Radarniederschlag. Prinzip der Niederschlagsbestimmung. inkl. Umrechnung der Radarreflektivitäten in Momentanwerte des Niederschlages. Version 1.

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1 Radarniederschlag Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inkl. Umrechnung der Radarreflektivitäten in Momentanwerte des Niederschlages Version 1.1 Stand: Juni 2015

2 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Impressum und Änderungsverfolgung Seite 2 von 7 Zweck des Dokuments: Information zum Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar sowie zur Verbesserung der Umrechnung der Radarreflektivität in Niederschlagswerte Impressum: Autoren: Elmar Weigl (DWD-Hydrometeorologie) Datei: Radarniederschlag-dBZ in mm.1.1.doc letzter Stand: Änderungsverfolgung: Version Datum Autor(en) Änderung Elmar Weigl, DWD-KU42, Kaiserleistr. 44, Erstellung Offenbach/Main, Tel.: 069/ , Elmar.Weigl@dwd.de Elmar Weigl Frankfurter Straße Offenbach/Main radolan@dwd.de Aktualisierung

3 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Seite 3 von 7 Das Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Im Gegensatz zu den konventionellen Niederschlagsmessgeräten, bei denen der Niederschlag direkt gemessen wird, erfolgt die Messung des Niederschlags mit dem Wetterradar indirekt. Das Wetterradar sendet über seine Antenne elektromagnetische Wellen aus, die von ihrer Wellenlänge so ausgelegt sind, dass sie an den Niederschlagsteilchen (Hydrometeoren) gestreut werden [1]. Der zum Radar rückgestreute kleine Bruchteil der Energie wird anschließend wieder vom Radar empfangen und gemessen (s. Abb. 1). Aus der Antennenposition und der Laufzeit der elektromagnetischen Welle ist eine Bestimmung der Position und der Entfernung der reflektierenden Objekte möglich. Abb. 1: Das Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Die vom Radargerät ausgesandten elektromagnetischen Wellen, die sogenannten Radarimpulse, werden möglichst scharf gebündelt, d.h. mit einem kleinen Öffnungswinkel abgestrahlt, um eine möglichst gute Raumauflösung zu gewährleisten. Zudem wird mit einem kleinen Öffnungswinkel (die Breite der sog. Radarkeule beträgt ca. 1 ) eine hohe Energiedichte erreicht, die es ermöglicht, den reflektierten Anteil der ausgesandten Energie auch noch aus größeren Entfernungen zu empfangen. Dies ist von besonderer Bedeutung, da die Energie eines Radarimpulses zwischen Sender und reflektierendem Objekt mit dem Quadrat des Abstandes abnimmt. Der sogenannte Signalprozessor des Radargerätes wertet die aus jedem Auflösungsvolumen gleichzeitig ankommende Summe der rückgestreuten Signale aus und bildet einen Mittelwert. Über die Radargleichung wird aus den so aufbereiteten Empfangssignalen der Reflektivitätsfaktor ermittelt. Dieser stellt ein Maß für die Anzahl und Größe der streuenden Hydrometeore dar. Die Radargleichung lässt sich vereinfacht in folgender Form darstellen: k = C Z (1) r PE 2 2 mit C = Radarkonstante, in der alle von der Radaranlage technisch bedingten Faktoren zusammengefasst sind Z = Reflektivitätsfaktor [mm 6 /m 3 ]

