Wie erkennen wir, wann es anfängt zu regnen? In der heutigen Kurzfristvorhersage ist das Niederschlagsradar neben Wettermodellen unverzichtbar. In diesem Beitrag wollen wir das Funktionsprinzip dieses Radars und seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten beleuchten.
RADAR ist die Abkürzung für RAdio Detection And Ranging, auf Deutsch "funkgestützte Ortung und Abstandsmessung". Ursprünglich wurde Radar ausschließlich für militärische Zwecke genutzt und fand im Zweiten Weltkrieg erstmals breite Anwendung zur Ortung von Schiffen und Flugzeugen. Dabei wurde die Entdeckung von Heinrich Hertz aus dem Jahr 1886 genutzt, der herausfand, dass metallische Gegenstände elektromagnetische Wellen reflektieren. Während des Zweiten Weltkriegs wurde entdeckt, dass auch Niederschlag Signale im Radar erzeugt. Nach dem Zweiten Weltkrieg beschäftigten sich Wissenschaftler damit, diese Niederschlagssignale herauszufiltern und spezielle Radarsysteme für die Niederschlagsdetektion zu entwickeln.
Das Funktionsprinzip des Niederschlagsradars ist relativ einfach. Ein Sender sendet gepulste Mikrowellen aus, deren Wellenlänge so gewählt ist, dass sie an Niederschlagspartikeln wie Regentropfen, Schneeflocken, Graupel und Hagel reflektiert und zum Radar zurückgestreut werden. Anschließend wird das zurückgestreute Signal, das nur einen Bruchteil der Energie des gesendeten Signals hat, am Radar mithilfe einer Antenne empfangen und gemessen. Aus der Antennenposition und der Laufzeit des Signals ergibt sich die Position der reflektierenden Hydrometeore. Die Geschwindigkeit der Mikrowellen wird dabei unter Berücksichtigung des Brechungsindex der Luft korrigiert.
Die Radarbilder des Deutschen Wetterdiensts, die von 17 Radarmessstationen frei zugänglich und auf diversen Wetterseiten zu sehen sind, zeigen die entfernungskorrigierte Intensität des zurückgestreuten Signals, gemessen in Dezibel (dBZ). Die Skala ist logarithmisch, das heißt 2 dBZ sind die 10-fache Intensität wie 1 dBZ. Doch wie lässt sich das interpretieren: Das Beispielbild zeigt eine sommerliche Gewitterlage. Die Farbskala ist an die Skala in der Warnwetter-App angelehnt. Hellblaue Werte (1 bis 15 dB) zeigen zumeist leichten Sprühregen oder nur ein paar Tropfen Regen. Unter Grün (~15 - 30 dB) kann man sich einen leichten bis mäßigen Landregen vorstellen, der bei Gelb (ab 30 dB) schon in kräftigere Intensität übergeht. In diesem Fallbeispiel sieht man dies an den kräftigeren Schauern zwischen Alb und Allgäu. Interessant wird es, wenn die Farbe ins Rot geht. Dies bedeutet Reflektivitäten von über 45 dBZ, die fast nur in Schauern und Gewittern erreicht werden. Ab da nimmt das Starkregenpotenzial deutlich zu. Am auffälligsten ist dies in diesem Beispiel im Gewitterkomplex über Südbayern der Fall. An seiner Südostseite geht die Reflexivität ins ?Blaue? (> 55 dBZ), dies ist meist bei Hagel der Fall. Dieser blaue Bereich war in diesem Fall einem größeren Hagelunwetter zuzuordnen. Die Schauer und Gewitter in Mittel- und Norddeutschland sind weniger heftig. Die Fläche mit roten und blauen Reflektivitäten ist dort viel kleiner.
Um die Niederschlagsintensität zu messen, erfolgt eine Umrechnung des empfangenen Signals in l/m² pro Stunde. Diese Umrechnung erfolgt durch Z-R-Beziehungen, wobei Z für die Reflektivität des Signals (dBZ) und R für die Regenrate (l/m² pro Stunde) steht. Diese Beziehungen wurden durch langjährige Messung empirisch gewonnen, ist aber besonders in Gewittern, die Hagel enthalten, auch zu einem gewissen Maße ungenau. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden die aus dem Radar gemessenen Niederschlagsraten mit Stationsmeldungen verglichen und entsprechend kalibriert. So lässt sich relativ gut die Niederschlagsmenge flächendeckend bestimmen.
Niederschlagsradare bieten jedoch noch weitere Möglichkeiten. Die Radarbilder können zeitlich animiert werden, um die Verlagerung des Niederschlags und die Zugrichtung von Gewittern abzuschätzen. Mithilfe des mathematischen Verfahrens des "optischen Flusses" kann diese Bewegung sogar in die Zukunft projiziert werden, was genaue Vorhersagen von 15 Minuten bis zu einer Stunde ermöglicht. Der Deutsche Wetterdienst betreibt sogenannte dual-polarimetrische Radare. Diese können darüber hinaus über den Dopplereffekt sogar die Windgeschwindigkeit messen, den Wasser- und Eisgehalt einer Wolke bestimmen und aus der Depolarisation sogar Aussagen über die Art des Niederschlags treffen. So kann man unterscheiden, ob eine Wolke Hagel, große oder kleine Tropfen, Graupel oder Schnee enthält. Mittels der vertikalen Temperaturschichtung und Temperaturmessungen an Wetterstationen und Glättemeldeanalgen lässt sich dann ableiten, ob der Niederschlag als Regen oder Schnee am Boden ankommt.
Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 06.01.2024
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