Grundlagen der Radartechnik

Wetterradarprodukte

Aus den vom Wetterradar gemessenen Daten werden sowohl verschiedene lokale Radar-Produkte als auch Radar-Komposit-Produkte erzeugt. Wenn die Radardaten rechnerisch miteinander verknüpft werden, spricht man von Komposit-Produkten oder einem Komposit-Bild. Das kann sowohl ein lokales Komposit sein (wenn Daten aus mehreren Antennenumdrehungen übereinandergelegt werden) als auch ein Komposit aus Daten verschiedener Radargeräte und Radarstandorte. Die im Internet verbreiteten Bilder von zum Beispiel dem sogenannten „Regenradar“ sind immer Komposits.

Lokale Radarprodukte

Primäre Daten durch das Radarverfahren (oder deren Basis-Daten) sind nur die Reflektivität und mögliche Radialgeschwindigkeiten. Die Darstellung erfolgt je nach Abtastverfahren des Raumes wie beim Luftraumaufklärungsradar entweder als PPI- Darstellung (mit im Seitenwinkel sich drehender Antenne) oder als RHI- Darstellung (range-height-indication mit im Höhenwinkel schwenkender Antenne). Das Basisreflexionsvermögen und die Basisgeschwindigkeit sind je ein vom Radar gemessenes Basisprodukt und können sowohl im PPI als auch im RHI dargestellt werden.

Bild 2: RHI-Darstellung (Range-Height-Indication)

Bild 2: RHI-Darstellung (Range-Height-Indication)

Unterschiedliche Radarprodukte entstehen aus diesen Daten durch Nutzung unterschiedlicher Anzahl von Klassen (Anzahl der Intensitätsstufen dargestellt durch Farbvarianten), durch unterschiedliche Auflösung in Entfernung oder Winkel, unterschiedliche maximale Reichweiten, unterschiedliche Primärdaten (Volumenscan oder Niederschlagsscan) sowie (bedingt durch Software) unterschiedliche Komprimierungsalgorithmen.

Bei einer PPI- Darstellung („Radarrundsichtdarstellung“) werden die meteorologischen Objekte in einer Ebene dargestellt, im Mittelpunkt befindet sich das Wetterradar. Die Position der Echos wird durch die Richtung und die Entfernung, (in einem Polarkoordinatensysten, also bezogen auf die Radarstation) bestimmt. Für die Darstellung der Intensität der Echos wird eine Farbskala verwendet. Jede Umdrehung geschieht mit einem anderen Höhenwinkel. Im Original besteht diese PPI- Darstellung deswegen nur aus einem einzelnen Höhenwinkel, einem sogenannten elevation scan, der während einer Antennenumdrehung aufgezeichnet wird. Die Farben der Darstellung entsprechen der reflektierten Leistung, die von der Radarantenne von einem bestimmten Ort aus empfangen wurde. Ein einzelner PPI kann jedoch kein vollständiges Bild der vertikalen Struktur eines Niederschlagsgebietes geben. Er zeigt nur einen kegelförmigen Schnitt durch das Wettergeschehen an.

Bei einer RHI-Darstellung („Radarvertikalsichtdarstellung“, siehe Bild 2) wird nur ein einzelner Seitenwinkel dargestellt. Die Radarantenne schwenkt im Höhenwinkel auf und ab. Eine RHI-Darstellung ermöglicht eine Untersuchung der vertikalen Ausdehnung und Verteilung der Echos (zum Beispiel zur Bestimmung der Höhe der Wolkenunter- sowie der Wolkenobergrenze von Niederschlagsgebieten oder Gewitterwolken). Bei modernen Wetterradargeräten muss die Antenne jedoch nicht mehr anhalten und schwenken: Die RHI- Darstellung wird als lokales Komposit aus den Daten mehrerer Antennenumdrehungen zusammengesetzt.

Die klassische RHI-Darstellung beginnt immer am Standort des Radars und endet in einem beliebigen Seitenwinkel am Rand der Auffassungsentfernung des Radars. Bei einer Arbitrary Vertical Cross-section (AVCS) kann der Nutzer den Start- und Endpunkt dieser Vertikaldarstellung selbst bestimmen. Somit ist ein Höhenschnitt quer durch ein Wettergebiet möglich.

Bild 3: Eine Verknüpfung verschiedener elevation scans zu einem CAPPI (Constant Altitude PPI)

Bild 3: Eine Verknüpfung verschiedener elevation scans zu einem CAPPI (Constant Altitude PPI)

Lokale Komposits

Eine Verknüpfung von Daten aus mehreren Antennenumdrehungen eines Wetterradars wird lokales Komposit oder Standort-Komposit genannt. Sie bestehen aus den verschiedenen Bildfolgen aller elevation scans (dem loop).

