Handboek waarnemen -  Bovenluchtmeting
 
Regelmatige en veelvuldige bepaling van de luchtdruk, temperatuur, relatieve vochtigheid, windsnelheid en windrichting in de hogere luchtlagen (tot meer dan 17 kilometer hoogte) is van belang voor de beschrijving van de atmosfeer. In dit verband voert het KNMI meteorologische metingen uit. Daartoe wordt in De Bilt tweemaal per dag, rond 00.00 en 12.00 UTC, een radiosonde aan een ballon opgelaten.

Door middel van deze radiosonde oplatingen wordt een proces van aerologische metingen en datatransmissie op gang gebracht ten behoeve van
de beschrijving van het verticale profiel van temperatuur, relatieve vochtigheid, windsnelheid en windrichting in een kolom lucht boven het aardoppervlak. Genoemde variabelen worden in dit profiel afgezet tegen de atmosferische druk. De meetwaarden worden tevens gebruikt om allerlei parameters af te leiden die een essentieel hulpmiddel zijn voor de meteoroloog om direct inzicht te krijgen in de mate van onstabiliteit van de atmosfeer. De waarde van dergelijke parameters (of indices) bepaalt dan de kans op bijvoorbeeld onweer, buien en zware windstoten.
Eenmaal per week, te weten iedere donderdag 12.00 UTC, wordt een speciale radiosonde met ozondetector opgelaten en kan er op grote hoogte
het ozongehalte in de atmosfeer worden gemeten.

Vanaf 31 januari 2004 worden door het KNMI de bovenlucht gegevens, windsnelheid en windrichting, tevens afgeleid met behulp van de informatie uit de weerradar. Het Instituut beschikt over twee Doppler radarsystemen (De Bilt, Den Helder), die al vele jaren worden gebruikt om neerslag te volgen. Er zijn nu methodieken ontwikkeld die het mogelijk maken om met de weerradar ook operationeel de windsnelheid en -richting te bepalen op verschillende hoogtes in de bovenlucht. Zowel in het gebied rond Den Helder als De Bilt maakt de radar ieder kwartier een dwarsdoorsnede van het windverloop met de hoogte. Het frequent beschikbaar komen van deze gedetailleerde windinformatie is van groot belang in het geval van gevaarlijk weersituaties, zoals bij storm en kans op (zware) windstoten tijdens buien, alsmede (in het geval van Den Helder) voor de detectie en beschrijving
van zeewind aan de kust.

Op luchthaven Schiphol functioneert specifiek voor de lokale berichtgeving een instrument (SODAR), dat het verticale windprofiel detecteert tot een hoogte van enkele 100 meters boven het aardoppervlak. Via de automatische meteorologische metingen in vliegtuigen wordt kwalitatief
hoogwaardige data met betrekking tot de bovenlucht verkregen. In het bijzonder gaat het hierbij om de metingen van de variabelen windsnelheid (horizontaal, verticaal), windrichting, atmosferische druk en luchttemperatuur. De meetgegevens worden via een internationaal telecommunicatienetwerk doorgegeven aan de meteorologische instituten, waaronder het KNMI.

Het verzendsysteem wordt aangeduid met Aircraft Meteorological DAta Relay (AMDAR). Op basis van de data kan een verticaal profi el van de atmosfeer worden gemaakt. De aldus verkregen informatie is in toenemende mate van operationeel belang voor de weerberichtgeving, in het
bijzonder ook voor de luchtvaart.
 
Instrumenten en techniek
 
Radiosonde:

De radiosonde bevat drie meetinstrumenten:
1. Een aneroïde-barometer voor het meten van de luchtdruk. De vormverandering van de drukdoos wordt langs mechanische weg omgezet in
    capaciteitsverandering van een condensator.
2. Een condensator voor het meten van de luchttemperatuur. Aangezien de diëlectrische constante afhankelijk is van de temperatuur, worden
    temperatuursveranderingen omgezet in capaciteitsveranderingen van de condensator.
3. Een duo condensatoren voor het meten van de relatieve vochtigheid. In het diëlectricum van de condensator wordt waterdamp uit de lucht
   geabsorbeerd, zodat vochtigheidsveranderingen worden omgezet in capaciteitsveranderingen van de condensator. Het duo alterneert in gebruik.
   Aldus kan in één condensator het neergeslagen vocht worden verdampt, terwijl de andere condensator de operationele sensor is.

