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Radar-Verständnis:Grundlagen,DWD-Netzwerk,Produkte

Geschrieben von: org: Wetterfuchs 11.06.2002
Datum: 22. Februar 2003, 09:12 Uhr


Die bisherigen Gewitterlagen im Mai und Juni dieses Jahres haben die besondere Bedeutung des Wetterradars für die Wetterüberwachung unterstrichen. Bei der Forums-Diskussion der Radar-Strukturen ging es u.a. darum, welche Gewitterzellen sichtbar waren und welche Entwicklung oder Verlagerung zu erwarten war. Dabei entstanden aber auch Fragen : Z.B. Fragen über die genaue Interpretation der Radarbilder und die meteorologische Bedeutung der dargestellten Radarstrukturen. In diesem Posting soll daher auf das grundsätzliche Verständnis von Wetterradar, das Radarnetzwert in Deutschland (DWD) sowie wichtige DWD-Radar-Produkte und ihr Verständnis exemplarisch eingegangen werden.
Das Wetterradar ist, wenn man so will, ein ziviles Folge-Produkt von im Zweiten Weltkrieg entwickelten Ortungstechniken. Man erkannte damals auf dem Radarschirm neben Flugzeugpunkten überraschend auch flächenhafte Schemen, die sich nach Überprüfung als Niederschlagsgebiete erwiesen. Heute ist das Wetterradar als grundlegende "Remote-Sensing"-Technik in der Zeit- und flächendeckenden Wetter-Überwachung nicht mehr wegzudenken und beim Norwasting z.B. von Gewittern das wichtigste Hilfsmittel überhaupt. Praktisch alle staatlichen Wetterdienste verfügen heute über ein Netzwerk von Radarstationen, deren Informationen einzeln und im Komposit live verarbeitet und aufbereitet werden. Diese Netzwerke sind nicht nur national, sondern auch international mit einander verbunden. Die Entwicklung der Radartechnik ist aber nicht nur bei der Erfassung der Niederschlagsverteilung stehen geblieben. Durch Ausnutzung des Doppler-Effekts ist es möglich, neben der Niederschlagsverteilung die momentane Windverteilung abzuleiten (Doppler-Radar). Besonders aufwendig sind Polarisationsradarsysteme, die hauptsächlich in der Forschung eingesetzt werden und die mit ihrer polarisierten Radarstrahlung zusätzlich Aussagen über die physikalische Struktur der Niederschlagselemente machen können, also z.B. Regentropfen von Schnee und Hagel unterscheiden. In Deutschland besitzt das Institut für Physik der Atmosphäre des DLR in Oberpfaffenhofen solch ein Polarisations-Doppler-Radar. Viele in der operationellen Praxis genutzten Hintergrund-Konzepte von Gewitterstrukturen sind mit solchen Forschungsradaren abgeleitet worden. Außer in Oberpfaffenhofen haben in Deutschland auch andere meteorologische Institute wenn auch "nur" normale Doppler-Systeme, z.B. die FU in Berlin und das Forschungszentrum in Karlsruhe. Der DWD seinerseits verfügt in Deutschland über ein operationelles Flächennetz mit inzwischen 16 Radarstationen, auf das hier näher eingegangen werden soll.
Zuvor Anmerkungen und Erläuterungen zum Verständnis von Physik und Technik des operationellen Wetterradars :

Das Radar sendet mittels einer Parabolantenne in sehr kurzen Zeitabständen pulsartig stark gebündelte Radarstrahlen (Bündelung etwa 1°) in den Raum aus. Dabei dreht sich die Parabolantenne und überstreicht in mehreren Schritten verschiedene Höhenwinkel vom Hoizont nach oben. Dadurch entsteht innerhalb weniger Minuten ein "Volume-Scan". Der unterste Winkel ist meist etwas über dem 0°-Horizont, da in der Regel im Umfeld Bebauung oder Berge eine horizontale Abstrahlung hindern. Der oberste Winkel liegt meist in der Größenordnung von 30-40° über dem Horizont, beim DWD gibt es 18 Winkel bis hoch nach 37° über dem Horizont. Es bleibt also stets ein gewisser "Totbereich" nahe am Radarstandort übrig, der nicht erfaßt wird (der Zeitaufwand eines Scans bis hoch nach 90° wäre unverhältnismäßig groß, ohne wesentlichen Informationsgewinn). Beim DWD hat der Totbereich in der maximalen Auswertungshöhe von 12 km einen Radius von rund 16 km. Die ausgesendeten Radarstrahlen werden jeweils vom Niederschlagsraum zurückgeworfen (Volumen-Reflexion). Die zwischen Aussendung des Radarstrahls und Empfang der reflektierten Strahlung verstrichene Zeit wird über die Annahme der Lichgeschwindigkeit für jeden Raumwinkel in eine Entfernung umgerechnet. Erst nach Empfang der gesamten reflektierten Strahlung wird der nächste Radar-Impuls ausgestrahlt (auf spezielle Komplikationen, die dabei möglich sind, will ich hier nicht eingehen; sie gehören ins Raritätenkabinett). Eine generell bestehende Komplikation des Radars stellt aber die Detailstruktur des Radarstrahls selbst dar, der neben dem Hauptstrahl ("Hauptskeule") Nebenstrahlen ("Nebenkeule") beitzt, wie die nachfolgende Abbildung anzeigt :