4 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Seite 4 von 7 P E = Empfangsleistung [W] r = Entfernung [km] k = vom Aggregatzustand abhängiger Faktor (0.93 für Wasser, 0.21 für Schnee) Wie der Gleichung (1) zu entnehmen ist, geht neben der Entfernung zu den rückstreuenden Hydrometeoren auch deren Aggregatzustand in die Bestimmung des Reflektivitätsfaktors ein. Ausgedrückt wird der Reflektivitätsfaktor Z in der Regel in logarithmischer Form: dbz = 10 log(z) (2) Im Allgemeinen ergeben sich für die Echos von Hydrometeoren in etwa folgende Größenordnungen: - Schneeflocken ca. 1 dbz - 35 dbz, charakteristisch 20 dbz - Sprühregen ca. 3 dbz - 20 dbz, charakteristisch 17 dbz - Große Tropfen > 40 dbz - Hagel > 54 dbz Das Radar misst das Echo in Form des Reflektivitätsfaktors Z. Für die Ermittlung der Niederschlagshöhe ist eine Umrechnung von Z in die Niederschlagsintensität R notwendig, die mit Hilfe einer sog. Z-R- Beziehung erfolgt. Diese Z-R-Beziehungen werden in der Regel aus mehrjährigen Tropfenspektrenmessungen empirisch bestimmt. Im Radarverbund des DWD wird bei den lokalen Produkten einheitlich folgende Beziehung benutzt: Z 1.42 = 256 R (3) mit Z = Reflektivitätsfaktor [mm 6 /m 3 ] R = Niederschlagsintensität [mm/h] Die in dieser Gleichung auftretenden Konstanten sind in erster Linie abhängig vom Tropfenspektrum des gemessenen Niederschlags. Somit ergibt sich eine Abhängigkeit von der Art der Niederschlagsentstehung (advektive oder konvektive Niederschläge) und damit wiederum von der Wetterlage. Im routinemäßigen Betrieb ist derzeit eine Anpassung der Konstanten an die aktuellen meteorologischen Verhältnisse noch nicht realisiert. Neben den bisher gängigen Doppler-Radargeräten kommen mittlerweile sogenannte Dual-Polarisations- Radare zum Einsatz. Diese Anlagen sind in der Lage, horizontal und vertikal polarisierte Wellen getrennt zu empfangen. Dadurch wird eine Unterscheidung der verschiedenen Hydrometeorarten möglich, die hydrometeorbasierte Z-R-Beziehungen erlauben und zu einer Verbesserung der quantitativen Niederschlagsabschätzung beiträgt. Auch beim Deutschen Wetterdienst (DWD) sind mittlerweile 16 der 17 operationell betriebenen Wetterradargeräte auf die Dual-Polarisationstechnik umgestellt worden. Damit wird die Qualität und Genauigkeit der Radardaten weiter verbessert. Eine detaillierte Beschreibung der Mess- und Zielgrößen eines Wetterradars wird in der VDI-Richtlinie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags: Wetterradar [2] wiedergegeben. Aus der in Gleichung (3) angegebenen Standard-Z-R-Beziehung lassen sich für die in verschiedenen Standard-Radarprodukten des DWD verwendeten dbz-stufen in erster Näherung folgende Momentanwerte des Niederschlages in mm berechnen:

5 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Seite 5 von 7 Tabelle 1: dbz-werte und mit der Standard-Z-R-Beziehung umgerechnete mm-werte Produkt für zugehörige dbz- Produkt für zugehörige mmdbz mm aus dbz Klasse Klasse mm ,01-0,01-0 0,02-0,02 PX,PL,PG 1,PM 2 1 0, PF 5 0,05-0,05-6 0, ,10 PH,PY 0,1-14,5 0,21-0,2 PF 15 0, ,32-0,3-18,5 0,40-0,4 PX,PL,PG 1,PM , PF 20 0,52-0,5-22,5 0,77-0,75-24,5 1,07 PH,PY 1 PF 25 1, ,60-1,5 PX,PL,PG 1,PM , ,5 2,05 PH,PY 2 PF 30 2, ,07-3 PF 34 4, ,5 5,42 PH,PY 5 PX,PF,PL,PG 1,PM ,12 PH,PY 7,5-38,5 10,36 PH,PY 10 PF 40 13, ,54 PH,PY 15 PF 43 21,49 PH,PY 20-45,5 32,23 PH,PY 30 PX,PF,PL,PG 1,PM , ,11 PH,PY 40-48,5 52,43-50 PF 49 56, ,5 61,66 PH,PY 60 PF 51 78, ,5 85,27 PH,PY 80-52,5 100, PF , PX,PF,PL,PG 1,PM , , PF , Kurze Erklärung zu den Produkten: - PX, PF, PH, PY sind lokale Produkte aus dem Niederschlagsscan mit hoher räumlicher Auflösung; PL sind lokale Produkte aus dem Volumen Scan mit geringerer räumlicher Auflösung, aber mit größerer räumlicher Ausdehnung als die zuvor genannten Produkte - PG, PM sind qualitative Komposits (PG = national; PM = international), welche aus den lokalen Produkten des Volumen Scans zusammengesetzt werden. PC als nationales und PI als internationales Komposit haben dieselben Klassen wie PG und PM, aber eine geringere räumliche Auflösung. 1 bzw. PC (nicht mehr in Echtzeit verfügbar; nur noch aus dem Klimaarchiv) 2 bzw. PI

