Radarmeteorologie

RADAR - Meteorologie

Das Wetterradar vermittelt laufend meteorologische Größen in einem Umkreis 256 km. Ein Sendepuls in Wolken mit Niederschlag verursacht über einen Rayleigh-Streuprozess an Wassertröpfchen ein "Echosignal". Die Radarwellenlänge (C-Band, 5,3 cm) ist auf kleine Regentröpfchen abgestimmt (0,2 bis 6 mm ∅), der Radarstrahl (1°) bewegt sich vor allem in Bodennähe <1500 m , aber auch in schichten darüber.

Der Radarreflektivitätsfaktor Z aller Niederschlagsteilchen in der Raumeinheit 1°/km betont bei Zunahme Tropfengrößen gegenüber der -anzahl (mm6) im Regentropfenspektrum und lässt laufend eine Bestimmung der Regenrate R über Bodenflächen zu (Z/R-Beziehung, Z=A*Rb, A,b empirische Grössen, z.B. 200 bzw. 1,6 ). Schneebestimmung ist wegen der stark variablen Flockenformen und Befeuchtungen schwieriger, Hagel ist mit >55 dBZ erkennbar ("dBZ"=10*log Z).

Radarbild Deutschland mit Messgröße Radarreflektivität Z in 7 logarithmischen Farbklassen 1-55 dBZ aller 16 Wetterradarkreise (je 128 km Radius) des DWD Radarverbundes mit Farbechos verschiedener Niederschlagsarten und Fronten (WF: Warmfront), mit homogenem und Schauerniederschlag. Im Radarbild ist Schnee und Regen zunächst nicht unterscheidbar.

Radarbild © DWD, Offenbach
Echoabstufung

Die vertikale Echoabstufung in einer Wolke vermittelt Informationen zum schichtweisen Niederschlagsprozess (Konvektivität). Die drei Kategorien der vertikalen Echoabstufung, zurückgehend auf unterschiedliche Nieder-schlagsprozesse und Hebung (Pfeile). Mit angegeben sind die typischen Regenraten, Anhaltdauern sowie ungefähre Nullgradhöhen.

Der Niederschlagsprozess entscheidet über das Tropfenspektrum, zunehmende Konvektivität bzw. Hebung fördert die Bildung größerer Tropfen und ändert die Z/R-Beziehung bei der Niederschlagsbestimmung. Im 3-10 mm/h Segment gibt es einen mehr konvektiven und mehr stratiformen Prozess bei ähnlichen Reflektivitäten.

© DWD, Offenbach

Welche Niederschlagstypen unterscheidet das Radar ?

Niederschlagsprozesse

Die Niederschlagsprozesse in nichtkonvektiven Schichtwolken, kleinem Nimbostratus und Cumulonimbus werden hier in einer Schemazeichnung skizziert (Beispiel für die Niederschlagsentwicklung in diversen Wolkenstockwerken). Dabei spielen für die Radarreflektivitäten die erzeugten Tropfenspektren und ihre Wasseranlagerungen ("riming") eine grosse Rolle. Bei stärkeren stratiformen Niederschlägen spielt die Hebung unterkühlter Wassermassen über die Nullgradgrenze in die Schneeschicht eine wichtige Rolle. Die "Winddrift" der Tröpfchen ergeben als Dopplerwert den "Radialwind". Hierbei wird die Driftkomponente nur in Blickrichtung erfasst, zum erwünschten (horizontalen) Windvektor fehlt die zweite Windkomponente (und die Fallgeschwindigkeit). © DWD, Offenbach

Warum sind Echowerte nicht das, was man erwartet ?

Schmelzschicht

Die Erkennung der Schneeschmelzschicht als "Helles Band" (verstärktes Echo wegen großer feuchter Flocken) ist meteorologische Information (wenig Konvektivität, Schmelzhöhe) und Messbeeinflussung zugleich. An Fronten mit Schichtbewölkung (WF) sind die schaueräquivalenten Echofarben an mehreren Radarstandorten unübersehbar. Ringstrukturen gehen auf den schmalen Entfernungsbereich eines die BB-Schicht schräg durchlaufenden Messstrahls zurück (unten). Violetter Ring des Hellen Bandes um ein Wetterradar. Verstärktes Echo, wenn der schräge Messtrahl die flache Schmelzschicht durchquert. Hier dazu eine ziehende Schauerlinie. Das Radarbild zeigt im Strichelkreis Regenechos, ausserhalb Schnee. Die Seitenstreifen geben Echoverteilung vertikal wider. Schneefront Das Helle (echoverstärkte) Band, "Bright Band BB" der Schmelzschicht, erzeugt durch feuchte grosse Flocken (Kreis, wegen schrägem Messwinkel), stört die Regenbestimmung am Boden. Die grünen Echopunkte im oberen Vertikalschnitt schwächen sich nach unten, zum Boden zu wieder ab (Kasten). Schauerlinien können den hellen Ring durchqueren. Das helle Band wird besonders deutlich nach der 1h-Regenakkumulation (re.) © DWD, Offenbach

Welche Messeinflüsse muss man noch kennen ?

Schneefront

Beispiel einer (gelben) "Dämpfungsschneise" (gestrichelt) durch starken Niederschlag im Vordergrund (grün, bis 20mm/h) des Münchener Radarstrahls. Dadurch werden innerhalb der Schneise die Regenechos von blau-violett auf gelb reduziert. Dazu regnet es auch auf das Radargerät selbst (Rahmen), allerdings nicht sehr stark. Dies kann einen weiteren Dämpfungseffekt in vielen Richtungen bedeuten. Die Schwierigkeit einer Dämpfungskorrektur liegt nicht im Erkennen der Situation sonder im Mass der Wertanhebung selbst.
Beispiel unerwünschter nichtmeteorologischer Echos in Form von bewegten Schiffen in der Ostesee in ihrer Summierung. Aber auch offshore windparks (Rahmen) sind "bewegt" zu sehen.

