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Reflektivität

Die Reflektivität (Z) ist ein Maß für den Rückstreuquerschnitt von Zielen, die mit einem Wetterradar detektiert werden können, vergleichbar mit der effektiven Rückstrahlfläche bei einem Aufklärungsradar. Es ist die durch Hydrometeore (Wassertropfen, Schneekristalle, Hagel- und Graupelkörner) zurückgestrahlte Leistung. Reflektivität wird definiert als die gesamte Rückstrahlfläche kleiner Partikel pro Kubikmeter mit einer Dielektrizitätskonstante größer als Null. Dieser Wert ist proportional zur sechsten Potenz des Durchmessers eines Objektes mit einer sphärischen Oberfläche. Da jeder Regentropfen oder jede Schneeflocke einen anderen Durchmesser hat, ist es nicht möglich, den Wert mit einer Anzahl von Objekten zu multiplizieren, die Reflektivität ist also die Summe aller einzelnen Objekte in einem Raum von einem Kubikmeter unter Beachtung eines Modells der Verteilung der unterschiedlichen Tropfengröße:

mit

N0 = Formparameter (mm-7-µ·m3)
D = Durchmesser des Tropfens (mm)
Λ = Steilheit der Exponentialfunktion (mm-1)(1)

Die Reflektivität Z ist abhängig von der Größe und der Anzahl von Regentropfen pro Volumen und hat die Maßeinheit mm6·m-3. Sie ist proportional zur Energie, die von sämtlichen Streuteilchen im Impulsvolumen zur Antenne zurückgestreut wird. Sind die Tröpfchen nicht kugelförmig, so ist D der volumenäquivalente Kugeldurchmesser.

Zusammenhang Reflektivität und Regenrate

Die vom Radar gemessene Reflektivität muss nun mit der am Boden ankommenden Niederschlagsmenge in ein Verhältnis gesetzt werden. Die Regenrate R ist abhängig von der Anzahl der im gemessenen Volumen vorhandenen Regentropfen sowie auch eine Funktion der Fallgeschwindigkeit v(D), die wiederum abhängig ist von der Tropfengröße. Der Umfang der Regentropfen ist proportional zu D3:

Verhältnis Reflektivität zur Regenrate

Da die von der Antenne empfangene Energie aber von vielen Faktoren abhängt, wurde für meteorologische Ziele die Reflektivität speziell definiert, in dem alle anderen Einflüsse zu nur noch einem Faktor und einem Exponent zusammengefasst wurden. Die Reflektivität hängt nun nur noch von den Eigenschaften der Ziele ab. Bei Regen ist sie um so größer, je mehr und je größere Regentropfen in der Luft enthalten sind. Sie wird meist in der logarithmischen Einheit dBZ angegeben, wobei dB das übliche Kürzel für Dezibel ist und Z für Reflektivität steht.

Reflektivitäten (Z) bzw. deren logarithmischen Werte (dBZ) können mit der folgenden Beziehung in Niederschlagsraten (R, in [mm/h]) umgerechnet werden:

Durch langfristige Beobachtungen wurden mittlerweile eine große Anzahl von verschiedenen Werten für a und b ermittelt. Diese Werte werden für jede Radarstation und (bei mobilen Geräten: für jeden Standort) abgestimmt und in einer Tabelle festgehalten.

Dabei sind je nach der Radarkonfiguration und der besonderen Wettersituation mehrere Mehrdeutigkeiten möglich. Zur quantitativen Analyse der Niederschlagsintensität müssen jedoch jeweils weitere Vergleichsmessungen herangezogen werden.

Vergleiche der Reflektivität

Das Radar ist in letzten Jahren 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 dem Wind 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 Radarechos 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 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 A Fall A

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 B Fall B

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.

Fall C Fall C

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

Basiert 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 somit 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 eine grobe Entscheidungshilfe darstellt.

Reflektivität von Wettererscheinungen

Die Größe der 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 mit 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 Tropfenarten abgeschätzt werden und über einen Vergleich bekannter Verhältnisse auch die Niederschlagsmenge bestimmt werden. Die folgende Tabelle hilft, dieses zu erläutern:

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

Tropfendurchmesser
(D - cm)
Niederschlagsmenge (mm/hr)
0.251,252,512,5
prozentualer Anteil bestimmter Wassertropfengrößen
0,0528,010,97,32,6
0,1050,137,127,811,5
0,1518,231,332,824,5
0,203,013,519,025,4
0,250,74,97,917,3
0,30-1,53,310,1
0,35-0,61,14,3

Tabelle 1: statistische Verteilung der Wassertropfengröße

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% -100% ergeben kann! Jedoch kann durch Optimierung von Wetterstationen, die physische Messmethoden verwenden, dieses beträchtlich verbessern (z.B. Regenmaße werden dann mit einer Genauigkeit von 5 % to 10 % bestimmt). Zusätzliche hochwertige Interpolationsmethoden können diese Fehler auf 20% bis 50% verringern. Wieder hängt es von der Hochwertigkeit der Datenverarbeitung und 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 und welche verwendet werden kann, um Wetterdaten von anderen Objekten zu unterscheiden und somit das auf dem Monitor gezeigte Radarbild interpretieren zu können.

Reflektivität Wetter /
Objekte
größte Reflexion





schwächste Reflexion

Boden-Echos
Flugkörper
nasser Hagel
Regen
nasser Schnee
trockener Hagel
trockener Schnee
Niesel

Tabelle 2: Reflektivität in Abhängigkeit vom Wetterobjekt

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 Systemes 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 = aRb
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.

Regen stratiformZ = 200·R1,6
Regen orographicZ = 31·R1,71
Gewitter konvektivZ = 286·R1,37
SchneeZ = 2000·R2

Tabelle 3: Typische Werte für verschiedene Niederschlagsarten

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:

Bei Fehlen von Zusatzinformationen ist es zulässig, in der gemäßigten Klimazone von einem Standardwert von Z = 200·R1,6 zu verwenden. Normalerweise ist Z in einer logarithmischen Skala angegeben: ZdB = 10 log Z.