Nebenstrahlen haben zwar nur eine Energie von etwa 1/1000 des Hauptstrahls, werden auch auch zurückgeworfen und können bei sehr niedrigem Winkel des Hauptstrahls den Erdboden oder sonstige Gegenstände treffen. Der Erdboden reflektiert aber sehr stark, so daß störende Fehlechos entstehen, die als "Ground-Clutter" bezeichnet werden. Eine der Aufgaben des operationellen Radars ist es daher, mit speziellen Filterungen solche Fehlechos möglichst zu unterdrücken, ohne die meteorologischen Echos zu beschneiden. Dies gelingt auch heute noch nicht immer hundertprozentig. Gottseidank erkennt man in der Praxis Boden-Echos oder sonstige Fehlechos durch ihre "unnatürliche" körnige Struktur und sie treten hauptsächlich nahe am Radarstandort auf. Besonders störend sind sie bei thermisch sehr stabiler Schichtung, d.h. bei bodennahen Temperatur und Feuchte-Inversionen (morgens und bei mehr antizyklonalem Wetter). Im extremen Fall kann sogar der energiereiche Hauptstrahl den Boden treffen. Der Grund dafür ist in der Tatsache zu suchen, daß bei deutlicher Temperaturzunahme mit der Höhe (oder starker Feuchte-Abnahme) der Radarstrahl deutlich nach unten gebeugt wird ("Superrefraktion"); das Prizip der Radarstrahlbeugung ist an nachfolgender Abbildung erkennbar :

