Was ist ein Wetter-Radar: die Bedeutung der Echtzeit-Überwachung von Niederschlägen

Das Radar, ein Akronym für Radio Detecting And Ranging, wurde zunächst für militärische Zwecke entwickelt. Gerade während seiner ersten militärischen Verwendung (um 1940) wurde entdeckt, dass dieser Sensor auch in der Lage ist, andere Objekte als Flugzeuge oder Schiffe zu erkennen, wie zum Beispiel Hydrometeore (Regen, Schnee, Hagel). In der Folge begann die Forschungstätigkeit für meteorologische Zwecke bis hin zum Einsatz des Radars im operativen Bereich und für den Zivil- und Katastrophenschutz

Die Beobachtung eines atmosphärischen Volumens durch das Radar ist Teil der Fernerkundung, die es ermöglicht, Objekte, die sich in einer gewissen Entfernung von einem Beobachter befinden, durch die Verwendung von elektromagnetischen Wellen zu beobachten und deren Eigenschaften zu untersuchen. Das meteorologische Radar sendet eine elektromagnetische Welle im Mikrowellenspektrum aus, die von einer Antenne in die Atmosphäre übertragen wird. Die Welle trifft auf ihrem Weg auf die Hydrometeore, die Wellenenergie wird teilweise von ihnen absorbiert, teilweise von ihnen in alle Richtungen gestreut. Ein kleiner Teil dieser Welle wird direkt zum Radar zurückgestreut, dort von der Antenne wieder empfangen und anschließend ausgewertet. Es gibt also ein Ausgangssignal mit einer bestimmten Energie – etwa 106 W – und ein Rücksignal, „Echo“ genannt, das von der Antenne erfasst wird und eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Energie – etwa 10-3 W – hat. Was vom Radargerät gemessen wird, ist der Leistungsunterschied zwischen der gesendeten Welle und dem zurückkehrenden Echo, d.h. der wieder empfangene Anteil der Energie, die durch das elektromagnetische Signal transportiert wird: Dieser Anteil der Energie wird Reflektivität genannt, angegeben mit Z , und wird in mm6/m3 gemessen. Da die Reflektivität in der Realität einen sehr großen Bereich von Werten abdecken kann (von sehr schwachen Signalen bis zu sehr starken Signalen) wird die Reflektivität in der Praxis in dBZ ausgedrückt, d.h. mittels der logarithmischen Dezibel-Skala.

Abbildung 1. Funktionsschema des Wetterradars (ARPAV)

Die Reflektivität hängt mit der Anzahl der Teilchen, Hydrometeore, pro Volumeneinheit und mit der sechsten Potenz ihres Durchmessers (Z~D6) zusammen und ist ein Maß dafür, wie viel Energie von jedem einzelnen Hydrometeor (Regen, Schnee, Hagel) zurückgestreut wurde (backscatter). Weiters ist die Reflektivität noch von der Größe, Form und Zusammensetzung der analysierten Hydrometeore abhängig: So streuen große Regentropfen, aber auch Hagel, mehr Energie wieder zurück und der Radarempfänger misst hohe Reflektivitätswerte. Andererseits hat Schnee eine geringere Reflektivität (5 < Z (dBZ) <30). 

Um eine korrekte Messung der Reflektivität zu erhalten, ist es notwendig, dass zuerst eine korrekte Kalibrierung des Radarempfängers und dann auch der Radargleichung erfolgt, z.B. durch den Vergleich mit den Daten eines Disdrometers (Dropsize-Distribution-Meter), einem Instrument, das mit Hilfe eines Lasers gleichzeitig die Größe und Fallgeschwindigkeit der Hydrometeore an einem Ort erfasst. Die Radargleichung setzt die Leistung des vom Radar gesendeten (bekannten) Signals mit dem rückgestreuten (gemessenen) in Beziehung, um die Reflektivität berechnen zu können. Die Genauigkeit bei der Messung der Leistung des zurückgestreuten Signals erlaubt es, einen zuverlässigen Wert für Z zu berechnen, der anschließend mit der Niederschlagsintensität R (ausgedrückt in mm/h) in Beziehung gesetzt werden kann. Z und R sind durch eine Gleichung verknüpft, aus der die Intensität des Niederschlags R (mm/h) abgeleitet werden kann (Z-R Beziehung). Die Auswahl eines geeigneten Sets von Parametern in der Gleichung ermöglicht es, eine genaue Schätzung des Niederschlags aus der Reflektivität zu erhalten, die mit den exakten Daten der Regenmesser am Boden verglichen werden kann. Durch die genaue Schätzung der Niederschlagsintensität ist es anschließend möglich, die kumulierte Niederschlagsmenge über einem bestimmten Gebiet oder Territorium zu erhalten. Darüber hinaus erlaubt die Zeit, die das gesendete Signal benötigt, um nach der Rückstreuung von den Hydrometeoren zur Antenne zurückzukehren, auch die Entfernung zu messen, in der sich die Hydrometeore befinden. 