Achtereenvolgens wordt elk van deze drie condensatoren opgenomen in een elektrische schakeling. Deze wekt een trilling op waarvan de frequentie bepaald wordt door de capaciteit van de condensator en dus door respectievelijk luchtdruk, temperatuur en luchtvochtigheid. Met behulp van een zendertje, dat in de sonde is ingebouwd, worden deze signalen doorgegeven naar de signaalontvanger die deel uitmaakt van het grondstation.

Plaatsbepalingssysteem ten behoeve van windmeting

De gegevens windrichting en windsnelheid worden middels het LORAN-C (LongRangeNavigation) plaatsbepalingssysteem verkregen.

LORAN-C is een wereldwijd (noordelijk halfrond) plaatsbepalingssysteem dat gebruikt maakt van zenders die pulsen in de 90 - 110 kHz frequentie band uitzenden. De zenders worden weer verdeeld in ‘Chains’ (ketens). Elke ‘Chain’ bestaat uit tenminste 3 zendstations. De LORAN-C methode maakt gebruik van de signalen van 2 Chains en tot 12 zenders gelijktijdig. Elke combinatie van tenminste 3 tot 4 zenders is voldoende voor een peiling.

Het dekkingsgebied van een Chain is afhankelijk van diens zendvermogen, de afstand tussen de Chains (master/slave) en de geometrische ligging.
In de radiosonde is een LORAN-C ontvanger ingebouwd en gekoppeld aan het radiozendertje. Informatie over de ontvangst wordt doorgegeven naar het grondstation. Op deze wijze kan op elk moment de positie van de radiosonde worden bepaald. Uit de achtereenvolgende positieveranderingen kunnen de windrichting en -snelheid op een bepaalde hoogte worden berekend. Die horizontale positieverandering wordt immers uitsluitend door de wind veroorzaakt.

Verwerking gegevens door grondstation

Het grondstation in De Bilt bestaat uit een ontvanger en uit elektronische randapparatuur, incl. computer, voor de berekening en verwerking van de radiosondegegevens, alsmede voor de omzetting van de gegevens in een codebericht TEMP. Dat bericht wordt na a. oop van de opstijging nationaal en internationaal verspreid. Het radiosonde data formaat is binaire-code.

Ballon

De radiosonde wordt aan een ballon opgelaten. De ballonnen zijn gemaakt van een materiaal dat bestand is tegen zeer lage temperaturen (<- 75° Celsius) en de op grote hoogte heersende lage luchtdruk (bijv. natuurrubber, chloroprene of een speciale latex component). De ballonnen worden in de vulhut op het KNMI achterterrein gevuld met heliumgas. De stijgsnelheid bedraagt ongeveer 5 à 6 meter per seconde, afhankelijk van het vulgewicht. Er worden, afhankelijk van het soort ballon, hoogten bereikt van 17 tot 35 kilometer.  Na het springen van de ballon komt het geheel aan een parachute (om de valsnelheid te beperken) naar beneden en wordt niet meer hergebruikt.

Ozonmeting

Iedere week wordt op donderdag 12.00 UTC ten behoeve van het internationale atmosferisch ozononderzoek een gecombineerde radio- en
ozonsonde opgelaten. De instrumenten in de ozonzonde meten de hoeveelheid ozon op de diverse hoogtes. De ozonsonde bestaat uit de
ozonsonde sensor model 6A ECC (Electrochemical Concentration Cell ), een pompje om de lucht (met ozon) aan te zuigen en een Interface.
De radiosonde is uitgerust met een Interface-verbinding naar de ozonsonde. De pomp zuigt de buitenlucht aan en voert deze door de
ECC-ozonsensor. Vervolgens vindt er een reactie plaats waarbij de grootheden via de Interface aan de radiosonde worden doorgegeven.
Deze zendt de informatie vervolgensmet de eigen gegevens naar het ontvangststation van het KNMI in De Bilt.