Schneefront

Wetterradar

Allgemeines

Das Prinzip des Wetterradars beruht auf der Rückstreuung von elektromagnetischer Strahlung an Regentropfen. Moderne Wetterradars sind gepulste Mikrowellensender mit einem überlagerungsempfänger in monostatischer Anordnung. Das heißt:

Mikrowellen:
Der Sender erzeugt elektromagnetische Schwingungen im cm-Bereich (im DWD: 5,32 cm Wellenlänge oder 5.64 Ghz Frequenz , C-Band, erzeugt durch ein Magnetron).

Gepulste Strahlung:
Es werden nur sehr kurze (ca. 1 us lange) Impulse von 250 kW Leistung ausgesandt, der Abstand zwischen den Impulsen beträgt zwischen 4 ms und 800 us (Pulswiederholfrequenz zwischen 250 Hz und 1200 Hz). Jeder Impuls breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Trifft er auf Regentropfen, so wird ein sehr geringer Anteil zurückgestreut. Aus der Laufzeit zwischen Aussendung und empfangenem Echo wird die Entfernung bestimmt.

Monostatisches Antennensystem:
Es wird für Senden und Empfang dieselbe Antenne (4.2 m Parabolspiegel) verwendet. Die Antenne kann azimutal rotieren (360 Grad) und einen Elevationsbereich von -2 bis 90 Grad abdecken. Die Antennenposition wird auf 1/100 Grad genau zurückgemeldet.

überlagerungsempfänger (Superheterodyn-Empfänger):
Frequenzen im Gigahertz -Bereich lassen sich schwer verarbeiten, z.B. erfordern sie die Verwendung von Hohlleitern statt Drähten. Sie werden deshalb ähnlich wie im UKW-Empfänger auf eine handhabbare Zwischenfrequenz (30 oder 60 MHz) umgesetzt. Die Empfänger müssen eine sehr hohe Empfindlichkeit besitzen (10-14 Watt), um z.B. in einem Kubikmeter noch 10 Tropfen der Größe 1 mm in 230 km Entfernung zu erkennen.

Eigenschaften Messgrösse
Wellenlänge /Frequenz
5,3 cm / 5.64 GHz
Impulslänge
0.8 us oder 2 us
Impulsleistung
250 kW
mittlere Leistung
ca. 250 W
Empfänger-Empfindlichkeit
10-14 W
Antennengröße /
Strahlöffnungswinkel
4.2 m /
1 Grad
Radomdurchmesser
6 m

Stärken und Schwächen

Der große Vorteil eines Wetterradars ist seine mesoskalige räumliche Abdeckung, insbesondere in einem flächendeckenden Verbundsystem, sowie seine raum-zeitliche Auflösung. Die Reichweite eines einzelnen Radars beträgt 250 km Radius ( bei einer Pulswiederholfrequenz von 600 Hz) bzw. 125 km (bei 1200 Hz). Die Raumauflösung ist derzeit 1km * 1Grad * 1 Grad, das ist in 60 km Entfernung ca. 1 km3. Damit kann das Radar auch Schauer geringer Ausdehnung zuverlässig erfassen, die selbst durch ein feinmaschiges Netz von Regensammlern am Boden "hindurchrutschen". Es kann ferner in hoher zeitlicher Auflösung (z.Z. 5 ... 15 min) die Höhenerstreckung und Zuggeschwindigkeit von Gewitterzellen erfassen und Anhaltspunkte für Hagel, Sturmböen und Starkniederschläge geben.

Das Radar nutzt jedoch ein indirektes Messverfahren: Es mißt z.B. die Echostärke in der durch die Antennenposition vorgegebenen Höhe, während der Nutzer die Regenrate am Boden wünscht. Für die Umrechnung sind Modellvorstellungen und Annahmen erforderlich, und die Eigenschaften des Niederschlags können sich auf dem Weg zum Boden gravierend ändern (Schnee -> Regen, Koagulation, Verdunstung).

Vom Echo zum Regenwert

Sowohl die Echostärke (Radar-Reflektivitätsfaktor in mm6/mm3 oder dBZ) als auch die Regenrate (R in mm/h oder dBR) werden durch die Tropfengrößenverteilung bestimmt. Diese ist aber in praxi nicht bekannt. Um dennoch aus der gemessenen Reflektivität den Niederschlag bestimmen zu können, wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Z und R für gemessene oder Modell-Tropfenspektren berechnet (sog- Z/R - Beziehung).

Streuung © DWD, Offenbach

Da die Streuung der R-Werte bei festem Z sehr groß ist, ist das Observatorium Hohenpeissenberg im Projekt AQUARADAR an Arbeiten zur Differenzierung nach bestimmten Moden beteiligt (s. Abb.).

Ein wesentliches Problem bei der quantitativen Niederschlagsbestimmung aus Radardaten entsteht infolge des raum-zeitlichen Versatzes zwischen der Radar-Momentaufnahme eines Volumens in der Höhe und der zeitlich integrierten Punktmessung eines Sammlers am Boden (Repräsentanz-Problematik). Dazu wird operationell eine nachträgliche "Aneichung" der Radardaten an das Bodenmessnetz vorgenommen (RADOLAN).© DWD, Offenbach