Die Rückstreuung der Radarstrahlen im Niederschlagsraum wird physikalisch mit der "Radargleichung" von Rayleigh beschrieben. Das Verständnis dieser Gleichung ermöglicht die Interpretation der Radarbilder. Die Gleichung besagt, daß die aus einem Volumen kommende Rückstreuung meteorologisch hauptsächlich von der Zahl der streuenden Partikel, besonders aber, nämlich mit der 6.Potenz des Durchmessers der Partikel, mit der Grüße der streuenden Partikel anwächst. Daraus errechnet sich die für ein Raumvolumen geltende "Radarreflektivität", wiedergegeben im Radarbild in dBZ (dezibel Z; Z ist hier die Radarreflektivität; dezibel = 10fache des 10er-Logarithmus von Z). Was man im Radarbild also sieht, ist sehr stark neben der Zahl der Tropfen die Größe der Niederschlagselemente. Die Niederschlagsradare sind so geeicht, daß die (sehr, sehr kleinen) Wolkentröpfchen unsichtbar bleiben. Ein Zahlenbeispiel mag die konkrete Bedeutung der Größe der refflektierenden Niederschlagselemente für die Intensität des Radarechos belegen : Die Reflexion durch einen einzelnen Tropfen ist so groß wie wie die von 1 Million Tröpfchen mit einem Radius von 1/10 des Radius dieses Tropfens. Für die Interpretation folgt daraus, daß sich z.B. großtropfiger Gewitterregen sich durch besonder hohe Reflektivitäten auszeichnet, kleintropfiger Sprühregen dagegen nur schwach sichtbar ist. Hagelkörner haben aufgrund ihrer Radien stets eine sehr große Reflexion, wenn auch nicht eine sehr viel größere als sehr große Tropfen (für Hagel gilt nicht mehr das Wachstum der Reflexion mit der 6.Potenz). Wasser reflektiert ansonsten immer mehr als Schnee oder eine trockene Eisoberfläche. Die Erkennung von Hagel allein durch die Größe der Reflektivität ist also primär nicht ganz so eindeutig wie man zunächst annehmen könnte. Dennoch gibt es in der operationellen Praxis eine viel benutzte "goldene "Regel" der Hagelerkennung : Aktueller Hagel ist wahrscheinlich schon vorhanden bei einer Reflektivität von etwa 55 dBZ. Bei dBZ-Werten von mehr als 60 ist die Aussage noch eindeutiger (diese Werte werden auch von sehr großen Tropfen nicht mehr erreicht). In Deutschland liegen die am höchsten beobachteten dBZ-Werte in Schwergewittern bei 63-65 dBZ.
Im Winter gibt es eine Erscheinung in den Radarbildern, die in dieser Jahreszeit bei der Interpretation unbedingt beachtet werden muß, nämlich das "Brightband" : Wenn Schneeflocken unterhalb der Nulllgradgrenze schmelzen, so sind die Niederschlagselemente vorübergehend gleichzeitig groß und naß, was erhöhte Reflektivität erzeugt. In einem senkrechten Radarschnitt (RHI) erhält man daher ein "helles Band" der Reflektivität, ein einer Horizontaldarstellung entsteht (wegen der Erdkrümmung, s.unten) eine Ringstruktur höherer Reflektivität.
Zu den schon genannten Komplikationen der Radarbild-Interpretation treten in der operationellen Praxis weitere Einschränkungen der Radarbilddeutung hinzu, und zwar durch "Niederschlagsdämpfung", die gekrümmte Erdoberfläche un die Spreizung des Radarstrahls.
Die strenge Gültigkeit der Aussage der Rayleigh-Gleichung setzt voraus, daß zwischen dem Radarstandort und dem reflektivierenden Niederschlag kein sonstiger Niederschlag existiert. Das nun ist bei flächiger Ausdehnung des Niederschlags nie der Fall. Auf dem Weg zum reflektierenden Raumvolumen und zurück trifft der Radarstrahl ebenfalls auf Niederschlagselemente, die Energie aus dem Radarstrahl herausstreuen. So entspricht die Energie, die am Radar wieder ankommt nicht mehr der ursprünglich ausgestrahlten und vor Ort reflektierten Energie, es tritt auf der Zwischenstrecke "Niederschlagsdämpfung" ein. Konsequenz : Der hintere Teil von Niederschlagsfeldern oder durch Niederschlag abgedeckte Schauer- oder Gewitterkerne erscheinen zu schwach. Man muß also immer das Gesamtradarbild im Auge behalten, um Aussagen über bestimmte Teilbereiche machen zu können. Gottseidank ist dieser Effekt von der Wellenlänge des Radars abhängig. Das in der operationellen Praxis der gemäßigten Breiten benutzte "C-Band" (5c-Welle) ist dämpfungsempfindlich erst bei stärkeren Niederschlägen. In den USA (Südstaaten) wird beim dortigen Klima mit noch großtropfigerem Niederschlags eine 10 cm-Welle ("S-Band") benutzt. Der technische Aufwand ist dabei aber deutlich größer, das Radarsystem noch teurer.
Der Effekt der Erdkrümmung ist in der folgenden Abbildung dargestellt :