Doppler radar windprofielen

De weerradar is alom bekend vanwege zijn vermogen om op afstand neerslag te detecteren met een hoge ruimtelijke resolutie en een hoge tijdsresolutie. Neerslaggegevens worden verkregen door middel van de radarmetingen vanvia hydrometeoren zoals druppels, sneeuwvlokken, hagelkorrels, etc  gereflecteerde signalen. Het gebruik is velerlei waaronder het monitoren van gevaarlijke weer (trekrichting en intensiteit buien), alsmede hydrologie.

Een groot deel van de weerradars in Europa, waaronder die van het KNMI in Den Helder en De Bilt werken met een C-band Doppler weerradar en
is in staat om dankzij bovengenoemde signalen ook Doppler metingen te verrichten. De Doppler techniek maakt het mogelijk gegevens met betrekking tot de bovenluchtwind te extraheren uit de beweging van de hydrometeoren. Omdat de signaalgolflengte is geoptimaliseerd ten behoeve van neerslagdetectie, zal in principe geen windinformatie kunnen worden gegenereerd als er geen sprake is van neerslag. Overigens kunnen soms toch zwakke reflectiesignalen worden ontvangen via grensvlakken in de atmosfeer, gradiënten in de vochtigheid of via grote wolkendeeltjes.
 
Scan gebied van een dopplerradar 
 
Schematische werking dopplerradar 
 

De radar wind profielen kunnen worden verkregen dankzij de implementatie van het Volume Velocity Processing algoritme in het radarsysteem.
Dit algoritme vereist in principe de aanwezigheid van hydrometeoren. Tevens wordt een lineair windmodel verondersteld. Op basis van de gedetecteerde informatie kan de radiële wind worden berekend voor alle punten in een laag gecentreerd op hoogte ten opzichte van de radar als functie van de afstand, azimuth en elevatie 

Doppler radars verrichten volume scans, dmv re. ectiviteit, ter bepaling van de radiële windsnelheidsgegevens als functie van range, azimuth en elevatie. Zie figuur.

De windsnelheid en –richting kunnen bepaald worden uit de amplitude and de fase, door ontleding van de sinus. Deze techniek wordt Velocity-Azimuth Display (VAD) genoemd, en werd geïntroduceerd 1961. In plaats van het berekenen van één enkele VAD per hoogteen vervolgens een serie VAD’s te ontwikkelen, is het ook mogelijk om een directe berekening te maken op basis van alle beschikbare volume gegevens in een  bepaalde laag.
 
 Deze zogeheten Volume Velocity Processing techniek (VVP) is ontwikkeld 1979. Met behulp van de bovenbeschreven vergelijkingen voor het lineaire wind model kan de radiële wind worden berekend voor alle punten in een laag gecentreerd op hoogte als functie van Range, azimuth en elevatie.

Via een multi-dimensionale en een multi-parameter lineaire fit, kunnen
hieruit de parameters van het lineaire windveld worden geëxtraheerd.
De VVP- techniek is bij uitstek geschikt voor de databerekening in dunne lagen op successievelijke hoogtes ten behoeve van de bepaling van het windprofiel.

De radarsystemen in De Bilt en in Den Helder voeren iedere 15 minuten
een Doppler volume scan uit, waaruit het windprofi el wordt geextraheerd
met behulp van het genoemde VVP algoritme. De windprofielen worden verzameld en gepresenteerd in tijd – hoogte diagrammen.

Deze diagrammen bieden een “on-line monitoring" van het heersende windveld. Tevens worden aldus real time windveranderingen zichtbaar die geassocieerd  kunnen worden met de passage van een lage c.q. hoge druksysteem of de passage van een front.  
 
