Deutscher Wetterdienst. Projekt RADOLAN

Transkript

1 Deutscher Wetterdienst Abteilung Hydrometeorologie Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer) Projektleiterin: Hella Bartels Bearbeiter: Elmar Weigl, Dr. Thomas Reich, Peter Lang, Andreas Wagner, Otfried Kohler, Nicole Gerlach unter Mitwirkung der MitarbeiterInnen der MeteoSolutions GmbH Zusammenfassender Abschlussbericht für die Projektlaufzeit von 1997 bis 2004

2 Vorwort Vorwort Das Projekt "Routineverfahren zur Online Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen/Ombrometer (RADOLAN)" umfasst fachliche Methoden und Softwareentwicklungen sowie IT Übermittlungen und Datenbankstrukturen zur Zusammenführung von Datenflüssen aus verschiedenen Messnetzen, um aus den online verfügbaren qualitativ quantitativen Radarniederschlagsinformationen des Radarverbunds des Deutschen Wetterdienstes (DWD) online verfügbare quantitative Niederschlagsdaten zu erzeugen. Ein wesentliches Ziel des Ende 1997 mit einer Laufzeit von sechs Jahren geplanten Projekts RADOLAN war die stündliche Aneichung der Radarreflektivitäten durch gemessene Bodenniederschlagswerte bei Starkniederschlagsereignissen in Echtzeit. Ausgehend von den im Projekt AKORD (Anwenderkoordinierte Organisation von Radardaten) vorgestellten Möglichkeiten einer Echtzeitnutzung von Radarprodukten sowie verschiedener Workshops wurde in den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Länder der Bedarf an Radarprodukten erhoben. Als Schwerpunkt kristallisierte sich die Bereitstellung von quantitativen Niederschlagsdaten im Echtzeitbetrieb (online) heraus. Das Projekt RADOLAN wurde daher in das Förderprogramm der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) aufgenommen und startete mit einem Workshop, an dem neben Ländervertretern Mitglieder des Deutschen Verbands für Wasser und Kulturbau (DVWK) mit radarmeteorologischen Experten des In und Auslands zusammentrafen, um die konkreten Realisierungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung der verfahrensbedingten Störeinflüsse der Radarniederschlagsmessung zu diskutieren. In der Konsequenz war das Mitte der 90er Jahre in der Hydrometeorologie des DWD entwickelte und angewendete Verfahren zur Offline Radarniederschlagsaneichung mit interaktiven wissenschaftlichen Bewertungsschritten für den Einsatz im Online Betrieb auszubauen, zu objektivieren, zu testen und zu optimieren. Auf Grund nicht vorhergesehener finanzieller und technischer Probleme war eine Verlängerung der Gesamtdauer des Projekts RADOLAN unvermeidbar. Aber im Mai 2004 konnten die Projektarbeiten abgeschlossen werden, so dass das Routineverfahren RADOLAN_OP nun im experimentellen Testbetrieb bis Ende 2004 erprobt und stabilisiert werden kann. Voraussetzung für eine Online Aneichung von Radarniederschlagsdaten sind die Existenz von: geeigneten Radarstandorten und eines zugehörigen automatischen Bodenniederschlagsmessnetzes in ausreichender Dichte mit Datenfernübertragung. Die Einrichtung und der operationelle Betrieb des DWD Radarverbunds mit 16 Radarstandorten konnte im Jahr 2000 abgeschlossen werden. Gleichzeitig wurde der Erfassungsradius von 100 km auf 125 km um den Radarstandort erweitert. Durch Überlagerung der Informationen aus den 16 Radarstandorten war somit eine weitestgehende Flächendeckung für Deutschland in Form eines sogenannten Komposits möglich. Die Umrüstung der Bodenniederschlagsmessnetze mit einem automatischen Grundmessnetz des DWD und den automatischen Verdichtungsmessnetzen der Länder (rund Stationen) wird bundesweit voraussichtlich im Jahre 2006 ebenfalls beendet sein. Aus Kostengründen wird allerdings zeitparallel das konventionelle DWD Messnetz sukzessive ausgedünnt bis auf Niederschlagsstationen (im Vergleich 1996: Niederschlagsstationen mit Tageswertmessungen). Aus Sicht des LAWA-Betreuers bedeuten diese angeeichten Radarniederschlagsdaten für die Nutzung durch die Wasserwirtschaftsverwaltung einen "Generationensprung" im Vergleich zu den bisher verfügbaren Punktmessungen des Niederschlags 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 2

3 Vorwort sowohl hinsichtlich der Verfügbarkeit als auch der Genauigkeit. Insbesondere die räumliche und zeitliche Auflösung eines Starkniederschlagsereignisses kann deutlich besser erkannt und dargestellt werden. Durch die Zeitgleichheit der Planungen für das DWD Projekt "Messnetz 2000" und das hydrometeorologisch wasserwirtschaftlich geplante Projekt "RADOLAN" konnte eine flächenrepräsentative Festlegung der Messnetzkonfiguration der automatischen Niederschlagsstationen zum DWD Radarverbund vorgenommen werden. Einsatzmöglichkeiten und Nutzen des RADOLAN-Verfahrens sind vielfältig und können wie folgt umrissen werden: 1.) Echtzeit(online) Nutzung Verbesserung der flächendeckenden Niederschlagsverteilung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Verbesserung der Struktur von Starkniederschlagsfeldern (advektiv und konvektiv sowie gemischt) zeitnahe operationelle Verfügbarkeit mit geringen Ausfallquoten genaue Berechnung von Gebietsniederschlagshöhen für die überregnete Fläche eines Einzugsgebiets Festlegung eines sogenannten "Ereignisfalls" durch Kriterien der Schwellenwertüberschreitung am Radar mit stündlichem Abruf der Bodenstationen bei Starkniederschlagsereignissen räumlich zeitliche Verbesserung der Niederschlag Abflussmodelle speziell in Hochwasservorhersagemodellen Steuerung von Rückhaltebecken und Talsperren sowie urbanen Kanalnetzen Auswaschen von Luftverunreinigungen mit Bodenbelastung Einbindung von angeeichten Radarinformationen in die Datenassimilation für numerische Wettervorhersagemodelle zeitliche Verdichtung der Modellläufe des Lokalen Modells (LM) als LM Kürzestfristvorhersage mit Radardaten (siehe Projekt RADVOR_OP) zeitliche Verlagerung konvektiver und stratiformer Niederschlagsfelder als Radar-Nowcasting (siehe Projekt RADVOR_OP) 2.) Nicht Echtzeit(offline) Nutzung Verbesserung der Wasserhaushaltsberechnungen Bemessung von wasserwirtschaftlichen Bauwerken insbesondere für den Hochwasserschutz Bemessung von urbanen Entwässerungssystemen Schmutzfrachtberechnungen für Kläranlagen Regenwassernutzung Sicherung der Wasserressourcen durch verbesserte Bestimmung der Grundwasserneubildung Umweltverträglichkeitsprüfungen Sachverständigengutachten für Schadensfälle durch Starkniederschlag. Mit dem ab Januar 2005 operationell verfügbaren Routineverfahren RADOLAN_OP ist nun ein Werkzeug geschaffen, das die Niederschlagsverteilung in 1 / 10 mm besonders bei Starkniederschlag bundesweit flächendeckend und angeeicht mit einer hohen zeitlichen Auflösung ( 1 Stunde) und räumlichen Auflösung (1 km Z 1km) online bereitstellen kann. Besondere Bedeutung kommt dabei auch den konvektiv verursachten, kleinräumigen Schauerniederschlägen zu, die in kleinen Einzugsgebieten 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 3

