DE4302622C2

DE4302622C2 - Method and device for determining cloud-physical characteristics of current cloud cover

Info

Publication number: DE4302622C2
Application number: DE4302622A
Authority: DE
Inventors: Karsten Brandt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-30
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2013-01-31
Also published as: DE4302622A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln wolken physikalischer Kenndaten aktueller Bewölkung sowie ein Gerät hierfür.The invention relates to a method for determining clouds physical characteristics of current cloud cover as well as a device therefor.

Zum technologischen Hintergrund wird verwiesen auf DE-OS 39 40 041, US 3354 713 und Literatur in Journal of Scientific Instruments, 1968, Series 2, Vol. I, 1968, Seite 107-112, Autor D. T. Gjessing, "A simple instrument for the measurement of fine scale structure of temperature and humidity and hence also the refractive index in the troposhere". Aus der US 50 65 615 ist des weiteren ein Verfahren zur Bestimmung des Gehalts an flüssigem Wasser in der Atmosphäre bekannt, wobei zur Detektion Mikrowellen verwandt werden.For the technological background, reference is made to DE-OS 39 40 041, US 3354 713 and literature in Journal of Scientific Instruments, 1968, Series 2 , Vol. I, 1968, pages 107-112, author DT Gjessing, "A simple instrument for the measurement of fine scale structure of temperature and humidity and hence also the refractive index in the troposhere ". From US 50 65 615 a method for determining the content of liquid water in the atmosphere is also known, microwaves being used for the detection.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und ein einfaches Gerät zum Ermitteln wolkenphysikalischer Kenndaten, wie Bedeckungsgrad, Dichte der Wolken, Höhe der Wolken, ggf. Schichtdicke der Wolken zu schaffen, das im lokalen Bereich beispielsweise für kurz fristige Wettervorhersagen bzw. Prognosen auch zu Wetterver änderungen benutzbar ist, um damit beispielsweise Klimageräte oder andere von der Witterung abhängige Steuerungen und Regelungen zu verbessern oder aber für Wetter- und Straßen dienste ergänzende Aussagen liefern kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe für ein Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 und für die Durchführung des Verfahrens schlägt sie eine Anlage gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 3 vor. Die Erfindung nutzt zur Ermittlung der Bewölkung und wolkenphysikalischer Kenndaten vorhandene Fernsehsatelliten in Verbindung mit einer Empfangsanlage für die Fernsehsignale und in Verbindung mit örtlichen Temperaturmeßdaten der Oberfläche und der Luft.The invention has for its object a simple Method and a simple device for detection cloud physical characteristics, such as degree of coverage, density of the clouds, height of the clouds, possibly layer thickness of the clouds create that in the local area for short Timely weather forecasts or forecasts also for weather forecast changes can be used, for example, to control air conditioning units or other weather dependent controls and Improve regulations or for weather and roads services can provide additional statements. The invention solves this task for a method according to the characteristic Features of claim 1 and for the implementation of In terms of procedure, she proposes a plant according to the characteristic Features of claim 3 before. The invention uses Determination of cloud cover and cloud physics data existing television satellites in connection with a Receiving system for the television signals and in connection with local temperature measurement data of the surface and the air.

