mini|hochkant|Wetterradar „Meteor 1500 S“ in Adelaide (Australien), noch ohne ein schützendes Radom mini|hochkant|Sender, Empfänger und Signalprozessor des polarimetrischen Wetterradars „Meteor 1500 S“ mini|Wetterradar am Flughafen Dresden
Als Wetterradar werden alle Radargeräte bezeichnet, die vorwiegend zur Erfassung von physikalischen Charakteristika des Wetters dienen. Wetterradargeräte sind oft untereinander vernetzt und speisen ihre Radarinformation in einen Großrechner ein, der aus diesen aktuellen Beobachtungen eine Großwetterlage berechnet und eine Wettervorhersage durch Simulationen und Vergleichen mit bereits aus der Vergangenheit bekannten Wetterabläufen ermöglicht. Ein bekannter Wetterradartyp ist das Niederschlagsradar, welches manchmal Regenradar genannt wird.
Geschichte Die Möglichkeit, Radargeräte zur Wetterbeobachtung nutzen zu können, wurde bereits im Zweiten Weltkrieg erkannt. Militärische Zielsuch- und Luftraumaufklärungsradargeräte zeigten die Konturen von Schlechtwettergebieten als Störecho an. Im militärischen Kontext war das nicht erwünscht, da diese Schlechtwettergebiete somit feindliche Flugzeuge verbergen würden. Diese Erscheinungen wurden durch Meteorologen untersucht. Im Jahr 1941 wurde durch John W. Ryde von General Electric das erste Wetterradar gebaut.Jens Grenzhäuser: Entwicklung neuartiger Mess- und Auswertungsstrategien für ein scannendes Wolkenradar und deren Anwendungsbereiche. KIT Scientific Publishing, 2011, ISBN 978-3-86644-775-2. () Er erkannte, dass vorerst die Dämpfung der Radarstrahlen beim Durchqueren eines Regengebietes eine genauere Messung ermöglichten, als durch Rückstreuung. Erst im Jahr 1947 fanden Dr. John Stewart Marshall und sein Student Walter McK. Palmer experimentell einen Zusammenhang zwischen Radarintensität und Regenrate. Die Tropfengrößenverteilung von Marshall und Palmer (1948) ist bis heute die meistbenutzte Funktion in der Meteorologie.
Während des Zweiten Weltkrieges war die Arbeit an einem Wetterradar eher die Ausnahme. Der zivile Einsatz von Radar zur gezielten Wetterbeobachtung erfolgte erst später, ab etwa 1950, vor allem da Radargeräte eine sehr teure Investition darstellten. Anfangs waren die Wetterradargeräte aus Kostengründen auf eine reine Entfernungsbestimmung mit Klassifizierung des gemessenen Reflexionsgrades beschränkt. Erst ab 1980 wurde der Einsatz von Wetterradar zur Normalität.David Atlas: Radar in meteorology. Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference. Amer Meteorological Society, 1990, ISBN 978-0-933876-86-6.
Ein sogenanntes Hakenecho wurde erstmals am 9. April 1953 von einem Radargerät am Willard Airport bei Champaign (Illinois) aufgezeichnet. Solche Hakenechos in Niederschlagsradaren wurden als Anzeichen dafür erkannt, dass eine Superzelle mit Tornadorisiko vorhanden ist.
Am Meteorologischen Institut der Freien Universität Berlin wurde am 7. Juli 1957 ein X-Band-Radar (9 GHz) in Betrieb genommen. Noch am selben Tag konnte vor einer herannahenden Unwetterfront gewarnt werden.
Die Nutzung des Dopplereffekts zur Messung von Windgeschwindigkeiten innerhalb des Niederschlagsgebietes wurde 1961 durch Roger Lhermitte und David Atlas beschrieben.R. M. Lhermitte, D. Atlas: Precipitation motion by pulse doppler radar. In: 9th Weather Radar Conf. AMS, Boston 1961.R. J. Doviak, Dušan S. Zrnić: Doppler radar and weather observations. Academic Pr, 1984, ISBN 0-12-221420-X, S. 260. Diese Geschwindigkeitsmessungen hatten anfänglich die Bestimmung der Regentropfengröße durch Messung ihrer Fallgeschwindigkeit als Ziel. Da die Fallgeschwindigkeit jedoch nicht von der lokalen Windgeschwindigkeit unterschieden werden konnte, wurde dieser Weg zur Bestimmung der Tropfengröße verworfen und nur noch eine Windgeschwindigkeit gemessen. Zur Vermessung und Vorhersage einer Bewegungsrichtung von Tornados und Hurrikanen boten die Doppler-Wetterradare gute Messmöglichkeiten.