4 Vorwort zu den gefürchteten, rasch anschwellenden Sturzfluten führen. Derzeit steht in der wasserwirtschaftlichen Anwendung die Echtzeitnutzung für eine Verbesserung der Hochwasservorhersage sowie die Steuerung wasserwirtschaftlicher Anlagen zur Schadensminimierung im Vordergrund, aber auch die Nicht Echtzeit Anwendung ist auf die gegenüber dem früheren konventionellen Netz wesentlich erhöhten zeitlichen und räumlichen Differenzierung der Niederschlagsfelder, z.b. für den Einsatz von Niederschlag Abflussmodellen, für Langzeitsimulationen oder Bilanzierungsberechnungen angewiesen. Der nun vorliegende Abschlussbericht zu "RADOLAN" ist ein weiterer Baustein des deutschlandweit eingeführten 'Niederschlagsregelwerks' (siehe Anhang). Zum Gelingen des Projekts RADOLAN war die Zusammenarbeit und Abstimmung mit vielen Beteiligten in und außerhalb des Deutschen Wetterdienstes notwendig. Bei diesen möchte ich mich an dieser Stelle herzlich für die bereitwillige Kooperation bedanken. Allen voran sind hier der LAWA Betreuer Markus Moser sowie die LAWA Vertreter Volker Petersen, Dr. Dieter Prellberg und Dr. Manfred Bremicker zu nennen. Für die Bereitstellung des Mergingverfahrens bedanke ich mich bei der Universität Stuttgart und Dr. Uwe Ehret. Ebenso ist dem Deutschen Verband für Wasser und Kulturbau bzw. der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Arbeitsgruppe Niederschlag mit dem Obmann Dr. Volker Stalmann für die fachliche Begleitung zu danken. Neben den Mitarbeitern/Mitarbeiterinnen der Abteilung Hydrometeorologie und des Meteorologischen Observatoriums Hohenpeißenberg im DWD gilt aber mein besonderer Dank der tatkräftigen Mithilfe der Technischen Infrastruktur des DWD im Gesamtbereich des Datenmanagement sowie den Mitarbeitern der Firma MeteoSolutions unter der Leitung von Jürgen Lang. Hella Bartels Abteilungsleiterin Hydrometeorologie im Deutschen Wetterdienst 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 4

5 Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer) Zusammenfassender Abschlussbericht für die Projektlaufzeit von 1997 bis 2004 Inhalt Vorwort Einleitung Datengrundlagen Inbetriebnahme und technische Ausstattung der verfügbaren Radarstandorte, verwendete Radarprodukte Verwendete Bodenniederschlagsstationen für die Offline Untersuchungen (HELLMANN und Ombrometer) Ombrometer für den operationellen Einsatz von RADOLAN Interpolation der Bodenniederschlagsdaten in RADOLAN Digitales Höhenmodell für die Abschattungskorrektur Aneichverfahren Übersicht der Aneichverfahren Offline Aneichverfahren Entfernung von Clutterpixeln Glättung nicht unterdrückter Clutter Berechnung der Aneichfaktoren Berechnung der angeeichten Daten und der Güteparameter Optimierung des Aneichverfahrens für Stundenwerte Das Differenzenverfahren Das Faktorenverfahren Das Mergingverfahren Online Aneichung Übersicht der Arbeitsschritte und zeitlicher Ablauf Behandlung von Datenausfällen Korrektur der orographischen Abschattung Verfeinerte Z/R Beziehung Erstellung DX bzw. DH Komposit Definition Ereignisfall und Erstellung der Abrufliste Clutter Filterung Verfahren zur Glättung und Voraneichung Vorgehen zur Auswahl des verwendeten Aneichverfahrens Ausgabeprodukte, Rechenraster, Datenformate, Bereitstellungswege Ergebnisse und Beispiele Unterschiede zwischen den Offline Aneichverfahren und dem operationellen RADOLAN Verfahren Offline Aneichung der RADVOR OP Ereignisse erste Ergebnisse Zuverlässigkeit des operationellen Datenflusses (Radardaten, MN2000, Ombrometer Verdichtungsmessnetze) Online Aneichung 2004 ausgewählte Beispiele Starkregenereignis im Rhein Main Gebiet am 23. Juli , Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 5

6 5.4.2 Deidesheimer Zelle am 7. August Zelle zwischen Miltenberg und Wertheim am 7. August Zellen im Großraum Frankfurt/Main am 7. August Sonderuntersuchungen Verkürzung der Abtastrate von fünf auf drei Minuten Aneichung auf Zeitschritte kleiner eine Stunde Betrachtungen zur 5 min Radarmessung Repräsentanz der Bodenmessung und kurzzeitiger Aneichwert Untersuchungen für Schnee Z/R Beziehungen für Schnee Schnee und Regenäquivalent Eigene Schneefalluntersuchungen Ausblick auf zukünftige Arbeiten Radargestützte Verfahren zur rasterorientierten Ermittlung des Niederschlags aus Boden und quantitativen Radarniederschlagsmessungen Vorbemerkung Die Integration des Mergingverfahrens RANIE ein Verfahren zur rasterorientierten Ermittlung des Niederschlags aus Boden und quantitativen Radarniederschlagsmessungen Korrektur des Vertikalen Reflektivitätsprofiles (VRP), Brightband Korrektur Korrektur des Vertikalen Reflektivitätsprofils (VRP) Profilgenerierung Erstellung einer VRP Korrektur Empfehlung Dämpfungskorrektur Ausweitung von RADOLAN auf Randbereiche der Nachbarländer Nutzung von Disdrometerdaten (AMDA II) Häufigere Aktualisierung der Aneichung auf Stundenbasis Weitere hydrometeorologische Nutzerwünsche und Verbesserungen quantitativer Radarniederschlagsdaten Schlussfolgerungen Zusammenfassung Anhang Niederschlagsregelwerk RADOLAN Schautafel Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Verzeichnis der Abbildungen Tabellenverzeichnis , Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 6

