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Radar Info

Dr. Hermann Gysi
Roonstraße 18
76137 Karlsruhe

Tel (0721) 971 40 30

info@ radar-info.de

 

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Ein kleines ABC der Radar-Meteorologie und technische Details 
Gebrauch von Radardaten in der Wolken- und Niederschlagsphysik  

Zur Analyse der dynamischen Struktur von Einzelwolken und Wolkensystemen und zur flächendeckenden, kontinuierlichen Niederschlagsmessung steht seit Juli 2013 auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe ein operationell betriebenes C-Band Dualpol Doppler-Radar zur Verfügung.
Es ersetzt das alte Doppler-Radar, das von 1993 bis 2013 in Betrieb war. 


Bild des Radars, das auf dem Dach des Institutsgebäudes  auf dem Gelände des KIT Campus Nord (ehemals Forschungszentrum Karlsruhe) steht.


Anhand von Reflektivitäts- und Dopplergeschwindigkeitsmessungen wird vor allem die Modifikation von Wolken durch orographische Hindernisse, wie sie im Oberrheingraben bei Karlsruhe gegeben sind (Schwarzwald, Vogesen) und die daraus resultierenden Einflüsse auf die Niederschlagsmengen am Boden untersucht.
Durch die Messung der Reflektivität in zwei vertikal zueinander stehenden Polarisationsebenen ist es jetzt möglich, zusätzliche Informationen über Form und Art der gemessen Niederschlagsteilchen zu erhalten.
Die auf die quantitative Niederschlagsmessung abzielenden Arbeiten werden unterstützt durch vergleichende Registrierungen mit Distrometern, einem vertikal zeigenden FMCW-Radar (zur Analyse des vertikalen Profils von Tropfenspektren) und durch regelmäßige Vergleiche mit Bodenmessungen des UMEG-Messnetzes. 

 
Liste der technischen Details des Radars
 

Anaprop-Echos  

Azimut  Der Azimut (oder Azimutwinkel) beschreibt die horizontale Richtung: 0 Grad entspricht Nord, 90 Grad entspricht Ost, 180 Grad entspricht Süd usw.   

Bodenechos  

bright band  
Siehe Helles Band  

C-Band  
Das Karlsruher Radar ist ein C-Band-Radar. Diese Bezeichnung steht für eine verwendete Wellenlänge von ca. 5 Zentimetern. Es gibt weitere derartige Bezeichnungen: S-Band für ca. 10 Zentimeter, X-Band für ca. 3 und K-Band für etwa einen Zentimeter Wellenlänge. Zum Vergleich: Fernsehwellen sind etwa dreißig Zentimeter bis einige Meter lang, UKW-Radiowellen ca. 3 Meter. Siehe auch Radar 

CAPPI  
Abkürzung für 'C onstant Altitude Plan Position Indicator'. Bei PPI mit verschiedenen Höhenwinkeln auf eine Ebene von konstanter Höhe interpoliert. In einem MAX (imum)-CAPPI werden Maxima der Daten von CAPPI aus verschiedenen Höhen dargestellt. Dies geschieht einerseits durch eine Vertikal-Maximumprojektion in einem (Bild-) Aufriß, andererseits durch Horizontal-Maximumprojektionen von Süd nach Nord bzw. von West nach Ost in Seitenrissen. In den Seitenrissen gibt die seitliche Skala die Höhe in km an. In einem MAX-CAPPI werden meist Reflektivitäten dargestellt.  

Chaff  

Clear-air Echos  

Clutter  

dBZ  
Siehe Reflektivität  

Dopplergeschwindigkeit   
Mit Hilfe des Doppler-Effekts (nach dem österreichischen Physiker C. Doppler, 1803-1853) können speziell ausgerüstete Radargeräte die Geschwindigkeitskomponente bestimmen, mit der sich Zielobjekte auf das Radar zu bewegen bzw. von ihm entfernen (radiale Geschwindigkeit). Der Betrag dieser Komponente ist die Dopplergeschwindigkeit. Sie wird im allgemeinen positiv definiert, wenn sich das Objekt vom Radar entfernt, und negativ, wenn es sich auf das Radar zu bewegt.  
Verlagerungen quer (senkrecht) zum Radarstrahl können nicht direkt gemessen werden. Radargeräte, die die Dopplergeschwindigkeit messen können, nennt man Doppler-Radar. Das Karlsruher Radar ist solch ein Gerät.  

