Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten

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1 Natur.Umwelt.Technik Radar-Symposium 21. April 2017 HSRM Wiesbaden Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath, Elmar Weigl, Thomas Junghänel, Christoph Brendel, Dr. Andreas Becker Deutscher Wetterdienst KU4 - Hydrometeorologie

2 Motivation Bulletin of the American Meteorological Society; 2017; DOI: /BAMS-D Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 2 von 41

3 Motivation Boden-Niederschlagsstationen Stationsanzahl im Echtzeitbetrieb Automatische Niederschlagsstationen des DWD und ausgewählter Bundesländer (März 2017:1266) Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 3 von 41

4 Motivation Boden-Niederschlagsstationen Stationen im Offline-Betrieb Niederschlagsstationen des DWD (2001 bis heute: 4401) Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 4 von 41

5 Motivation Wie repräsentativ sind die Bodenstationen? Ein Rechenbeispiel Anzahl der Stationen von 2001 bis heute = 4401 Typische Größe eines Niederschlagsmessers (Hellmann) = 200 cm Stationen x 200 cm 2 = 88,02 m 2 Fläche Deutschlands: km 2 (Quelle: wikipedia.de) 0, % der Fläche werden vermessen. Jede Station ist im Mittel repräsentativ für 81,2 km 2. Der mittlere Abstand zwischen zwei Niederschlagsmessern beträgt ca. 9 km. Die typische Größe einer Konvektionszelle liegt im Bereich weniger Kilometer. Die Fläche der deutschen Stationen passt vollständig in den Fünfmeterraum. Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 5 von 41

6 Motivation Niederschlagsmonitoring - Ombrometer vs. Radar Ereignis wird nur vom Radar erfasst STARKREGEN +++ Münster 28. Juli Bessere Quantifizierung durch zusätzliche Bodendaten in Radarklimatologie Bodenmessnetz (REGNIE) RADOLAN-Online RADOLAN-Offline Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 6 von 41

7 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 7 von 41

8 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 8 von 41

9 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung Niederschlagsmessung mit dem Wetterradar Elevation Horizontaler Scan, unterschiedliche (konstante) Elevationen Volumenscan Horizontaler Scan, orographiefolgend Niederschlagsscan Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 9 von 41

10 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung Das Radarmessnetz des Deutschen Wetterdienstes 16 dual-polarimetrische C-Band Doppler-Radarsysteme + 1 single-pol (Emden) 150 km Reichweite im Niederschlagsscan 1 Azimutauflösung Deutschlandkomposit (1 km Rasterlänge) Niederschlagsscan alle 5 min Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 10 von 41

11 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 11 von 41

12 2 Radarprodukte Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 12 von 41

13 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 13 von 41

14 2a Lokale Radarprodukte Niederschlagsscan / Erstellung DX/PX/PF-Produkt (qualitativ) horizontfolgend DX/ BUFR-Z-Sweep PX/PF Lokales Radarprodukt PX (Beispiel vom Radar Essen; , 14:00 UTC) Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 14 von 41

15 2a Lokale Radarprodukte Erstellung PH/PY-Produkt (quantitativ) Umrechnung der Radarmessgröße Reflektivität (Z) in die Zielgröße Niederschlagsmenge (R): Z = 256 * R 1.42 mit Z = Reflektivitätsfaktor [mm 6 /m 3 ] und R = Niederschlagsintensität [mm/h] (s.a. Richtlinie, Kap. 7.4) PH = 1h-Summe PY = mehrstündige Niederschlagsverteilung; 1h-24h-Summe jeweils ab 06:30 UTC Lokales Radarprodukt PH (Beispiel vom Radar Essen; , 12:45 UTC) Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 15 von 41

16 2a Lokale Radarprodukte Volumenscan und Erstellung PL-Produkt vereinfachte Darstellung; eigentlich Kegelmantelsegmente 1 2 Erstellung erfolgt in drei Schritten: 1) Transformation auf eine polarstereografische Projektionsebene (s. Richtlinie, Anhang B) 2) Grundriss 3) Auf- und Seitenriss 3 Lokales Radarprodukt PL (Beispiel vom Radar Memmingen; , 17:00 UTC) LMAX-Produkt = maximaler Wert der Vertikalsäule im Grundriss PE = Echotop PZ = CAPPI Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 16 von 41

17 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 17 von 41

18 2b Komposit-Radarprodukte Polarkoordinaten Kartesische Koordinaten Transformation der in Polarkoordinaten (Grad Azimut und km Radius) vorliegenden Niederschlagsscan-Produkte in das kartesische Gitter (1 km x 1 km): Pull-Methode: Heranziehen ( pull ) des nächsten Polarpixels auf das kartesische Pixel Standard-Methode Push-Methode: Verschieben ( push ) des Polarpixels auf die umliegenden kartesischen Pixel RZ-Produkt Quelle: STEPHAN, K., 2007: Erfahrungsbericht zur Verwendung des PULL-Kompositverfahrens zur Erstellung des RADOLAN-Komposits (RZ-Komposit). DWD, Interner Bericht] Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 18 von 41