7 Einleitung 1 Einleitung Eine der wesentlichen Grundlagen für die Arbeit eines nationalen Wetterdienstes ist die Gewinnung und Verarbeitung verlässlicher Daten. Über die punktuell ermittelten Messdaten bodengebundener Stationen und die aerologischen Aufstiegsdaten hinaus haben seit den sechziger Jahren in zunehmendem Maße auch verschiedene Methoden der Fernerkundung Eingang in das technische Instrumentarium gefunden. Neben den in der Öffentlichkeit vorrangig wahrgenommenen Wettersatelliten hat vor allem auch die Verwendung von Radargeräten einen wichtigen Stellenwert erlangt. Moderne Wetterradarsysteme liefern flächendeckende Daten über die Niederschlagsverteilung und Windinformationen mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Sie schließen damit die Lücke hinsichtlich der Niederschlagserfassung zwischen dem bestehenden Niederschlagsmessnetz am Boden und den Satelliteninformationen, mit deren Hilfe flächendeckend nur die Wolkengattungen und verteilungen, jedoch nicht die daraus erwachsende Niederschlagsaktivität erfasst werden kann. Radardaten liefern jedoch zunächst nur Informationen über die Intensität der Reflexion des vom Radargerät ausgesandten und wieder empfangenen Impulses durch Wolken bzw. Niederschlagspartikel. Zwar lassen sich in Abhängigkeit von der Häufigkeitsverteilung des Durchmessers dieser Partikel, dem sogenannten Tropfenspektrum, Relationen zwischen der Niederschlagsintensität und der Rückstreuung der Energie des Radarimpulses an den Niederschlagsteilchen (der Radarreflektivität Z) bestimmen, doch diese sogenannten Z/R Beziehungen unterliegen sehr starken räumlichen und zeitlichen Variationen, so dass ein Abgleich mit Niederschlagsmesswerten aus dem bodengebundenen Messnetz erforderlich wird die Aneichung. Im Verlauf mehrerer Jahre wurde eine Methode zur Offline Aneichung, d.h. zum Abgleich der gewonnenen Radardaten mit Bodenmessungen im Nachhinein entwickelt, um z.b. die mit Hilfe des Bodenmessnetzes nur sehr grob zu bestimmende räumliche Verteilung einzelner Niederschlagsereignisse besser zu erfassen. Die logische Fortführung dieser Arbeiten resultierte in der Entwicklung eines Verfahrens, das diese Aneichung online, d.h. in unmittelbarer zeitlicher Nähe zum Ereignis, vorzunehmen in der Lage ist zumal von Seiten der Wasserwirtschaft ein großer Bedarf an derartigen Echtzeit Radarniederschlagsprodukten besteht, vor allem in Zusammenhang mit dem Hochwasser Vorhersagedienst und Warnmanagement der zuständigen Länderbehörden. Der vorliegende zusammenfassende Bericht gibt einen Überblick über die Arbeiten an dem von der LAWA finanziell geförderten Projekt RADOLAN während der Jahre 1997 bis Er beruht auf den fünf Zwischenberichten, den Tätigkeitsberichten von 1998 bis 2004, sowie diversen Dokumentationen zu Softwareentwicklungen, die aus der Firma MeteoSolutions GmbH stammen, vor allem der technischen Dokumentation von RADOLAN. Die Wasserwirtschaft selbst lieferte Beiträge zu Abschnitt 3.5 und (Mergingverfahren). Ungeachtet des definierten zeitlichen Rahmens soll aber an dieser Stelle ein Überblick über die Vorgeschichte des Projekts gegeben werden. In der Folge des Münchner Hagelunwetters vom 12. Juli 1984 kam es im Deutschen Wetterdienst zu Überlegungen über den Ersatz der bis dahin verwendeten analogen Wetterradargeräte durch einen computergesteuerten Radarverbund für synoptische Zwecke. Dabei wurde schon zu diesem Zeitpunkt die Verwendung von quantitativen Radarniederschlagsdaten für hydrometeorologisch wasserwirtschaftliche Anwendungen diskutiert. In der Folge wurde dann 1987 der Radarstandort München als erster Baustein des späteren Radarverbundes des Deutschen Wetterdienstes eingerichtet. Seit 1990 wurde dann im damaligen Referat Hydrometeorologie an Programmen zur 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 7

8 Einleitung Archivierung und zur Auswertung quantitativer Radarniederschlagsdaten gearbeitet. Infolge der wachsenden Anforderungen aus dem Bereich der Wasserwirtschaft an Informationen über die Niederschlagsverteilung in zeitlich und räumlich hoher Auflösung, die mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsmessnetzen möglichst zeitnah bereitgestellt werden sollten, wurde die Dringlichkeit einer Einbeziehung von quantitativen Radarniederschlagsdaten erneut bestätigt. Hierzu erfolgte auf der Basis einer Umfrage unter wasserwirtschaftlichen Nutzern im Rahmen des Projektes AKORD (Laufzeit 1995 bis 1997) auch die Erstellung eines Produktkataloges [20]. Die Entwicklung einer Prozedur zur Aneichung von quantitativen Radarniederschlagsdaten mit Hilfe zunächst konventioneller Bodenniederschlagsstationen wurde 1993 begonnen, die durch das 1995 beim DWD eingerichtete Geschäftsfeld Hydrometeorologie (GF HM) fortgeführt wurde. Im selben Jahr begann die Planung und Einrichtung eines Ombrometermessnetzes in Baden Württemberg als Pilotprojekt für zukünftige Entwicklungen folgte RADOLAN BW als hydrometeorologisches Entwicklungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Landesanstalt für Umweltschutz (LfU) in Baden Württemberg. Gleichzeitig begann die Zuarbeit des GF HM zum DWD Großprojekt Messnetz 2000 für die Festlegung der Messnetzkonfiguration automatischer Bodenniederschlagsstationen als Aneichstationen für quantitative Radarniederschlagsdaten. Die Umsetzung von Messnetz 2000 hatte aber gleichzeitig eine Ausdünnung des konventionellen Niederschlagsmessnetzes zur Folge; eine Kompensation sollte durch die Kombination von automatisiertem Bodenmessnetz und Radar erreicht werden. Dies führte dann 1997 zum Beginn des Projektes RADOLAN als "Routineverfahren zur Online Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)". Die Bearbeitung sollte durch die LAWA gefördert werden und bis 2002 abgeschlossen sein. Im Oktober 1997 fand ein entsprechender Workshop am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg statt, in dessen Verlauf die Ziele für RADOLAN und die Aufgabenverteilung zwischen dem Geschäftsfeld Hydrometeorologie und dem Meteorologischen Observatorium festgelegt wurden begann die Folge der Projektsitzungen, an denen auch die Betreuer von DVWK und LAWA teilnahmen. Unterdessen nahm der Ausbau des DWD Radarverbundes seinen Fortgang und konnte zu Beginn des Jahres 2000 mit der Einrichtung des 16. Radarstandortes abgeschlossen werden. Der Ablauf der Arbeiten an RADOLAN kam jedoch kurz darauf durch Vertrags und Finanzierungsprobleme zwischen ATV DVWK und DWD zu einem relativen Stillstand. Zwar wurde im Januar 2001 das Pilotprojekt RADOLAN BW abgeschlossen, doch die Probleme behinderten den Fortschritt der Projektarbeit nachhaltig und verursachten damit eine Verzögerung von etwa zwei Jahren. Erst im Februar 2003 konnten anlässlich eines Zwischen Kick Off Meetings die Entwicklungsarbeiten in vollem Umfang wieder aufgenommen werden. In den folgenden Monaten wurden wichtige Ziele realisiert, die neben einer Konkretisierung der Nutzerwünsche auch die Schnittstellen von RADOLAN zu Datenbank und Messnetz im DWD umfassten. In der Folge kam es schließlich 2004 zu einer schrittweisen Aufnahme des operationellen Testbetriebs von RADOLAN. In den folgenden Kapiteln werden zunächst grundlegende Fakten zu den Datengrundlagen und zu den Aneichverfahren vermittelt. Danach folgt ein Überblick über die einzelnen Arbeitsschritte bei der Online Aneichung sowie eine Zusammenstellung von Ergebnissen und Beispielen. Weitere Ausführungen zu Sonderuntersuchungen und ein Ausblick auf zukünftige Arbeiten runden den Bericht ab. 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 8