Opstelling van een dopplerradar
 
SODAR
SODAR ( SOund Detection And Ranging) is een instrument dat opwaarts acoustische pulsen uitzendt.
De geluidsfrequenties varieren van 1 tot 3 kHz. Op grensvlakken in verschillende luchtlagen van de atmosfeer wordt het uitgezonden signaal
verstrooid en gereflecteerd. Dergelijke grensvlakken indiceren verschillen in brekingsindex tussen de luchtlagen als gevolg van windshear,
turbulentie, verschillen in (horizontale) windsnelheid en windrichting, verschillen in stabiliteit van luchtlagen e.d. De teruggekaatste pulsen worden opgevangen met een gevoelige microfoon.

De echotijd van de puls en het spectrum van het gere. ecteerde signaal worden geanalyseerd (Fourier-analyse). Hiermee wordt informatie gedetecteerd met betrekking tot het verticale profiel van windvectoren. Het signaal is vaak krachtig genoeg om door mistlagen te prikken en de
echo’sin hogere lagen te registreren. 

Afhankelijk van de samenstelling van de atmosfeer relatieve vochtigheid, neerslag kunnen met laagfrequente golvenvan 1000 Hz hoogtes van
> 1000 meter bereikt worden. De meetnauwkeurigheid wordt sterk bepaald door deatmosferische omstandigheden.

De toepassingsmogelijkheden zijn:

a) Grenslaagonderzoek met betrekking tot verticale profielen van atmosferische parameters zoals luchtbeweging, vochtigheid, temperatuur e.d.),
b) Directe berichtgeving aan de luchtvaart met betrekking tot de situatie in de onderste luchtlagen turbulentie, down burst, windshear,
   mate van onstabiliteit, windstoten, grote windsnelheidsverschillen, enzovoorts.
c) Calamiteitenmeteorologie: verspreiding gaswolken e.d.,
d) Onderzoek naar luchtkwaliteit.

Met het oog op de kwaliteit en representativiteit van de metingen, dient de SODAR gesitueerd te zijn op een locatie waar in de buurt geen noemenswaardige geluidsgolven worden gegenereerd en waar in de nabije omgeving geen obstakels staan zoals gebouwen, bomen, e.d die
geluid kunnen reflecteren. 

AMDAR

Wereldwijd worden automatische waarnemingen van temperatuur, windsnelheden en druk, die standaard aan boord van vliegtuigen en met hoge frequentie worden verricht, doorgegeven aan de meteorologische gemeenschap. Het verzendsysteem wordt aangeduid met ' Aircraft Meteorological DAta Relay ', met als acroniem AMDAR. Een groot aantal (meer dan 300) Europese vliegtuigen, o.a. van de KLM, participeert in het EUMETNET-AMDAR (E-AMDAR) programma, dat zich concentreert op het verrichten van deze automatische meteorologische metingen ter verwerving van kwalitatief hoogwaardige data met betrekking tot de bovenlucht.

In het bijzonder gaat het hierbij om de variabelen windsnelheid (horizontaal, soms ook verticaal), windrichting, atmosferische druk (voor de bepaling van de hoogte, berekend volgens de International Standaard Atmosfeer) en luchttemperatuur. In de toekomst wordt luchtvochtigheid toegevoegd
zodra de waarneemtechniek voldoet. Ten behoeve van de meting is in de romp van de betrokken vliegtuigen een aantal sensoren gemonteerd. Frequente registratie van genoemde variabelen tijdens het opstijgen en dalen verschaft direct het verticale profi el van de atmosfeer.
Genoemde vliegtuigmetingen geschieden conform internationale WMO richtlijnen.
 
