Wetterradar Valluga - Ein Mittel zur Verbesserung der flächendeckenden Echtzeit- Niederschlagsmessung und -prognose in Westösterreich.

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1 Ao.Univ.-Prof.Dipl.-Ing.Dr. W. Randeu AG Radartechnik und Mikrowellenausbreitung TU-Graz & JOANNEUM RESEARCH Graz Inffeldgase 12, 8010 Graz Tel (-7441 Sekr.), Fax Wetterradar Valluga - Ein Mittel zur Verbesserung der flächendeckenden Echtzeit- Niederschlagsmessung und -prognose in Westösterreich. Was ist ein Wetterradar? Ein Wetterradar - eigentlich sollte es besser Niederschlagsradar heißen - ermöglicht die Fernmessung der Präsenz und der Stärke von troposphärischen Niederschlägen (Regen, Hagel, Schneefall) im Umkreis von 100 km oder mehr. Das Funktionsprinzip ist eher einfach, es werden ca. 100 m lange "Pakete" von elektromagnetischen Wellen (sog. Impulse) über eine Antenne mit scharfer Bündelung (der "Antennenstrahl" ist in der Praxis ca. 1 breit) in eine Raumrichtung abgestrahlt und die Echos, welche an erwünscht (Niederschlagspartikel) oder unerwünscht (Boden, Vegetation, Gebäude, Flugzeuge) getroffenen Objekten erzeugt werden, mit derselben Antenne wieder aufgefangen und aufgezeichnet. Die primär aus diesen Echosignalen extrahierten Werte sind die Laufzeit, welche angibt wie weit entfernt das reflektierende Objekt liegt, und die Signalstärke, welche ein Maß für die Größe oder Dichte des Zielobjekts ist. Wird die Antenne nun in verschiedene Richtungen geschwenkt, lässt sich das gesamte troposphärische Volumen rund um die Radarstation (üblicherweise bis 150 km Entfernung und 16 km Höhe) hinsichtlich Präsenz und Stärke von Niederschlägen abtasten. Eine solche Volumens- Abtastung dauert mit derzeit verfügbaren Radargeräten zwischen 5 und 10 Minuten. Wetterradarnetze Wegen der beschränkten Reichweite, aber auch aus Gründen der Topographie, insbesondere der Radarwellen-Abschattung durch Berge, ist zur Überdeckung eines Landes mit Wetterradarmessungen ein Verbundbetrieb mehrerer Radaranlagen notwendig. Dabei messen die einzelnen Radaranlagen jeweils für sich und liefern die gesammelten Daten zu einem Verteilungszentrum, welches wiederum alle angeschlossenen Benutzer-Terminals (speziell programmierte PCs oder Workstations) mit den verfügbaren Datenmengen versorgt. Erst dort werden die einzelnen Radarbilder kombiniert und in verschiedenen Darstellungsarten präsentiert. Die Darstellung und Nutzung von Wetterradardaten

2 wxr/valluga 08/ Wie aus den beigefügten Bildbeispielen ersichtlich, ist die gewonnene Informationsmenge dem Anwender in graphischer Form - auf Bildschirm oder Papier - am besten und schnellsten zu vermitteln. Man sieht in diesen Farbausdrucken, deren Daten aus dem von Austro Control GmbH (Flugwetterdienst) betriebenen österreichischen Wetterradarnetz stammen (das Netz hat 4 Stationen, nämlich Schwechat, Zirbitzkogel, Salzburg und Patscherkofel, und liefert alle 5 Minuten ein neues Bild), in 8 Farbstufen kodiert die Intensität des Niederschlags (in mm/h) für jedes 1 km x 1 km große Bildelement im Grundriss. Hier ist