Wolkenradar

System zur Bestimmung von Wolkenparametern wie Unter- und Obergrenze, Tropfengrößenverteilung, Flüssig- und Eiswassergehalt mittels Radarstrahlung. Ein Wolkenradar sendet gebündelt elektromagnetische Wellen, die an Objekten in der Atmosphäre gestreut werden. Ein kleiner Teil der sich in alle Richtungen ausbreitenden Streusignale kehrt zum Radar zurück und wird dort empfangen. Aus der Laufzeit des Echos und der Richtung des Radarstrahls kann der Ort des streuenden Objekts ermittelt werden.

Das Wolkenradar ist ein gepulstes, kohärentes und in zwei Polarisationsebenen arbeitendes 35.5 GHz-Radarsystem zur Messung von Vertikalprofilen der Reflektivität, der Dopplergeschwindigkeit und der Geschwindigkeitsvarianz im Höhenbereich von 150 m bis 15 km.

Zur Beobachtung von Wolken mit Radar werden Wellenlängen im Millimeterbereich verwendet. Für längere Wellen, z.B. im Zentimeterbereich, sind Wolken praktisch transparent und damit unsichtbar. Kürzere Wellen (z.B. im optischen Bereich) werden dagegen von Wolken stark gedämpft, so dass keine Information aus dem Inneren einer Wolke erhalten werden. Im Millimeterbereich können Wolken noch durchdrungen werden, aber ein messbarer Anteil der Sendeleistung wird zum Radar zurückgestreut.

Das Wolkenradar kann so mehrere übereinander liegende Wolkenschichten erfassen. Ein herkömmliches Wetter-(Niederschlags-)Radar, das im Zentimeterbereich arbeitet, kann dagegen nur Niederschlagsteilchen (> 0,1 mm Durchmesser), nicht jedoch Wolkentröpfchen detektieren.

Die hohe räumliche und zeitliche Auflösung von Radardaten erlaubt es auch, die räumliche und zeitliche Dynamik atmosphärischer Systeme zu beobachten und zu analysieren. Moderne Radarsysteme besitzen die Fähigkeit, auch das atmosphärische Windfeld durch die Dopplerverschiebung des Radarsignals zu erfassen. Neben der Messung der Radialkomponente des Windes, genauer der Verlagerungsgeschwindigkeit von atmosphärschen Streuelementen, kann man unter bestimmten Annahmen auch das dreidimensionale Horizontalwindfeld ableiten (volume velocity processing, VVP).

Die angesprochenen atmosphärischen Systeme sind in der Regel mit Wolken und Niederschlag verbunden. Einzelne Phänomene (Böenfronten, Tornado) äußern sich auch in spezifischen Reflektivitäts- und Windmustern, ohne dass damit eine starke Wolkenbildung einhergeht.

Wolkenradare sind inzwischen wichtiger Bestandteil von Ankerstationen, da nur hiermit Mehrschichtwolken zuverlässig erfasst werden können. Zunehmend werden nicht nur vertikal blickende sondern auch steuerbare Antennen zur Volumenrepräsentation von Wolken verwendet. Für Forschungszwecke werden Wolkenradare auch an Bord spezieller Messflugzeuge eingesetzt.

Wolkenradare spielen eine große Rolle bei der Erforschung des Einflusses von Wolken auf das Klima. Dieser Einfluss drückt sich aus zum einen in der Rolle, die Wolken im Strahlungstransfer durch die Erdatmosphäre spielen und zum anderen, da sie eine wichtige Verbindung im Wasserkreislauf der Erde sind.

Weltraumgestützte Wolkenradare

Schließlich wird zur globalen Erfassung von Wolken bereits seit einigen Jahren ein Radar auf dem NASA-Satelliten (CloudSat) betrieben und weitere internationale Satellitenmissionen mit Wolkenradaren sind in der Planung.

Die europäisch-japanische Mission EarthCare zur Untersuchung von Wirkung und Wechselwirkung von Aerosolen und Wolken in Bezug auf die Strahlungsbilanz der Erde startete am 29. Mai 2024 in Vandenberg (Kalifornien) mit einer Falcon-9-Rakete.

