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Was passiert mit dem Niederschlag unterhalb des Radarstrahls?

Dem Radar entgeht kein Niederschlag. Einer der großen Vorteile der Radarmessung ist, dass sie ohne Lücken und nicht nur in einer einzige Höhe sondern in der gesamten Troposphäre den Niederschlag erfasst. Während die Abstände zwischen den Regensammlern am Boden so groß sind, dass ein Gewitter hindurchpasst ohne überhaupt detektiert zu werden, liegen die Gitterpunkte des Radars quasi dicht an dicht.

Das stimmt nicht ganz. Eine Radarmessung besteht aus mehreren sogenannten Sweeps, bei denen die Radarantenne sich bei unterschiedlichen Höhenwinkeln um ihre eigene Achse dreht. Blieben zwischen diesen Sweeps nicht kleine Lücken, dann bräuchte man viel zu viele Umläufe der Antenne für eine vollständige Messung. Außerdem muss man einen Abstand zum Boden einhalten, damit die starken Reflektionen am Boden, an Gebäuden und Bäumen nicht das Echo vom Niederschlag überdecken.

Wenn zwischen dem Radar und dem Ort, an dem man den Niederschlag messen möchte, zusätzlich noch Hügel oder Berge sind, kann der Abstand der letzten verfügbaren Radarmessung und dem Boden recht groß werden. Mit dem Problem, „wie entwickelt sich der Niederschlag unterhalb der niedrigsten Messung mit dem Radar“ haben nicht zuletzt die Schweizer regelmäßig zu kämpfen. Für das IMK-TRO C-Band Radar auf dem Institutsgebäude ist der Nordschwarzwald das höchste Hindernis. Deshalb haben wir im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) ein zusätzliches Radar im Bühlertal/Nordschwarzwald, knapp 50 km vom Campus Nord entfernt, aufgebaut (Abb. 1). Von April bis September 2014 hat dieses X-Band Radar den Niederschlag in diesem Tal gemessen. Ohne ein Hindernis konnte es bis fast hinunter zum Erdboden beobachten, wie sich der Niederschlag entwickelte. Die unterste freie Messhöhe für das C-Band Radar befindet sich hier in 1500 m über NN.

Einen Vergleich der Messungen der beiden Radare zeigt Abb. 2. Die hellblaue Kurve, die die Messungen des C-Bands zeigt, wird fast vollständig von der dunkelroten Kurve für das X-Band Radar überdeckt. Dabei kommen viele Gründe für die Messunterschiede zwischen den Messungen in 50 km Entfernung und denen aus unmittelbarer Nähe infrage. Zum Vergleich sind auch fünf Niederschlagsverläufe gezeigt, die von Regensammlern am Boden stammen, die weniger als 5 km Abstand zum Standort des X-Band Radars haben. Oft werden solche Messungen als „Ground Truth“ (am Boden gemessene „Wahrheit“) zum Vergleich mit dem Radar herangezogen. Wie man sieht, zeigt die Wahrheit eine Variationsbreite, die die unabhängigen Radarmessungen nicht aufweisen.

Um die Entwicklung des Niederschlags zum Boden hin zu untersuchen, wurden die Daten des X-Band Radars auf ein sehr feines Gitter mit einer Auflösung von 50 m x 50 m x 50 m heruntergerechnet und für jedes Profil die Niederschlagsintensität jeweils verglichen mit der in 1500 m über NN. Die Untersuchung konzentrierte sich auf die acht stärksten Niederschlagsereignisse, bei denen mindestens 6 mm/h erreicht wurden. Wie sich zeigt, ändert sich der Niederschlag im Mittel kaum mit der Höhe. Pro Kilometer Fallstrecke variiert die Regenrate allenfalls um 25% (1 dB). Ursache für diese Änderung ist die Inhomogenität des Regens. Regen der jetzt in 500 m Höhe ist, war vor ungefähr drei Minuten in 1500 m Höhe. Und in diesen drei Minuten hat ihn auch der Wind seitlich verdriftet.

Spannender als die recht überschaubaren Änderungen der mittleren Regenrate pro Ereignis ist daher die Veränderung der Standardabweichung der Messungen unterhalb des Vergleichsniveaus. Wenn ich in 1500 m Höhe den Niederschlag kenne, wie stark schwanken dann die einzelnen Messungen unterhalb dieser Höhe? Die Antwort darauf beschreibt Abb. 3 für die acht verschiedenen Ereignisse (E1 bis E8). Für einzelne Profile sind die Abweichungen nach 500 m Fallstrecke schon bei 3 dB bis 6 dB, also einem Faktor 2 bis 4 in der Regenrate. Das ist auf den ersten Blick erschreckend groß. Doch übliche Radarmessungen werden nicht mit einer Auflösung von 50 m x 50 m durchgeführt. Unsere eigenen Radardaten stellen wir in 500 m x 500 m dar, der DWD reduziert die Messungen üblicherweise gar auf 1000 m x 1000 m.

Deshalb wurde auch untersucht, wie sich die Standardabweichung reduziert, wenn man über jeweils 3x3, 5x5, 7x7 und so weiter bis 13x13 Profile die Messwerte mittelt. Wie Abb. 4 zeigt, fällt dabei die Standardabweichung von 5 dB (als Mittelwert über alle 8 Ereignisse) auf 3 dB, was immer noch einem Faktor 2 entspricht.

Offensichtlich ist es nötig, die horizontale Verdriftung des Niederschlags zu berücksichtigen, wenn man eine hohe Übereinstimmung zwischen der am Boden gemessenen „Wahrheit“ und der Radarmessung erreichen möchte.

[Arbeitsgruppe: Landoberflächen und Grenzschicht]