bereits eine Informationsreduktion vorgenommen worden, d.h. dass nur ein Teil der vom Radar aufgenommenen, das ganze Volumen bis 16 km Höhe beschreibenden Messdaten, in die vorliegenden Bilder aufgenommen wurde, nämlich die Projektion des jeweiligen Maximalwertes auf den Boden. Aus dieser Darstellungsart lässt sich eher die Verteilung, Entwicklung und Wanderung der Niederschlagszellen - insbesondere durch Animation, d.i. das trickfilmartige Abspielen von aufeinander folgenden Bildern - weniger aber die Quantität der am Boden auftreffende Regen- oder Schneemenge ermitteln. Für letzteren Zweck sind - den Gesetzen der Physik folgend - jene Radarmesswerte zu nehmen, welche möglichst nahe über dem Boden aufgenommen wurden, was umso besser geht, je näher man sich beim Radar befindet. Nobody is perfect - Auch Fehler treten auf Aber auch wenn die bodennahen Radarwerte verfügbar sind, ist eine quantitative Auswertung von Wetterradardaten in Richtung Bodenniederschlag kein einfaches Unterfangen. Eine ganze Reihe von Fehlerquellen beeinflusst die Genauigkeit der aus den Radardaten hergeleiteten Bodenniederschläge, z.b. die unkorrekte Messung der Echostärke (mangelnde Geräte-Kalibrierung), die Variabilität der Beziehung zwischen Echostärke und Niederschlagsrate (welche von der Niederschlagsart und dem Partikelgrößenspektrum abhängt; zwei Regenzellen mit gleicher Regenrate, aber unterschiedlicher Tropfengrößenverteilung - z.b. eine mit vielen kleinen, die andere mit wenigen großen Tropfen - reflektieren die Radarsignale verschieden stark), die unvollständige Füllung des Antennenstrahls (welcher in 150 km Entfernung doch schon rund 2,5 km breit ist) mit Niederschlag und Störechos vom Boden, welche irrtümlich als vom Niederschlag stammend beurteilt werden. Die wesentlichste Fehlerquelle ist jedoch die Abschattung durch Bodenerhebungen und - in größerer Entfernung - die Erdkrümmung. Die dadurch verhinderte Sicht des Wetterradars in die bodennahen Schicht kann zu deutlichen Fehlern führen. Vor allem in der kalten Jahreszeit können dadurch in geringer Höhe über Grund entstehende und fallende Niederschläge vom Radar völlig übersehen werden. Für Anwender mit Bedarf nach quantitativen Werten (z.b. Hydrologie und Hochwasserprognose, EVUs - Wasserzuflussplanung) ist daher eine zusätzliche Kalibrierung der Wetterradardaten an punktuellen Messungen am Boden zu empfehlen. Derartiges wurde in einem Entwicklungsvorhaben für die Steirische Hydrographische Landesabteilung bereits erfolgreich demonstriert, und ist in verbesserter Form für das Valluga-Wetterradar vorgesehen. An der Eliminierung aller zuvor genannten Fehler wurde und wird im Forschungsbereich intensiv gearbeitet, u.a. auch mit Hilfe des Forschungs-Radars Graz/Hilmwarte (Entwicklung und Bau in Kooperation mit Joanneum Research). Hier wurden bessere Kalibrierungsmethoden entwickelt und erprobt, die Messung zusätzlicher Echokennwerte für die Erkennung der Niederschlagsart (Regen, Schnee, Hagel) ausgenutzt und Methoden für die Erkennung und Eliminierung von störenden Bodenechos erstellt.