 
Temperatuur sensor op de romp van een vliegtuig
 
De bepaling van de windvector is gecompliceerd en vereist gegevens
van devolgende systemen:

• het navigatiesysteem van het vliegtuig, in welk verband ook de meting
  van de luchtdruk een cruciale rol speelt;
• het systeem ter vaststelling van de luchtsnelheid rond het vliegtuig;
  deze registratie geschiedt met behulp van zogeheten Pitot statische
  buis;
• data van de temperatuursensoren.

Op basis van deze gegevens kan met een vrij hoge nauwkeurigheid de snelheid en richting van het vliegtuig ten opzichte van de aarde en van
de lucht ten opzichte van het vliegtuig worden berekend. Hieruit volgt de 3-dimensionale windvector en daarmee de windsnelheid horizontaal, verticaal en windrichting ter plekke van het vliegtuig.
 
 
 
Voorbeeld Syntemp
 
De nauwkeurige meting van de luchttemperatuur is mede van fundamenteel belang voor de bepaling van afgeleide meteorologische parameters,
in eerste instantie de windsnelheid en –richting. Als meetsensor wordt een platina weerstandsthermometer gebruikt. Deze is in de romp van het vliegtuig ingebouwd. De behuizing is zodanig dat het element goed beschermd is tegen vochtaanslag van wolken.

De gemeten temperatuur dient te worden herleid naar de zogeheten statische temperatuur. Dit is de temperatuur waarde van de vrije lucht stroom
in de atmosfeer ter plekke van het vliegtuig. Bij deze omzetting worden thermo-dynamische factoren, alsmede de verhouding van de gemeten luchtdruk ten opzichte van de bepaalde luchtdruk bij ongestoorde luchtstroom gebruikt.

De wind- en temperatuurgegevens worden middels het VHF (Very High Frequency) communicatiesysteem van het vliegtuig getransporteerd naar
een internationaal telecommunicatienetwerk voor de luchtvaart en van daaruit via het GTS naar het KNMI. Voor een deel van de E-AMDAR vloot verzorgt het Met Office de codering van het FM42 AMDAR-bericht, de DWD verspreidt de BUFR gecodeerde berichten van het overige deel van de vloot.

In het KNMI is als faciliteit voor de Weerdienst een zogeheten Syntemp gerealiseerd. Dit is een verticaal atmosferisch profiel, dat ieder uur wordt gegenereerd en kan worden gepresenteerd via intranet van het KNMI.  Deze Syntemp heeft betrekking op waarnemingen boven Schiphol.

In het Syntemp profiel is zowel AMDAR-data als METAR data verwerkt:

• AMDAR-data; de gemiddelde waarden windsnelheid, windrichting en temperatuur over een periode van de afgelopen 2 uur van verschillende
   vliegtuigen in een 2.5 x 1.5 graden groot gebied over Nederland: 51,5 tot 53,0 graden NB en 3,5 tot 6,0 graden OL. Verticaal is er gemiddeld
   over 25-hPa stappen  (NB verticale reslutie HiRLAM: 50-hPa).
• METAR-data; de gemiddelde waarden temperatuur en dauwpuntstemperatuur, alsmede wolkenbasis hoogten en bedekkingsgraad van de meest
  recente halfuurlijkse METARs van de stations in het betreffende gebied, en de gemiddelde windsnelheid en -richting uit de laatste halfuurlijkse
  METAR van Schiphol.

De Syntemp wordt gepresenteerd in een zogeheten Bijvoet diagram. De wolkenbasis en -hoeveelheid zijn in het diagram toegevoegd in de vorm
van grijze streepjes links:  de lengte stelt het aantal stations voor die op die hoogte een wolkenbasis heeft, en de grijstint geeft aan hoe bewolkt het er gemiddeld was. Een korte donkergrijze balk betekent dan dat 1 station overcast gaf. Een lange lichtgrijze betekent dat meerdere stations lichte bedekkingsgraad van wolken op die hoogte meldden. Een serie van korte balken dicht boven elkaar betekent dat de stations (waarschijnlijk) dezelfde bewolking maar met verschillende wolkenbasishoogten rapporteerden 
 
 
Bron: KNMI handboek waarnemen