Bild 4: Radarprodukt PZ des DWD: ein lokales CAPPI mit einer Höhe von 3 000 m (10 000 Fuß),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Bild 4: Radarprodukt PZ des DWD: ein lokales CAPPI mit einer Höhe von 3 000 m (10 000 Fuß),
(© 2020 Deutscher Wetterdienst)

Reflektivität-Komposit

Bei einem Reflektivität-Komposit werden die Daten des volume scans übereinandergelegt. Dargestellt wird das stärkste Echosignal aus den elevation scans. Jeder Punkt des Radarbildes zeigt den Maximalwert (in dBZ) des Reflexionsvermögens in der Luftsäule über diesem Punkt.

Echotop

Bei einem Echotop werden ebenfalls die Daten der elevation scans übereinandergelegt. Die unterschiedlichen Farben zeigen jedoch die Höhe der stärksten Reflektivität über dem Grund an. Diese Karte hat eine besondere Bedeutung bei der meteorologischen Flugberatung der Piloten.

CAPPI

Ein CAPPI (Constant Altitude PPI) ist eine horizontale, zweidimensionale Darstellung von Radarmessgrößen in einer bestimmten Höhe. Ein CAPPI wird aus mehreren PPI- Messungen bei verschiedenen Höhenwinkeln (Elevationen) berechnet und interpoliert. Auf einem PPI- Scope werden die unterschiedlichen Höhen meist durch Farbvariationen dargestellt. Ein sogenanntes Pseudo-CAPPI (pCAPPI) unterscheidet sich von einem CAPPI dadurch, dass zusätzliche Werte in der Fernzone extrapoliert werden.

Höhen-
schnitte

Kreuzriss

Grundriss

Aufriss

Medionalschnitt

Zonalschnitt

Bild 5: Struktur eines Vol-CAPPI-Displays

Höhen-
schnitte

Kreuzriss

Grundriss

Aufriss

Medionalschnitt

Zonalschnitt

Bild 5: Struktur eines Vol-CAPPI-Displays

Vol-CAPPI

Eine weitere Darstellungsmöglichkeit wird Vol-CAPPI (Volume Constant Altitude Plan Position Indicator) genannt und erlaubt eine eindeutige Echozuordnung in allen drei Rissen. Neben einem Grundriss wird auch ein Aufriss (entspricht einem Seitenriss von Ost nach West) und ein Kreuzriss (entspricht einem Seitenriss von Nord nach Süd) gezeigt. Mit Hilfe eines Fadenkreuzes lassen sich die Positionen dieser Schnitte beliebig auswählen.

MAX-CAPPI

In einem MAX-CAPPI (Maximum Constant Altitude Plan Position Indicator) 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.

Standortübergreifende Komposits

Kombiniert man die Radarbilder verschiedener Standorte zu einem Gesamtbild, dem sogenannten Komposit, so erschließen sich weitere Möglichkeiten der Wetteranalyse und -vorhersage. Standortübergreifend werden meist nur die lokalen Reflektivität-Komposits weiterverarbeitet. Der Vorteil ist eine großflächige Übersicht. Nachteil ist die gegenüber den lokalen Produkten verschlechterte Genauigkeit.

Durch den DWD werden nationale Kompositbilder (PC-Product) und internationale Kompositbilder (PI-Product) bereitgestellt.

WX-Produkt und RX-Produkt

Die Überlagerung der Reflektivitäten aller Radarstandorte in Deutschland bildet eine zweidimensionale Standard-Auswertung der Radarreflektivitätsverteilung mit einer Auflösung von 1 km × 1 km. Für das WX-Produkt wird nur der Niederschlagsscan der Wetterradargeräte verwendet. Dieser Niederschlagsscan wird nur alle 5 Minuten aktualisiert. Diese Bilder oder deren Abfolge als Animation werden als „Regenradar“ publiziert.

Für das RX-Produkt werden die lokalen Reflektivität-Komposits, also die Daten aus allen elevation scans verwendet. Es erfasst also auch Wassertröpfchen in großen Höhen, die aufgrund von Aufwinden gar nicht herunterfallen.

Vertically Integrated Liquid (VIL)

Vertically Integrated Liquid (Vertikal integrierte Flüssigkeit, VIL) ist die Gesamtregenmenge, die fallen würde, wenn das gesamte flüssige Wasser in einer Säule innerhalb einer Regenwolke (meist ein Gewitter) zur Erdoberfäche gelangt. Im Grunde genommen werden alle aufgrund der Reflektivität abgeschätzten Wassermengen über einer rasterartig aufgeteilten Flächeneinheit addiert.

VIL wird nicht beobachtet oder gemessen, sondern auf der Grundlage der vom Radar gemessenen Reflektivität berechnet. Somit wirkt sich alles, was die Reflektivität beeinflusst, auf die VIL aus.