Das Verfahren und eine Anlage zur Ermittlung des Bedeckungsgrades des Himmels mit Wolken, der Wolkenarten und deren Dichte sowie der Schichtdicke der Wolken und ihrer Höhe über der Erdoberfläche wird nachfolgend an dem in Fig. 1 dargestellten Schema erläutert. Ein nicht dargestellter Fernsehsatellit, beispielsweise in 36 km Höhe über der Erdoberfläche, strahlt die Fernsehprogramme in zwei Polarisationsebenen aus, horizontal und vertikal. Die Signale S der einzelnen Fernsehkanäle sind FM-moduliert (Frequenz moduliert). Bei der FM-Modulation entstehen keine Signalschwankungen. Die erfindungsgemäße Anlage ist nun mit einem Parabolspiegel 1 mit beispielsweise 80 cm Durchmesser und einem Empfangskonverter 2, der auf den Fernsehsatelliten ausgerichtet ist, ausgerüstet. In den Parabolspiegel ist ein handelsüblicher Empfangskonverter eingesetzt, der die Fernsehsatelliten-Signale ES einer Polarisationsebene mit allen Kanälen empfängt. Aus diesem Empfangskonverter 2 kommt ein Zwischenfrequenzsignal ZS von etwa 950 bis 1800 MHz. Dieses Zwischenfrequenzsignal ist ein Summensignal aller Fernsehkanäle auf dieser Polarisationsebene und wird nachfolgend in einem zweistufigen Zwischenfrequenzverstärker 3 verstärkt und anschließend gleichgerichtet.The method and a system for determining the degree of coverage of the sky with clouds, the cloud types and their density as well as the layer thickness of the clouds and their height above the earth's surface are explained below using the diagram shown in FIG. 1. A television satellite, not shown, for example at a height of 36 km above the earth's surface, broadcasts the television programs in two polarization planes, horizontally and vertically. The signals S of the individual television channels are FM-modulated (frequency modulated). With FM modulation there are no signal fluctuations. The system according to the invention is now equipped with a parabolic mirror 1 , for example 80 cm in diameter, and a reception converter 2 , which is aimed at the television satellite. A commercially available reception converter is used in the parabolic mirror, which receives the television satellite signals ES of a polarization plane with all channels. An intermediate frequency signal ZS of approximately 950 to 1800 MHz comes from this reception converter 2 . This intermediate frequency signal is a sum signal of all television channels on this polarization level and is subsequently amplified in a two-stage intermediate frequency amplifier 3 and then rectified.

Der Zwischenfrequenzverstärker ist mit der Gleichrichtung ausgerüstet. Der Zwischenfrequenzverstärker liefert die Signalspannung SS, die in einem anschließenden Meßverstärker 4 auf eine auswertbare Meßgröße gebracht wird. Der Meßverstärker ist mit einem Netzteil ausgerüstet. Die so verstärkte Signalspannung VSS wird dann einem Interface 5 zugeführt. Dem Interface 5 werden auch die Meßdaten der mit den Temperaturfühlern 7 und 8 ermittelten Oberflächentemperatur T1 und Lufttemperatur T2 zugeführt. Das Interface 5 bildet die Schnittstelle der ermittelten aktuellen Meßdaten VSS und T1 bzw. T2 zu einem Rechner mit Auswertung, beispielsweise einem PC (Personal Computer) 6. Der PC kann des weiteren mit Anzeige und Ausgabe, wie Bildschirm, Drucker oder dergleichen 9, ausgerüstet werden.The intermediate frequency amplifier is equipped with the rectification. The intermediate frequency amplifier supplies the signal voltage SS, which is brought to an evaluable measured variable in a subsequent measuring amplifier 4 . The measuring amplifier is equipped with a power supply. The signal voltage VSS thus amplified is then fed to an interface 5 . The interface 5 also receives the measurement data of the surface temperature T1 and air temperature T2 determined with the temperature sensors 7 and 8 . The interface 5 forms the interface of the determined current measurement data VSS and T1 or T2 to a computer with evaluation, for example a PC (personal computer) 6 . The PC can also be equipped with display and output, such as a screen, printer or the like 9.

Um nun Zusammenhänge zwischen dem Bedeckungsgrad und den Bewölkungsarten zu erlangen, ist eine Grundkalibrierung, d. h. die Vorgabe von Bezugsgrößen, erforderlich, die empirisch ermittelt werden und in dem Rechner gespeichert werden. Eine Bezugsgrößengruppe stellen bei definierten Verhältnissen ermittelte Signalspannungen der vom Fernsehsatelliten empfangenen Fernsehsignale dar. Beispielsweise bei klarem Himmel liegen die Meßwerte der verstärkten Signalspannung VSS in einem bestimmten Bereich, der noch von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Entsprechend wird eine derartige verstärkte Signalspannung als Bezugsgröße ermittelt und festgelegt, und zwar in Verbindung mit klarem wolkenlosem Himmel, also Null Wolken.In order to find connections between the degree of coverage and the Obtaining cloud cover types is a basic calibration, i. H. the specification of reference values, required empirically be determined and stored in the computer. A Set reference group in defined conditions determined signal voltages of the from the television satellite received television signals. For example, when clear Heavens are the measured values of the amplified signal voltage VSS in a certain range that is still from the relative Humidity is dependent. Accordingly, such amplified signal voltage determined as a reference and fixed, in connection with clear cloudless Sky, so zero clouds.

