen Blttern der Richtlinienreihewerden die Fernmessverfahren vorgestellt, die zurErmittlung des vertikalen Profils des Windvektorsdienen.Mit Radar (Radiowave Detection A

39、nd Ranging) wer-den Verfahren bezeichnet, mit denen aus der Streu-ung ausgesendeter elektromagnetischer Wellen Infor-mationen ber Eigenschaften in einem lokalisiertenStreuvolumen gewonnen werden. Der Ort des Mess-volumens wird aus der Abstrahlrichtung und derLaufzeit zwischen dem Aussenden des Sende

40、signalsund dem Empfang des Streusignals bestimmt. DerBegriff Radar“ im engeren Sinne wird bei Wellen-lngen im Millimeter- bis Meterbereich verwendet.Lidar“ bezieht sich dagegen auf optische Wellenln-gen und Sodar“ auf akustische Wellen. Die einzel-nen Verfahren werden in den Richtlinien VDI 3786Blat

41、t 11 (Doppler-Sodar) und VDI 3786 Blatt 14(Doppler-Lidar) beschrieben.In der vorliegenden Richtlinie wird die Bestimmungdes vertikalen Profils des Windvektors mit Hilfe desWind-Profil-Radar (WPR, von engl. Wind ProfilerRadar) dargestellt. ber den Wind hinaus liefern dieWPR-Systeme bestimmte weitere

42、physikalische In-formationen ber die Atmosphre (Turbulenz, Nie-derschlag, Grenzschichthhe, siehe auch 1), die indieser Richtlinie ebenfalls beschrieben werden.Die Richtlinie greift in der Definition der MessgreWind auf die Richtlinie VDI 3786 Blatt 2 und bei derBercksichtigung der Mittelungsdauer au

43、f die Richt-linie VDI 3786 Blatt 1 zurck. Auerdem wird dieRichtlinie VDI 3786 Blatt 8 herangezogen. Sicher-heitstechnische Probleme werden nicht behandelt,hier wird auf einschlgige Normen und gesetzlicheVorgaben verwiesen (26. BImSchV; BEMFV;BGV B 11; BGR B 11; DIN VDE 0848). Zustzlichsind zum Betri

44、eb von Radar-Systemen die nationalenFrequenzzulassungsvorschriften besonders zu beach-ten (in Deutschland: RegTP 321 ZV 044; enthltauch Hinweise auf internationale Zulassungsvor-schriften).WPR-Systeme haben sich seit vielen Jahren fr dieFernmessung von vertikalen Profilen des Windvek-tors bewhrt. WP

45、R-Systeme ergnzen die konventio-nelle Messtechnik, da sie fr eine groe Anzahl vonMessaufgaben geeignet sind, die mit punktfrmigmessenden In-situ-Verfahren nicht adquat gelstwerden knnen 2 oder wo der Einsatz von Mess-masten oder Messtrmen aus technischen, adminis-trativen oder Kostengrnden nicht in

46、Frage kommt.IntroductionThe guideline series VDI 3786 is divided into severalparts. Some of these parts present schemes for the re-mote determination of the vertical profile of the windvector.Radar (an acronym of Radiowave Detection AndRanging) is a family of methods that provide infor-mation about

47、atmospheric properties in a well-de-fined volume in space. The information is obtainedfrom the scattered part of electromagnetic radiationpreviously transmitted into the atmosphere. The loca-tion of the scattering volume is inferred from the di-rection into which the radiation was transmitted andthe

48、 delay time between the transmitted and receivedsignals. Strictly speaking, the notion of “radar” isconfined to methods that use radiation in the wave-length range between millimeters and meters. Lidar,as opposed to radar, works at optical wavelengths,and sodar uses acoustic waves. These two types o

49、fmethods are described in guidelines VDI 3786Part 11 (Doppler sodar) and VDI 3786 Part 14 (Dop-pler lidar).In the present guideline the determination of the ver-tical profile of the wind vector using wind profiler ra-dars (WPRs) is presented. In addition to the windvector, WPR systems provide other information onthe physical state of the atmosphere as well such asturbulence, precipitation, and the height of the plane-