Grundlagen der Radartechnik

Vergleiche der Reflektivität

Das Radar ist in der Meteorologie ein wichtiges Werkzeug für die Messung des Niederschlags und die Entdeckung von gefährlichen Wetterbedingungen geworden. Stürme, Orkane usw., entwickeln sich durch die Übertragung von Wärmeenergie vom Boden oder warmen Meeren in die Atmosphäre. Wenn warme feuchte Luftmassen aufsteigen, schlägt sich der Wasserdampf nieder, bildet eine Wolke und gibt die latente Wärmeenergie frei.

Ein Sturm ist eine sehr dynamische Erscheinung: er wächst, erreicht einen Gipfel, dann flaut er ab und erstirbt. Es ist also kein stabiles Objekt, welches sich mit der Windrichtung bewegt. Das Wetterradar muss deshalb oft genug den Himmel absuchen und sich so dem Tempo der Änderung der Wetterlage anpassen.

Es hat sich eingebürgert, im Rhythmus von 5 Minuten über Wetterwarnungen informiert zu werden. Für Regenmessungen genügt aber ein Aktualisierungstempo von 15 Minuten. Dieser Datenstrom über 24 Stunden hinweg wird sich so also nicht zu einer unüberschaubaren Datenmenge entwickeln.

Von einem Wetterradar wird erwartet, dass es die Intensität des Regens erfasst und vor allem: misst! Sie müssen deshalb genau geeicht werden und einen breiten dynamischen Bereich (60 bis 100 dB oder mehr) überstreichen, um sowohl mit leichtem Regen in großer Entfernung als auch mit starkem Regen im Nahbereich zurechtzukommen. Im Gegensatz zu denen von Wettererscheinungen tendieren Störechos von Flugzeugen, Vögeln oder Bodenfestzielen dazu, auf dem Bildschirm entweder einzeln oder als lockere Gruppe aufzutreten. Niederschläge sind aber über einen großen Bereich im Raum verteilt und diese Partikel können eine Vielfalt von Formen annehmen (Wassertröpfchen, Eiskristalle, Hagel, Schnee und auch Mischungen von alledem).

Deswegen (und wegen der Schwankungen in der Größenverteilung der Wassertröpfchen) gibt es keinen festen quantitativen Bezug zwischen der Niederschlagsmenge und der Amplitude des Radarechos.

Fall A	Dies zeigt eine leichte Wolke ohne Niederschlag. Das empfangene Signal wird relativ schwach sein.
Fall B	Dieser Fall beschreibt eine Wolkenformation mit irgendeinem Niederschlag (zum Beispiel leichter Regen oder Nieselregen). Ein beträchtlich stärkeres Echos kann davon erwartet werden, wenn solch ein Niederschlag auftritt.
Fall C	Dieser Fall zeigt eine schwere Wolke mit großen Mengen darin enthaltenen Regens. Dies könnte zum Beispiel ein schweres Gewitter sein. Die Dichte dieser Formation wird sehr hoch und das empfangene Echo daher ziemlich intensiv sein.

Tabelle 1: Zuordnung der empfangenen Stärke des Echosignals zu möglichen Wetterobjekten

Basierend auf Erfahrungen und Untersuchungen bei verschiedensten Sendefrequenzen kann eine Tabelle entwickelt werden, welche eine Zuordnung der empfangenen Stärke des Echosignals und der Reflektivität von möglichen Wetterobjekten erlaubt und mit deren Hilfe das empfangene Echo identifiziert werden kann.

Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Stärke der empfangenen Echosignale von den verschiedenen Wetterobjekten nicht ein-eindeutig in einer genau definierten Tabelle zugeordnet werden können, sondern dass diese Tabelle eher nur eine grobe Entscheidungshilfe darstellt.

Reflektivität von Wettererscheinungen

Die Größe der gemessenen Reflektivität allein ist normalerweise nicht ausreichend, um eine zuverlässige und brauchbare Identifikation zwischen einigen Wetterarten zu liefern, (anderenfalls ist das Ergebnis zu ungenau). Es werden also oft zusätzliche Methoden angewandt, wie Messung der Dopplerfrequenz oder Messung in verschiedenen Polarisationsebenen.

Die Art und Zusammensetzung der Regenwolken sind auch wichtig. Die Tropfengröße hat eine wichtige Wirkung auf die Abschwächung und die Reflektivität der Wettererscheinung. Außerdem kann man sich je nach der Niederschlagsmenge relativ sicher sein, dass wenn ein bestimmtes Spektrum an Tropfengröße gefunden wird, eine Wolke dazugehört. Wenn dies bekannt ist, kann die Reflektivität von diesen Tropfengrößen abgeschätzt werden und über einen Vergleich bekannter Verhältnisse auch die Niederschlagsmenge bestimmt werden.

Den zu erwartenden prozentualen Anteil von Wassertropfen bestimmter Größen bei verschiedenen Niederschlagsmengen wird in der folgenden Tabelle gezeigt:

Auf Grundlage von dieser Information ist es möglich, die Reflektivität von anderen Niederschlagsmengen zu bewerten. Diese Kenntnis von der Zusammensetzung der Wolken erlaubt auch detaillierteres Modellieren und Kennzeichnen von Wolken.

Dazu muss aber beachtet werden, dass die Temperatur ebenfalls in diese Berechnung mit eingeht. Die Dämpfung der elektromagnetischen Wellen ist abhängig von der Temperatur.