Das erste Wetterradar für atmosphärische Untersuchungen auf der Basis von Dauerstrichradar wurde 1969 gebaut.J. H. Richter: High Resolution Tropospheric Radar Sounding. In: Radio Science. 4, Nr. 12, 1969, S. 1261–1268. Seit den 1970er-JahrenD. E. Barrick: FM/CW radar signals and digital processing. NOAA Technical Report ERL 283-WPL 26, 1973. werden Dauerstrichradare als Wetterradar sowie für gleichzeitige Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen genutzt. Im Jahre 1976 wurde Dauerstrichradar erstmals für Messungen der Dopplerfrequenz von Windgeschwindigkeiten eingesetzt.R. B. Chadwick, K. P. Moran, R. G. Strauch, G. E. Morrison, W. C. Campbell: A New Radar for Measuring Winds. In: Bulletin of the American Mathematical Society. 57, Nr. 9, 1976, S. 1120–1125.R. G. Strauch: Theory and Applications of the FM-CW Doppler Radar. Ph.D thesis, University of Colorado, 1976.
Ab Mitte der 1970er-Jahre machte es der technologische Fortschritt in der Radar- und Computertechnik möglich, die Dynamik der Wolken und die innere Struktur der Superzellen eines Gewitters näher zu untersuchen. Diese Messungen eines einzelnen Doppler-Radars geben zwar nur ein eindimensionales Bild des Geschwindigkeitsfeldes, die Lage der Auf- oder Abwindzonen in Gewittern lassen sich damit jedoch bestimmen. Eine Beobachtung mit zwei Doppler-Radargeräten gleichzeitig aus unterschiedlichen Richtungen kann darüber hinaus ein dreidimensionales Bild des Geschwindigkeitsfeldes erzeugen.Howard B. Bluestein: Severe Convective Storms and Tornadoes. Observations and Dynamics. Springer Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-05380-1, S. 429. Das erste Radar des Radarverbundes vom Deutschen Wetterdienst wurde 1987 in München installiert. Erst im Jahr 1990 wurde ein Composit-Bild des DWD-Radarverbunds aus vier Radarstandorten generiert. Eine Vernetzung der Radargeräte und ihre Ankopplung an große Rechenzentren für eine digitale Erarbeitung einer Wettervorhersage wurde bis zur Jahrtausendwende großflächig durchgeführt.
Ab der Jahrtausendwende begann ebenfalls die praktische Erprobung von polarimetrischen Radarsystemen. Eine direkte Messung der Tropfengröße ist erst mit diesem polarimetrischen Radar möglich, wie es von Dušan Zrnić in den 1990er-Jahren beschrieben wurde.D. S. Zrnić: Weather radar polarimetry: Trends toward operational applications. In: Bulletin of the American Meteorological Society, vol. 77, 1996, S. 1529–1534. Dieses Radar kann das Verhältnis von Höhe und Breite der Wassertropfen, Schneeflocken und Graupel- oder Hagelkörner (zusammengefasst als Hydrometeore) messen. Aus diesem Verhältnis kann entweder die Größe der Regentropfen bestimmt oder Regentropfen von Hagelkörnern unterschieden werden.V. N. Bringi, T. A Seliga, K. Aydin: Hail detection with a differential reflectivity radar. In: Science, vol. 225, 1986, S. 1145–1147.