Doppler-Radar  
Siehe Dopplergeschwindigkeit  

Elevation  
Die Elevation (auch: Elevationswinkel, Höhenwinkel) beschreibt die Richtung in der Vertikalen: eine Elevation von 0 Grad bedeutet waagerechte Richtung, 90 Grad entsprechen senkrecht nach oben. Bei z.B. 1 Grad Elevation steigt der Radarstrahl mit zunehmender Entfernung nur sehr leicht an. Aber auch bei waagerechter Abstrahlung nimmt die Höhe des Radarstrahls über der Erde wegen der Erdkrümmung mit zunehmender Entfernung zu. Bei einer Distanz von 200 km befindet sich der Radarstrahl der tiefsten Elevation (0.5 Grad für das Karlsruher Radar) deshalb bereits in einer Höhe von 4 km über Grund und bodennahe Niederschlagssysteme können nicht mehr erfasst werden.  

Helles Band   
In der Schmelzzone, wo feste Niederschläge wie Schnee und Graupel in Regen übergehen, ist die Reflektivität etwas erhöht. Diese Erhöhung ist bei stratiformen Niederschlägen ('Landregen') stärker ausgeprägt als bei schauerartigen Regenfällen. Sie wird 'Helles Band' (englisch bright band) genannt. Die Bezeichnung stammt noch aus der Zeit der Einfarben-Analog-Bildschirme, wo eine höhere Reflektivität durch ein helleres Signal angezeigt wurde. Bei einem Vertikalschnitt durch die Atmosphäre erscheint die Schmelzzone dann tatsächlich als Helles Band. Üblicherweise befindet sich die Schmelzzone etwa 200 bis 500 Meter unterhalb der Nullgrad-Grenze. Fallen die Niederschläge bis zum Erdboden als Schnee, kann es kein Helles Band geben.  

Höhenwinkel  
Siehe Elevation  

Insekten  

Inversion  
Üblicherweise nimmt die Lufttemperatur mit zunehmender Höhe ab. Manchmal gibt es aber Luftschichten, innerhalb derer die Temperatur mit der Höhe zunimmt. Man spricht dann von einer (Temperatur-) Inversion. Solche Inversionsschichten beeinflussen die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung.  

MAX-CAPPI  
Siehe CAPPI  

Niederschlagsintensität   
Für Meteorologen und Hydrologen ist die Kenntnis der Niederschlagsintensität (oder Regenrate) sehr wichtig. Sie gibt an, wieviel Regenwasser pro Zeit- und Flächeneinheit fällt (also beispielsweise 5 mm/h = 5 Liter Wasser pro Quadratmeter und pro Stunde = ungefähr 1500 Liter pro Sekunde auf jeden Quadratkilometer). Um möglichst genaue Wetter- und Hochwasservorhersagen machen zu können, muß die Niederschlagsintensität räumlich und zeitlich hoch aufgelöst erfaßt werden. Hierzu sind Radargeräte prinzipiell in der Lage. Die Einschränkung kommt daher, daß Radargeräte nicht die Niederschlagsintensität selbst messen können, sondern "nur" die Reflektivität. Aus dieser kann jedoch die Niederschlagsintensität berechnet werden, wenn man gewisse Annahmen über die Tropfengrößverteilung trifft. Die Umrechnung erfolgt dann mit einer sogenannten Z-R-Beziehung, wobei Z für Reflektivität und R für Niederschlagsintensität steht. Beim Karlsruher Radar wird die Niederschlagsintensität auf einer geländefolgenden Fläche mit konstanter Höhe über Grund berechnet; das Bildprodukt wird als SRI bezeichnet.  

PPI  
Abkürzung für 'Plan Position Indicator'. Bezeichnet ein Meßverfahren und anschließende Darstellung, bei der die Radarantenne auf einen bestimmten Höhenwinkel gestellt wird und dann einmal im Kreis fährt. Mit niedrigen Höhenwinkeln von wenig mehr als Null Grad (also fast waagerecht) erhält man auch in großen Entfernungen noch Echos von meteorologischen Zielen. In einem PPI können sowohl Reflektivität als auch Dopplergeschwindigkeit dargestellt werden.  

PRF  
Siehe Puls  

Puls  
Die Radarstrahlung wird nicht kontinuierlich sondern pulsförmig ausgesendet, wobei ein Puls etwa eine Millionstel Sekunde dauert. Die Zeit, die zwischen zwei Pulsen vergehen soll ist hardwaremässig einstellbar und bestimmt den maximalen Messradius (range). Wenn z.B. die Zeit zwischen zwei Pulsen 800 mal so lang ist wie die Pulsdauer (d.h. 0,0008 s), kann sich in dieser Zeit die Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, maximal 120 Kilometer entfernen und nach der Streuung an irgendwelchen Zielobjekten wieder zurückkehren. 120 Kilometer ist in diesem Fall der maximal eindeutig detektierbare Messradius. Die Wiederholungsrate der Pulse, die sog. PRF = 'Pulse Repetition Frequency' beträgt dann 1/0,0008sec = 1200 Hz.  

