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Niederschlagsradar

Bild 1: Niederschlagsradar des Deutschen Wetterdienstes in Essen-Bredeney

Bild 1: Niederschlagsradar des Deutschen Wetterdienstes in Essen-Bredeney

Wie funktioniert das Niederschlagsradar?

Niederschlagsradar

Ein Niederschlagsradar ist ein im S-Band oder C-Band (wegen der großen Dämpfung seltener im X-Band) arbeitendes Wetterradar mit einer dreh- und schwenkbaren symmetrischen Parabolantenne. Mit einem Niederschlagsradar werden entgegen laienhaften Vorstellungen nicht die Größe der Wolken gemessen.

Mit einem Niederschlagsradar können folgende Messgrößen ermittelt werden:

Niederschlagsradargeräte sind immer 3D-Radargeräte. Sie ändern nach jeder Umdrehung den Anstellwinkel der Antenne und tasten so jeden Höhenwinkelbereich (Elevationscan) um die Antenne herum einzeln ab. Dadurch entsteht ein sogenannter Volumenscan, der (gemessen am Flugsicherungsradar) allerdings nur recht langsam innerhalb von 5 bis 15 Minuten (abhängig von der Anzahl der Winkel und der gewünschten Genauigkeit) aktualisiert werden kann.

Empfänger
Parabol-
reflektor
Orthomoden-
koppler
Horn-
strahler
Sender
Radom
Blitzableiter
Drehtisch
Hohlleiter

Bild 2: Schematische Darstellung eines Wetterradars unter einem Radom

Sender
Blitzableiter

Bild 2: Schematische Darstellung eines Wetterradars unter einem Radom

Technische Daten

Niederschlagsradar verwendet meist nur einen schmalbandigen kurzen Sendeimpuls, der mit einer Hochleistungsvakuumröhre (Magnetron oder Klystron) erzeugt wird. Ein Magnetronsender ist wesentlich billiger als ein Sender mit Klystron, hat aber den Nachteil, dass das Radar dann nur pseudokohärent statt voll kohärent sein kann und somit eine Dopplerfrequenzmessung ungenauer wird. Halbleitersender sind ebenfalls möglich, haben aber durch die begrenzte Spannungsfestigkeit der Halbleiter nur eine geringere Impulsleistung. Die sich daraus ergebende Notwendigkeit der Verwendung breitbandigerer intrapulsmodulierter Sendeimpulse verschlechtert wegen derer zeitlichen Nebenkeulen (time-sidelobes) ebenfalls die Genauigkeit. Auch die Empfängerempfindlichkeit wird dadurch begrenzt, weil ein breitbandigerer Empfänger mehr störendes Rauschen einfängt.

Bild 3: Durch die Divergenz der elektromagnetischen Wellen ist das Impulsvolumen in größerer Entfernung größer, deshalb ist das Radar mit der geringeren Entfernung genauer.

Bild 3: Durch die Divergenz der elektromagnetischen Wellen ist das Impulsvolumen in größerer Entfernung größer, deshalb ist das Radar mit der geringeren Entfernung genauer.

Radarantenne

Die Radarantenne ist meist eine Reflektorantenne mit einem Parabolreflektor, welcher ein symmetrisches Antennendiagramm generiert. Der Öffnungswinkel dieses Antennendiagramms ist meist ungefähr ein bis zwei Grad. Der Durchmesser des Reflektors ist abhängig vom genutzten Frequenzband und beträgt zwischen dem 40 bis 80-fachen der Wellenlänge. Die Antennen werden durch Hornstrahler gespeist. Ein Orthomodenkoppler ermöglicht dual polarisierten Radargeräten das Senden von horizontaler und vertikaler Polarisation gleichzeitig oder alternativ.

