Regenmeting met commerciële mobiele telefonienetwerken

37 H2O / 11- 2008

platform

platform

Hidde Leijnse, Wageningen Universiteit, leerstoelgroep Hydrologie en Kwantitatief Waterbeheer Remko Uijlenhoet, Wageningen Universiteit, leerstoelgroep Hydrologie en Kwantitatief Waterbeheer Han Stricker, Wageningen Universiteit, leerstoelgroep Hydrologie en Kwantitatief Waterbeheer

Regenmeting met commerciële

mobiele telefonienetwerken

Het is mogelijk om regen te meten met de bestaande infrastructuur die wordt

gebruikt voor de communicatie tussen mobiele telefoons. De

microgolfstraal-verbindingen waaruit deze netwerken bestaan, zijn namelijk gevoelig voor

regen. Zij kunnen als bron van neerslagmetingen daarom een zeer waardevolle

aanvulling zijn op de operationele weerradar en regenmeternetwerken voor

toepassingen in het waterbeheer. Deze toegevoegde waarde ligt in het feit dat

regenintensiteiten geschat uit microgolfstraalverbindingen over het algemeen

nauwkeuriger zijn dan schattingen op basis van radarbeelden en de dichtheid

van het netwerk vele malen hoger ligt dan de dichtheid van

regenmeternet-werken.

E

en microgolfstraalverbinding bestaat uit een zender die een radiosignaal naar een ontvanger stuurt. Als het regent, wordt dit signaal gedeeltelijk uitgedoofd door de regen-druppels in het pad tussen zender en ontvanger. Omdat zowel de mate van uitdoving van het signaal als de intensiteit van de neerslag positief gecorreleerd zijn met de grootte en de concentratie van regendruppels in de lucht, kan meting van deze uitdoving dus worden gebruikt om de regenintensiteit te schatten. In dit artikel wordt de methode om regen te schatten uit microgolfstraalverbindingen beschreven én toegepast op metingen van commerciële microgolfstraalverbindingen1),2)

. De anten-nemasten van dergelijke verbindingen zijn inmiddels bekende objecten in het landschap.

Meetprincipe

Om de relatie tussen de uitdoving en de regenintensiteit te bepalen, zijn datasets van gemeten druppelgrootteverdelingen (metingen van groottes en bijbehorende concentraties van regendruppels in de lucht) gebruikt. Deze zijn gemeten in De Bilt gedurende ruim een jaar (1968-1969)3)

. Voor elke gemeten druppelgrootteverdeling is een regenintensiteit (R) en een specifi eke uitdoving (k) berekend met bekende theore-tische relaties tussen de druppelgrootte enerzijds en de valsnelheid van druppels4) en de (frequentie afhankelijke) elektromag-netische uitdoving5)

anderzijds. Algemeen aangenomen wordt dat het verband tussen

k en R een machtsrelatie is (R = akb )6)

. In afbeelding 1 staat R uitgezet tegen k bij een signaalfrequentie van 38,5 GHz, samen

met de optimale (som der kwadraten van de fouten is minimaal) machtsrelatie. Het is duidelijk uit deze grafi ek dat een eenduidige machtsrelatie de variatie in regenintensiteit redelijk goed verklaart (de zwarte punten liggen dicht bij de zwarte lijn) en dat deze machtsrelatie bovendien bijna lineair is (de exponent ligt dicht bij 1).