Radar  
Abkürzung für 'Radio Detecting And Ranging' = 'Erkennung und Entfernungsbestimmung mit Radiowellen'. Durch Aussenden gepulster elektromagnetischer Strahlung und Analyse zurückgestreuter Signale werden 'Intensitäten', Entfernungen sowie Richtungen von Zielobjekten bestimmt. Die verwendete Wellenlänge der Strahlung ist von der Aufgabenstellung abhängig (siehe auch C-Band).  

Radarstrahl  
Da die Radarstrahlung bei Wetterradargeräten meist stark gebündelt wird, spricht man auch von einem Strahl. Die Strahlöffnung beträgt meist etwa ein bis wenige Grad, so daß der Strahl eher mit einen spot-Scheinwerfer oder einem Leutturmstrahl zu vergleichen ist.  

range  
Bezeichnet den eindeutigen Entfernungsbereich um das Radar, aus dem Daten zur Analyse herangezogen werden.  

Reflektivität   
Die Reflektivität ist ein Maß für den Rückstreuquerschnitt von Zielen, die mit Radar detektiert werden können. Sie ist proportional zur Energie, die von sämtlichen Streuteilchen im Radarsrahl zur Antenne zurückgestreut wird. Da die von der Antenne empfangene Energie aber von vielen Faktoren abhängt - unter anderen von der Entfernung, der Strahlungswellenlänge, der Antennenform und der ausgesendeten Energie - wurde für meteorologische Ziele die Reflektivität speziell definiert. Sie hängt nur noch von den Eigenschaften der Ziele ab. Bei Regen ist sie umso größer, je mehr und je größere Regentropfen in der Luft enthalten sind. Die Reflektivität wird meist in der logarithmischen Einheit dBZ angegeben, wobei dB das übliche Kürzel für Dezibel ist und Z für Reflektivität steht. Eine Erhöhung um 10 dBZ entspricht also eine Verzehnfachung der Reflektivität, eine Erhöhung um 30 dBZ einer Vertausendfachung.  
Reflektivitäten (Z) bzw. deren logarithmischen Werte (dBZ) können mit der folgenden Beziehung in Niederschlagsraten (R, in mm/h) umgerechnet werden :  

Z = aRb  <==>  R = (Z/a) 1/b = (10 dBZ /10 /a) 1/b  

dBZ = 10logZ  

- A ist im Sommer 300 und im Winter für Regen 200 und für Schnee 1800  
- B ist im Sommer 1.5 und im Winter für Regen 1.6 und für Schnee 2.2  
Diese Werte für A und B haben sich auf Grund von längerfristigen Beobachtungen als geeignet erwiesen. Zur quantitativen Analyse der Niederschlagsintensität müssen jedoch jeweils weitere Vergleichsmessungen herangezogen werden.  

Regenrate  
Siehe Niederschlagsintensität  

second-trip-Echos  

Seitenriß  
Siehe CAPPI  

Sonnenstrahl  
In manchen Radarbildern, insbesondere bei tiefstehender Sonne, ist ein Strahl in Richtung der Sonne zu erkennen. Er kommt dadurch zustande, daß die Sonne auch im Wellenlängenbereich des Radars elektromagnetische Energie aussendet. Der Strahl kann auf dem Radarbild auch vorhanden sein, wenn die Sonne selbst hinter Wolken liegt. Die Strahlschwächung durch Wolken ist nämlich bei den meisten Radar-Wellenlängen vernachlässigbar.  

SRI  
Abkürzung für 'Surface Rain Intensity' = 'Oberflächen-Regenintensität'. Siehe Niederschlagsintensität  

VIL  
Abkürzung für 'Vertical Integrated Liquid'. Gibt das äquivalent des vertikal integrierten Wassergehalts über dem jeweiligen Pixel in mm Wasser an. Nur Gewitterzellen im Sommer enthalten nennenswerte Mengen Wasser.  

VVP  
Abkürzung für 'Volume Velocity Processing'. Ein Rechenalgorithmus, mit dem unter bestimmten Voraussetzungen aus den Volumendaten der Dopplergeschwindigkeit unter anderem vertikale Profile des mittleren horizontalen Windfeldes bestimmt werden können.  

Z-R-Beziehung  
Siehe Niederschlagsintensität 

 
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