Um Grundbezugsgrößen für unterschiedliche Bewölkungen zu erhalten, wird eine Oberflächentemperatur und eine Lufttemperatur gemessen, wobei die Differenzen der beiden Temperaturen sich statistisch zur Bewölkung korrelieren lassen, da die Differenz die Strahlungsbilanz der Oberfläche ausdrückt, wenn die gemessene Lufttemperatur sich in einem den gemessenen Oberflächenbereich zugeordneten und definierbaren Abstand befindet. Beispielsweise wird ein Temperaturmeßgerät, wie Temperaturfühler in 5 cm über einer Oberfläche, z. B. über Gras, außerhalb von Gebäuden installiert, hiermit wird die Temeratur T1 entsprechend einer am Erdboden herrschenden Temperatur gemessen. Der zweite Temperaturfühler wird z. B. in 2 m Höhe über dem ersten Temperaturfühler, d. h. über derselben Oberfläche, aufgebaut. Mit diesem zweiten Temperaturfühler wird die Temperatur T2 der Umgebungsluft gemessen. Die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen läßt sich dann statistisch zur Bewölkung korrelieren, denn die Differenz drückt die Strahlungsbilanz der zugeordneten Oberfläche aus. Bei starker Bewölkung tagsüber liegen die Unterschiede zwischen den beiden gemessenen Temperaturen der beiden Temperaturfühler unter 1,5°K während sie bei klarem Himmel bei über 3°K liegen.To base reference sizes for different clouds too is obtained, a surface temperature and a Air temperature measured, showing the differences between the two Temperatures can be correlated statistically with cloud cover, since the difference expresses the radiation balance of the surface, if the measured air temperature is in a the measured Surface area assigned and definable distance located. For example, a temperature measuring device, such as Temperature sensor in 5 cm above a surface, e.g. B. over grass, installed outside of buildings, this is the temperature T1 corresponds to a temperature prevailing on the ground measured. The second temperature sensor is e.g. B. at a height of 2 m over the first temperature sensor, d. H. over the same Surface, built up. With this second temperature sensor the temperature T2 of the ambient air is measured. The difference in The two measured temperatures can then be statistically Clouds correlate because the difference expresses the Radiation balance of the assigned surface. With strong Clouds during the day are the differences between the two measured temperatures of the two temperature sensors below 1.5 ° K while above 3 ° K when the sky is clear.

In der nachfolgenden Fig. 2 sind empirisch ermittelte Kenndaten-Indexwerte für Bewölkungsarten und -dichten aus Temperaturdifferenzen der vorangehend beschriebenen Anordnung dargestellt. Ein derartiges Schema mit Bezugswerten kann nun in dem Rechner zur Grundlage von Bezugsgrößen und zum Auswerten durch Vergleichen eingegeben und benutzt werden.The following FIG. 2 shows empirically determined characteristic data index values for cloud types and densities from temperature differences of the arrangement described above. Such a scheme with reference values can now be entered and used in the computer for the basis of reference values and for evaluation by comparison.

In der Vertikalen der Abbildung nach Fig. 2 sind die aus den Temperaturdifferenzen normierten ermittelten Bewölkungsindices aufgeführt und hierzu die jeweils eindeutig identifizierten Wolkentypen mit Bedeckungsgrad auf der Horizontalen zugeordnet. Weitere Angaben sind der Fig. 2 entnehmbar.The determined clouding indices standardized from the temperature differences are listed in the vertical of the illustration in FIG. 2, and for this purpose the respectively clearly identified cloud types with degree of coverage on the horizontal are assigned. Further information can be found in FIG. 2.

In weiterer Ausbildung des Verfahrens wird dieses dadurch verbessert, daß als Kenndaten der Bewölkungsdichte deren Feuchtigkeitsgehalt über eine Laufzeitmessung indirekt ermittelt und bei der Auswertung berücksichtigt wird. Dies wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 und 4 erreicht.In a further development of the method, this will improved that as a characteristic of the cloud density Moisture content indirectly via a runtime measurement is determined and taken into account in the evaluation. this will According to the invention according to the characteristic features of Claims 2 and 4 achieved.

