Wetterradar – wie wir Regen sehen, bevor er uns erreicht

Ein Blick auf das Regenradar gehört für viele Menschen heute ganz selbstverständlich zur Wetterbeobachtung. Ob am Computer oder auf dem Smartphone – die bunten Flächen zeigen uns nahezu in Echtzeit, wo Niederschlag fällt und in welche Richtung sich Regen- oder Schauergebiete bewegen.

Doch ein Wetterradar fotografiert den Regen nicht. Es arbeitet mit elektromagnetischen Wellen und wertet winzige Echos aus, die von Niederschlagsteilchen zurückgeworfen werden. Aus diesen zunächst unsichtbaren Signalen entsteht schließlich das vertraute farbige Radarbild.

Damit gehört das Wetterradar zu den wichtigsten Instrumenten der modernen Meteorologie – besonders bei Schauern, Gewittern und Starkregen.

Kernaussagen

Eine Wetterradaranlage sendet extrem kurze elektromagnetische Impulse im Mikrowellenbereich in die Atmosphäre. Treffen diese Signale auf Regentropfen, Schneeflocken, Graupel oder Hagel, wird ein kleiner Teil der Energie in Richtung Radar zurückgestreut.

Aus der Zeit zwischen dem Aussenden eines Impulses und dem Empfang seines Echos lässt sich die Entfernung zum Niederschlagsgebiet bestimmen.

Gleichzeitig wird gemessen, wie stark das zurückkehrende Signal ist. Je größer und zahlreicher die Niederschlagsteilchen sind, desto stärker fällt in der Regel auch das Radarecho aus.

Durch viele einzelne Messungen in unterschiedlichen Richtungen und Höhen entsteht schließlich ein räumliches Bild der Niederschlagsverteilung.

Mehrere aufeinanderfolgende Radarbilder zeigen zusätzlich, wohin sich ein Niederschlagsgebiet bewegt. Genau deshalb eignet sich das Radar besonders gut für sehr kurzfristige Wettervorhersagen.

Meteorologischer Hintergrund

Die typische große weiße Kugel einer Wetterradarstation ist nicht die eigentliche Radarantenne. Sie wird Radom genannt und schützt die bewegliche Antenne vor Wind, Regen und anderen Witterungseinflüssen.

Während einer Messung dreht sich die Radarantenne und tastet ihre Umgebung systematisch ab. Dabei werden mehrere Umläufe mit unterschiedlichen Höhenwinkeln durchgeführt.

Das Radar betrachtet die Atmosphäre dadurch nicht nur zweidimensional. Aus den einzelnen Messungen kann vielmehr ein dreidimensionales Bild eines Niederschlagsgebietes entstehen.

Eine wichtige Messgröße ist die sogenannte Reflektivität. Sie beschreibt vereinfacht, wie stark die ausgesendete Radarenergie von den Teilchen in der Atmosphäre zurückgestreut wird.

Dargestellt wird sie üblicherweise in dBZ.

Schwache Signale können beispielsweise von leichtem Niederschlag stammen. Sehr hohe Reflektivitäten treten dagegen häufig bei kräftigem Regen oder Hagel auf.

Die bekannten Farben eines Radarbildes übersetzen diese Messwerte in eine leicht verständliche Darstellung. Häufig stehen Blau und Grün für schwächere Echos, während Gelb, Orange, Rot oder Violett zunehmend stärkere Signale kennzeichnen.

Moderne Wetterradare können aber noch wesentlich mehr.

Mit der sogenannten Dual-Polarisation werden Radarwellen in unterschiedlichen Schwingungsebenen ausgesendet. Da Regentropfen, Schneeflocken und Hagelkörner unterschiedliche Formen besitzen, verändern sie die Signale auf charakteristische Weise.

Dadurch erhält die Meteorologie zusätzliche Hinweise darauf, welche Art von Niederschlag sich innerhalb einer Wolke befindet.

Eine weitere wichtige Technik ist das Dopplerverfahren.

Bewegen sich Niederschlagsteilchen auf das Radar zu oder von ihm weg, verändert sich die Frequenz des zurückkehrenden Signals geringfügig.

Aus diesem Dopplereffekt kann die Bewegungskomponente der Teilchen bestimmt werden.

Bei Gewittern sind solche Informationen besonders wertvoll. Sie können beispielsweise Hinweise auf starke Windfelder oder Rotationen innerhalb einer Gewitterzelle liefern.

Doch auch das Wetterradar besitzt Grenzen.

Ein wichtiger Grund dafür ist die Erdkrümmung. Während sich die Erdoberfläche vom Radar wegkrümmt, breitet sich der Radarstrahl annähernd geradlinig aus und befindet sich mit zunehmender Entfernung immer höher über dem Boden.

Ein weit entferntes Radar kann deshalb möglicherweise Niederschlag in mehreren Kilometern Höhe erfassen, während sehr niedrige Niederschlagsbereiche unterhalb des Radarstrahls liegen.

Auch Berge oder andere Hindernisse können das Signal abschatten.

Hinzu kommt ein weiteres interessantes Problem: Das Radar misst Niederschlag in der Atmosphäre – nicht zwangsläufig den Niederschlag, der tatsächlich den Erdboden erreicht.

Fällt Regen beispielsweise durch eine sehr trockene Luftschicht, können die Tropfen teilweise oder sogar vollständig verdunsten.

Auf dem Radarbild erscheint dann Niederschlag, obwohl am Boden kein einziger Tropfen ankommt.

Solche Fallstreifen werden als Virga bezeichnet.

Für kurzfristige Vorhersagen ist das Radar dennoch ausgesprochen leistungsfähig.

Computer vergleichen dazu mehrere aufeinanderfolgende Messungen. Daraus lassen sich Zugrichtung und Geschwindigkeit eines Niederschlagsgebietes bestimmen.

Wird diese Bewegung für kurze Zeit in die Zukunft fortgeschrieben, entsteht eine sogenannte Nowcasting-Prognose.

Gerade bei Schauern und Gewittern kann diese Methode für die nächsten Minuten wertvolle Hinweise liefern.

Schon gewusst?

Nicht jedes Echo auf einem Wetterradar stammt tatsächlich vom Wetter.

Auch Berge, Gebäude, Flugzeuge, Insekten und sogar große Vogelschwärme können Radarwellen zurückstreuen.

Besonders interessant ist dieses Phänomen während des Vogelzuges. Unter günstigen Bedingungen können Radargeräte nachts riesige Mengen ziehender Vögel erfassen. Wetterradardaten werden deshalb inzwischen sogar von Wissenschaftlern genutzt, um Vogelbewegungen zu untersuchen.

Moderne Auswertungsverfahren versuchen solche nichtmeteorologischen Echos automatisch zu erkennen und aus den eigentlichen Niederschlagsbildern herauszufiltern.

Aus einem einfachen Prinzip – Signal aussenden, Echo empfangen – ist damit eines der leistungsfähigsten Beobachtungssysteme der Meteorologie entstanden.

Und wenn wir heute auf dem Smartphone beobachten, wie sich ein Regenschauer langsam Brachwitz nähert, steckt dahinter eine erstaunlich komplexe Messung aus Laufzeit, Signalstärke, Polarisation, Bewegung und computergestützter Auswertung.