#DWD -> #Thema des Tages 2021-08-19: Der deutsche Radarverbund – Teil 2

Thema des Tages

Der deutsche Radarverbund - Teil 2

Regenschirm mitnehmen, ja oder nein? Zur Beantwortung dieser Frage 
kann sich ein Blick auf das sogenannte Regenradar einer Wetter-App 
lohnen. Doch wie funktioniert ein Regenradar?

Das Wetterradar ist heutzutage unverzichtbar geworden. Gerade im 
Nowcasting, also bei einer Vorhersage von bis zu zwei Stunden, spielt
es eine große Rolle. Dabei kann beispielsweise die Verlagerung von 
Niederschlagsgebieten abgeschätzt werden. Besonders im Sommer können 
sich innerhalb von wenigen Minuten auch kleinräumige Gewitterzellen 
mit starkem Niederschlag bilden. Diese können flächendeckend nur über
das Wetterradar erkannt werden. Außerdem hilft das Wetterradar bei 
der Abschätzung der Stärke der einzelnen Gewitter. Damit gehört es zu
einem der wichtigsten Bausteine des DWD-Warnmanagements. 


Ein Wetterradar besteht aus einer Antenneneinheit, einem Radom als 
Wetterschutz, Sender und Empfänger, Signal- beziehungsweise 
Datenverarbeitungsprozessoren und einem Radarrechner. Über ein 
lokales Netzwerk werden Komponenten gesteuert und überwacht sowie 
Daten aufgenommen. Die Abbildungen zum Thema des Tages unter 
(https://www.dwd.de/DE/wetter/thema_des_tages/2021/8/19.html) zeigen 
den Radarturm am Standort Memmingen (links) sowie das "Innenleben" 
(Teile der Antenneneinheit und des Empfängers) im Radom bei einer 
Wartung (rechts). 


Vom Wetterradar aus wird ein sehr kurzer elektromagnetischer Impuls 
mit einer Frequenz von ungefähr 5 GHz in eine bestimmte Richtung 
ausgesendet. Dieser Impuls breitet sich nun mit Lichtgeschwindigkeit 
aus. Auf seinem Weg durch die Atmosphäre trifft der Impuls auf 
Niederschlagspartikel, von denen jeweils ein geringer Anteil zum 
Wetterradar zurückgestreut wird. Aus dem vom Wetterradar empfangenen 
Signal kann aus der Laufzeit des Impulses auf die Entfernung eines 
Niederschlagsgebietes und aus der Stärke des rückgestreuten Signals 
auf die Niederschlagsart und -intensität geschlossen werden. Gibt das
Wetterradar von seinem Standort aus Impulse in verschiedene Höhen und
Richtungen ab, können Niederschlagsgebiete im Umkreis dreidimensional
analysiert werden. 


Die genaue Vorhersage der Art und Größenverteilung der 
Niederschlagspartikel stellt aber durchaus eine Herausforderung dar. 
Um diese zu ermöglichen und zu verbessern, wurden die Radarstandorte 
des Deutschen Wetterdienstes bis 2015 auf sogenannte 
dual-polarimetrische Radarsysteme umgerüstet. Dabei sendet die 
ständig rotierende Antenne sowohl vertikal als auch horizontal 
polarisierte elektromagnetische Wellen (Impulse) aus. Im Fachjargon 
heißt das dann Dual-Polarisation. Aber wie kann ich mir das genau 
vorstellen? 


Beschreiben wir den vom Radargerät ausgesendeten Impuls als 
schwingende Welle mit gleichmäßigen Wellenbergen und ?tälern, so kann
bei einem dual-polarimetrischen Wetterradarsystem zwischen einer 
horizontal und einer vertikal schwingenden Welle unterschieden 
werden. Während der ausgesendete Impuls beim ?einfachen? Wetterradar 
nur eine Schwingungsrichtung (zumeist die horizontale) aufweist, 
werden beim Dualpolarisationsradar im Allgemeinen gleichzeitig 
vertikal und horizontal polarisierte Impulse ausgesendet. Damit 
lassen sich zusätzliche Informationen über bestimmte Eigenschaften 
der Streukörper - also der Niederschlagspartikel - gewinnen. 