3 wxr/valluga 08/ Die derzeitige und geplante Situation in Österreich Zurück zu dem, was derzeit oder in nächster Zukunft in Österreich verfügbar ist, nämlich das rund um die Uhr betriebene Netz der Austro Control. Nachfolgend die wichtigsten Kennwerte: * Anzahl der Stationen: 4 (Schwechat, Zirbitzkogel, Salzburg, Patscherkofel) Ein 5. Radar auf der Valluga, für eine bessere Abdeckung von Tirol und Vorarlberg, ist dringend erforderlich, insbesondere da das Radar Patscherkofel in Richtung Westen und Süden stark abgeschattet ist. * Erfassungsrate: alle 5 Minuten ein gesamtes Volumen * Messwerte: Echostärke, umgerechnet nach einer festen Beziehung in die Regenrate, quantisiert in 14 Stufen, als Maximalwertprojektion im Grund-, Auf- und Seitenriss; * Auflösung: horizontal 1 km x 1 km, bis 220 km Entfernung vertikal 1 km, bis 16 km Höhe * Verteilung: Entgeltlich durch Austro Control Flugwetterdienst, über Modem oder Computernetz. * Anzeigeterminals: Speziell programmierte PCs oder Workstations (z.b. Softwarepaket WIIS von TU-Graz); Anzeige kann kombiniert werden mit Meteosat-Bildern (großräumige Wolkensituation) und ALDIS-Blitzdaten. Bem.: Meteosat-Bilder unterscheiden sich wesentlich von Wetterradar-Bildern, da Meteosat eine reine Temperaturbzw. Helligkeitsmessung der Erdatmosphäre vom Raum her ausführt, und somit im wesentlichen Wolkenbilder liefert. Wetterradardaten stammen von Echosignalen, welche an den Niederschlagspartikeln gebildet werden, und zeigen somit eindeutig das Vorhandensein und die Stärke von Niederschlägen an, noch dazu mit einer besseren räumlichen und zeitlichen Auflösung. Nichtsdestoweniger sind Meteosat-Bilder für die Bewertung der großräumigen Situation, sowie für niederschlagsfreie Bewölkung, unerlässlich. Wer nutzt schon jetzt Wetterradardaten?

4 wxr/valluga 08/ Derzeit sind folgende Anwender an das Wetterradarnetz angeschlossen und nutzen die Wetterradardaten, meist auch die Meteosat-Daten, teilweise die ALDIS-Blitzdaten für ihre jeweiligen Zwecke: - Austro Control Flugwetterdienst (Flugwetter- und Routenprognose) - Zentralanstalt f. Meteorologie und Geodynamik, Wien und alle Regionalstellen (allgemeine Wetterbeobachtungen und Prognosen) - Österreichisches Bundesheer, Militärwetterdienst / Luftraumüberwachung - Eine Reihe von Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVUs) aus dem Verband der E-Werke Österrreichs (z.b. Energie-AG OÖ, EVN, Verbund/ÖDK, STEWEAG, Salzburg AG, KELAG, Ennskraft, BEWAG), für Zwecke der Wasserangebotsüberwachung und Verbrauchsplanung; - Wetterdienste benachbarter Länder (CH, D, CRO, CZ, H, I, PL, SLK, SLO) im Zuge des Wetterradar-Datenaustausches "CERAD" (Central European Weather Radar Network; initiiert und realisiert in Kooperation zwischen ZAMG und INW/TU-Graz) - Austrian Airlines (Piloten-Briefing) - Magistratsabteilung 48, Wien (Prognose von Schneeräum-Einsätzen) - Autobahnmeisterei Alland/NÖ (Planung von Räumeinsätzen) - Hydrographische Landesabteilung f. Steiermark (Hochwasserfrüherkennung) - Steirische Hagelabwehrgenossenschaft (Lenkung von Flugeinsätzen, Beurteilung des Bekämpfungserfolges) - ORF-Wetterredaktion, Kabelfernsehgesellschaften (Einspeisung von Wetterradar- Trickfilmen in den Info-Kanal) - Forschungsanwendungen (Univ. und ZAMG Wien, TU-Graz, Joanneum Research Graz,...). - Deutscher Wetterdienst - Autobahndirektion Südbayern - Flughafen München (Pistendienst, Flugsicherung) - u.a.m. Eine wichtige Nutzungsmöglichkeit - Wetterradardaten für die frühzeitige Erkennung von Naturkatastrophen