Sendefrequenz bzw. Wellenlänge

Um ein großes Gebiet abzudecken, ist ein Radarverbundnetz erforderlich, wobei die Anzahl der Radargeräte abhängig ist von der effektiven Reichweite jedes Radars. Die Genauigkeit eines Niederschlagsradars verringert sich jedoch mit der Reichweite (siehe dazu das Impulsvolumen in Bild 3). Die Wahl der verwendeten Wellenlänge hängt auch von den Kosten der Radargeräte, der erforderlichen Abdeckung und der Art des vorherrschenden Niederschlags ab. Auch die Erdkrümmung macht sich in größeren Entfernungen negativ bemerkbar, so dass tiefer liegende Wettererscheinungen hinterm Horizont verschwinden.

In den oft nur gering ausgebauten tropischen und subtropischen Regionen werden meist Geräte im S-Band eingesetzt. Sie können Reichweiten von bis zu 800 km erzielen. S-Band-Radargeräte sind relativ teuer, verwenden jedoch eine Wellenlänge, die selbst bei sehr starken Niederschlägen und Hagel kaum oder gar nicht gedämpft wird, was ideal für Gebiete ist, die hauptsächlich von intensiven Gewittersystemen wie tropischen Wirbelstürmen und Tornados betroffen sind. Die Leistung dieser Radargeräte liegt im Megawattbereich. Jenseits von 250 km kann das Radar aufgrund der Erdkrümmung nur den Niederschlagsanteil in sehr großen Höhen erkennen und ist somit nur zur Identifizierung der wichtigsten Sturmzellen (in einer Höhe von mehr als 15 km in einer Entfernung von 800 km vom Radar) geeignet.

In dem wetterradarmäßig sehr gut ausgebauten Europa (gemäßigtes Klima) werden meist Radargeräte im C-Band genutzt. Dieser Frequenzbereich ermöglicht eine höhere Genauigkeit. Die Reichweite ist bei diesen Radargeräten auf etwa 250 km begrenzt, von denen eben wegen der höheren Genauigkeit meist nur 150 bis 180 km genutzt werden. C-Band-Radargeräte sind kostengünstiger, verwenden aber eine Wellenlänge, die durch starke Regenfälle abgeschwächt wird. Dies ist für eine gemäßigte Klimazone akzeptabel, in welchem die Niederschläge meist leicht bis mäßig sind. Bei stärkeren Sommergewittern erreichen diese Radargeräte jedoch weniger gute Ergebnisse. Die Impulsleistung ihrer Sendeimpulse beträgt in der Regel 250 kW.

Empfängerempfindlichkeit und Empfängerdynamik

Technisch sind Empfängerempfindlichkeiten möglich, die im Bereich von weniger als −100 dBm liegen. Diese Empfänger verarbeiten Echosignale, deren Leistung im Bereich von wenigen Pikowatt liegen. In diesem Bereich ist vor allem das Umgebungsrauschen sehr störend. Um die Verluste in den Antennenzuleitungen zu minimieren, werden die Empfänger möglichst dicht an die Antenne verlegt.

Gleichzeitig müssen aber auch extrem starke Echosignale verarbeitet werden können. Um die geforderte lineare Empfängerdynamik von bis zu 105 dB zu erreichen, werden mehrere Empfänger mit unterschiedlicher Empfängerempfindlichkeit parallel betrieben. Die Software wählt dann das Signal mit dem besten Signal-Rauschverhältnis aus, das noch nicht übersteuert ist.

Impulsfolgefrequenzen

Moderne Niederschlagsradargeräte haben eine sehr dynamische Drehgeschwindigkeit und Impulsfolgefrequenz. Da das Wetter in der Tropopause stattfindet, ist der absolute Höhenbereich nach oben mit etwa 18 km begrenzt. Recht steile Höhenwinkel müssen deswegen nicht mit der maximal möglichen Reichweite von 250 km gefahren werden. Oberhalb der Tropopause sind auch keine störenden Überreichweiten zu erwarten. Hier kann mit einer sehr viel höheren Impulsfolgefrequenz gearbeitet werden und die Antenne kann sich schneller drehen als in den unteren Höhenwinkeln.