Bei der Überwachung von Hochwassersituationen und hydrogeologischen Risiken im Rahmen des Katastrophenschutzes nach ungünstigen Wetterbedingungen stellt das Radar eine der grundlegende Fernerkundungsmethoden dar. Die exakte räumliche und zeitliche Auflösung der Radardaten hängt auch von der Scan-Strategie ab, die zur Überwachung eines atmosphärischen Volumens im Kontext von Niederschlagsereignissen und territorialen Gegebenheiten gewählt wird. Sie ermöglicht räumlich und zeitlich repräsentativere Daten als die präzisen, lokal gemessenen Daten von einem Regenmesser. Auch im meteorologischen Bereich gibt es verschiedene Arten von Radar, die sich nicht nur durch die Hard- und Softwarekomponenten, sondern vor allem durch die physikalischen Eigenschaften des verwendeten elektromagnetischen Signals unterscheiden: S-Band, C-Band, X-Band, K-Band und W-Band sind meteorologische Radartypen, die ein auf den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmtes, eigenes Frequenzband und Wellenlänge verwenden. Die für den Katastrophenschutz am häufigsten verwendeten Sensoren für Einsatz- und Überwachungsaktivitäten zu Warnzwecken liegen im Band C und im Band X der Mikrowellen. Auch sie unterscheiden sich ebenfalls stark voneinander.

Abbildung 2. Meteorologische Radaranlage (ZAMG)

Zusätzlich zu den typischen Eigenschaften des meteorologischen Radars gibt es auch Doppler- und polarimetrische Radare. Sie liefern weitere Informationen über die analysierten Hydrometeore. Durch das Doppler-Radar ist es möglich, durch die Bestimmung der Frequenzvariation des zurückgestreuten Radarsignals die radiale Geschwindigkeit V(m/s) eines Partikels zu messen und somit festzustellen, ob er sich dem Ort, an dem sich das Radar befindet, nähert oder sich von ihm entfernt. Die polarimetrische oder duale Polarisationsfunktionalität ermöglicht zusätzliche qualitative Informationen über die Hydrometeore, die ein Radar mit einer einzigen Polarisierung nicht liefern kann. Einige der heutigen Wetterradare senden und empfangen das elektromagnetische Signal mit einer einzigen Polarisation (horizontal). Die duale Polarisation erlaubt es stattdessen, die elektromagnetischen Wellen in horizontaler als auch vertikaler Polarisation zu senden und zu empfangen. Das Rücksignal liefert daraus ein Maß für die vertikale und horizontale Ausdehnung der Hydrometeore und erlaubt es, die Phase, Form und Intensität derselben abzuschätzen. Die differentielle Reflektivität, ZDR (dB), ist eine typische Größe des polarimetrischen Radars und ist ein Verhältnis der Leistung, die mit horizontaler und vertikaler Polarisation aus dem Rücksignal kommt. Sie ist ein guter Indikator für die Form der Hydrometeore (abgeplattet, Regentropfen, kugelförmig, Hagel oder Schneekristalle), sowie für ihre Phase (flüssig oder fest) und Intensität. Außerdem unterstützt sie die Identifikation von Echos von nicht-meteorologischen Zielen. Ein weiterer großer Vorteil eines polarimetrischen Radars ist, dass es die Genauigkeit der Schätzungen der Niederschlagsmenge erheblich verbessert und auch zwischen sehr starkem Regen, der hohe Werte von Z (Reflektivität) und ZDR (differentielle Reflektivität) hat, und Hagel, der ebenfalls hohe Werte von Z aber niedrige ZDR-Werte aufweist, unterscheiden kann.

Abbildung 3. Reflektivität einer Gewitterzelle, Querschnitt. Hohe Reflektivität – Rot, geringe Reflektivität – blau. (ZAMG)

Für eine hohe Überwachungsqualität eines bestimmten Gebietes mit einem Wetterradarsystem müssen die geomorphologischen Eigenschaften des Gebietes berücksichtigt werden. In besonderem Maß gilt dies für Hindernisse (Gebirgsrelief) und die Entfernung, die die beiden größten Einschränkungen eines Radarsystems darstellen. In einem nationalen Kontext ist es für die flächendeckende Überwachung von grundlegender Bedeutung, ein Netzwerk von Radaranlagen (hauptsächlich vom C-Band- und Doppler-Typ) zu haben, die über das Territorium so verteilt sind, dass das Signal große atmosphärische Volumina auch in größerer Entfernung frei abtasten und somit einen Radarverbund schaffen kann. In bestimmten regionalen Zusammenhängen wird auch das X-Band-Radar eingesetzt, das im Gegensatz zum C-Band-Radar, das auch noch in Entfernungen von ca. 200 km erfasst, das atmosphärische Situation in einem kleineren Bereich von 90 km bis 30/40 km für den operativen Einsatz überwacht. Während C-Band-Radare in der Signal-Reichweite und damit bei der Abtastung der Atmosphäre in größerer Entfernungen vom Radarstandort leistungsfähiger sind, können X-Band-Radare besonders in einer Entfernung bis 30-40 km in höherer Qualität messen.

Abbildung 4. Hagelwahrscheinlichkeit. (ZAMG)

Neben der Überwachungsfunktion sind die von einem meteorologischen Radar stammenden Informationen auch für hydrologische Anwendungen nützlich, wie z. B. die Abschätzung der Niederschlagsmenge, die auf ein Einzugsgebiet fällt, die Intensität des meteorologischen Phänomens auf einer begrenzten Fläche. Daraus lässt sich auf die möglichen Auswirkungen in Bezug auf den Oberflächenabfluss schließen – Aspekte, die der einzelne Regenmesser nicht erfassen kann. Außerdem können Radar-Regendaten als Eingangsdaten für ein hydrologisches Modell verwendet werden, wie im INADEF-Projekt. Nicht zuletzt können die Radardaten auch als Eingangsdaten für ein Wettermodell in hoher Auflösung verwendet werden, was Analyse und Nowcasting sowie Kurzzeitprognosen wie mit dem INCA-Modell ermöglicht.

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