5 wxr/valluga 08/ Bisher wurden Wetterradar-Daten in Österreich noch nicht für die frühzeitige Erkennung von und Warnung vor Naturkatastrophen (Überflutungen, Muren, Lawinen, Felsstürze, Hangrutschungen, Sturzfluten) genutzt. Dies soll nun im Zuge der Realisierung des Wetterradars auf der Valluga systematisch geschehen. Mit diesem Wetterradar kann das für Naturgefahren so anfällige und sensible Alpingebiet in Westösterreich, insbesondere das Arlberggebiet, lückenlos überdeckt werden und eine laufende Messung und Kontrolle der fallenden Niederschlagsmengen erfolgen. Die Notwendigkeit für dieses 5. österreichische Wetterradar ergibt sich aus der schlechten bis gar nicht vorhandenen Überdeckung durch andere Radaranlagen, sei es durch die Anlage am Patscherkofel, oder durch Radars im benachbarten Ausland (die sehen zwar hin, sind aber zu weit weg um mit genügender räumlicher Auflösung und Regengenauigkeit zu messen). Mit den laufend in Echtzeit (alle 5 Minuten) verfügbaren Daten dieses Radars, welche noch dazu wegen der Nähe zum Beobachtungsgebiet räumlich sehr fein aufgelöst sind (kleiner als 0,5 km im Quadrat), kann die Niederschlagsentwicklung rund um die Uhr beobachtet, bewertet und sogar für kurze Zeiträume prognostiziert werden, insbesondere das Auftreten von kleinsträumig erstreckenden, aber sehr intensiven konvektiven Ereignissen, welche in vielen Fällen die Auslöser der genannten Ereignisse sind. In Fachkreisen besteht Übereinstimmung darüber, dass mehr als 90 % derartiger Katastrophenfälle den extrem intensiven oder langdauernden Niederschlag als letztendlichen Auslöser haben. Es sei in diesem Zusammenhang auch auf eine ganze Serie von Murenereignissen im Gebiet um Sachseln (CH), welche durch stundenlangen Starkniederschlag (mehr als 80 mm/hr) unabhängig voneinander ausgelöst wurden, verwiesen. Eine nachträgliche Analyse der Entwicklung bestätigte, dass die laufende Bewertung von - vorhandenen - Wetterradarmessungen in diesem Gebiet eine sichere Prognose dieses Unglücks und eine halbe Stunde Zeitreserve für die Evakuierung oder die Durchführung von Schutzmaßnahmen gebracht hätte. Beim geplanten Valluga-Wetterradar werden dazu noch besondere Mess- und Auswerteverfahren angewendet, welche im Verbund mit einer großen Zahl von Regenmessern eine gute Genauigkeit bei der flächendeckenden quantitativen Niederschlagsbestimmung ergeben. In Summe sollen mit dem Wetterradar Valluga rund um die Uhr kumulierende Niederschlagshöhen für jeden beliebigen Punkt im Umkreis bis zu 100 km verfügbar sein, welche sich alle 5 Minuten erneuern. Daraus lassen sich rechtzeitige Vorwarnungen ableiten, welche im Vergleich zur Situation ohne Warnsystem Stunden früher erfolgen können genug um wichtige Rettungs- und Schutzmassnahmen durchzuführen oder vorzubereiten. Manche Schäden der Katastrophe der letzten Wochen hätte damit vermieden oder verringert werden können. Auch der Tourismus profitiert Neben der Auswertung der Wetterradardaten für die Naturgefahrenprognose ist im Zielgebiet Arlberg auch eine Nutzung für touristische Zwecke anzustreben. Wie wenige andere Sparten ist der Fremdenverkehr vom lokalen Wettergeschehen abhängig. Zwar lässt sich das Wetter nicht beeinflussen, durch entsprechende Information - z.b. durch Installation von Wetterradarterminals an wichtigen Punkten (Hotels, Info-Zentren, Seilbahnstationen) und laufender Präsentation von meteorologisch aufbereiteten und kommentierten Radar-