9 Datengrundlagen 2 Datengrundlagen 2.1 Inbetriebnahme und technische Ausstattung der verfügbaren Radarstandorte, verwendete Radarprodukte Nachdem in den 60er und 70er Jahren durch den Deutschen Wetterdienst Analog- Radargeräte zur Wetterbeobachtung eingesetzt worden waren, die vom Nutzer eine interaktive Arbeit erforderten, begann nach dem Münchner Hagelunwetter am 12. Juli 1984 der Aufbau eines Wetterradarverbundes, der 1987 seinen ersten Meilenstein mit der Installation einer Wetterradaranlage in München fand. Es handelte sich dabei um sogenannte C Band Radargeräte, deren Signalfrequenz etwa 5.6 GHz beträgt; das entspricht einer Wellenlänge der Größenordnung von 5 cm. Das Radarsystem stellt den Sensor dar, der die Radar Rohdaten, d.h., die Seiten und Höhenwinkel sowie die Schrägentfernung, die zur Berechnung der Wetterdaten benötigt werden, ermittelt. Ein Radar Prozessor verknüpft alle gemessenen Werte und übergibt diese Daten dem Auswertesystem. In den ersten Jahren wurden zunächst fünf Radargeräte installiert. Nach einer Pause erfolgte vom Jahre 1994 an die Installation weiterer elf Radargeräte eines anderen Typs (sog. Dopplerradargeräte), wobei die einzelnen Geräte in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Installation im Detail technische Verbesserungen aufwiesen. Tabelle 2.1 gibt einen Überblick über den zeitlichen Ablauf der Inbetriebnahme. Ergänzend dazu ist die Tabelle 2.2 mit den Angaben zur geographischen Lage und zu den verwendeten Stationskennungen bzw. kürzeln zu lesen. Schließlich vermittelt Abb. 2.1 einen optischen Eindruck von der geographischen Verteilung der Radarstandorte und von der Abdeckung des Bundesgebietes anhand der jeweils eingezeichneten Reichweite der Messungen von derzeit 125 km, die für die quantitative Niederschlagsbestimmung herangezogen werden. Tabelle 2.1: Reihenfolge der Einrichtung der Radarstandorte des DWD Jahr der Inbetriebnahme (operationell) Standort Gerätetyp München DWSR 88 C 1988 Frankfurt DWSR 88 C 1990 Hamburg DWSR 88 C 1991 Berlin Tempelhof DWSR 88 C 1991 Essen DWSR 88 C 1994 Hannover METEOR 360 AC 1994 Emden METEOR 360 AC 1994 Neuhaus METEOR 360 AC 1995 Rostock METEOR 360 AC 1996 Ummendorf METEOR 360 AC 1997 Feldberg METEOR 360 AC 1997 Eisberg METEOR 360 AC 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 9

10 Datengrundlagen Tabelle 2.1: Reihenfolge der Einrichtung der Radarstandorte des DWD Jahr der Inbetriebnahme (operationell) Standort Gerätetyp Flechtdorf METEOR 360 AC 1998 Neuheilenbach METEOR 360 AC 1998 Türkheim METEOR 360 AC 2000 Dresden METEOR 360 AC 1 letzte Verlegung Verlegung 2004 Tabelle 2.2: Stationskennungen und derzeitige Koordinaten der Radarstandorte WMO Nr. Name Krz. Breite [N] Länge [E] Antenne [m ü.nn] Turmhöhe [m] Hamburg Fuhlsbüttel Rostock Warnemünde HAM 53 37' 19" 09 59' 52" ROS 54 10' 35" 12 03' 33" Emden Knock EMD 53 20' 22" 07 01' 30" Hannover HAN 52 27' 47" 09 41' 54" Berlin Tempelhof BLN 52 28' 43" 13 23' 17" Ummendorf UMD 52 09' 39" 11 10' 38" Essen ESS 51 24' 22" 06 58' 05" Flechtdorf FLD 51 18' 43" 08 48' 12" Dresden Flughafen DRS 51 07' 31" 13 46' 11" Neuhaus NEU 50 30' 03" 11 08' 10" Neuheilenbach NHB 50 06' 38" 06 32' 59" Frankfurt/Main FRA 50 03' 06" 08 34' 05" Eisberg EIS 49 32' 29" 12 24' 15" Türkheim TUR 48 35' 10" 09 47' 02" München Fürholzen MUC 48 20' 14" 11 36' 46" Feldberg/Schwarzwald FBG 47 52' 28" 08 00' 18" , Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 10

11 Datengrundlagen Abb. 2.1: Standorte der Wetterradargeräte des Deutschen Wetterdienstes Der Einsatz der Radargeräte des DWD Radarverbundes erfolgt in zwei verschiedenen Scanmodi der Raumabtastung (volume scan) und der Niederschlagsabtastung (precipitation scan, auch: precip scan). Im ersten Modus, dem volume scan, durchläuft die Antenne alle 15 Minuten 18 verschiedene Elevationswinkel von 0.5 bis Dabei wird die Atmosphäre bis in eine Höhe von 12 km abgetastet. Der volume scan besitzt wiederum zwei verschiedene Mess- 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 11

