Het is mogelijk om regen te meten met de bestaande infrastructuur die wordt gebruikt voor de communicatie tussen mobiele telefoons. De microgolfstraalverbindingen 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 naar aanleiding van radarbeelden en de dichtheid van het netwerk vele malen hoger ligt dan de dichtheid van regenmeternetwerke

Leijnse, H.

Stricker, J.N.M.

Uijlenhoet, R.

Dutch

Wageningen Yield 

37H2O / 11 - 2008
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.
Een 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 (mm6 m−3)
0 2 4 6 8
k (dB km−1)
R 
(m
m
 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 
(m
m
 h
−1
)
26 oktober 2003
00:00 02:00 04:00 06:00
0
1
2
3
4
5
tijd (UTC)
R 
(m
m
 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.
39H2O / 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
 (m
m
 h
−1
)
2
4
6
8
10
12
14
16
18straalverbinding
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
advertentie


Regenmeting met commerciële mobiele telefonienetwerken

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Wageningen Yield

NARCIS