Selbst ein horizontaler (d.h. niedrigst-möglicher) Radarstrahl entfernt sich mit wachsender Reichweite immer mehr von der Erdoberfläche, der Niederschlag wird zunehmend oberhalb der Erdoberfläche erfaßt. In erster (quadratischer) Näherung wächst der Vertikalabstand des horizontalen Strahls folgendermaßen : 100 km Entfernung : 780 m, 150 km Entfernung : 1760 m, 200 km Entfernung : 3240 m. Ein Radarbild mit der Verteilung der "horizontalen" Verteilung der Radarreflektivität kann daher in größerer Entfernung folgende (nicht zu vermeidende) Fehler aufweisen. Erstens : Die Niederschlagsintensität wird bis zum Boden immer stärker (u.a.Wachstum Tröpfchengröße), so daß das Radarbild aus größerer Höhe heraus zu schwache Echos liefert (besonders bei winterlichen Fronten wichtig). Zweitens : Der Niederschlag verdunstet bis zum Boden immer mehr (oder ganz), so daß das Radarecho von oben zu stark erscheint. Gewitter sind wegen ihrer hochreichenden Erstreckung für eine Überwachung dagegen auch in größerer Entfernung noch relativ günstig. Erwähnt sei hier noch zur Erläuterung des oben besprochenen Bright-Bands, daß im Winter bei entsprechenden Temperaturen wegen des Durchstoßens des unteren Radarstrahls durch die Schmelzschicht die oben erwähnte Rignstruktur entsteht.
Die Problematik der Speizung des Radarstrahls (infolge wachsender Entfernung) ist ebenfalls sehr anschaulich nachvollziehbar : Bei einer Bündelung des Radarstrahls von 1° (s.oben) ist der Radarstrahl in 200 km Entfernung schon rund 3.5 km breit. So wird die räumliche Auflösung besonders der engräumigen, gewittertypischen Reflektivitätsmaxima immer schlechter. Die Maxima werden möglicherweise deutlich "ausgemittelt", nivelliert. Das bedeutet für die Praxis : Für die Erfassung auch eines Gewitters ist eine näher gelegene Radarstation stets günstiger als eine weiter entfernte Station.
Die vorstehenden Beschreibungen beziehen sich alle auf die reine Niederschlagsüberwachung durch Radar. Doppler-Radar-Systeme liefern, wie gesagt, zusätzlich Aussagen zum Windfeld. Beim Doppler-Radar ist die "primäre" Größe stets der "Radial-Wind", d.h. die Komponente des Windes auf den Radarstandort zu oder von ihm weg. Nach dem Doppler-Prinzip verkürzt sich eine Welle etwas, wenn sich die Reflexionsquelle auf den Standort zubewegt, sie verlängert sich, wenn sich der Reflektor wegbewegt. Diese Veränderungen werden rechnerisch genutzt. Das Prinzip kann im übrigen jedr bei einem vorbeifliegenden Düsenjäger studieren (um nicht die Formel 1 im Rennsport zu strapazieren). Beim Wetterradar sind die bewegten Teile hauptsächlich die Niederschlagselemente, aber auch die Bewegung von (niederschlagsfreien) Turbulenzelementen wird erfaßt (bei sehr sensiblen Radarsystemen erkennt man auch die Bewegung der im Wind mitgeführten Insektenschwärme ---> USA).
Nach der Erläuterung der Radar-Grundlagen nun die Demonstration des DWD-Radarverbund und einiger wichtiger operationeller Radarprodukte. Der DWD-Radarverbund wurde als digitales System als Folge der Probleme geschaffen, die beim berühmten Münchener Hagelunwetter vom 12.Juli 1984 sichtbar wurden : Einzelne analolge Systeme garantierten keine sichere Überwachung gefährlicher Gewittersysteme mehr. Von 1985-1989 entstandf zunächst ein neues Netz von 5 digitalen Radarstationen, mit denen damals erstmals ein echter Verbund der Datenproduktion möglich wurde : München, Frankfurt, Essen, Hamburg und Berlin. Zwischen 1994 und 1999 erfolgte der komplette Ausbau des DWD-Radarverbunds mit 16 Stationen, wie die nachfolgende Abbildung zeigt :