12 Datengrundlagen modi: Der intensity mode deckt die unteren Elevationswinkel von 0.5 bis 4.5 mit einer horizontalen Reichweite von 230 km ab, der doppler mode erfasst die Elevationswinkel darüber mit einer Reichweite von 120 km. Der precipitation scan, der für die quantitative Niederschlagsbestimmung u.a. für RADOLAN von entscheidender Bedeutung ist, erfolgt alternierend zwischen den volume scans im Abstand von fünf Minuten. Der Elevationswinkel beträgt dabei in Abhängigkeit von der Orographie des jeweiligen Radarstandortes zwischen 0.5 und 1.8. Diese precipitation scans sind letztlich der Ursprung aller im Folgenden besprochenen Radarniederschlagsprodukte. Weitere, für wasserwirtschaftliche Anwendungen nützliche Radarprodukte sollen in diesem Rahmen nur genannt werden: lokale qualitative Produkte PL: Picture, Local Lokales Radarbild (bodennahe Reflektivitäten) PE: Picture, Echotop Bild der höchsten Echos PZ: Picture, Reflektivitäten in Höhen (z) schichten lokale qualitativ quantitative Produkte PX: Picture, Extended erweitertes lokales Radarbild PF: Picture, feine Auflösung erweitertes PX Bild PH: Picture, Rain over Hour 1h Niederschlagsverteilung PY: Picture, Rain over Day mehrstündige Niederschlagsverteilung (1h 24h) Warnprodukt DW: meteorologische Warnungen Kompositprodukte PC: Picture Composite Das PC Bild stellt die Verteilung der Stärke von Niederschlagsechos auf der Fläche von Deutschland (920 km 920 km) mit einer Auflösung von 4 km 4 km dar. Zur Erstellung des Komposit Bildes werden die PL Bilder aller Radarstationen des DWD Radarverbundes zusammengeführt. Das PC Bild wird alle 15 Minuten erstellt. PI: Picture Composite International Dieses Bild enthält neben den Informationen des PC Bildes die Beiträge anderer benachbarter europäischer Wetterdienste. Nähere Informationen zu den o.a. Radarprodukten sind dem Produktkatalog AKORD [20] zu entnehmen. Das für die Erstellung angeeichter Radarniederschlagsdaten wichtigste Produkt ist das aus dem precipitation scan resultierende DX. Dieses Produkt beinhaltet die alle fünf Minuten gemessenen Momentanwerte der aktuellen Niederschlagsechos. Bei den Daten des precipitation scan erfolgt seit Mitte 1998 operationell eine Clutterbehandlung durch statistische Clutterfilterung bzw. Dopplerfilter. Damit entfällt die frühere Anwendung eigener Cluttermaps zur Markierung der Festechos für die Bildprodukte des precipitation scan. Die Verschlüsselung der Niederschlagswerte erfolgt in sogenannten RVP 6 Units. Das Auflösungsvermögen dieser Units beträgt 0.5 dbz. Der für das DX Produkt verwendete Messbereich erstreckt sich von 0 bis 255 RVP 6 Units. Das entspricht einem Reflektivitätsbereich von 32.5 dbz bis +95 dbz. Durch die Verwendung von RVP 6 Units werden nicht nur die bei geringen Reflektivitäten auftretenden negativen dbz Werte vermieden, sondern es bleiben in dem DX Datensatz auch mehr Informationen erhalten als bei der direkten Umwandlung in dbz oder mm/h Werte. Die räumliche Auflösung der Momentanwerte beträgt 1 Azimut und 1 km Entfernung. Das Daten- 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 12

13 Datengrundlagen volumen des DX Produktes beträgt zwischen ca. 25 KByte im Mittel und ca. 50 KByte maximal. Basierend auf den zwölf fünfminütigen Momentanwerten (DX Produkte) wird die stündliche Niederschlagshöhe DH für den Zeitraum HH:30 bis HH+1:25 ermittelt. Nach Umrechnung der im Ausgangs DX Produkt vorliegenden RVP 6 Units in Niederschlagsintensitätswerte (in mm/h) erfolgt die Summierung dabei intern in Schritten von mm bis zu einem Maximalwert von mm. Jeder gespeicherte Niederschlagswert selbst wird als 16 Bit Wort mit einer Auflösung von 1 / 10 Millimeter verschlüsselt. Die räumliche Auflösung beträgt auch bei diesem Datensatz 1 Azimut und 1 km Entfernung; die Speicherung erfolgt wie beim DX Produkt in r φ Koordinaten. Das Datenvolumen des DH Produktes beträgt zwischen ca. 30 KByte und maximal ca. 60 KByte. Unter der Produktbezeichnung Niederschlagskontrollwerte DP sind lokal die stündlichen Niederschlagshöhen (in mm) von ausgewählten Orten innerhalb des 100 km Radius um jeden Radarstandort abrufbar, um quasi online einen Vergleich der Radarniederschlagshöhe mit den an synoptisch klimatologischen Stationen gemessenen Niederschlagswerten zu ermöglichen. Durch Summation der stündlichen Niederschlagshöhen (DH Produkte), die im Radarrechner intern als Zwischensummenprodukt DS für das Bildprodukt PY vorgehalten werden, erfolgt die Erstellung der täglichen Niederschlagshöhe (DD). Auf Grund der Verschlüsselung in 16 Bit Worte sind wiederum Niederschlagshöhen von mm als Maximalwert speicherbar. Auch das Datenvolumen des DD Produktes beträgt zwischen ca. 30 KByte und maximal ca. 60 KByte. Die Ableitung der aus den DX Produkten generierten Komposit Produkte ist Gegenstand des Projektes RADOLAN und soll daher an späterer Stelle im Rahmen der Verfahrensbeschreibung (Kapitel 4) näher erläutert werden. 2.2 Verwendete Bodenniederschlagsstationen für die Offline Untersuchungen (HELLMANN und Ombrometer) Die Untersuchungen hinsichtlich der Nutzung des für Offline Zwecke entwickelten Aneichverfahrens für Online Zwecke basierte auf offline und online verfügbaren Niederschlagswerten in Baden Württemberg. Die konventionellen, mittels HELLMANN gemessenen Tageswerte des Niederschlags (insgesamt 462 Stationen) wurden für die Offline Aneichungen von 17 ausgewählten Terminen im Jahre 1997 herangezogen. Alle Stationen lieferten in Kombination mit den entsprechenden Radarniederschlagsdaten offline angeeichte Tageswerte des Niederschlages aller ausgewählten Termine. Der Vergleich erfolgte mit den nur auf der Basis der auch in Echtzeit verfügbaren Ombrometer (insgesamt 112 Stationen) angeeichten täglichen Radarniederschlagsdaten. Stündlich angeeichte Radarniederschlagsdaten wurden nur für drei Termine mit mehreren Aufsummierungen von einer bis zu zwölf Stunden aus den verfügbaren Ombrometerdaten durchgeführt. Darüber hinaus wurden tägliche (für einen ausgewählten Termin) und stündliche Gebietsniederschlagshöhen (für zwei ausgewählte Termine) für ausgewählte Einzugsgebiete innerhalb des 100 km Messradius des Radars Feldberg/Schwarzwald aus den beiden Stationskollektiven berechnet. Die räumliche Verteilung der Ombrometer (rote Quadrate) und HELLMANN Stationen (grüne Punkte) einschließlich der im Jahre 1997 noch gültigen Messradien von 100 km ist Abb. 2.2 zu entnehmen. 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 13