19 2b Komposit-Radarprodukte Erstellung der Komposits Verfahren in den Überlappungsbereichen mehrerer Radars: Verwendung der Maximum-Methode alte Bildprodukte (P*) im runlength-format RADOLAN: RX, (RZ) Mitteleuropäische Produkte Verwendung des qualitativ höherwertigen Radarprodukts neue Bildprodukte (P*) im BUFR-Format RADOLAN: WX, RY (Grundlage des RW) POLARA-Produkte (dual-pol) Verwendung des niedrigsten Scans bei identischen Qualitätsbins (dual-pol) Maximale Strahlhöhen Minimale Strahlhöhen Quelle: POLARA Radar Flechtdorf fehlt Quelle: POLARA Radar Flechtdorf fehlt Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 19 von 41

20 2b Komposit-Radarprodukte Das PG-Produkt Radar-Komposit Deutschland Reflektivitäten in 7 dbz-stufen Zeitliche Frequenz = alle 5 min Horizontale Auflösung = 2 km x 2 km Grundversorgung Anwendung: schnelle Visualisierung des großräumigen, deutschlandweiten Niederschlagsgeschehens Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 20 von 41

21 2b Komposit-Radarprodukte Das WX-Produkt Radar-Komposit Deutschland Reflektivitäten in 256 dbz-stufen Zeitliche Frequenz = alle 5 min Horizontale Auflösung = 1 km x 1 km Preisliste Anwendung: schnelle qualitative Abschätzung des aktuellen Niederschlagsgeschehens in Deutschland Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 21 von 41

22 2b Komposit-Radarprodukte Das PP-/PQ-Produkt Radar-Komposit Mitteleuropa Belgien, Dänemark*, Frankreich, Großbritannien, Niederlande, Österreich*, Polen*, Schweiz, Tschechien* (*nur im PP, nicht kommerziell verfügbar) Reflektivitäten in 7 dbz-klassen Zeitliche Frequenz = alle 15 min Horizontale Auflösung = 2 km x 2 km Preisliste Anwendung: schnelle qualitative Abschätzung des aktuellen Niederschlagsgeschehens in Mitteleuropa Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 22 von 41

23 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 23 von 41

24 2c Angeeichte Kompositprodukte RADOLAN (Radar-Online-Aneichung) Das Verfahren wurde in Kooperation des DWD mit den Wasserwirtschaftsverwaltungen der Bundesländer (LAWA) entwickelt ( ) Operationeller Routinebetrieb seit Juni 2005 Kombination aus den punktuell an den Niederschlagsstationen gemessenen stündlichen Werten mit flächendeckender Niederschlagserfassung des DWD Radarverbundes Liefert zeitlich und räumlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten im Echtzeitbetrieb Nutzung durch die Hochwasservorhersagezentralen im Rahmen von Hochwasservorsorge und -schutz Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 24 von 41

25 2c Angeeichte Kompositprodukte RADOLAN Radar-Online-Aneichung Automatische Niederschlagsstationen des DWD und ausgewählter Bundesländer (März 2017: 1266) 17 C-Band Doppler-Radarstandorte + Quantifizierung der radarbasierten Niederschlagsdaten mit Ombrometer-Daten Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 25 von 41

26 2c Angeeichte Kompositprodukte Aneichung: Faktoren-/ Differenzenverfahren (RADOLAN ) RW Stündliche Aneichung der 1h-Niederschlagssumme (Komposit) Bestimmung der Quotienten aus Radarpixel- und Stationswert Bestimmung der Differenzen von Radarpixel- zu Stationswert Räumliche Interpolation der Quotienten und Differenzen Anwendung der Quotienten und Differenzen auf das Radarkomposit Bestimmung des besten Aneichverfahrens durch Echtzeitverifikation auf Basis von 20 % der Stationen, die nicht in die Aneichung eingingen Gewichtete Kombination der zwei angeeichten Produkte Auffüllen der Lücken mit Stationsdaten innerhalb eines definierten Radius Kompositprodukt von 17 lokalen Radardaten mit 150 km Reichweite und 1km x 1km Auflösung - Deutschland (fast) komplett abdeckend Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 26 von 41

27 2c Angeeichte Kompositprodukte Das RW-Produkt Radar + Bodenstationen Komposit Deutschland Quantitativ: 0,1mm/1h Zeitliche Frequenz = alle 60min Horizontale Auflösung = 1km x1km Grundversorgung , 14:50 UTC (Hagelunwetter in Horb am Neckar) Anwendung: quantitative Überwachung und klimatologische Analysen des Niederschlags in Deutschland Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 27 von 41