Da große Regentropfen beispielsweise im Vergleich zu Schneekristallen
oder Hagel durch den Luftwiderstand beim Fallen eine ovale, 
abgeplattete Form besitzen und somit breiter als hoch sind, weisen 
die zurückgestreuten horizontal polarisierten Signale eine höhere 
Intensität als die vertikal polarisierten Signale auf. Über das 
Verhältnis der zurückgestreuten Intensität beider lässt sich dann 
eine Aussage über die Form der Streukörper treffen. Der Vergleich von
mehreren hintereinander ausgesendeten, polarisierten Impulsen zeigt 
die zeitliche Änderung der räumlichen Orientierung der Streukörper. 
Diese Informationen können dann für die Bestimmung der Art der 
Niederschlagspartikel (Regentropfen, Schneekristalle, Hagelkörner) 
verwendet werden.


Alle fünf Minuten liefert das Radar einen Scan (Abtastung) mit den 
aktuell gemessenen Werten der Niederschlagsechos mit einer räumlichen
Auflösung von 250 m zur Auswertung. Die Abtastung beginnt mit dem 
sogenannten "Precipitation-Scan", der geländefolgend den bodennahen 
Niederschlag bis zu einer Entfernung von 150 Kilometern rund um den 
jeweiligen Radarstandort erfasst. Danach wird die gesamte Atmosphäre 
in zehn verschiedenen Höhenwinkeln, auch "Elevationswinkel" genannt, 
bis zu einer Entfernung von 180 Kilometern abgetastet. Damit werden 
Informationen über die vertikale Ausdehnung der Niederschlagsfelder 
gesammelt. 


Die elektromagnetischen Wellen werden jedoch nicht nur vom 
Niederschlag, sondern auch von anderen Objekten reflektiert wie z. B.
von Gebäuden, Schiffen, Flugzeugen und Bergen. Daher kann man keinen 
Niederschlag messen, der sich hinter einem Gebäude befindet, da die 
Radarstrahlen dort gar nicht erst hinkommen. Handelt es sich um 
unbewegte Objekte, so kann dieses unerwünschte Signal in der Regel 
direkt im Radarsignalprozessor herausgefiltert werden. Bewegen sich 
die Objekte aber, wie beispielsweise Vogelschwärme oder auch 
Flugzeuge, so funktioniert diese Filterung nur bedingt. Je nachdem, 
welche Filtermethode angewandt wird, kann dies zu "Löchern" in den 
Daten führen oder es verbleiben unerwünschte Störechos in den 
Radarprodukten. 


Die Funktionsweise der Radarsysteme ist sicherlich nicht einfach zu 
verstehen, liefert jedoch zuverlässig Daten, die im Warnmanagment des
DWD eine große Rolle spielen. Die Dual-Polarisations-Technik 
verbessert die Qualität der Radarprodukte und wird jetzt schon für 
eine Niederschlagsklassifikation verwendet. Diese Messtechnik besitzt
darüber hinaus noch großes Potenzial, um in den nächsten Jahren noch 
präzisere Wettervorhersagen- und Warnungen für die Öffentlichkeit 
bereitzustellen. Daran arbeitet der DWD intensiv im Rahmen von 
Forschungs- und Entwicklungsprojekten. 


Darüber hinaus wird auch der sogenannte Dopplereffekt von den 
Radargeräten ausgenutzt. Wie dies funktioniert und wie die Daten 
genutzt werden können, wird in einem dritten Teil im Rahmen der 
Rubrik "Thema des Tages" in den kommenden Wochen erläutert.

MSc.-Met. Sebastian Schappert
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale 
Offenbach, den 19.08.2021

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