14 Datengrundlagen 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie Ombrometer für den operationellen Einsatz von RADOLAN Zur Online Aneichung der Radarniederschlagsdaten findet im DWD vorrangig der Niederschlagssensor PLUVIO der Firma Ott Verwendung. Er dient zur automatischen Ermittlung der Niederschlagshöhe und Niederschlagsintensität und entspricht im Wesentlichen der Bauform nach HELLMANN (nationales Referenzmessgerät im WMO Standard). An allen DWD Standorten mit automatischen Ombrometergeräten wird Abb. 2.2: Messnetzkarte mit den Ombrometer und konventionellen Niederschlagsstationen (HELLMANN), die für die Offline Untersuchungen herangezogen worden sind Ë Ë Stuttgart Freiburg i. Br. Karlsruhe Tübingen Baden-Baden Mannheim Heidelberg Heilbronn Pforzheim Ulm Aalen Balingen Biberach (Riss) Böblingen Calw Emmendingen Esslingen (Neckar) Freudenstadt Friedrichshafen Göppingen Heidenheim (Brenz) Heppenheim (Bergstr.) Konstanz Künzelsau Lörrach Ludwigsburg Mosbach Offenburg Rastatt Ravensburg Reutlingen Rottweil Schwäbisch Hall Sigmaringen Tauberbischofsheim Tuttlingen Villingen-Schwenningen Waiblingen Waldshut-Tiengen Radarstandort Ë Radardistanz 100km Ombrometer Hellmann

15 Datengrundlagen der konventionelle Niederschlagsmesser nach HELLMANN zur Qualitätsprüfung der Automatenwerte parallel betrieben. Im Gegensatz zu konventionellen Niederschlagssensoren arbeitet der PLUVIO nach dem Wägeprinzip. Jedes Niederschlagsereignis, sowohl Flüssig als auch Festniederschlag, wird durch eine Gewichtsbestimmung des Auffangtrichters erkannt. Durch das Fehlen eines Auffangtrichers mit Kippwaageneinrichtung benötigt der PLUVIO einen verhältnismäßig geringen Wartungsaufwand. Als Sensorelemente dienen hochpräzise, langzeitstabile Dehnungsmessstreifen, die gegen Umwelteinflüsse hermetisch abgedichtet sind. Eine speziell entwickelte Querlenkerkonstruktion sorgt für eine spannungsfreie Krafteinleitung auf den Sensor. Weiterhin verhindert eine mechanische Überlastsicherung Beschädigungen der Wägezelle durch Überlast. Ein Außentemperaturfühler an der Bodenplatte (Aluminium) des PLUVIOs dient zur Temperaturkompensation des Wägemechanismus und zur Ermittlung der Umgebungstemperatur für die Steuerung der Auffangringheizung. Auf Grund der gewünschten mechanischen Kopplung zur Bodenplatte können die Temperaturwerte von denen eines Standard Lufttemperaturfühlers abweichen. Weiterhin beinhaltet der Niederschlagssensor eine Heizungsregelung zur Beheizung des Auffangringes bei Winterbetrieb (separate Spannungsversorgung). Alle Messwerte sind über die serielle RS 485 Schnittstelle abrufbar (RS 232 optional). Eine selbständige und kontinuierliche Überwachung aller Messwerte ermöglicht eine sichere Selbstdiagnose des gesamten Messsystems. Nach Anschluss Abb. 2.3: Niederschlagssensor PLUVIO der Versorgungsspannung und Schließen des Rohrgehäuses nimmt der PLUVIO automatisch den Messbetrieb auf (Rohrgehäuse Schalter). Alle Geräte sind werkseitig kalibriert. Vor Ort sind keine weiteren Tarier oder Kalibriermaßnahmen notwendig. Alle elektrischen Kontakte erfolgen durch galvanische Verbindungen. Die Zuleitungen sind steckbar ausgeführt (Ausnahme: Potentialausgleich). Der Nieder-schlagssensor ermittelt alle sechs Sekunden das Gewicht des Auffangbehälters einschließlich des Inhalts mit einer Auflösung von 0.01 mm = Rohwert. Aus der Differenz zwischen diesem Messwert und dem Gewicht des leeren Auffangbehälters ergibt sich der momentane Behälterinhalt. Zu jeder vollen Minute berechnet der PLUVIO aus mehreren Rohwerten einen gefilterten Behälterinhalt, ebenfalls mit einer Auflösung von 0.01 mm. Ein spezieller Filteralgorithmus verhindert hierbei eine Verfälschung der Messergebnisse, wie sie zum Beispiel durch Windeinfluss verursacht werden könnten (nicht zu verwechseln mit Überwehungseffekten, vgl. RICHTER [45]). Die Differenz aus dem aktuellen und dem vorhergehenden, gefilterten Behälterinhalt ergibt die Niederschlagsintensität in mm/ min. Diese Minutenwerte der Niederschlagsintensität addiert der PLUVIO zur akkumulierten Niederschlagshöhe (maximaler Wert: mm). Die Umgebungstemperatur wird ebenfalls alle sechs Sekunden ermittelt. Die Auswertung des Niederschlags beruht auf der Erfassung aller Gewichtszuwächse in einem bestimmten Zeitabschnitt. Gewichtszuwächse oberhalb der Intensitätsansprechschwelle werden mit einer Ausgabeverzögerung von 85 bis 400 Sekunden aus- 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 15

