Original paper

Performances of a modular PC-based Multi-Tone Sodar system in measuring vertical wind velocity

Contini, Daniele; Grasso, F.M.; Mastrantonio, G.; Viola, A.P.; Martano, P.

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 4 (2007), p. 357 - 365

published: Aug 30, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0218

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ArtNo. ESP025011604005, Price: 29.00 €

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Abstract

In this work we describe a new modular Multi-Tone Sodar system (PC-MTSodar) able to drive up to four antennas radiating acoustic bursts simultaneously, each at a different frequency, and based on and entirely controlled by a Personal Computer (PC). The system uses two synchronised commercial I/O cards and specifically developed software to handle all system functions. It has capabilities of on-line processing of data, has a minimum of dedicated electronics and is sufficiently versatile to be used as a sodar or a minisodar. A decreasing of maintenance and of spurious electronic problems is expected with the reduction of electronics, especially when the system is used in adverse environment. As a test of the system, working at high frequency in a minisodar configuration, a comparison of measured average vertical wind velocity and of its standard deviation σw with the results obtained with another minisodar (Remtech PA1) and with two ultrasonic anemometers has been performed. The and σw are parameters useful in pollution dispersion studies and in the analysis of boundary-layer properties. For example, σw can be used for an indirect estimation of turbulent heat and momentum fluxes and mixing-layer depth if the shear production of turbulent kinetic energy may be considered negligible. Our results indicate that the performances of the two sodar systems in measuring vertical wind are different and the results of the PC-MTSodar are in a better agreement with the ones of the ultrasonic anemometers. In particular there is only a fair agreement between measurements of with the PC-MTSodar system and the ultrasonic anemometers. Both instruments however put in evidence the same long-time average pattern with a predominance of negative during diurnal periods. Measurements of σw show an overestimation in nocturnal low turbulence conditions, due to system errors when vertical velocity fluctuations are too low, and a small underestimation of σw during diurnal convective conditions due to the incomplete coverage of the energy spectrum of turbulence. Our results indicate that there is a high correlation between σw measurements with the PC-MTSodar and the ultrasonic anemometers (Pearson coefficient 0.97) with a good agreement between the measurements of the two instruments for σw greater than 0.2 m/s.

Kurzfassung

Ein neues modulares Multiton-Sodarsystem (PC-MTSodar), das in der Lage ist, bis zu vier Antennen gleichzeitig zu betreiben, wobei jede bei einer anderen Frequenz arbeiten kann, und welches vollständig durch einen Personal Computer (PC) gesteuert wird, wird hier beschrieben. Das System nutzt zwei synchronisierte kommerziell verfügbare I/O-Karten und eine speziell entwickelte Software um alle Systemfunktionen zu kontrollieren. Es bietet die Möglichkeit der online-Datenverarbeitung, hat ein Minimum an zugehöriger Elektronik und kann sowohl als Sodar als auch als Minisodar betrieben werden. Es wird erwartet, dass auf Grund der reduzierten Elektronik der Wartungsaufwand und störende Elektronikprobleme gerade in ungünstigen Messumgebungen abnehmen. Zum Test wurde das System als Minisodar mit hoher Schallfrequenz betrieben und ein Vergleich der gemessenen mittleren Vertikalgeschwindigkeit und ihrer Standardabweichung σw mit den Werten von einem anderen Minisodar (Remtech PA1) und zwei Ultraschallanemometern durchgeführt. Diese beiden Parameter sind wichtig für die Schadstoffausbreitung und die Analyse der Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht. Beispielsweise kann σw bei der indirekten Abschätzung der turbulenten Wärmeund Impulsflüsse und der Mischungsschichthöhe benutzt werden, solange die Erzeugung von turbulenter kinetischer Energie durch Scherung vernachlässigt werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Verhalten der beiden Sodarsysteme bei der Messung des Vertikalwindes unterschiedlich ist, und dass die mit PC-MTSodar erhaltenen Ergebnisse besser mit denen von den Ultraschallanemometern übereinstimmen. Insbesondere findet sich eine ausreichende Übereinstimmung bei der Bestimmung der mittleren Vertikalgeschwindigkeit nur zwischen dem PC-MTSodar-System und den Ultraschallanemometern. Beide Instrumente zeigen jedoch im längeren Mittel das gleiche Muster mit einem Überwiegen negativer während des Tagesganges. Die Messungen von σw zeigen eine Überschätzung der nächtlichen niedrigen Turbulenz und eine kleine Unterschätzung von σw tagsüber bei konvektiven Bedingungen. Das ist einerseits auf Systemfehler bei kleinen Geschwindigkeitsfluktuationen, andererseits auf eine unzureichende Erfassung des gesamten Turbulenzspektrums zurückzuführen. Die Ergebnisse weisen eine hohe Korrelation zwischen den W-Messungen vom PC-MTSodar und den Ultraschallanemometern auf (Pearson-Koeffizient 0,97) mit einer guten Übereinstimmung zwischen den Messungen beider Instrumente für σw -Werte größer als 0,2 m/s.