Lexikon der Fernerkundung

Wetterradar

Aktives Fernerkundungsverfahren in der Meteorologie vorwiegend zur Ortung und Intensitätsmessung von Niederschlägen. Als Doppler-Radar kann es auch zur Windmessung eingesetzt werden.

Ein Wetterradar besteht aus einer Antenneneinheit einschließlich Radom (Wetterschutz), einem Sender und einem Empfänger, Signal- und Datenverarbeitungsprozessoren, einem Radarrechner sowie einem lokalen Netzwerk mit den erforderlichen Fernmeldeanschlüssen für die Datenabgabe und für Fernzugriffsmöglichkeiten bei der Systemüberwachung.

Das Wetterrader gilt als klassisches Instrument zur flächenmäßigen Erfassung von Niederschlag. Das Radar erlaubt eine hohe räumliche Auflösung (typischerweise 1x1 km²) und eine häufige Messung (typischerweise alle 5 min). Es ist daher bestens geeignet, herannahende Niederschlagsgebiete zu erfassen und kurzfristig vor Starkniederschlägen zu warnen.

Beim Wetterradar wird elektromagnetische Strahlung von einer gerichteten bzw. rotierenden Parabolantenne in die Atmosphäre ausgesandt. Es handelt sich dabei um einen auf ca. 1° gebündelten, energiereichen Puls mit einer Wellenlänge von 3 bis 10 cm. Der Puls trifft dabei auf die in einer Wolke vorhandenen Niederschlagsteilchen, die Hydrometeore (Regentropfen, Eiskristalle, Hagelkörner). Diese Teilchen streuen die Radarstrahlung, und ein Teil davon gelangt durch die Rückstreuung wieder in die Antenne und zwar in der Zeit zwischen den ausgesandten Energieimpulsen. Die aufgefangene Rückstrahlung, das Radarecho, ist sehr schwach und muss deshalb verstärkt werden. Das Zeitintervall zwischen den ausgesandten Impulsen und den dazugehörigen Echos entspricht jener Zeit, die der Impuls braucht, um die doppelte Entfernung (hin und zurück) zu den streuenden Hydrometeoren zurückzulegen. Da sich die Radarstrahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, kann die Distanz vom Radar zu den Partikeln berechnet werden.

Die Echostärke (Radarreflektivität) wird hauptsächlich von der Größe der Hydrometeore bestimmt, mit abnehmender Größe verliert das Echo rasch an Stärke. Bei den üblichen Wellenlängen der Wetterradargeräte geben die Wolkentröpfchen noch kein Radarecho, sie sind zu klein. Dagegen streuen die Regentropfen (>0,1 mm Ø), d.h. Niederschlag, der aus der Wolke ausfällt, die Radarstrahlen stark. Auch ist das Echo stärker, je mehr Tropfen sich im Radarstrahl befinden. Wasser streut stärker als Eis. Wassertropfen geben somit ein stärkeres Radarecho als "trockene" Graupeln gleicher Größe. Sehr starke Reflexe kommen auch von schmelzenden Schneeflocken, die mit einer Wasserhaut überzogen sind. Ebenfalls sehr stark ist der Reflex an Hagelkörnern. Das Verfahren eignet sich somit zur Hagelwarnung bei sommerlichen Gewittern.

Wetterradar - Prinzip (Animation) Wetterradar - Prinzip (Animation)

Wetterradare senden Pulse im Mikrowellenbereich, d.h. die Wellenlänge liegt im Bereich von 1 bis 10 cm. Ziel ist, dass die Wellenlänge ein wenig grösser als die grössten zu beobachtenden Teilchen ist (ideale Streueigenschaften).
Es wird jeweils ein Puls von ca. 1 Mikrosekunde Dauer gesendet, dann wird sofort in den Empfangsmodus umgeschaltet, d.h. der Sender bleibt für ca. 1 Millisekunde stumm und hört Echos ab. Nach dieser Millisekunde sollten keine Echos mehr eintreffen und der nächste Puls kann gesendet werden.

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Quelle: ETHZ - IAC

Neben der Intensität der rückgestreuten Signale erfassen die Radaranlagen über die Dopplerverschiebung auch die mittlere radiale Geschwindigkeit der Niederschlagsteilchen. Ein Dopplerfilterverfahren entfernt die sogenannten 'Clutter'. Clutter sind Festechos, die durch hohe Gebäude oder Hügel verursacht werden. Störungen durch bewegte Objekte, z.B. Flugzeuge und Windenergieanlagen (WEA), lassen sich jedoch damit nicht beseitigen. Sie blenden gewissermaßen das Radar. Sicherheit hat jedoch Vorrang, daher muss das Umfeld in einem Radius von 15 Kilometern von solchen Objekten freigehalten werden.

Nach der Digitalisierung der Signale verarbeiten der Signalprozessor und der Radarrechner die Daten weiter. Der Radarrechner steuert und überwacht auch das gesamte System.

Bedingt durch die Physik der Streuung der Radarstrahlung an Regentropfen ist der Zusammenhang zwischen Radarrückstreusignal (Reflektivität) und am Boden ankommende Regenrate nicht eindeutig; der Fehler bei der Niederschlagsmessung mit einem konventionellen Wetterradar kann deshalb unter Umständen recht hoch sein. Mit einem polarimetrischen Wetterradar (z.B. POLDIRAD in Oberpfaffenhofen) können aber mehrere unabhängige Variablen des Niederschlags erfasst werden. Die Regenrate kann dann genauer und ohne zusätzliche Korrekturen bestimmt werden.

Wetterradarbild Wetterradarbild Quelle: meteoradar.ch

In Deutschland liefert das Wetterradar des DWD seinen Experten alle fünf Minuten einen Scan (Abtastung) mit den aktuell gemessenen Werten der Niederschlagsechos zur Auswertung: Die Abtastung beginnt mit dem Precipitation-Scan, der den bodennahen Niederschlag bis zu 150 km Entfernung erfasst. Danach wird die gesamte Atmosphäre in zehn verschiedenen Schrägwinkeln mit einer Reichweite bis zu 180 km abgetastet, um Informationen über die vertikale Ausdehnung der Niederschlagsfelder zu erhalten. Wetter- und Unwetterereignisse können aufgrund der sehr hohen zeitlichen Auflösung genau verfolgt werden.

Neben der Erfassung von Niederschlag mit dessen Qualität, Quantität und dessen räumlicher Anordnung werden mit speziellen Windradargeräten (Windprofiler) auch Windgeschwindigkeiten und -richtungen erfasst. Diese besitzen Wellenlängen von ca. 1 m.

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