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Meteorologische Messgeräte
MTP-5

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MTP-5 - Lufttemperaturprofile durch Mikrowellentechnologie

Es gibt zahlreiche Anwendungen im Bereich der Meteorologie und Umweltwissenschaften, welche darauf beruhen das Temperaturprofil der Atmosphäre in den ersten 1000 m zu messen. Diese Zone nennt sich Peplosphäre (Planetary Boundary Layer, PBL). Die Geräte der MTP-5 Serie (Meterological Temperature Profiler) wurden speziell für Echtzeit-Messungen der PBL entwickelt.

Es wurde Wert darauf gelegt, dass der MTP-5 bei allen Wetterbedingungen zuverlässige Daten liefert, sich automatisch kalibriert, keine Wartung sowie keinen Operator benötigt. Für die Installation, Wartung und Nutzung des MTP-5 sowie der Auswertung der Daten wird kein Spezialist benötigt. Das System eignet sich zudem hervorragend zur Einbindung in ein Netzwerk.

Für MTP-5 wurde ein spezieller, sehr kompakter und robuster Mikrowellenempfänger entwickelt. Dieser Sensor detektiert passiv die thermische Schwarzkörper-Strahlung der Atmosphäre bei einer Wellenlänge von λ = 5 mm (f = 60 GHz). MTP-5 emittiert keine Strahlung und benötigt daher keine spezielle Betriebserlaubnis. Das Gerät ist leicht transportabel und kann schnell und einfach installiert werden. Ein geeigneter Platz dafür wäre eine erhöhte Plattform oder einem Dach. Die Daten werden am PC aufgezeichnet und durch die Software automatisch weiterverarbeitet. Alle 5 Minuten wird das Temperaturprofil durch speziell entwickelte Algorithmen berechnet und anschließend graphisch angezeigt. Im Gegensatz zu Mehrkanal-Radiometern hat der MTP-5 den großen Vorteil, dass kein speziell geschultes Personal benötigt wird, es sich selbst kalibriert und automatisch Temperaturprofile in Echtzeit unter allen Wetterbedingungen erstellt.

MTP-5 ist ein ferngesteuertes Sensorsystem, welches die emittierte Mikrowellenstrahlung der Peplosphäre (h ≤ 1000 m) misst. Die Atmosphäre ist eine starke Strahlungsquelle, jedoch sind die temperaturbedingten Schwankungen gering. Folglich wird ein sehr empfindlicher Detektor benötigt. Solch ein besonderes Einkanal-Radiometer in Kombination mit einer speziell für das 5 mm Wellenband angefertigten Antenne bildet das Herzstück des MTP-5.

Die Strahlung der Atmosphäre wird durch schrittweises Scannen von der horizontalen zur vertikalen Position gemessen (siehe Abbildung 1). Diese Daten werden alle 5 Minuten als ASCII Daten gespeichert und von der Software in vertikale Temperaturprofile T(h) umgerechnet. Die angezeigte Höhenauflösung beträgt dabei 10, 25 bzw. 50 m mit einer Temperaturgenauigkeit bis zu 0,2°C (abhängig von Modell und Messparametern).




Anwendungen:

» Überwachung der urbanen Luftqualität
» Untersuchung von urbanen Wärmeinsel-Effekten
» Überwachung der Stabilität der Atmosphäre an Flughäfen
» Regionale und mesoskalige Wettervorhersage
» Erstellen von Notfallplänen für Atomkraftwerke und Chemiefabriken
» Erstellen von Energiebilanzstudien
» Nebelvorhersage
» Erforschung der Radiowellen- und Laserstrahlausbreitung
» Atmosphärenforschung
Modelle:

MTP-5-H ist das kompakte Standardgerät. Es misst bis zu einer Höhe von 1000 m oberhalb des Instruments. Die Performance ist unabhängig vom Wetter. Der rotierende Scanner ist durch eine spezielle Abdeckung vor Niederschlägen und Schmutz geschützt. Diese Abdeckung ist transparent für die zu detektierende Mikrowellenstrahlung. Ein genauer Temperatursensor am Boden dient zur Selbstkalibrierung des Systems.