Die neu hinzugekommenen Stationen waren im Gegensatz zu den ersten 5 Radarstationen erstmals Doppler-fähig : Rostock-Warnemünde, Emden, Hannover, Ummendorf, Flechtdorf, Dresden, Neuhaus, Neuheilenbach, Eisberg, Türkheim und Feldberg. Der alte Standort München (Westen) wurde ins Gebiet knapp nördlich von München nach Fürholzen verlegt. Die "alten" 5 Stationen sind weiterhin operationell nicht Doppler-fähig. Nachfolgesysteme für das gesamte Netzwerk werden bereits vorbereitet. Die folgende Abbildung zeigt die Doppler-Radar-Station Emden mit ihrem Turm und dem oberen "Radom", einer kugelförmigen Schutzhülle (Schutz vor Regen und Erschütterungen durch Wind).
Alle 16 Radarstationen vollführen jede 1/4 Stunde den beschriebenen Volume-Scan. Die Dopplerstationen erfassen gleichzeitig mit der Reflektivität die Radialwinde. Zusätzlich zum Volume-Scan erfolgt intermittierend im 5-minütigen Abstand ein "One-Level-Scan". Dieser ist ein einziger Umlauf auf niedrigstmöglichem Höhenwinkel zur Erfassung des unten ankommenden Niederschlags. Der Winkel differiert je nach störenden Umgebungshindernissen, bei der Radarstation Frankfurt ist der Winkel z.B. 1.8° (Störfaktor Taunus im Norden). Vor Ort werden nach dem Scan verschiedene Radarprodukte automatisch erzeugt : Z.B. das Standardprodukt "PL", das Echo-Top-Produkt "PE", das Nahbereichs-Echobild "PX", die 1-Stunden-Niederschlagssumme "PH", die 24-stündig forlaufend aufsummierte Niederschlagssumme "PY" und bei Dopplerstationen die Radialwinddarstellung "PR". Es gibt aber noch weitere Produkte. In der DWD-Zentrale in Offenbach weden aus den PL-Bildern Komposits abgeleitet, u.a. das Deutschland-Komposit "PC" und ein Europa-Komposit. Für das Europa-Komposit werden auch die Radar-Produkte der benachbarten Wetterdienste miteinbezogen. Das im Forum häufig diskutierte KOmpositbild von Wetter-Online nutzt ebenfalls Europa-Informationen (neben den DWD-Werten). Nun nähere Erläuterungen und Demonstrationen zu den hier genannten DWD-Radarprodukten :
In diesem Posting wird dabei nicht die heute im DWD operationelle Visualisierungs-Software, sondern ein älteres Demo-Programm genutzt. Zur meteorologischen Demonstration wähle ich die berühmte Schwergewitterlage vom 02.06.1999, hauptsächlich aus dem Blickwinkel der Radarstation Frankfurt.

Das Standard-PL-Bild von 14.42 UTC zeigt die Radarreflektivität zentral als "Grundriß", oben als "Aufriß" und rechts als "Seitenriß". Die Grundrißdarstellung gibt die bodennächst auswertbare Radarreflektivität wieder. Das bedeutet also im Zentrum die Reflektivität direkt am Boden, nach außen hin (wie geschildert) zunehmend oberhalb vom Boden (die quadratisch oben angegebenen Werte sind etwas größer als die realen Werte infolge Radarstrahlkrümmung). Die erfaßte Fläche ist 400 km x 400 km. Die Radarreflektivität wird in Pixeln von 2 km x 2 km aufgelöst. Aufriß und Seitenriiß vermitteln Vertikalinformationen, aber anders als beim Grundriß Maximalechos. Das Aufriß-Bild entsteht durch Projektion von Süd nach Nord mit den Maximalwerten auf der Strecke in der jeweiligen Höhe und Position, das Seitenriß-Bild durch Projektion der Maximalwerte von West nach Ost. Die Vertikalauflösung ist 1 km , dargestellt sind Höhenlinien von 2 zu 2 km bis zu einer ausgewerteten Höhe von 12 km. Man erkennt an Auf- und Seitenriß im übrigen direkt die Auswirkung der Erdkrümmung. Die Stärke der Radarreflektivität wird in 6 Farbstufen wiedergegeben. Um die Reflektivität auch anschaulich als Niederschlagsmenge interpretieren zu können, nutzt man die sogenannte ""Z/R-Beziehung". Darin bedeutet Z (wie schon erwähnt) die Reflektivität, sowie R die Niederschlagsintentsität. Diese Beziehung ist streng genommen aufgrund der wechselnden Niederschlagsstruktur (Tropfenzahl, Tropfengrößenspektrum) je nach Wetterlage und Raum unterschiedlich, weshalb die operationelle Umrechnung mit einheitlichen Koeffizienten nur zu Näherungswerten der Niederschlagsintensität führt. Mit der Standard-Z/R-Bezoiehung ergeben sich ungefähr folgende Zuordnungen (beigegeben auch synoptische Erfahrungswerte):
Gelb 7 - 18.9 dBZ 0.06 - 0.4 mm/h Geringer Regen

