LES basierte Untersuchung von Scanstrategien zur Ableitung des Windprofils aus Doppler-Lidar-Messungen

Doppler-Lidar-Systeme werden gegenwärtig zur Windprofilmessung in Bereichen wie Windenergie, Flughafensicherheit und Luftqualitätskontrolle eingesetzt. In den letzten Jahren haben diese Instrumente auch im Bereich meteorologischer Standardbeobachtung Aufmerksamkeit erlangt. Da Lidar-Windmessungen die gesamte vertikale Ausdehnung der atmosphärischen Grenzschicht abdecken können und eine hohe Auflösung liefern, sind sie besonders für 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 erfüllt. Der dadurch entstehende Messfehler ist experimentell nur schwer ermittelbar.

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 für die Windbestimmung mit Doppler-Lidar-Systemen über 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 Länge 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 Strömungsrichtung. Zudem wurden verschiedene meteorologische Situationen betrachtet. Zum ersten Mal wurden auch Ensemblesimulationen durchgeführt, um den statistisch zu erwartenden Lidar-Fehler zu bestimmen.

Die Ergebnisse liefern eine mittlere quadratische Abweichung (RMSD) von weniger als 0,06 m/s für 10-Minuten-Mittelwerte von Messungen der Windgeschwindigkeit in einer stabil geschichteten Grenzschicht. Bei mäßiger Konvektion beträgt die RMSD weniger als 1 m/s, während sie bei starker Konvektion 2 m/s überschreitet. 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 größere Zenitwinkelkonfiguration verwendet wird, erhöht sich jedoch für die Messung des Vertikalwindes.

Die Ergebnisse legen nahe, dass der Lidarfehler sowohl von den meteorologischen Bedingungen als auch von der Scanstrategie abhängt. Die Gerätekonfiguration sollte deshalb die Zielmessgrößen und die Strömungsverhältnisse berücksichtigen.