Ter vergelijking is in afbeelding 1 R ook uitgezet tegen de radarrefl ectiviteit Z (de grootheid die wordt gemeten door

operationele weerradars, zoals die van het KNMI), met ook een optimale machtsre-latie tussen R en Z. Een vergelijk van deze twee grafi eken toont direct twee van de voordelen van microgolfstraalverbindingen ten opzichte van de weerradar: de relatie tussen de uitdoving en de regenintensiteit is veel eenduidiger én de exponent ligt veel dichter bij 1 (met andere woorden: de relatie is bijna lineair), waardoor de puntrelatie probleemloos kan worden toegepast op meetpadgemiddelden en er van

schaal-0 10000 20000 30000 40000 0 5 10 15 20 25 30

Z (mm

6

m

−3

)

0 2 4 6 8 0 5 10 15 20 25 30

k (dB km

−1

)

R

(mm h

−1

)

R = 3,37 k 1,03 R = 24,6 x 10−3 Z 0,68 k (straalverbinding) Z (radar)

Afb. 1: Machtsrelaties afgeleid uit gemeten druppelgrootteverdelingen. De analyses voor een 38,5 GHz micro-golfstraalverbinding is weergegeven in zwart (onderste x-as), die voor een operationele 5,6 GHz weerradar in rood (bovenste x-as).

38 H2O / 11- 2008

problemen dus veel minder sprake zal zijn. Daarnaast heeft meting met een microgolf-straalverbinding het voordeel van nabij het oppervlak plaats te vinden in tegenstelling de meting met de weerradar, waarvan de uitgezonden bundel met de afstand tot de radar steeds verder stijgt in de atmosfeer en daarmee extra foutenbronnen ontstaan.

Resultaten

In het najaar van 2003 zijn gegevens opgeslagen uit het standaard kwaliteitscon-trolesysteem van een commercieel mobiele telecommunicatiebedrijf. Het betreft de registratie van het eenmaal per kwartier door de antenne ontvangen vermogen, afgerond tot de dichtstbijzijnde volle decibel. De straalverbinding die hiervoor is gebruikt, staat tussen Ede en Wageningen, heeft een signaalfrequentie van 38,5 GHz en is 6,7 kilometer lang. Verder zijn gegevens beschikbaar de regenmeter van het meteo-station van Wageningen Universiteit die ongeveer een kilometer van één van de antennes was verwijderd (zie afbeelding 3) en van het operationele weerradarsysteem van het KNMI.

In afbeelding 2 staan twee voorbeelden van buien, zoals gemeten door de micro-golfstraalverbinding, de regenmeter en het radarsysteem.

In beide grafi eken is te zien dat de straal-verbinding systematisch meer regen meet dan het radarsysteem. Dit kan verschillende oorzaken hebben: de antennes van de straal-verbinding worden nat en zorgen daardoor voor meer uitdoving2),7)

, het nulniveau van het signaal voorafgaand aan de bui wordt overschat of toegenomen wind tijdens de bui veroorzaakt dat de antennes niet meer precies op elkaar staan gericht, waardoor een verlies aan ontvangen vermogen optreedt. Een andere mogelijke bron van fouten is dat een belangrijk deel van een korte (maar mogelijk hevige) bui kan worden gemist doordat slechts één keer per kwartier een meting wordt verricht8)

. Daarnaast is het natuurlijk ook mogelijk dat er fouten in de door de radar gemeten regenintensiteit zitten (zie ook afbeelding 1).

Om de zeer grote discrepantie tussen de regenmeter enerzijds en het radarsysteem en straalverbinding anderzijds in de bui van 26 oktober te kunnen verklaren, is het radarbeeld van 13:20 UTC weergegeven in afbeelding 3, met de locaties van de straal-verbinding en de regenmeter. Duidelijk te zien is dat deze bui een zeer lokaal karakter heeft met zeer hoge gradiënten in regenin-tensiteit. Hierdoor meet de regenmeter vele malen meer regen dan de radar en de straal-verbinding. Dit geeft meteen een belangrijk nadeel van de regenmeter ten opzichte van een microgolfstraalverbinding aan: door het ruimtelijk integrerende karakter van een straalverbinding zijn deze regenmetingen

vaak veel representatiever voor gebieds-gemiddelde neerslag dan metingen van regenmeters.