Türkis 19 - 27.9 dBZ 0.4 - 1.9 mm/h Leichter bis mäßiger Regen

Violett 28 - 36.0 dBZ 1.9 - 8.1 mm/h Mäßiger Regen/Schauer

Grün 37 - 45.9 dBZ 8.1 - 35.9 mm/h Starker Regen/Schauer/zT.Gewitter

Rot 46 - 54.9 dBZ 35.0 -150.0 mm/h Sehr starker Regen/Gewitter

Blau > 55.0 dBZ > 150 mm/h Extrem.Regen/Schwergewitter/Hagel
Bei der Interpretation des PL-Bildes kann Position, Vertikalstruktur und Stärke der Echos besonders von Gewittern gut abgelesen werden. Durch Projektion der Zellen-Aussagen in Auf- und Seitenriß in den Grußriß hinein läßt sich herausfinden, wo sich in der Horizontaldarstellung Gewitterzellen befinden. Am 02.06.99 14.42 UTC erkennt man z.B. im Grundriß eine bogenförmige Squall-Line ("Bow-Echo") im Raum Mannheim. In ihr befinden sich zwei besonders starke Zellen, die im Seitenriß als hochreichende blaue "Hot-Towers" erscheinen (bis 11 km durchgehend blau, d.h. mindestens 55 dBZ und hochwahrscheinlich Hagel bis zum Boden). Eine ebenfalls sehr starke Zelle existiert auch über dem Odenwald sowie ein starkes Multizellen-System im Lahngebiet. In der Aufrißprojektion verwischen sich die Einzelstrukturen. Markante Erscheinungen im PL-Bild sind auch die eingetragenen, gewittertypischen "Warnpunkte". Sie bilden eine besonders nützliche Diagnostik zur Lokalisierung und Einschätzung von Gewittern. Ihre Kriterien orientieren sich an der Vertikalstruktur der Radarreflektivität an der jeweiligen Stelle. Sie stammen ursprünglich von den Schweizer Hagel-Experimenten der 70er-Jahre. Die Warnpunkte gibt es in zweierlei Form als "Starkschauer-Warnpunkte" und "Hagelwarnpunkte". Sie sind hier im Demo-Programm in Orange (Starkschauer) bzw. Rot (Hagel) dargestellt. Operationell gelten die Farben Rot (Starkschauer) und Blau (Hagel). Die genauen Kriterien für die Warnpunkt sind :
Starkschauer : 6 km Höhe >= 40 dBZ, 8 km Höhe >= 10 dBZ

Hagel : Zusätzlich oberhalb 0°C-Grenze >= 46 dBZ
Jeder Warnpunkt wird demnach durch einen sehr hohen dBZ-Wert charakterisiert. Die Hagelwarnpunkte der Squall-Line im Bild von 14.42 UTC erreichen 62 bzw. 63 dBZ, also äußerst hohe, praktisch hagelsichere Werte. Die Anhäufung der Warnpunkte war ein weiterer Hinweis auf die Schwere der damaligen Situation. Wie sehr aber Niederschlagsdämpfung (s.oben) ein lokales Radarbild verändern kann, zeigt u.a. ein Vergleich mit dem zeitgleichen PL-Bild von Neuheilenbach :

Obwohl die Gesamstruktur der Reflektivitätsverteilung sehr ähnlich wie im Frankfurter Radarbild ist, sind die sehr hohen Intensitäten durch Niederschlagsdämpfung aus Neuheilenbacher Sicht besonders im Bow-Echo-Bereich spürbar schwächer. Die Warnpunkte erreichen in den dortigen Hot-Towers aus Neuheilenbacher Sicht nur 54 - 57 dBZ, also rund 6 - 8 dBZ weniger.
Das Deutschland-Komposit-Bild PC zum Zeitpunkt der beiden lokalen PL-Bilder sah folgendermaßen aus :

Das PC-Bild (komponiert aus den PL-Bildern aller Stationen) wird nur im Grundriß dargestellt, man verzichtet also auf Auf/Seitenriß-Informationen, was bei diesem großen Gebiet und den vielen verschiedenen Stationen auch gar nicht sinnvoll wäre. In Österreich oder Tschechien ist es wegen der dort nur wenigen Radarstationen anders, dort werden auch im Komposit Vertikalinformationen dazugegeben. Bei der Interpretation des PC-Bildes (und jedes Komposits, also auch bei WO) sind zwei Effekte zu beachten : Es überlagern sich bei der Konstruktion des Komposit-Bildes in Überlappungsbereichen die Informationen von zwei doer sogar mehr Radarstationen. Als Regel bei der Erstellung gilt : Es wird jeweils der größte angebotene Wert genommen. Außerdem müssen wegen der nicht so feinen Horizontalauflösung im Komposit (verglichen mit den Ausgangsbildern) Pixel zusammengefaßt werden. Auch dabei gilt das Maximalprinzip : Es wird der größte Einzelwert auf größere Pixelfläche des Komposits "gestreckt". Praktisch bedeutet dies, daß hohe Intensitäten im Komposit häufig breiter und auffälliger erscheinen als sie in Wirklichkeit sind. Dies ist unbedingt zu beachten (bei der Forums-Diskussion meist nicht gemacht). Noch zwei weitere Bemerkungen zum gezeigten PC-Bild : Im operationellen Dienst des DWD (MAP-Workstation, Radar-PC) werden Warnpunkte auch im Komposit wiedergegeben. Und : Im noch nicht com Gewitter betroffenen Münchener Raum sieht man sehr schön Ground-Clutter.
Zurück zum Frankfurter Bereich : Ein ausgesprochen nützliches Produkt zur Beurteilung der damaligen Schwergewitterlage war auch das Echo-Top-Bild PE :