16 Datengrundlagen gegeben. Langsame Erhöhungen mit sehr geringen Zuwächsen können bis zu 40 Minuten angesammelt werden. Bei Erreichen der Intensitätsansprechschwelle erfolgt dann eine Niederschlagsausgabe. Die Intensitätsansprechschwelle des DWD PLU- VIOs liegt bei 0.03 mm, bezogen auf 40 Minuten Sammelzeit. Der erfassbare Feinstniederschlag beträgt somit = mm/h. Die derart gewonnenen Niederschlagsdaten werden mit Hilfe der automatischen Messwerterfassungssysteme vom Typ AMDA für das Messnetz 2000 des Deutschen Wetterdienstes erfasst und dem zentralen Datenbestand zugeführt. In diesem Messnetz sind verschiedene Teilnetze zu unterscheiden, deren Melde bzw. Abrufrhythmen unterschiedlich sind. Tabelle 2.3 gibt einen Überblick über die Anzahl der für die Radar Online Aneichung verfügbaren Ombrometermessstellen aus dem Messnetz 2000 des DWD und den Verdichtungsmessnetzen der Bundesländer. Tabelle 2.3: Überblick über die verwendeten Ombrometermessnetze Automaten Anzahl / Messnetz Eigentümer MIRIAM, AFMS 2 (Ersatz durch AMDA I/II) [hauptamtlich] AMDA III/S [nebenamtlich] AMDA III/N [nebenamtlich] 200 (einschl. NABAM) 300 (Grundmessnetz Klima) 500 (Grundmessnetz RR) 100 (Verdichtungsmessnetz) DWD DWD DWD Land Bayern RR Fremdnetze Bundesländer 200 (Verdichtungsmessnetz) Bundesländer Die etwa 200 meteorologischen Hauptstationen, bei denen die Messwerterfassung derzeit zum Teil noch mit Hilfe älterer Anlagen vom Typ MIRIAM bzw. AFMS 2 erfolgt, und die auch das sogenannte nationale Basismessnetz umfassen, übertragen stündlich Messwerte an die Zentrale. Im Zuge der Umgestaltung des Netzes wird die Datenerfassung durch Anlagen vom Typ AMDA I bzw. II erfolgen. Daneben stehen die etwa 300 Messstellen des DWD Grundmessnetzes Klima, nebenamtliche Wetterstationen, die über Anlagen des Typs AMDA III ebenfalls stündlich Messwerte an die zentrale Erfassungseinheit melden. Alle übrigen Stationen übertragen im normalen Melderhythmus nicht stündlich, sondern nur einmal täglich ihre Daten. Es handelt sich hierbei um weitere etwa 500 AMDA III Anlagen des DWD Niederschlagsmessnetzes, sowie ergänzend um 300 Messstellen aus diversen Ländermessnetzen, den sogenannten Verdichtungsmessnetzen, von denen wiederum etwa 100 Ombrometer in Bayern bereits über Erfassungsanlagen vom Typ AMDA III abgerufen werden können. Für den Fall, dass im Bereich des Messnetzes starke Niederschläge auftreten, lassen sich allerdings im sogenannten Ereignisfall die Niederschlagsdaten dieser zusätzlichen etwa 800 Messstellen ebenfalls stündlich abrufen. Dadurch stehen für den Fall eines zu erwartenden Hochwasserereignisses insgesamt etwa 1300 Bodenniederschlagsmesswerte zur Aneichung der operationell gewonnenen Radardaten zur Verfügung. Nähere Angaben zur Definition dieses sogenannten Ereignisfalles finden sich in Abschnitt 4.6. Abb. 2.4 gibt einen Überblick über die räumliche Verteilung der etwa 1300 Ombrometermessstellen. 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 16

17 Datengrundlagen U U U U U C U U U C U UUU U U U C U C U C U U C U U U U C C C U U U U U U C U C U C U C C U U U U U U U U C U C U C C U U C U U U U U U U U U U C C U C U U U U C C C U U C C U C C C U U U C C C C U U U U U U C U C C C C C C C C U U C U U U U C U C C U UU U U U UU C C C U U U U U U C C U U U U U C C U C C C C C C C C C U U U U C C C C U U C C UU U U UU U C C U U C C C C C C U C C UU U C C U U U C C C U C C UU U U C U U U U C C U C C C C C C C C C C C C U U C U C C C C C C C C U C U C C U U U U C C C U U U C C C C U U U C C C C C U C C C C C C C U U U U U U C C C C C C C U C C C C C C C C U U U U U U U U U U U U U U U C C C U C C C U C UU C C U C C C C C C C C C C C U C C U U U U C C C U U C U C U C C U U U C C C C C C C C C C U C U U C U C C C C C C U C C C U C C C C C U U C U U C C C U C C C C C C C C U U U C U U U C C C U U U U C C C C C U C C C U U C C C U C C U C U C U U C C C C C U C C U U C C U U C C U C U C C C C C C C C U U U U U U U U U U U C C C C C C C C C C C U U U U C U U C C U C U U C C U C C C C U U U C Abb. 2.4: Regionale Verteilung der Ombrometermessstellen Quadrate: DWD Stationen mit stündlichem Abruf; Kreise: Stationen mit stündlichem Abruf im Ereignisfall rot: Datenerfassung durch AMDA III (ohne Rand: Land Bayern); blau: Verdichtungsmessnetze Bundesländer 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 17

18 Datengrundlagen 2.4 Interpolation der Bodenniederschlagsdaten in RADOLAN Die Bodenniederschlagsdaten werden im Rahmen von RADOLAN nicht nur zur Aneichung der Radarniederschlagsdaten verwendet, sondern auch zur Bestimmung einer Bodenniederschlagsverteilung unabhängig von der Verfügbarkeit von Radarniederschlagsdaten. Dabei wird für jedes Pixel des Komposits ein Niederschlagswert aus den Messungen der umliegenden Ombrometer interpoliert. Der interpolierte Wert ergibt sich dabei als gewichtetes Mittel aller Stationswerte innerhalb eines vorgegebenen Suchradius R. Das Gewicht g ist abhängig von der Entfernung d und wird nach folgender Regel berechnet: e ad ln ( 0.5) 20 gd ( ) = (2.1) 1 e ad mit a = R Nach der gleichen Methode werden bei der Aneichung der Radarniederschlagsdaten auch die Aneichfaktoren und -differenzen für jedes Pixel berechnet (vgl. Abschnitt auf S. 23). 2.5 Digitales Höhenmodell für die Abschattungskorrektur Das digitale Höhenmodell, mit dessen Hilfe die Abschattungskorrektur von RADOLAN durchgeführt wird, basiert auf einer topographischen Datenbank des Amtes für Militärisches Geowesen (AMilGeo). Die Daten überdecken die Fläche der Bundesrepublik. Die Auflösung der Daten beträgt drei Bogensekunden in Nord Süd Richtung; in West Ost Richtung ist die Auflösung nördlich von 50 nördlicher Breite sechs Bogensekunden, südlich davon drei Bogensekunden. Dies entspricht in Nord Süd Richtung einer Schrittweite von etwa 93 Metern, in West Ost Richtung dagegen etwa 119 Metern nördlich des 50. Breitengrades und etwa 60 Metern südlich davon. Die Höhenwerte sind in ganzen Metern angegeben. RADOLAN verwendet für jeden der Radarstandorte eine Teilmenge dieser Höhendaten, und zwar in einer Auflösung von einem Grad im Azimut und einem Kilometer Distanz vom jeweiligen Radarstandort. Dabei wird für jede der Teilflächen der dort gemessene Maximalwert der Geländehöhe als repräsentativ angesehen. Anhand der derart ermittelten Werte der Geländehöhe und anhand des Elevationswinkels des Radarstrahls und unter Berücksichtigung der Geometrie der Erdoberfläche und der Ausbreitungsbedingungen der Radarimpulse wird entsprechend dem in Abschnitt 4.3 beschriebenen Verfahren die Abschattung des Radarsignals korrigiert. 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 18