Das Verfahren ist des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Zeitrahmens und einer Zeitreferenz die Verzögerung der Mikrowellensignale durch die Atmosphäre gemessen wird. Diese Laufzeitveränderung in der Atmosphäre wird durch Flüssigwasser - Wolken - hervorgerufen. Mikrowellen werden in Wasser verlangsamt. Es ergibt sich eine Proportionalität zwischen dem in der Atmosphäre vorhandenen Flüssigwasser und den Zeitwerten. Die eigentliche Ursache ist die hohe Dielektrizitätszahl von Wasser. Damit wird das Mikrowellensignal nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit in Wasser übertragen, sondern langsamer. Mit Hilfe dieses Wertes kann nun genau die Flüssigwassermenge bestimmt werden. Damit stehen nun Angaben über den Wasserdampfgehalt und den Flüssigwassergehalt der Atmosphäre zur Verfügung, woraus wiederum auf die Qualität und Quantität der Bewölkung geschlossen werden kann. The method is further characterized in that with Using a time frame and a time reference the delay of microwave signals is measured by the atmosphere. This runtime change in the atmosphere is caused by Liquid water - clouds - caused. Microwaves are in Water slows down. There is a proportionality between the liquid water in the atmosphere and the current values. The real cause is the high one Dielectric constant of water. So that will be Microwave signal no longer at the speed of light in water transmitted, but slower. With the help of this value you can now exactly the amount of liquid water can be determined. Now stand there Information about the water vapor content and the liquid water content the atmosphere available, which in turn affects the quality and quantity of cloud cover can be inferred.

In der Fig. 3 ist das in Fig. 1 erläuterte Verfahren ergänzt um Einrichtungen zum Messen der Zeitdifferenz der Laufzeitsignale. Das Zwischenfrequenzsignal des Emgfangskonverters wird hierzu einem Kanalempfänger 10 zugeführt. Dort wird dieses Signal demoduliert und dann einem Phasenvergleicher 11 zugeführt. Dieser Phasenvergleicher wird von einer hochstabilen Zeitreferenz gespeist, mit Hilfe einer extrem genauen Zeitmessung, zum Beispiel von einer Atomfunkuhr 12, die das Bezugsgrößensignal liefert. Das resultierende Produkt aus dem Phasenvergleicher zeigt die Laufzeitunterschiede an. Weil die Signale, die dem Satelliten von der Bodenstation zugeführt werden, ebenfalls an einer extrem genauen Zeitmessung synchronisiert werden, lassen sich die Laufzeitunterschiede messen. Diese Werte werden ebenfalls in den Computer eingegeben. Die Laufzeitunterschiede findet man daher, daß Mikrowellen in dem Medium Wasser langsamer transportiert werden. Daher sind die Laufzeiten proportional zu den Flüssigwassermengen in der Atmosphäre.In FIG. 3, the method explained in FIG. 1 is supplemented by devices for measuring the time difference of the transit time signals. For this purpose, the intermediate frequency signal of the reception converter is fed to a channel receiver 10 . This signal is demodulated there and then fed to a phase comparator 11 . This phase comparator is fed by a highly stable time reference, with the aid of an extremely precise time measurement, for example by an atomic radio clock 12 , which supplies the reference variable signal. The resulting product from the phase comparator shows the runtime differences. Because the signals that are sent to the satellite from the ground station are also synchronized with an extremely precise time measurement, the transit time differences can be measured. These values are also entered into the computer. The runtime differences are therefore found in that microwaves are transported more slowly in the medium water. The transit times are therefore proportional to the amount of liquid water in the atmosphere.

