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).
© 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
© DWD, Offenbach
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