Schätzfehler

Es muss beachtet werden, dass die Bestimmung der verschiedenen Wettererscheinungen auf der Grundlage der erhaltenen Radarechos nicht sehr genaue Ergebnisse bringt. Eine Quelle (MIT Labs in den USA) schätzt, dass die Verwendung von vordefinierten Skalen Fehler von 50% bis 100% ergeben können! Jedoch kann durch Optimierung von Wetterstationen, welche physische Messmethoden verwenden, dieses beträchtlich verbessern (z.B. Regenmaße werden dort mit einer Genauigkeit von 5 bis 10% bestimmt). Zusätzliche hochwertige Methoden einer Interpolation können diese Fehler auf 20% bis 50% verringern. Wieder hängt es von der Genauigkeit der Datenermittlung und der Datenverarbeitung sowie der Standortoptimierung der Radaranlage ab.

Hagel

Die Bestimmung von Hagelgebieten ist eine wichtige Funktion eines Wetterradars. Einige Methoden für dessen Identifikation erfordern jedoch komplexere Radarstationen.

Radarechostärkentabelle

Wichtig!: Die Stärke der Reflektivität der Wettererscheinungen ist nur relativ zueinander vergleichbar, da das Echo stark frequenzabhängig ist und die Daten von zwei verschiedenen Radarstandorten sehr wahrscheinlich nicht gleich groß sein werden!

Zu jeder Wetterradarstation gehört eine Tabelle über die Größe von Radarechos, um aus der Stärke von den von der Antenne empfangenen reflektierten Echosignalen Schlüsse auf die verschiedenen Arten Wettererscheinungen zu ziehen. Diese Tabelle kann verwendet werden, um Wetterdaten von anderen Objekten zu unterscheiden und somit das auf dem Monitor gezeigte Radarbild interpretieren zu können.

Alle Objekte besitzen eine bestimmte Größe der Reflektivität. Deshalb kann das von der Antenne empfangene, in Stärke und Form variierende Echo interpretiert werden, um eine Schlussfolgerung über die Art und den Schweregrad einer Wettererscheinungen zu ziehen.

Abstimmung: Es wird betont, dass die Reflektivität nur eine grob geschätzte Größe ist. Die Optimierung des Systems wird oft mit Hilfe von Wetterdaten von anderen Sensoren (wie vom Radar unabhängige klassische Wetterstationen) ausgeführt, um eine optimale Leistung des Wetterradargerätes sicherzustellen! (Dies wird aber stets auf einen konkreten Standort bezogen.).

Alle Arten von Wettererscheinungen und Objekte verursachen eine bestimmte Größe von reflektierter Energie. Eindeutige Festziele, also am Boden gelegene bewegliche und unbewegliche Objekte, erzeugen die stärksten Echosignale.

Diese Tabelle vergleicht Radarechos nur für Niederschlag. Natürlich gibt es auch andere Arten von Wettererscheinungen, aber diese werden nicht in dieser Tabelle betrachtet.

Regen wird am häufigsten mit Hilfe einer Beziehung zwischen der Reflektivität (Z in mm⁶/m⁻³) und seiner Niederschlagsintensität (R in mm / h^-1) gemessen. Vordefinierte Tabellen über die Reflektivität werden an jeder Wetterradarstation als Grundlage für eine Anfangsinterpretation und Berechnung verwendet.

Die Regenrate R kann aus der Reflektivität Z mit folgender empirisch ermittelter Formel berechnet werden: Z = aR^b
hierbei sind a und b Konstanten und R ist die Niederschlagsintensität in mm/hr. (Die Konstanten a und b sind die empirisch ermittelten Werte für bestimmte Niederschlagsarten.) Es ist allerdings schwierig, genaue Beziehungen zwischen der Reflektivität und der Niederschlagsmenge (Regenrate) herzustellen (Sind es wenige große oder viele kleine Tropfen?). Als Beispiel hat ein Tropfen mit einem Durchmesser von 5 mm mit einer Masse von 65 mg die gleiche Reflektivität wie 15625 Tröpfchen mit je einem Durchmesser von 1 mm, die dann zusammen schon eine Masse von 8180 mg haben.

Zusätzlich gibt es auch andere Formen identifizierbaren Wetters, das von Wetterradarsystemen interpoliert werden könnte (obwohl dieses abhängig vom Frequenzband, vom Einsatzzweck und der Systemsoftware der Radarstation, nicht bei allen Geräten verfügbar ist).
Diese Formen könnten z.B. sein:

• Regen (oder Gewitter), bezogen auf das Verhältnis Niederschlagsmenge zur Amplitude des empfangenen Echos. Regen wird allgemein in 6 Stärken eingeteilt (leichter, mittlerer, schwerer, sehr schwerer, intensiver und extremer Regen). Die FAA hat zum Beispiel eine Klassifizierungsskala als ein Informationsrundschreiben ausgegeben.
• Wolken, aus denen kein Niederschlag fällt (aus Wasser oder Eiskristallen)
• Nebel und Eisnebel - Daten, die manchmal auch einen Wert für die geschätzte Sichtweite liefern.
• Clear-Air-Turbulenzen (nur mit bestimmten Frequenzspektren - die wirkungsvollsten Systeme, welche Clear-Air-Turbulenzen identifizieren können, arbeiten im L-Band!)

Bei Fehlen von Zusatzinformationen ist es zulässig, in der gemäßigten Klimazone von einem Standardwert von Z = 200·R^1,6 zu verwenden. Normalerweise ist Z in einer logarithmischen Skala angegeben: Z_dB = 10 log Z.