19 Aneichverfahren 3 Aneichverfahren 3.1 Übersicht der Aneichverfahren Das Problem der Genauigkeit bei der indirekten Bestimmung von Niederschlägen mittels Radar ist seit Beginn der Forschung auf diesem Gebiet Gegenstand von Diskussionen (vgl. COLLINGE, KIRBY [7]). Dabei wurde rasch klar, dass das Problem zwei Seiten hat, nämlich zum einen die Schätzung der günstigsten Parameter a und b der Z/R Beziehung: Z = a R b (3.1) in der Z die gemessene Radarreflektivität und R die entsprechende Niederschlagsintensität bedeuten und zum anderen den Abgleich zwischen den anhand der Z/R Beziehung geschätzten und den am Boden mit Hilfe herkömmlicher Niederschlagsmesser ermittelten Niederschlägen die Aneichung im engeren Sinne. Dabei ist zunächst von einer Standard Z/R Beziehung auszugehen, bei der der Parameter a = 256 und der Parameter b = 1.42 festgelegt werden. Auf die Variante einer verfeinerten Z/R Beziehung wird in Abschnitt 4.4 näher eingegangen. Das Problem der Aneichung erweist sich als ein in der Klimatologie sehr bekanntes, nämlich das der Reduktion von Messreihen, wie es seit alters in den Lehrbüchern der Klimatologie beschrieben wird (z.b. in ALISSOV, DROZDOV, RUBINSTEIN [1]). Aus dieser Tradition, in der bei der Bearbeitung des Niederschlags stets von der Konstanz der Quotienten ausgegangen wird, resultiert die Verwendung des Aneichfaktors. Radar und Bodenniederschlag werden also in eine multiplikative Beziehung gesetzt. Dies ist sicher überall dort in der Klimatologie gerechtfertigt, wo es um relativ große Niederschläge geht, wie etwa Monats und Jahreswerte oder langjährige Mittel. Hintergrund dafür ist die Modellvorstellung einer linearen Regression: N B = C + A N R (3.2) Radar und Bodenniederschlag (N R bzw. N B ) korrespondieren, wenn man den konstanten Parameter der Einfachheit halber C = 0 setzt, durch den Aneichfaktor A miteinander. Voraussetzung für dieses lineare Modell ist aber die Normalverteilung der Residuen (nicht unbedingt die der Eingangsgrößen selbst), die um so weniger gegeben ist, je kürzer der Integrationszeitraum für die Niederschlagsmessung ist (vgl. u.v.a. SUMNER [49]). Dann nämlich ist nicht nur die Verteilung der Niederschlagswerte selbst, sondern auch die der Residuen bei Verwendung des linearen Modells einseitig beschränkt (N = 0) und mithin extrem schief. Die Verwendung von Faktoren nach Gl. (3.2) kann also bei N B >> N R bzw. N R >> N B zu starken Verzerrungen führen, wie die Umstellung der Gleichung nach A zeigt: N A = B (3.3) N R Aus N R 0 folgt sehr eindeutig A, unabhängig von N B. Ein brauchbarer Aneichalgorithmus muss mit derartigen Problemen umgehen können. Die Alternative besteht in der Verwendung eines additiven Mechanismus anstelle eines multiplikativen Verfahrens es werden anstelle von Aneichfaktoren *) Differenzen verwendet: D = N R N B (3.4) *) Hinsichtlich der klimatologischen Tradition wäre es im Grunde genommen besser, in diesem Zusammenhang von einem Quotientenverfahren zu sprechen 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 19

20 Aneichverfahren Diese Differenzenmethode führt natürlich ebenso wie das Quotientenverfahren unter bestimmten Bedingungen zu sinnlosen Aneichungen: Falls D > N R ist, kommt es zur Berechnung negativer Niederschlagswerte. Jede dieser Vorgehensweisen lässt sich natürlich durch Ausnahmeregeln ergänzen. Derartige Regeln sind im Falle operationeller Verfahren unabdingbar, doch sie mischen dem reinen Wein des statistischen Modells den Wermutstropfen der Inkonsistenz bei: Dieser bewirkt, dass vor dem Einsatz eines bestimmten Modells in der Praxis die Effizienz jedes Verfahrens durch umfangreiche Experimente zu überprüfen ist, um letztlich eine darauf gestützte und wie auch immer begründete Entscheidung zu treffen. Das gilt nicht nur für die zwei vorgestellten Methoden, sondern auch für andere, kompliziertere Techniken, wie etwa das in Abschnitt 3.5 beschriebene Mergingverfahren oder den im Kapitel 7 vorzustellenden Algorithmus RANIE, in dem Radardaten zur Ergänzung einer auf Bodendaten gestützten Niederschlagsanalyse herangezogen werden. Beide Verfahren berufen sich auf statistische Analysetechniken, die schon vor Jahrzehnten unter Begriffen wie Optimale Interpolation oder Kriging in das Methodenrepertoire von Meteorologie und Geostatistik aufgenommen wurden (vgl. DALEY [8], GANDIN [28], WACKERNAGEL [51]). Nähere Informationen beinhalten die entsprechenden Abschnitte. 3.2 Offline Aneichverfahren Bevor die Arbeiten an einem operationellen Verfahren in Angriff genommen werden konnten, mussten zunächst eingehende Erfahrungen mit den unterschiedlichen Problemen gesammelt werden, die bei der Aneichung auftreten. Im Verlauf der Vorarbeiten zum Projekt wurde auf diese Weise eine Reihe einzelner Algorithmen und Programme entwickelt, die sich schließlich zu einer zusammenhängenden Prozedur der Offline Aneichung zusammenfügen ließen (vgl. [14], [15]). Am Anfang der Untersuchungen stand der Vergleich der quantitativen Radarniederschlagsdaten an den Orten der Bodenniederschlagsstationen mit den entsprechenden Niederschlagsmessungen. Die nach dem Vergleich sichtbaren und mitunter sehr großen Unterschiede zwischen den beiden Datenquellen belegen die Notwendigkeit einer Aneichung. Es wird davon ausgegangen, dass die Bodenniederschlagsstationen die wahre Niederschlagshöhe gemessen haben. Bei der Aneichung können, wie im vorangegangenen Abschnitt bereits erläutert, sowohl Aneichfaktoren als auch differenzen verwendet werden Die Datengrundlage für die Aneichung bilden die 24 stündigen quantitativen Niederschlagshöhen des Radars (summiert von 6:30 UTC des Vortages bis 6:30 UTC des Messtermins) sowie die entsprechenden täglichen Niederschlagshöhen der Bodenniederschlagsstationen (abgelesen um 7:30 gesetzlicher Zeit am Messtag für die vorangegangenen 24 Stunden). Mit diesen Daten werden die folgenden Arbeitsschritte durchgeführt: 1. Entfernung von Clutterpixeln (Boden und andere Falschechos) in den Radarniederschlagsdaten und Interpolation der dadurch entstandenen Lücken 2. Glättung nicht unterdrückter Clutter in den Radarniederschlagsdaten und größenordnungsmäßige Anpassung der Radarniederschlagsdaten an die Bodenniederschlagsdaten 3. Berechnung der Aneichfaktoren und Modifikation unrealistischer Bodenniederschlagsmessungen 4. Berechnung der angeeichten Daten und der Güteparameter Bei den ersten drei Schritten hat der Bearbeiter die Möglichkeit, durch interaktive Eingriffe in den Verfahrensablauf auf das Aneichergebnis einzuwirken. Alle vier Schritte werden im Folgenden genauer erläutert. 2004, Deutscher Wetterdienst, Hydrometeorologie 20