Die angezeigte Höhenauflösung beträgt 50 m wohingegen die Temperaturgenauigkeit bei 0,2 – 1,2 °C und besser liegt (abhängig vom Profiltyp). Das Sichtfeld ist ein Kegel mit einem Öffnungswinkel von 2,5°. Das System ist wartungsfrei und muss nur bei starker Verschmutzung gereinigt werden. Dieses System eignet sich am besten für urbane Gegenden und Flughäfen.

MTP-5-HE (erweiterte Reichweite) wurde speziell für Einsatzgebiete, welche in einem Tal oder in der Nähe von Gebirgen liegen, entwickelt. Die angezeigte Höhenauflösung beträgt 25 bis 50 m. Um in Höhen bis zu 1000 m zu messen, wird ein empfindlicheres Mikrowellenradiometer mit kleinerer Bandbreite benötigt. Ebenso wurde die Frequenz angepasst um höher in die Atmosphäre zu gelangen.

MTP-5-PE (Polar erweiterte Reichweite) und RE nutzen ein ähnliches Mikrowellenradiometer wie MTP-5-HE. Jedoch wurde bei diesen Modellen die Höhenauflösung stark verbessert. Die angezeigte Höhenauflösung beträgt 10 m für die ersten 100 m. Dies ist entscheidend für Messungen oberhalb von Eis und Schnee sowie Wüstengebieten, da hier in Bodennähe die Temperaturgradienten sehr steil sein können.

Für die Modelle HE, RE und PE kann das Profil mittels statistischem Modell auf 2000 m erweitert werden.
Live-Demonstration:

Echtzeitdaten sowie den MTP-5 bei der Arbeit können eingesehen werden unter www.mtp5.ru. Die Webcam zeigt den scannenden MTP-5 in Moskau (55°55´32´´N, 37°31´23´´E) und die Daten werden online angezeigt. Zusätzlich sind weitere Datensätze, wie z.B. aus Bergen, Norwegen, verlinkt.
Anwendungsbeispiele/ Referenzen:

Klimaagentur der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie (TLUG)
Die Klimaagentur der TLUG nutzt seit 2015 den MTP-5-HE zur Messung der Lufttemperaturprofile an verschiedenen Standorten in Thüringen. Die Haupteinsatzmöglichkeiten sind dabei:
» Erstellung von Inversionsstatistiken,
» vertikale Ausdehnung der städtischen Wärmeinsel,
» umweltsensitive Verkehrssteuerung in Städten,
» Ausbreitungsrechnungen für Luftschadstoffe und Schallemission,
» Messung der Temperaturänderung infolge von Kaltluftströmen,
» Vereisungspotential von Bauwerken (Höhe der Nullgradgrenze).

Weitere Informationen entnehmen sie bitte der PDF bzw. der Webseite der TLUG.

Geodätisches Observatorium Wettzell des Bundesamtes für Kartografie und Geodäsie (BKG)
Am Observatorium Wettzell wurde der MTP-5-H in die Messtechnik der Wetterstation eingebunden. Die Daten des vertikalen Temperaturprofils werden zur Berechnung der Laufzeitunterschiede von (Satelliten-)Signalen aufgrund des „Wet Path Delays“ der Atmosphäre genutzt.
Weitere Informationen entnehmen Sie bitte der Webseite des BKG.

Novia University of Applied Sciences, Nordic Wind Energy Center, Vaasa, Finnland
Forscher der Universität in Vaasa nutzen den MTP-5-HE im Rahmen des WindCoE-Projektes, um die Ausbreitung von Schall von Windkraftanlagen zu untersuchen. Informationen zum Projekt und Temperaturdaten des MTP-5 finden Sie unter:
Infos: www.nordisktvindenergicenter.eu/news
Daten: www.nordisktvindenergicenter.eu

Aktuelle Forschungsthemen/Publikationen:

Eine Auflistung von aktuellen Nutzern sowie deren Projekte und Publikationen sind auf ResearchGate zusammengefasst.
Des Weiteren können hier Fragen an die Experten gestellt und Erfahrungen ausgetauscht werden.
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