Unterscheidung zwischen einem weltraumgestützen Wolkenradar und einem Niederschlagsradar
Merkmal	Wolkenradar (z.B. EarthCARE, CloudSat	Niederschlagsradar (z.B. TRMM, GPM)
Primäres Ziel	Dünne Wolken, Nebel, Eiskristalle	Starker Regen, Hagel, Schnee
Frequenz	Sehr hoch (~94 GHz)	Niedriger (~13,5 GHz bis 35 GHz)
Durchdringung	Wird von starkem Regen oft blockiert	Kann dichten Regen gut durchdringen

Relevante Satellitenmissionen

Niederschlagsradare mit Wolkeninformation
EarthCARE	EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) wird von JAXA und ESA betrieben und hat zum Ziel, Klima- und Wettervorhersagemodelle zu entwickeln, indem es die Rolle der Wechselwirkungen zwischen Wolken, Aerosolen und Strahlung untersucht. Das Atmosphären-Lidar (ATLID) liefert vertikale Profile von Aerosolen und dünnen Wolken, während das Wolkenprofilradar (CPR) vertikale Profile von dickeren Wolken liefert. EarthCARE wurde am 28. Mai 2024 erfolgreich gestartet. Das CPR ist das derzeit modernste Wolkenradar im All. Das Besondere an diesem Instrument ist seine Doppler-Fähigkeit, mit der es erstmals weltweit die vertikale Bewegungsgeschwindigkeit von Partikeln (wie fallende Eiskristalle oder Regentropfen) direkt aus dem Orbit messen kann.
AOS	Das Atmosphere Observing System (AOS) ist eine geplante NASA-Mission (Teil des "Earth System Observatory"), die in den späten 2020er oder frühen 2030er Jahren starten soll. Sie wird voraussichtlich mehrere Satelliten umfassen, die Wolkenradare mit verschiedenen Frequenzen nutzen, um die Wolkenbildung und Niederschlagsprozesse noch genauer zu untersuchen.
GPM	Das GPM Core Observatory (NASA/JAXA) trägt das Dual-frequency Precipitation Radar (DPR) mit Ku- und Ka-Band, das Regen und Schnee, inkl. leichter Niederschläge und Wolkenübergangsbereiche, hochaufgelöst profiliert.
TRMM	TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) hatte ein Ku-Band Precipitation Radar (PR), das Niederschlag und damit verbundene konvektive Wolkenstrukturen dreidimensional erfasst hat.
Historische Missionen
CloudSAT	CloudSat war der Pionier auf diesem Gebiet. Er wurde 2006 gestartet und trug das erste 94-GHz-Cloud-Profiling-Radar im Weltraum. Über 17 Jahre lang lieferte er revolutionäre Daten über die vertikale Schichtung von Wolken weltweit. Die Mission wurde offiziell im Dezember 2023 beendet, kurz bevor EarthCARE ihren Dienst antrat. Unter der Leitung der NASA und mit Unterstützung der Canadian Space Agency (CSA) und des US-Verteidigungsministeriums (DoF) hatte CloudSat das Ziel, globale Wolkenmodelle und Vorhersagen zur Wolkenaktivität mithilfe eines Wolkenprofilradars (CPR) zu verbessern.
Ergänzende Instrumente	Raumfahrzeuge mit Wolkenradaren tragen fast immer auch ein Lidar (wie ATLID auf EarthCARE oder CALIOP auf dem ehemaligen CALIPSO-Satelliten). Während das Radar besonders gut durch dicke Wolken "blicken" kann, ist das Lidar extrem präzise bei der Erfassung von sehr dünnen Schleierwolken (Zirren) und Aerosolen.

Weitere Informationen:

Meteorologisches Observatorium Lindenberg (DWD)
Wolkenradar (DWD)
Meteorologische Messtechnik GmbH (metek)
Cloud Profile and Rain Radars (eoPortal)