Untersuchungen zur Ableitung von Windb&#246;en aus Doppler-Lidar-Messungen
Authors: Detring Carola , Päschke Eileen , Steinheuer Julian , Leinweber Ronny , Kayser Markus , Beyrich Frank 
Published: December 2021

&lt;p&gt;Mit Hilfe von Doppler-Lidar-Systemen, lassen sich die Profile von Windgeschwindigkeit und -richtung in der Atmosph&amp;#228;rischen Grenzschicht (AGS) auf der Basis klassischer Messstrategien wie einem VAD-24 Scan (Velocity Azimuth Display mit 24 Strahlrichtungen) zuverl&amp;#228;ssig bestimmen (P&amp;#228;schke et al., 2015). F&amp;#252;r praktische Anwendungen von gro&amp;#223;em Interesse sind jedoch neben dem mittleren Windprofil auch kurzzeitige Fluktuationen des Windes, wie sie zum Beispiel in Verbindung mit Windb&amp;#246;en auftreten. Untersuchungen zu Windb&amp;#246;en waren ein wesentlicher Aspekt der Messkampagne FESSTVaL (Field Experiment on Sub-Mesoscale Spatio-Temporal Variability in Lindenberg, www.fesstval.de).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Eine Studie von Suomi et al. (2017) hat gezeigt, dass eine Ableitung von Windb&amp;#246;en aus Doppler Lidar Messungen prinzipiell m&amp;#246;glich ist. Allerdings wird mit &amp;#252;blichen Messstrategien die hierf&amp;#252;r erforderliche hohe zeitliche Aufl&amp;#246;sung in der Ermittlung des Windvektors nicht erreicht, so dass mit Skalierungsans&amp;#228;tzen unter Verwendung von in-situ Windmessungen eine Korrektur der aus den Lidar-Daten abgeleiteten B&amp;#246;enwerte erfolgen muss.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine alternative Messstrategie f&amp;#252;r Doppler-Lidar-Systeme vom Typ &amp;#8222;Streamline&amp;#8220; (Halo Photonics) entwickelt und &amp;#252;ber mehrere Monate in den Jahren 2020/21 auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg des DWD erprobt. Die B&amp;#246;enableitung basiert auf einem sog. Continous Scan Mode (CSM); dabei werden die w&amp;#228;hrend einer vollst&amp;#228;ndigen Rotation des Lidar-Scan-Kopfes kontinuierlich durchgef&amp;#252;hrten Messungen 10-11 Strahlrichtungen zugeordnet und die Radialwindgeschwindigkeiten wiederum mit dem VAD-Verfahren ermittelt. Die Dauer eines Scans betr&amp;#228;gt etwa 3.4s, damit kann eine Zeitaufl&amp;#246;sung erreicht werden, die der heute weit verbreiteten Definition einer Windb&amp;#246; entspricht (3s gleitendes Mittel; WMO (2018)).&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Diese neue Konfiguration bringt Herausforderungen an die Datenverarbeitung mit sich. Im CSM muss mit vergleichsweise wenigen Lidar-Pulsen pro Messstrahl gearbeitet werden, so dass klassische Ans&amp;#228;tze der Datenfilterung (Signal-to-Noise Schwellwert, Consensus Filterung) nicht verwendet werden k&amp;#246;nnen. Es wird ein alternatives Verfahren f&amp;#252;r die Prozessierung der Lidar-Rohdaten vorgeschlagen. Die Ergebnisse der Ableitung sowohl des mittleren Windvektors als auch der jeweiligen maximalen Windb&amp;#246; in einem 10-Minuten-Mittelungsintervall werden mit Sonic-Messungen in 90m H&amp;#246;he verglichen.&amp;#160;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Im Rahmen des FESSTVaL Experimentes wurde diese neue Messkonfiguration an drei Standorten, die ein ann&amp;#228;hernd gleichseitiges Dreieck mit einer Kantenl&amp;#228;nge von etwa 5 km bildeten, genutzt. Es werden Fallbeispiele aus der FESSTVaL Kampagne f&amp;#252;r die Variabilit&amp;#228;t im Auftreten von Windb&amp;#246;en gezeigt.&lt;/p&gt;&lt;p&gt;&lt;strong&gt;Referenzen&lt;/strong&gt;&lt;/p&gt;&lt;p&gt;P&amp;#228;schke, E., Leinweber, R., and Lehmann, V. (2015): An assessment of the performance of a 1.5 &amp;#956;m Doppler lidar for operational vertical wind profiling based on a 1-year trial, Atmos. Meas. Tech., 8, 2251&amp;#8211;2266, https://doi.org/10.5194/amt-8-2251-2015&lt;/p&gt;&lt;p&gt;Suomi, I., Gryning, S.&amp;#8208;E., O'Connor, E.J. and Vihma, T. (2017): Methodology for obtaining wind gusts using Doppler lidar. Q.J.R. Meteorol. Soc., 143: 2061-2072. https://doi.org/10.1002/qj.3059&lt;/p&gt;&lt;p&gt;World Meteorological Organization (WMO) (2018): Measurement of surface wind. In Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, Volume I -Measurement of Meteorological Variables, No.8: 196&amp;#8211;213, URL: https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10616 (accessed November 2021)&lt;/p&gt;