Entfernung [km]
Höhe [km]
Niederschlagsscan

Bild 4: Scanstrategie für ein Niederschlagsradar
(Der Maßstab der Höhenskala ist 1:5 überhöht, weshalb die steileren Winkel dünner aussehen. Sie haben jedoch den gleichen Öffnungswinkel.)

Entfernung [km]
Höhe [km]
Niederschlagsscan

Bild 4: Scanstrategie für ein Niederschlagsradar
(Der Maßstab der Höhenskala ist 1:5 überhöht, weshalb die steileren Winkel dünner aussehen. Sie haben jedoch alle den gleichen Öffnungswinkel.)

Scanstrategie

Eine Scanstrategie ist in Bild 4 dargestellt. Ein Zyklus beginnt mit einem Niederschlagscan, dessen Anstellwinkel abhängig ist vom Deckungswinkel (Horizont) der Radarstellung. Während dieser Umdrehung arbeitet das Radar mit einer Impulsfolgefrequenz von 600 Hz, hat damit eine maximale eindeutige Messentfernung von 250 km, von denen aber nur 150 km verwendet werden. Die Antenne dreht sich mit einer Geschwindigkeit von 12° pro Sekunde (≙ 2 min⁻¹). Danach beginnt der Volumenscan mit dem Antennendiagramm bei 5,5° und schwenkt nach jeder weiteren Umdrehung um ein Grad nach unten. Diese Scans verwenden eine Impulsfolgefrequenz von 600 oder 800 Hz. Die Antennendrehgeschwindigkeit erhöht sich leicht auf 18° pro Sekunde (≙ 3 min⁻¹), nur das unterste Diagramm verwendet wieder die 12° pro Sekunde (Unterdrückung von Festzielstörungen). In der achten Umdrehung erfolgt der Scan mit einem Höhenwinkel von 8° und einer Impulsfolgefrequenz von 800 oder 1 200 Hz. Die Höhenwinkel von 12°, 17° und 25° verwenden 2 410 Hz bei einer Drehgeschwindigkeit von 30° pro Sekunde (≙ 5 min⁻¹). Zum Abschluss erfolgt ein Scan senkrecht nach oben, der für die interne Kalibrierung genutzt wird. Die Antenne richtet sich dabei nach Nord aus und wartet auf den Start des nächsten Zyklus. Alle Niederschlagsradargeräte des DWD beginnen gleichzeitig mit der Drehung für den nächsten Zyklus. So wird die Drehung der Antennen grob synchronisiert und damit verhindert, dass die Antennen sich gegenseitig anstrahlen können. Gleichzeitig wird damit die Bildung von Komposite-Radarprodukten unterstützt (Berechnung von Bildern und Zusammenstellung von Daten mehrerer Radargeräte), weil die Daten zum Beispiel aus dem Niederschlagsscan alle aus derselben Minute sind.

Bild 5: horizontale Radarabdeckung eines Verbundes von Wetterradargeräten in Deutschland

Bild 5: horizontale Radarabdeckung eines Verbundes von Wetterradargeräten in Deutschland (Quelle: Deutscher Wetterdienst)

Disloziierung

Der Deutsche Wetterdienst unterhält in Deutschland einen Verbund aus 17 Niederschlagsradaren, die so verteilt sind, dass sie das gesamte Gebiet der Bundesrepublik Deutschland sicherstellen. Sie überdecken sich teilweise gegenseitig, so dass bei Ausfall eines Gerätes die Daten der Nachbargeräte verwendet werden können. Eines dieser Radargeräte ist transportabel, so dass bei größeren geplanten Ausfallzeiten eine Verlegung des Radars an diesen Standort möglich ist.

Übersicht über die auf dem Radartutorial vorgestellten Wetterradargeräte.


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