Im Echo-Top-Bild wird die Verteilung der Höhenlage des obersten 7 dBZ-Wertes wiedergegeben. Die Farbskala rechts gibt die 12 Höhenstufen (0-1 km....11-12 km) wieder mit Blau (in diesem Demo-Programm) als oberster Stufe. Die Werte werden hier in hft dargestellt. Auffällig ist zunächst die Ringstruktur der Obergrenzenfläche. Sie kommt durch die Sprünge von Höhenwinkel zu Höhenwinkel im Volume-Scan zustande und wird hier nicht geglättet. Meteorologisch ist die Aussage des PE-Bildes beeindruckend : Im Südwesten hat sich ein großes, hochreichendes mesoskaliges System entwickelt mit einem die Squall-Line weiträumig überdeckenden Schirm. Das einheitliche Blau des MCS deutet im übrigen an, daß die wahren Echo-Tops noch ungefähr 2-3 km höher lagen als 12 km (was damals von den IR-Bildern auch bestätigt wurde).
Die Bildprodukte PX, PH und PY entstehen aus dem One-Level-Scan und sind horizontal höher aufgelöst als die Volume-Scan-Produkte. In ihrer Horizontaldarstellung (der One-Level-Scann hat ja keine Vertikalinformationen) sind die Werte in Pixeln von 1 km x 1 km dargestellt, die zeitliche Abfolge ist entsprechend dem One-Level-Scan in 5-Minutenschritten bei einer dargestellten Grundfläche von 200 km x 200 km. Mit PX, PH und PY lassen sich im Nahbereich sensibel schnelle Anderungen des Niederschlags verfolgen. Kenntnis hat man aber nur (das sei nochmals betont) vom "Fußpunkt" des Niederschlags (keine vertikale Zelleninformation).

Das vorstehend gezeigte Frankfurter PX-Bild von 14.47 UTC entspricht in Farbdarstellung und inhaltlicher Struktur ansonsten dem PL-Bild. Die eingetragenen Warnpunkte stammen vom letzten Volume-Scan und sind (wie meistens) nicht zeitgleich mit den aktuellen PX-Informationen. Ein Detail im PX-Bild sollte besonders beachtet werden : Von Frankfurt aus gesehen "hinter" den starken Zellen (Richtung Südwesten) erscheinen reflexionsarme Gassen, dies sind bei Hagelsituationen typische "Hagelgassen". Sie entstehen dadurch, daß die Hagelkörner die von hinten zurückkehrenden Radarstrahlen regelrecht blockieren. Auch in PL-Bildern sieht im übrigen immer wieder bei Schwergewittern solche Hagelgassen.
Bei den PH-Bildern wird durch Umrechnung der in 5-Minuten-Schritten folgenden PX-Bilder über die "Z/R-Beziehung" eine 1-stündige NIederschlagssumme errechnet. Der Schnitt erfolgt jeweils zur halben Stunde, also z.B. PH von 15.25 UTC von Frankfurt als RR-Summe von 14.25 UTC bis 15.25 UTC.

