LES basierte Untersuchung von Scanstrategien zur Ableitung des Windprofils aus Doppler-Lidar-Messungen
Authors: Rahlves Charlotte , Beyrich Frank , Raasch Siegfried 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Doppler-Lidar-Systeme werden gegenw&amp;#228;rtig zur Windprofilmessung in Bereichen wie Windenergie, Flughafensicherheit und Luftqualit&amp;#228;tskontrolle eingesetzt. In den letzten Jahren haben diese Instrumente auch im Bereich meteorologischer Standardbeobachtung Aufmerksamkeit erlangt. Da Lidar-Windmessungen die gesamte vertikale Ausdehnung der atmosph&amp;#228;rischen Grenzschicht abdecken k&amp;#246;nnen und eine hohe Aufl&amp;#246;sung liefern, sind sie besonders f&amp;#252;r die Datenassimilation in numerische Wettervorhersagemodelle von zunehmendem Interesse. Allerdings beruht die Lidar-Scan-Technik auf der Annahme eines horizontal homogenen Windfeldes. Diese Voraussetzung ist, vor allem unter konvektiven Bedingungen, meist nicht erf&amp;#252;llt. Der dadurch entstehende Messfehler ist experimentell nur schwer ermittelbar.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;&amp;#160;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;In dieser Studie wurden Large-Eddy-Simulationen (LES) zusammen mit virtuellen Lidar-Messungen verwendet, um den zu erwartenden Messfehler zu quantifizieren. Es wurden verschiedene Scan-Strategien f&amp;#252;r die Windbestimmung mit Doppler-Lidar-Systemen &amp;#252;ber homogenem und flachem Untergrund untersucht. Durch einen Vergleich des vom virtuellen Lidar gemessenen Windes mit dem von der LES generierten 'wahren' Wert wurden verschiedene Faktoren, die den Lidar-Messfehler beeinflussen, analysiert. Untersucht wurden dabei die L&amp;#228;nge des Mittelungsintervalls, die Konfiguration des Zenitwinkels, das Abtastschema (velocity-azimuth display (VAD) und Doppler-beam swing (DBS)) und die Ausrichtung des Instrumentes in Bezug zur vorherrschenden Str&amp;#246;mungsrichtung. Zudem wurden verschiedene meteorologische Situationen betrachtet. Zum ersten Mal wurden auch Ensemblesimulationen durchgef&amp;#252;hrt, um den statistisch zu erwartenden Lidar-Fehler zu bestimmen.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;&amp;#160;&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Die Ergebnisse liefern eine mittlere quadratische Abweichung (RMSD) von weniger als 0,06 m/s f&amp;#252;r 10-Minuten-Mittelwerte von Messungen der Windgeschwindigkeit in einer stabil geschichteten Grenzschicht. Bei m&amp;#228;&amp;#223;iger Konvektion betr&amp;#228;gt die RMSD weniger als 1 m/s, w&amp;#228;hrend sie bei starker Konvektion 2 m/s &amp;#252;berschreitet. Im Gegensatz zur Ausrichtung und zum Abtastschema erweist sich die Zenitwinkelkonfiguration des Instrumentes als signifikanter Faktor. Bei konvektiven Bedingungen verringert sich der Fehler der horizontalen Windgeschwindigkeit, wenn eine gr&amp;#246;&amp;#223;ere Zenitwinkelkonfiguration verwendet wird, erh&amp;#246;ht sich jedoch f&amp;#252;r die Messung des Vertikalwindes.&lt;/p&gt;
&lt;p&gt;Die Ergebnisse legen nahe, dass der Lidarfehler sowohl von den meteorologischen Bedingungen als auch von der Scanstrategie abh&amp;#228;ngt. Die Ger&amp;#228;tekonfiguration sollte deshalb die Zielmessgr&amp;#246;&amp;#223;en und die Str&amp;#246;mungsverh&amp;#228;ltnisse ber&amp;#252;cksichtigen.&lt;/p&gt;