Conclusie, discussie en lopend

onderzoek

Aangetoond is dat microgolfstraalverbin-dingen uit commerciële mobiele telefonie-netwerken kunnen worden gebruikt om regen te meten. Hierbij moet voor verhoging van de nauwkeurigheid van de neerslagme-tingen rekening worden gehouden met het eff ect van het afronden van het ontvangen vermogen tot de dichtstbijzijnde decibel, van de lange tijd tussen twee opeenvol-gende waarnemingen, van natte antennes en van het niet meer op elkaar gericht zijn van antennes onder invloed van wind. In vergelijking met veelgebruikte methoden om neerslag te meten (regenmeters en weerradar) hebben microgolfstraalver-bindingen enkele belangrijke voordelen na reductie van eerdergenoemde fouten-bronnen.

Bovendien maakt de zeer hoge dichtheid van commerciële straalverbindingen in grote delen van de wereld (bijvoorbeeld 12.000 verbindingen in Nederland tegen circa 35 automatische KNMI-regenmeters) deze methode een zeer veelbelovende bron van accurate neerslaggegevens.

Lopend onderzoek in samenwerking met het KNMI richt zich op het maken van neerslagbeelden uit grote netwerken van deze microgolfstraalverbindingen, waarbij

12:30 13:00 13:30 14:00 0 5 10 15 20

tijd (UTC)

R

(mm h

−1

)

26 oktober 2003

00:00 02:00 04:00 06:00 0 1 2 3 4 5

tijd (UTC)

R

(mm h

−1

)

1 december 2003

straalverbinding

radar

regenmeter

Mast met antennes van mobiele telefonie-bedrijven. De ronde antennes zijn die van microgolfstraalverbindingen.

Afb. 2: Twee regenbuien, gemeten door een microgolfstraalverbinding uit een commercieel netwerk (zwart), het operationele KNMI-weerradarsysteem (rood) en een regenmeter (blauw).

Het netwerk van microgolfstraalverbindingen dat wordt gebruikt door mobiele telefoniebe-drijven, is vaak zeer uitgebreid. Hieronder enkele gegevens:

• In Nederland zijn er ongeveer 12.000 microgolfstraalverbindingen;

• Met een gemiddelde lengte van tussen de drie en vier kilometer heeft Nederland gemiddeld één kilometer straalverbinding per km2_;

• Het netwerk is niet overal even dicht: in stedelijke gebieden is de dichtheid vaak veel groter dan in landelijke gebieden. Deze netwerken bieden dus extra verfi jning van neerslaginformatie in gerioleerd (stedelijk) gebied;

• In veel ontwikkelingslanden bestaat geen infrastructuur voor het meten van neerslag, terwijl er wel commerciële netwerken van microgolfstraalverbindingen zijn. Het lokale waterbeheer en de transportsector kunnen veel profi jt hebben bij benutting van deze methode van neerslag-meting;

• Ook meteorologische modellen ten behoeve van weersvoorspelling en klimaatstudies kunnen profi teren van het beschikbaar komen van neerslaggegevens in deze gebieden.

39 H2O / 11- 2008

platform

op een slimme manier gegevens van het radarsysteem, automatische regenmeters en microgolfstraalverbindingen zullen worden gecombineerd. Hierdoor kan optimaal gebruik worden gemaakt van de voordelen van deze verschillende instrumenten. Daarnaast wordt in samenwerking met Franse collega’s gewerkt aan het

imple-menteren van deze methode van neerslag-meting in West-Afrika. In dit gebied is geen bestaande infrastructuur voor het meten van neerslag. Implementatie kan dan een grote sprong voorwaarts betekenen voor het verbeteren van het lokale waterbeheer en weersvoorspellingen.

LITERATUUR

1) Messer H., A. Zinevich en P. Alpert (2006). Environmental monitoring by wireless communication networks. Science 312, pag. 713. 2) Leijnse H., R. Uijlenhoet en J. Stricker (2007). Rainfall

measurement using radio links from cellular communication networks. Water Resources Research 43, nr. W03201.

