Woher wissen wir, wann es anfängt zu regnen? Zur Beantwortung dieser Frage ist neben Wettermodellen das Niederschlagsradar in der heutigen Kürzestfristvorhersage nicht mehr wegzudenken. Wie dieses Radar funktioniert und welche Möglichkeiten es bietet, soll heute Thema sein. .
RADAR ist die englische Abkürzung von RAdio Detektion And Ranging und bedeutet im deutschen "funkgestützte Ortung und Abstandsmessung". Zunächst diente das Radar nur militärische Zwecken und wurde erstmals im 2. Weltkrieg zur Ortung von Schiffen und Flugzeugen im großen Stil eingesetzt. Man machte sich dabei die Entdeckung von Heinrich Hertz zunutze, der bereits 1886 herausfand, das metallische Gegenstände elektromagnetische Wellen reflektieren. Während des 2. Weltkrieges merkte man dann, dass auch Niederschlag Echos im Radar erzeugt. Nach dem 2. Weltkrieg beschäftigten sich Wissenschaftler damit, diese Niederschlagsechos herauszufiltern und spezielle Radarsysteme für die Niederschlagsdetektion zu entwickeln.
Das Funktionsprinzip des Niederschlagsradars ist vergleichsweise einfach. Ein Sender sendet gepulste Mikrowellen aus. Die Wellenlänge ist so gewählt, dass diese Mikrowellen auf ihren Weg durch die Atmosphäre an Niederschlagspartikel (Hydrometeore) wie Regentropfen, Schneeflocken, Graupel und Hagel reflektiert und zum Radar zurückgestreut werden. Anschließend wird das zurückgestreute Signal, das nur einen Bruchteil der Energie des gesendeten Signals hat, am Radar mithilfe einer Antenne empfangen und gemessen. Aus der Antennenposition und der Laufzeit des Signals ergibt sich die Position der reflektierenden Hydrometeore. Man weiß, dass sich die Mikrowellen im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Dieser Wert wird für die Atmosphäre noch mit dem Brechungsindex der Luft korrigiert. Über die Laufzeit lässt sich nun die Entfernung berechnen.
Die Radarbilder, die der Deutsche Wetterdienst von seinen 17 Radarmessstationen frei zur Verfügung stellt und auf diversen Webseiten zu sehen sind, zeigen nicht direkt die
Niederschlagsintensität in l/m² in der Stunde, sondern zunächst nur die entfernungskorrigierte Intensität des zurückgestreuten Signals. Diese hat die Einheit "Dezibel" (dBZ). Die Skala ist logarithmisch, das heißt 2 dBZ sind die 10-fache Intensität wie 1 dBZ. Doch wie lässt sich das interpretieren: Das Beispielbild zeigt eine sommerliche Gewitterlage vom 25.07.2021. Die Farbskala ist an die Skala in der Warnwetter-App angelehnt. Blaue Werte (1 bis 15 dB) zeigen zumeist leichten Sprühregen oder nur ein paar Tropfen Regen. Unter grün (~15 - 30 dB) kann man sich einen leichten bis mäßigen Landregen vorstellen, der bei Gelb (ab 30 dB) schon in kräftigere Intensität übergeht. In diesem Fallbeispiel sieht man dies an den kräftigeren Schauern zwischen Alb und Allgäu. Interessant wird es, wenn die Farbe ins Rot geht. Dies bedeutet Reflektivitäten von über 45 dBz, die ausschließlich in Schauern und Gewittern erreicht werden. Ab da nimmt das Starkregenpotenzial deutlich zu. Am auffälligsten ist dies in diesem Beispiel im Gewitterkomplex über Südbayern der Fall. An seiner Südostseite geht die Refläktivität ins ?Blaue? (> 55 dBZ) dies ist meist bei Hagel der Fall. Dieser blaue Bereich war in diesem Fall einem größeren Hagelunwetter zuzuordnen. Die Schauer und Gewitter in Mittel- und Norddeutschland sind weniger heftig. Die Fläche mit roten und blauen Reflektivitäten ist dort viel kleiner.
Um nun die Niederschlagsintensität zu messen, ist eine Umrechnung des empfangenen Signals in l/qm pro Stunde notwendig. Diese Umrechnung wird durch die sogenannte Z-R-Beziehung bestimmt. Z steht hier für die Reflektivität des empfangenen Signals (dBZ) und R für die Regenrate (l/qm) pro Stunde. Diese Beziehung wurde durch langjährige Messung empirisch gewonnen, ist aber besonders in Gewittern, die Hagel enthalten auch zu einem gewissen Maße ungenau. Um die Genauigkeit zu erhöhen, werden die aus dem Radar gemessen Niederschlagsraten mit Stationsmeldungen verglichen und entsprechend angeeicht. So lässt sich relativ genau die Niederschlagsmenge flächendeckend bestimmen.
Die Niederschlagsradare haben allerdings noch ein viel größeres Potenzial. Man kann die Radarbilder zeitlich animieren und bekommt somit die Verlagerung des Niederschlags und kann damit z. B. die Zugrichtung von Gewittern abschätzen. Mit einem mathematischen Verfahren, das den "optischen Fluss" berechnet, lässt sich diese Verlagerung sogar in die Zukunft projizieren, sodass je nach Wetterlage recht genaue 15-minütige bis 1-stündige Vorhersagen möglich sind. Der Deutsche Wetterdienst betreibt sogenannte dual-polarimetrische Radare. Diese können über den Dopplereffekt sogar die Windgeschwindigkeit messen, den Wasser- und Eisgehalt einer Wolke bestimmen und aus der Depolarisation sogar Aussagen darüber treffen, ob eine Wolke Hagel, große oder kleine Tropfen, Graupel oder Schnee enthält. Doch die Beschreibung dieser Radarsysteme wäre schon wieder ein eigenes Thema des Tages*
Dipl.-Met. Christian Herold
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 31.03.2022
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