D3 Wetterradare

Thema

Wetterradargeräte sind aktive Fernerkundungssysteme: Im Gegensatz zu Satelliten, die nur von der Atmosphäre emittierte oder reflektierte Strahlung empfangen, sendet ein Wetterradar eigene Mikrowellenimpulse mit einer Wellenlänge zwischen drei und zehn Zentimetern aus und misst die Energie, die diese Impulse nach der Streuung durch Hydrometeore – Regentropfen, Eiskristalle, Hagel – zurückwerfen. Die Intensität dieser rückgestreuten Energie wird vom Wetterradar als Reflektivität bezeichnet. Je höher die vom Wetterradar an einem Punkt gemessene Reflektivität ist, desto höher ist empirisch die Niederschlagsmenge an diesem Punkt.

Wetterradargeräte arbeiten nicht isoliert, sondern sind in Netzwerken organisiert, die ganze Regionen abdecken: Ein Netzwerk mit mehr als 160 Doppler-Radargeräten deckt das gesamte Gebiet der Vereinigten Staaten ab, ein anderes Netzwerk mit rund 200 Radargeräten einen ähnlich großen Teil Europas. In beiden Fällen werden die Messungen alle fünf bis zehn Minuten aktualisiert.

Innerhalb dieser Familie von Wetterradargeräten bietet das Doppler-Radar eine zusätzliche Funktion: Es misst die Frequenzverschiebung der rückgestreuten Welle relativ zur ursprünglich vom Radar ausgesendeten Frequenz – den Doppler-Effekt – und leitet daraus die Radialgeschwindigkeit der Hydrometeore ab, also wie schnell sie sich entlang des Radarstrahls auf das Radar zu oder von ihm weg bewegen. Da Hydrometeore vom Wind transportiert werden, ermöglicht diese Radialgeschwindigkeit indirekt die Bestimmung der Windstärke im Radarstrahl. Ein einzelnes Doppler-Radar erfasst jedoch nur die Windkomponente, die direkt auf es zu oder von ihm weg gerichtet ist, niemals den gesamten Wind. Die Rekonstruktion des dreidimensionalen horizontalen Windes erfordert zusätzliche Verfahren: Das Dual-Doppler-Verfahren kombiniert Messungen von zwei Radargeräten, die dasselbe Gebiet aus verschiedenen Winkeln beobachten, und ein alternatives Verfahren kombiniert Messungen eines einzelnen Doppler-Radars, die unter verschiedenen Scanwinkeln aufgenommen wurden, um ein gleichwertiges Ergebnis zu erzielen.

Innerhalb dieser Familie von Wetterradargeräten überwinden Dualpolarimetrie-Radargeräte eine andere Einschränkung als einfache Doppler-Radargeräte: Anstatt den Mikrowellenimpuls nur in einer Richtung auszusenden, senden sie ihn sowohl horizontal als auch vertikal aus und vergleichen, wie der Hydrometeor auf die jeweilige Ausrichtung reagiert. Aus diesem Vergleich gewinnen sie zusätzliche Variablen, die beschreiben, ob der Hydrometeor breiter als hoch ist, wie stark er das Signal beim Durchgang durch ihn verzögert und wie gleichmäßig seine Form ist. Mit diesen zusätzlichen Variablen kann das Dualpolarimetrie-Radar die Art des Hydrometeors – Regen, Hagel, Schnee oder eine Mischung daraus – klassifizieren und daraus eine genauere Niederschlagsmenge berechnen als ein herkömmliches Radar, das nur die Reflektivität misst. Wolkenradar überträgt das Prinzip des Wetterradars auf deutlich höhere Frequenzen als herkömmliche Niederschlagsradargeräte und erreicht Frequenzen von bis zu 94 Gigahertz. Diese viel höhere Frequenz macht es empfindlich für Partikel, die weit kleiner sind als Regentropfen oder Hagelkörner: die winzigen Tröpfchen, aus denen Wolken bestehen, und die kleinsten Eiskristalle, die ein herkömmliches Niederschlagsradar nicht erfassen kann. Dank dieser erhöhten Empfindlichkeit macht das Wolkenradar die innere Struktur von Wolken sichtbar, die herkömmliche Niederschlagsradare nicht erfassen.

Das Ergebnis der kombinierten Leistung aller Wetterradargeräte – vom herkömmlichen Reflektivitätsradar über Doppler- und Dualpolarisationsradare bis hin zum Wolkenradar – ist ein Satz dreidimensionaler Reflektivitätsfelder, die die vollständige Struktur von Niederschlagssystemen offenbaren: Sie ermöglichen die Identifizierung des hellen Bandes, der Schicht, in der fallender Schnee schmilzt und zu Regen wird, und erzeugen Doppler-Windvektoren, die die Luftbewegung innerhalb dieser Niederschlagssysteme beschreiben. Wetterradare wandeln somit die von ihnen selbst ausgesendete und von Hydrometeoren reflektierte Energie in ein dreidimensionales und ständig aktualisiertes Bild der Niederschlagsverhältnisse (Regen, Schnee oder Hagel) an jedem Punkt ihres Erfassungsgebiets um.

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