3) Wessels H. (1972). Metingen van regendruppels in De Bilt. KNMI.

4) Beard K. (1976). Terminal velocity and shape of cloud and precipitation drops aloft. J. Atmos. Science 33, pag. 851-864.

5) Van de Hulst H. (1957). Light scattering by small particles. John Wiley.

6) Atlas D. en C. Ulbrich (1977). Path- and area-integrated rainfall measurement by microwave attenuation in the 1-3 cm band. J. Appl. Meteorol. 16, pag. 1322-1331.

7) Leijnse H., R. Uijlenhoet en J. Stricker (2007). Hydrometeorological application of a microwave link: 2. Precipitation. Water Resources Research 43, nr. W04417.

8) Leijnse H., R. Uijlenhoet en J. Stricker (2008). Microwave link rainfall estimation: Eff ects of link length and frequency, temporal sampling, power resolution, and wet antenna attenuation. Adv. Water Resour. In druk.

20 km

Noord R (mm h −1 ) 2 4 6 8 10 12 14 16 18

straalverbinding

regenmeter

Afb. 3: Radarbeeld van 13:20 UTC op 26 oktober 2003. De locaties van de microgolfstraalverbinding en de regenmeter zijn ook weergegeven.

Projectleider

(HBO)

Voorbereider/opzichters

(MBO+)

Acquisitie wordt niet op prijs gesteld. www.noorderlink.nl

Als projectleider ben je verantwoordelijk voor grote en/of complexe leidingprojecten. Je ont-werpt en beoordeelt leidingontwerpen en voert netberekeningen uit. Je vertaalt lange- en korte termijnontwikkelingen op het gebied van productie en distributie in de gevolgen voor het leidingnet. Verder werk je mee aan de toepassing van standaardmethoden en nieuwe technieken in het vakgebied.

Als voorbereider/opzichter ontwerp je leiding-projecten, bereid je ze voor en maak je ze uitvoerings-gereed. Je maakt calculaties en planningen en stelt werkomschrijvingen en bestekken op. Toezicht houden op de uitvoering van de projecten is ook een onderdeel van de functie. Je beoordeelt meer-en minderwerk. Verder overleg je met de bij de uitvoering betrokken externe partijen.

Waterbedrijf Groningen,n kroaneg bedrief

Waterbedrijf Groningen

zoekt

frisse waterkrachten

Waterbedrijf Groningen voorziet 260.000 mensen en bedrijven in de provincie Groningen en het Drentse Eelde en Paterswolde van veilig en betrouwbaar drinkwater. Daarnaast leveren wij proceswater in verschillende kwaliteiten, tegen een concurrerende prijs aan de zakelijke markt. We zijn de op één na grootste leverancier van 'water op maat' in ons land. Waterbedrijf Groningen is continu op zoek naar nieuwe waterdiensten en -producten. We denken mee met alle water-gerelateerde partijen en we zijn partner als het gaat om innoverende technieken en oplossingen voor specifieke waterproblemen.

Bij ons bedrijf werken ruim 220 gemotiveerde en deskundige collega's. Zij zorgen er samen voor dat er 24 uur per dag water wordt geleverd aan zakelijke én huishoudelijke klanten, en helpen mee watervraagstukken op te lossen. Word jij een van onze nieuwe collega's die ons hierbij met raad en daad ondersteunt?

Missie: Waterbedrijf

Groningen wil als maatschappelijke onderneming de waterbelangen in de provincie Groningen duurzaam veilig stellen.

Voor de afdeling Nieuwbouw Distributie van ons Ingenieursbureau zijn wij op zoek naar:

Informatie en sollicitatie

We zien je sollicitatie graag voor 14 juni tegemoet. Meer informatie over deze vacatures kun je vinden op

www.waterbedrijfgroningen.nl/werkenbij