Die Farbskala rechts erlaubt die Interpretation, wieviel Niederschlag in der dargestellten Stunde gefallen ist. Aber wie aussagekräftig ist dabei das PH-Bild? Es weist gegenüber (auch räumlich dichteren) konventionellen RR-Messungen den Vorteil einer zeitlich und räumlich dichten Aussage aus. Aber es stecken auch Fehler im PH-Bild, die online nicht zu vermeiden sind. Dazu gehören die Störeffekte der Niederschlagsdämpfung, eine aktuell nicht angepaßte Umwandlung der Radarreflektivität in Niederschlagsmenge (Z/R) sowie Probleme durch Hagel (Hagel gaukelt zu starke Niederschlagsmengen vor). Weltweit ist das Problem operationell bis heute nicht befriedigend gelöst, derzeit wird aber z.B. beim DWD an einsetzbaren operationellen Verfahren gearbeitet. Der besondere Vorteil der derzeitigen PH-Bilder ist ihr Vermögen, die Niederschlagsschwerpunkte recht gut lokalisieren können. Im Fall des Frankfurter PH-Bildes oben lag der Schwerpunkt zu der Stunde knapp südlich von Mannheim und nördlich der Lahn mit rund 40 - 60 mm (möglicherweise zu hoch).
Durch Aufsummierung der PH-Werte beginnend um 06.30 UTC erhält man die Gesamtniederschlagssummen im PY-Bild. Hier das PY-Bild Frankfurt vom 03.06.99 23.30 UTC :

Die Darstellung die gleiche wie beim PH. Zu den schon im PH-Bild vom Nachmittag gesehenden Strukturen kommt jetzt bis 23.30 UTC noch eine auffällige Niederschlagsbahn im Bereich südöstlich von Frankfurt hinzu. Der weitgehend niederschlagsfrei erscheinende Bereich nahe Frankfurt ist eine Folge des "Totbereichs" und der Clutterfilterung.
Zum Abschluß zum PR-Bild : Die Radialwinde im PR werden für einen Bereich von 200 km x 200 km erfaßt. Die Horizontalauflösung ist wieder 1 km x 1 km, die Vertikalauflösung 1 km. Formal sehen PR-Bilder sehr ähnlich wie PL-Bilder aus mit Grundriß, Aufriß und Seitenriß. Doch anders als bei PL-Bildern handelt es sich hier um echte Schnitte : Im Grundriß wird die Radial-Windverteilung in 2 km Höhe (über Radarstandort), in Auf- und Seitenriß die senkrecht aufeinander stehenden Vertikalschnitte durch den zentralen Bildpunkt. Es ist üblich, Windkomponenten zum Zentrum hin in "kalten" Farben, vom Zentrum weg in "warmen" Farben nach Windgeschwindigkeit gestaffelt wiedergegeben. Zur Demonstration solcher PR-Aussagen soll auf die Wetterlage vom 04.06.2000 (nicht 2002!!) im Südwesten Deutschlands eingegangen werden : Das Standard-PL-Bild vodn 21.25 UTC zeigt eine über die Vogesen hinweg von Westen sich nähernde kräftige Gewitter-Squall-Line mit sehr eng gestaffelten bogenförmig angeordneten Zellen. Dies kommt besonders auch bei Warnpunkten heraus :

Dazu das PR-Bild von 21.24 UTC :

In der Schnittebene in 2 km Höhe über dem Feldberg fällt im Westen der Farbsprung von den warmen zu den kalten Farben auf. Das bedeutet : Windkomponenten aus Osten gehen längs einer Linie in Windkomponenten aus Westen über. Hier liegt also momentan die Squall-Line mit ihrem Windsprung. Die eingetragenen Warnpunkte befinden sich im niederschlagsreichen Downdraftbereich dahinter. Im Nahbereich des Feldbergs ist in einer Ringstruktur das mittlere Windfeld zz erkennen : Verbindet man die "kalten" Maxima im Südwesten mit den "warmen" Maxima im Nordosten, so erscheint deutlich der in 2 km Höhe über dem Feldbergniveau herrschende SSW-Wind. Durch Vergleich mit dem zeitgleichen PL-Bild wird klar, daß hier gerade noch kein Niederschlag fällt. Die PR-Signale stammen also nur von Turbulenz-Elementen. Mit der Kenntnis des Feldbergwindes werden auch Auf- und Seitenriß im PR gut interpretierbar : Besonders der Aufriß läßt erkennen, daß über der Squall-Line eine mit der Höhe zunehmende Südwestströmung herrschen muß. So zeigt das PR-Bild alle typischen Windstrukturen dieser Gewitterlage. Die Squall-Lines kommen in der operationellen Praxis sonst nicht immer so klar heraus wie hier. Außerdem : Die sehr kleinräumigen Hook-Echos von Superzellen sind noch schlechter in den PR-Bildern auffindbar, dazu müßte die Horizontalauflösung noch besser sein.

Wetterfuchs

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