6 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Seite 6 von 7 Abb. 2: Scanstrategie des DWD-Radarverbunds (seit Ende November 2012) Verbesserung der Umrechnung der Radarreflektivität in Niederschlagswerte Im Rahmen der Entwicklung von RADOLAN (Radar-Online-Aneichung; Routineverfahren zur Online- Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer), s.a. wurden auch die vom Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg des DWD entwickelten, in Abhängigkeit von der tatsächlichen Reflektivität verfeinerten Z-R-Beziehungen untersucht [3]. Mit den reflektivitätsabhängigen Z-R-Beziehungen sollen einerseits Niederschlagshöhen im Vergleich zur Standard Z-R Beziehung reduziert werden, deren Reflektivitäten von stark konvektiven Niederschlagsereignissen hervorgerufen werden. Andererseits sollen größere Niederschlagshöhen aus den Echos stratiformer homogener Niederschlagsereignisse berechnet werden. Hauptzweck dieser Fallunterscheidungen ist der Versuch, den homogenen Aufgleit und Warmfrontniederschlag realitätsnäher bezüglich der Umwandlung von Reflektivitäten in Niederschlagshöhen zu berücksichtigen. Zur Fallunterscheidung wird der Reflektivitätsbereich zunächst in drei Niederschlagsratenkategorien unterteilt. Der Bereich schwacher Reflektivität unterhalb von 36 dbz wird auf Grund der Echostrukturschwankungen in drei weitere Zweige aufgeteilt. Die Größe der Echostrukturschwankungen wird durch die Berechnung des Mittelwerts der zwölf absoluten Nachbardifferenzwerte (sog. Schauerindex ) innerhalb des Neunerfeldes bestimmt. Es wird somit jedes Radarpixel im Hinblick auf seine Reflektivität und seinen Schauerindex analysiert und gemäß den Vorgaben die entsprechende Z-R Beziehung zur Bestimmung der Niederschlagsintensität angewandt. Tabelle 2 zeigt die Parameterwerte a und b für die verschiedenen Varianten. Tabelle 2: Verfeinerte Z-R-Beziehungen dbz < > 44 Schauerindex < > 7.5 Parameter a Parameter b Die Verwendung von verfeinerten Z/R Beziehungen zur Bestimmung von Niederschlagshöhen aus Radarniederschlagsdaten ist angesichts der während der Entwicklungsarbeiten untersuchten Niederschlagsereignisse als qualitätsverbessernd zu werten. Dadurch wird teilweise vermieden, Radarpixel mit Faktoren anzueichen, für die diese Faktoren nicht repräsentativ sind und somit starke

7 Radarniederschlag: Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar Seite 7 von 7 Über oder Unterschätzungen der Niederschlagshöhen zur Folge hätten. Das gilt insbesondere für diejenigen Niederschlagsereignisse und Bereiche, die vom Radar stark unterschätzt werden. Innerhalb der RADOLAN-Prozesskette werden diese verfeinerten Z-R-Beziehungen ab dem fünfminütigen RZ-Komposit angewandt. Auch das qualitätsgeprüfte, fünf-minütige RY-Komposit und das darauf aufbauende stündliche RH-Komposit nutzen diese Umrechnungen. Zu den mit dem RADOLAN- Verfahren produzierten Radarkomposits wird auf die Produktübersicht bei RADOLAN verwiesen. Tabelle 3: RADOLAN-Produktübersicht (Auszug) Produktkennung Auflösung zeitliche Inhalt Ausdehnung RX Radardaten ohne Korrektur 900 km * 900 km (Deutschland) 5 Minuten WX qualitätsgeprüfte Radardaten 1100 km * 900 km (Deutschland+) 5 Minuten RZ Radardaten nach Abschattungskorrektur und nach Anwendung der verfeinerten Z-R- Beziehungen in Niederschlagshöhen 900 km * 900 km (Deutschland) 5 Minuten umgerechnet RY qualitätsgeprüfte Radardaten nach Abschattungskorrektur und nach Anwendung der verfeinerten Z-R-Beziehungen in Niederschlagshöhen umgerechnet 900 km * 900 km (Deutschland) 5 Minuten (qualitätsgeprüfte) Radardaten nach RH Abschattungskorrektur und nach Anwendung 60 Minuten; verfügbar der verfeinerten Z-R-Beziehungen in 900 km * 900 km (Deutschland) alle 5 Minuten Niederschlagshöhen umgerechnet und auf eine Stunde aufsummiert² RW Radardaten nach Aneichung mit der gewichteten Mittelung aus zwei Standardverfahren 900 km * 900 km (Deutschland) 60 Minuten SF Radardaten nach Aneichung mit der gewichteten Mittelung aus zwei Standardverfahren, aufsummiert auf 24 Stunden 900 km * 900 km (Deutschland) 24 Stunden; verfügbar alle 60 Minuten Erst mit der neuen Dual-Polarisationstechnik ist mit der verbesserten Hydrometeorerkennung eine auf die jeweils erkannte Hydrometeor-Art aufgesetzte Z-R-Beziehung möglich. Literatur: [1] DWD-Hydrometeorologie: AKORD-Produktkatalog (Stand: Oktober 2002) [2] VDI 3786 Blatt 20, ( ): Umweltmeteorologie, Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags: Wetterradar (Environmental meteorology, Ground-based sensoring of precipitation: Weather radar) Berlin, Beuth Verlag, 2014 [3] DWD-Hydrometeorologie: RADOLAN-Abschlussbericht (2004); verfügbar im Internet unter (hier sind auch weitere Informationen zu RADOLAN veröffentlicht)