So läßt sich mit den Signalspannungswerten und den Temperaturdifferenzwerten mit empirisch ermittelten Bezugsgrößen eine sichere Statistik aufbauen, die es ermöglicht, die aktuelle Bewölkung und den Bedeckungsgrad aus aktuell empfangenen Fernsehsignalen und hieraus gewonnenen Signalspannungen und den aktuell gemessenen Temperaturdifferenzwerten durch entsprechende Korrelierung und Vergleich zu ermitteln. Die ermittelten Signalspannungswerte, die ja die Feldstärke des Fernsehsatelliten widerspiegeln, sinken auf Grund der Dämpfung in der Atmosphäre durch die Bewölkung. So kann mit beiden Meßwerten eine sichere Statistik aufgebaut werden, mit der man die Bewölkung und ihre wolkenphysikalischen Kenndaten ermitteln kann. Es ist möglich, den Bedeckungsgrad, tiefe Bewölkung, mittelhohe Bewölkung, Niederschläge, die Schichtdicke von tiefer Bewölkung zu ermitteln. Anwendbar ist das erfindungsgemäße Verfahren bei den Wetterdiensten, wo zum Beispiel, wenn das System flächendeckend installiert ist, die Bewölkungsbeobachtung mit Personal entfallen kann, da dann mit Hilfe der Wettersatelliten und dem erfindungsgemäßen Bodenbeobachtungssystem und Auswertungssystem die Atmosphäre komplett automatisch überwacht werden kann.So with the signal voltage values and Temperature difference values with empirically determined Build a reliable statistic that it enables the current cloud cover and the degree of coverage currently received television signals and those obtained therefrom Signal voltages and the currently measured Temperature difference values by corresponding correlation and To determine comparison. The determined signal voltage values, which reflect the field strength of the television satellite, decrease due to the damping in the atmosphere by the Clouds. In this way reliable statistics can be obtained with both measured values be built with which to cover the clouds and their can determine cloud physical characteristics. It is possible, the degree of coverage, deep cloud cover, medium-high cloud cover, Precipitation, the layer thickness from deep cloud to determine. The method according to the invention is applicable to the Weather services where, for example, if the system is nationwide is installed, the cloud observation with personnel can be omitted, because then with the help of the weather satellites and the Soil observation system and evaluation system according to the invention the atmosphere can be monitored completely automatically.

Claims

1. A method for determining cloud-physical characteristics of current cloudiness, characterized in that the signals from a television satellite are received and the signals of a polarization level are selected by all television channels and an intermediate frequency signal (ZS) is formed from this as a sum signal of all television channels on this polarization level, the intermediate frequency signal is subsequently amplified and is then rectified and the signal voltage (SS) obtained from it is amplified to the evaluable measurement variable (VSS) and fed to a computer via an interface, and additionally an outside temperature (T1) on a surface and an adjacent air temperature located at a predetermined distance above the surface ( T2) measured and the temperature measured values are fed to the computer via the interface, the computer correlating signal voltages as a reference variable with empirical determination with defined types of clouds and degrees of cloud cover contains stored and furthermore empirically determined temperature differences determined from the radiation balance of a surface and its ambient air depending on the degree of cloudiness as further reference values and compares the received amplified signal voltage and the simultaneously determined temperature difference (T1 minus T2) with the stored reference values in the computer and by evaluating the current degree of coverage and other cloud-physical characteristics.

2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate frequency signal (ZS) also branched, demodulated and with time measurement data one highly stable time reference compared and from this resulting the difference of runtime differences corresponding time difference signal to the computer via the Interface is fed.

3. System for determining cloud-physical characteristics of current cloudiness according to the method of claim 1 or 2, characterized in that a parabolic mirror suitable for receiving signals from a television satellite is provided with a reception converter which receives the signals coming from the satellite of a polarization level with all television channels and a Intermediate frequency signal (ZS) forms a sum signal of all television channels, which is approximately 950 to 1800 MHz, and a two-stage intermediate amplifier with rectification for the intermediate frequency signal and a downstream measuring amplifier with power supply for the signal voltage rectified by the intermediate frequency amplifier (FS), as well as via an interface Connected computer with a storage and computing unit containing a reference variable for comparing and evaluating the current measured values, and temperature sensors ( 7 , 8 ) for measuring the outside temperature (T1) on a surface and an adjacent air temperature (T2) is provided, the measurement data being fed to the interface ( 5 ).

4. Plant according to claim 3, characterized in that the receive converter in parallel to the measuring amplifier a channel receiver for demodulating the Intermediate frequency signal is subordinate, with a Phase comparator is connected by a highly stable time reference is fed, which in the Resulting phase comparator formed Time difference signal via a line to the interface is feedable.