6 wxr/valluga 08/ und sonstigen Wettermeldungen - kann dem Gast eine wesentlich bessere Planung seiner Freiluftaktivitäten ermöglicht, und damit sein Zufriedenheitsgrad sicherlich gesteigert werden. Komplettierung des österreichischen Wetterradarnetzes Über die spezielle, lokale Verwendung hinausgehend soll das geplante Radar Valluga in das österreichische Wetterradarnetz integriert werden, wodurch endlich eine bessere Niederschlagserfassung über Westösterreich ermöglicht wird. Die mit den übrigen Messdaten (4 Radars, Meteosat, ALDIS-Blitzerfassung) über das Netz zu verteilenden Messwerte des Valluga-Radars können dann auch allen anderen Anwendern für deren spezifische Nutzung zur Verfügung stehen. Im gebirgigen Westösterreich sollten vor allem die Straßendienste, die Bahn und die E-Werke wesentlichen Nutzen aus der verbesserten Überdeckung und genaueren Messung durch das zusätzliche Wetterradar Valluga erzielen. Wichtiges in aller Kürze Abschließend noch einmal die wichtigsten Eigenschaften und Anwendungen der Wetterradarmessung von Niederschlägen: * Flächendeckende Fernmessung von Niederschlägen mit guter räumlicher und zeitlicher Auflösung; in Radarnähe genauer und räumlich feiner aflösend als in größerer Entfernung; * Verfügbarkeit der Daten nahezu in Echtzeit (max. 5 Minuten Verzögerung) beim Anwender vor Ort (Wetterradarterminal, Kombination mit Meteosat- bzw. Wolkendaten und Blitzdaten möglich); * Im Valluga-Radar speziell: verbesserte Kalibrierung, doppelt polarisierte Messung zur Bestimmung der Niederschlagsart (Regen, Schnee, Hagel,...); * Qualitative Nutzung: Erkennen von Niederschlagszellen bzw. -gebieten, deren Entwicklung und Wanderung (Trickfilm!), daraus Prognosen über die weitere Entwicklung/Wanderung, sowie Ableitung von Entscheidungen hinsichtlich Gefahrenwarnung und Planung von Arbeitseinsätzen und Freiluftaktivitäten; * Quantitative Nutzung: Ermittlung von Gebietsniederschlagsmengen (für beliebig definierbare Einzugsgebiete hochwassergefährdeter Wasserläufe, auch für die Zuflussermittlung bei Wasserkraftwerken); Achtung: beschränkte Genauigkeit für Einzel- oder Punktmessung, Verbesserung durch räumliche und zeitliche Mittelung, in besonders kritischen Fällen punktweise Kalibrierung an fernmeldenden Regenmessern im Messgebiet notwendig (für Valluga jedenfalls vorgesehen); Naturgefahrenwarnsystem f. Westösterreich: Zentrales Element soll das Wetterradar Valluga sein, das alle 5 Minuten die

7 wxr/valluga 08/ Niederschlagssituation im Umkreis von rund 150 km misst, wobei die ersten 50 km (also das Arlberggebiet und umliegende Gebirgsregionen) mit besonders feiner Auflösung gemessen werden (alle 500 m ein Messwert; im Vergleich dazu bräuchte man Regenmesser um in 50 km Umkreis die selbe Messwertdichte zu erreichen eine praktisch nicht realisierbare Zahl). Die Radarmesswerte werden nach Kalibrierung an verfügbaren Regenmessern am Boden, sowie nach meteorologischer Interpretation und Kommentierung durch den lokalen Wetterdienst (ZAMG Innsbruck), an die verschiedenen Anwender über Standleitungen oder Internet verteilt. Die Anwender reichen von den Entscheidungsträgern in den Landeswarnzentralen über die diversen Einsatz- und Hilfsorganisationen bis hin zu Geschäfts- und Gewerbebetriebn sowie Privatpersonen. Die Verfügbarkeit der Wetterradarmessdaten kann zwar allfällige Schäden nicht verhindern, dafür sind immer noch Verbauungs- oder Lenkungsmaßnahmen erforderlich. Jedoch kann eine möglichst frühzeitige Warnung vor gefährlichen Niederschlägen, seien es nun kurze intensive Gewitter oder aber lang andauernde Landregenfälle, helfen, möglichst umfangreiche Maßnahmen zur Vermeidung oder Milderung von Schäden zu treffen, und damit den Verlust an Leben und Sachwerten gering zu halten. Im Vergleich zu den erzielbaren Schadensvermeidungen, gerade auch im Rückblick auf die Katastrophenereignisse im August 2005, nehmen sich die Kosten für die Errichtung und den Betrieb des Valluga-Wetterradars bescheiden aus, nämlich EUR ,-- pro Jahr, gerechnet über eine realistische Nutzungsdauer von 15 Jahren. Die Abbildungen 1a, 1b, 2 und 3 (Bildbeispiele vom 22. August 2005) befinden sich aus Platzgründen in einem separaten Dokument (WXRPOP revra Bilder.doc).