28 2c Angeeichte Kompositprodukte Das SF-Produkt Radar + Bodenstationen Komposit Deutschland Quantitativ: 1mm/24h Zeitliche Frequenz = alle 60min Horizontale Auflösung = 1km x1km Grundversorgung , 14:50 UTC (Hagelunwetter in Horb am Neckar) Anwendung: quantitative Überwachung und klimatologische Analysen des Niederschlags in Deutschland Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 28 von 41

29 2c Angeeichte Kompositprodukte Verifikation auf der Basis von Tageswerten (12/ /2010) nicht angeeicht angeeicht Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 29 von 41

30 Verfügbarkeit und Qualität von hochaufgelösten Radarniederschlagsdaten Dr. Tanja Winterrath et al. 1 Radarbasierte Niederschlagsmessung 2 Radarprodukte a Lokale Radarprodukte b Komposit-Radarprodukte c Angeeichte Kompositprodukte (RADOLAN) 3 Radarklimatologie Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 30 von 41

31 3 Radarklimatologie Strategische Behördenallianz Anpassung an den Klimawandel Gemeinsames Forschungsprojekt: Erstellung einer dekadischen radargestützten hoch-auflösenden Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur Auswertung der rezenten Änderung des Extremverhaltens von Niederschlag Ein Forschungsvorhaben der ressortübergreifenden Behördenallianz Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe Bundesanstalt Technisches Hilfswerk Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung Deutscher Wetterdienst Umweltbundesamt Erstellung einer dekadischen radargestützten hoch-auflösenden Niederschlagsklimatologie für Deutschland zur Auswertung der rezenten Änderung des Extremverhaltens von Niederschlag Kurztitel: Radarklimatologie Projektstart: 01. Juni 2014 Projektende: 31. Mai 2017 Projektlaufzeit: Juni 2014 Mai 2017 Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 31 von 41

32 3 Radarklimatologie Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 32 von 41

33 3 Radarklimatologie RADOLAN Radar-Online-Aneichung Automatische Niederschlagsstationen Niederschlagsstationen des DWD des DWD und ausgewählter (2001 Bundesländer bis heute: 4401) (März 2017: 1266) 17 C-Band Doppler-Radarstandorte + Quantifizierung der radarbasierten Niederschlagsdaten mit Ombrometer-Daten Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 33 von 41

34 3 Radarklimatologie Das Projekt Radarklimatologie Komplette Re-Analyse ab 2001 Verwendung zusätzlicher Daten(quellen) Entwicklung von Korrekturverfahren für das RADOLAN-System Extremwertstatistische Auswertung Entwicklung und Anwendung statistischer Auswerteverfahren für kurze Zeitreihen räumlich hoch-aufgelöster Rasterdaten Nutzerberatungs-Modul Projektbegleitende Kommunikation mit den Nutzern Entwicklung von Kundenprodukten (GIS-basiert) Fallstudien Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 34 von 41

35 3 Radarklimatologie Speichenkorrektur Beispiel: Radar Hamburg Verfahren nach Jacobi et al Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 35 von 41

36 3 Radarklimatologie Entfernungskorrektur Beispiel: Radar Dresden + Erz-/Riesengebirge Verfahren nach Wagner et al Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 36 von 41

37 3 Radarklimatologie Neue klimatologische Korrekturverfahren werden aktuell berechnet Höhenabhängige Korrektur Automatisierte Speichenkorrektur Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 37 von 41

38 Zusammenfassung Radarmessungen ermöglichen die hochaufgelöste, flächendeckende Erfassung von (Extrem-)Niederschlägen und (Extrem-)Ereignissen Der Deutsche Wetterdienst bietet eine Reihe verschiedener Radarprodukte an: Lokale qualitative Produkte Qualitative Komposits für Deutschland und Mitteleuropa Quantitative Komposits für Deutschland Im Projekt Radarklimatologie erfolgt eine optimierte Datenaufbereitung: Eliminierung typischer Fehler in Radarmessungen Quantifizierung mit umfangreicher Bodendatenbasis Bei Fragen oder Datenwünschen wenden Sie sich an oder besuchen Sie unseren Informationsstand im Foyer Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 38 von 41

39 Kontakt: Dr. Tanja Winterrath Deutscher Wetterdienst Abteilung Hydrometeorologie Frankfurter Straße Offenbach am Main Internet: ftp://ftp.dwd.de/pub/data/gpcc/radarklimatologie/index.html Twitter: Vielen Dank! +++ Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 39 von 41

40 Ereignisbasierte Auswertungen Starkregenereignis Wiesbaden, 11. Juli 2014 Quelle: Prof. Ruiz Rodriguez, Lisa Trost, Hochschule RheinMain Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 40 von 41

41 Ereignisbasierte Auswertungen Dr. Tanja Winterrath et al., 21. April 2017, NUT-Radar-Symposium, HSRM Wiesbaden 41 von 41