Typen mini|Frequenzabhängige Dämpfung in einem Regengebiet (die Amplituden der Radargeräte sind nur relative Werte, die Kurven zeigen nur an, wie viel von der Regenverteilung an der Reflexion beteiligt sein kann)
Das Grundprinzip der Entfernungsmessung ist bei allen Wetterradargeräten gleich. Unterschiede bestehen in der Variation von Parametern, die für ein bestimmtes erwartetes Ergebnis optimiert werden können. Hauptsächlicher Unterschied besteht im genutzten Frequenzbereich. Die Wahl des Frequenzbereiches bestimmt die Dämpfung der elektromagnetischen Wellen durch die Atmosphäre, mehr noch durch eine Wolke oder den Niederschlag. Die Arbeitsfrequenz bestimmt die mögliche Eindringtiefe der Radarstrahlen in dieses Niederschlagsgebiet und welche Objekte aus diesem Gebiet zu einer Reflexion beitragen. Das heißt, ob auf dem Wetterradar von diesem Gebiet nur die Außenkonturen zu sehen oder die innere Struktur erkennbar ist, ist abhängig von dieser Arbeitsfrequenz. Nebenstehendes Bild zeigt in der obersten (blaue) Kurve als Ursache einer Dämpfung die geometrische Ausdehnung eines Gewitters mit 20 km im Durchmesser mit einer zum Zentrum hin zunehmenden Niederschlagsmenge bis 100 mm/hr. Die darunterliegende Kurve (in Lila) zeigt die im Pegel angeglichene Amplitude der Radarechos von einem Radargerät im S-Band. Die nächsten zwei Kurven zeigen das Gleiche von einem Radargerät im C-Band (Ocker) und einem im X-Band (Hellblau). Es ist ersichtlich, dass Wetterradargeräte im X-Band nur für den Nahbereich konzipiert werden können. Die Sendeenergie Radar im S-Band wird hingegen kaum bedämpft – das ist ebenfalls ein Zeichen dafür, dass dieses Radar dieses Niederschlagsgebiet nur sehr schwach anzeigen wird, da nicht genug Energie reflektiert wird. Für die gewünschte Reichweite müssen die notwendigen energetischen Bedingungen geschaffen werden. Wetterradargeräte haben deshalb einen weiten Bereich der genutzten Impulsleistung des Senders von nur wenigen Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt.
Wetterradar Frequenzband Radarabdeckung Ursache für Reflektivität Reichweite Bemerkung Niederschlagsradar(große Reichweite) S-Band (um 3 GHz) Vollständige Raumabtastung,meist Rundumsicht mit stufenweiser Erhöhung des Höhenwinkels Hydrometeore wie Regentropfen, Hagel, Eis, Schnee > 800 km geringe Frequenz ermöglicht große Eindringtiefe;wird meist in subtropischen Klimaregionen mit geringer Standortdichte und sehr heftigen Niederschlägen eingesetzt Niederschlagsradar(kurze oder mittlere Reichweite) C-Band (um 5,6 GHz) bis 200 km höhere Frequenz heißt geringere Reichweite bei höherer Genauigkeitgeeignet für gemäßigtes Klima und größerer Standortdichte Windprofiler (MST-Radar) HF- bis UHF (30 bis 3000 MHz) senkrecht nach oben mit leichter Variation der Richtung Grenzschichten zwischen Luftmassen unterschiedlicher Dichte 2 bis 20 km sogenanntes Clear-Air-Doppler-Radar Windprofiler() oberhalb K-Band (> 40 GHz) Kondensationströpfchen wie Nebel und WolkenGrenzschichten der Luft an akustischen Longitudinalwellen bis 15 km oft mit akustischem System SODAR gekoppelt Wolkenradar (CPR) W-Band (96 GHz) von Satellitenposition aus senkrecht nach unten (Nadir) Luftfeuchtigkeit (auch Nebel, Wolken) etwa 500 km misst die Wolkenhöhe als Abstand zum Orbitnutzt den High-PRF-Mode, stellt Ergebnisse „“ dar, also als Funktion des Weges Wolkenradar (MMCR) K- und W-Band(33 und 96 GHz) vom Boden senkrecht nach oben Wolken etwa 20 km in beiden Frequenzbändern polarimetrisches Radar, misst die Wolkenhöhe und Wolkenstruktur direkt über dem Radar, stellt die Ergebnisse als Funktion der Zeit dar X-Band (etwa 10 GHz) Sektorsuche voraus in Flugrichtung Niederschlag und Wolken, Flugzeuge und Hindernisse etwa 200 km Ist ein Luftraumaufklärungsradar in einem Flugzeug, Wetterdaten werden im Skin-Paint-Mode dargestellt, Flugzeuge auch als Symbole. Ein Antikollisionssystem zeigt seine Daten meist auf dem gleichen Display an. X-Band (etwa 10 GHz) Rundumsuche Grenzschichten zwischen Luftmassen unterschiedlicher Dichte, Staub, Insekten etwa 2 km ein modifiziertes Airborne Radar stationär auf dem Flugplatz, zeigt trockene Fallböen (Downbursts) an, bevor sie dem Piloten gefährlich werden können.
Niederschlagsradargeräte
mini|Durch die Divergenz der Radarstrahlen ist ein nahegelegenes Radar viel genauer in der Messung als ein weit entferntes Radar mini|Beispiel eines . Das Bild zeigt die Reflektivitäten in der Höhe von 1,5 km über Grund an.
Niederschlagsradargeräte sind Impulsradare in relativ niedrigen Frequenzbereichen. Sie registrieren Hydrometeore in der Größenordnung ab etwa 100 µm bis hin zu mehreren Millimetern.