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Lexikon der Geographie: Radar-Niederschlagsmessung

Radar-Niederschlagsmessung, Erfassung von Flächenniederschlägen über Reflexion der von einem Radar (Radio Detecting And Ranging) aktiv ausgesendeten Mikrowellen an Niederschlagsteilchen Radarmeteorologie. Ein konventionelles Regen-Radar zur Erfassung von Niederschlagsfeldern besteht aus einer horizontal und vertikal schwenkbaren Parabolantenne, die wechselseitig als Sender oder Empfänger arbeitet, sowie einem Signalprozessor. Aufgezeichnet wird die horizontale Niederschlagsstruktur (Horizontalscan) im 360° Winkel um den Sender in verschiedenen Höhenstufen (Vertikalscan). Die empfangene Leistung P E der von einem Luftpaket mit festen oder flüssigen Niederschlagsteilchen reflektierten Mikrowellenstrahlung ergibt sich aus der Radar-Gleichung:



mit P t=Sendeleistung, G=Antennengewinn, θ=horizontale Keulenbreite, φ=vertikale Keulenbreite, h=Impulslänge im Raum, λ=Wellenlänge der Radarstrahlung, R=Zielentfernung, |K 2|=Faktor in Abhängigkeit der Teilchenstruktur (0,93 für Wasser, 0,208 für Schnee) und D=Durchmesser der Teilchen.
Der Summenterm repräsentiert die Radarreflektivität Z, die in dBZ (=10·log Z) angegeben wird. Sie steht über die Z/R -Beziehung in direktem Bezug zur Regenintensität R [mm/h]:

Z=A·R B.
Die Koeffizienten A und B sind für Einzelereignisse nicht bekannt. Sie können je nach Wetterlage und Entwicklungsstadium der Wolke (Wolkentropfenspektrum und Aggregatzustand der Niederschlagsteilchen) deutlich variieren ( Abb. 1 ). Die Koeffizienten werden experimentell bestimmt, indem man die Radarreflektivität mit zeitgleichen Messungen von Tropfenspektrum und Regenrate für verschiedene Niederschlagstypen bzw. -intensitäten in Beziehung setzt. Im operationellen Betrieb (z.B. Radarverbund des DWD) wird meist eine "klimatologische" Z/R-Beziehung verwendet. Neben der Ableitung von aktuellen Koeffizienten für die Z/R-Beziehung sind weitere Schritte bei der Auswertung von Z notwendig: Das durch Niederschlagsteilchen reflektierte Signal wird beim Transfer durch ein Niederschlagsfeld mit zunehmender Entfernung von der Antenne geschwächt. Diese Schwächung muss mithilfe der Dämpfungskorrektur bereinigt werden. Darüber hinaus können Hindernisse (Gebäude, Berge etc.) zu ungewollten Radarechos (Festzielecho bzw. Ground Clutter) führen. Sie werden eliminiert, indem man bei Strahlungswetter eine Cluttermap erzeugt und diese bei der Prozessierung der Daten berücksichtigt. Problematischer sind raum-zeitlich sehr variable dynamische Clutter wie z.B. Inversionen, an denen der ausgesendete Radarstrahl reflektiert werden kann und durch Mehrfachreflexion als ungewolltes Radarecho wieder empfangen wird. Um Festzielechos und dynamische Clutter besser eliminieren zu können, werden heute zunehmend Doppler-Radars eingesetzt. Neben Z kann über den Doppler-Effekt eine weitere Größe, nämlich die Geschwindigkeit v der Niederschlagsteilchen ermittelt werden:



mit fd=Dopplerverschiebung (Frequenz), c=Lichtgeschwindigkeit, fc=Sendefrequenz.
Da Clutter normalerweise ortsfest sind, tritt keine Dopplerverschiebung auf, sodass sich ihre Radarechos gut von denen der beweglichen Niederschlagsteilchen mit Dopplerverschiebung trennen lassen. Um bei der Auswertung von Z eine auf den Niederschlagstyp (feste/flüssige bzw. große/kleine Niederschlagsteilchen) abgestimmte Z/R-Beziehung verwenden zu können, bedient man sich in jüngster Zeit auch polarimetrischer Radars. Hier wird das Radarsignal in horizontaler (H) und vertikaler (V) Polarisation gesendet und empfangen. Die empfangenen Intensitäten (Z H und Z V) lassen Rückschlüsse auf den Niederschlagstyp zu ( Abb. 2 ). Ein Problem ist weiterhin die hohe Reflektivität von festen Niederschlägen (Hagel, Schnee), die beim Fallen eine Schmelzzone passieren, dort angetaut werden und sich mit einer Haut aus Flüssigwasser überziehen. Solche Tauzonen treten im Radarsignal als Helle Bänder (Bright Bands) in Erscheinung.
Seit dem 27.11.1997 befindet sich ein satellitengestütztes Radar zur dreidimensionalen Erfassung tropischer Niederschläge im Orbit. Die von der amerikanischen (NASA) und japanischen (NASDA) Raumfahrtagentur gemeinsam durchgeführte Tropical Rainfall Monitoring Mission (TRMM) beinhaltet den PR-Sensor (Precipitation Radar, 13,8 GHz), mit dem die dreidimensionale Niederschlagserfassung in einer räumlichen Auflösung von 4,3 km möglich ist ( Abb. 3 ).

JB


Radar-Niederschlagsmessung 1: Radar-Niederschlagsmessung 1: Experimentell bestimme Koeffizienten A und B sowie klimatologische Z/R-Beziehung im Vergleich zu konvektiven und stratiformen Niederschlagstypen.

Radar-Niederschlagsmessung 2: Radar-Niederschlagsmessung 2: Wertebereich für Regen- und Hageltypen im Z DR-Z H Diagramm. Z DR ist dabei gleich 10·log(Z H/Z V), wobei Z H und Z V die empfangenen Intensitäten der horizontalen bzw. der vertikalen Polarisation sind. Große abgeplattete Regentropfen weisen gegenüber kleinen runden Tropfen beispielsweise eine hohe horizontal polarisierte Reflektivität auf.

Radar-Niederschlagsmessung 3: Radar-Niederschlagsmessung 3: TRMM-Aufnahme (PR-Sensor) des Hurrikans Lenny vom 16.11.1999, 0:45 UTC, südlich der Dominikanischen Republik. Zu erkennen sind die Horizontalaufnahme sowie zwei Vertikalprofile der Radarreflektivität Z durch den PR-Sensor.

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