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Niederschlag kann in den unterschiedlichsten Formen auftreten, beispielsweise als Nieselregen mit kleinen oder Regen mit gro\u00dfen Tropfen, als Schnee oder Graupel oder in Verbindung mit Gewittern in Form von Hagel. Die genaue Vorhersage der Niederschlagsform stellt f\u00fcr Meteorologen jedoch oft eine Herausforderung dar.<\/p>\n
Moderne Radarsysteme bieten die M\u00f6glichkeit „in die Wolken hinein zu schauen“, um den Niederschlag n\u00e4her zu charakterisieren. Radarsysteme senden einen sehr kurzen, elektromagnetischen Impuls im Mikrowellenbereich aus, der von Streuk\u00f6rpern (zum Beispiel Niederschlags- oder Staubpartikel, Insekten, etc.)in Teilen reflektiert und vom Radarstandort wieder erfasst wird. \u00dcber die Laufzeit des Signals, das sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, l\u00e4sst sich zum Beispiel beim Niederschlagsradar die Entfernung der Streupartikel feststellen. Die St\u00e4rke des zur\u00fcckgestreuten Signals l\u00e4sst indirekte R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Niederschlagsart und vor allem auf die Intensit\u00e4t zu. Die Eigengeschwindigkeit der Streuk\u00f6rper relativ zum Radarstandort l\u00e4sst sich mithilfe eines Dopplerradars erfassen (siehe Thema des Tages vom 30.03.2015).<\/p>\n
Um eine genauere Vorhersage der Art und Gr\u00f6\u00dfe der Niederschlagspartikel sowie der Intensit\u00e4t des Niederschlags zu erm\u00f6glichen, werden die Radarstandorte des Deutschen Wetterdienstes zurzeit aufsogenannte dualpolarimetrische Radarsysteme umger\u00fcstet. Beim Dualpolarisationsradar spielt die sogenannte Polarisation des ausgesendeten Impulses eine ma\u00dfgebliche Rolle. Aber worum handelt es sich bei der Polarisation genau und wie funktioniert ein solches dualpolarimetrisches Radarsystem?<\/p>\n
Beschreiben wir den vom Radarger\u00e4t ausgesendeten Impuls als schwingende Welle mit gleichm\u00e4\u00dfigen Wellenbergen und -t\u00e4lern, so kann bei einem dualpolarisierten Impuls zwischen einem horizontal und einem vertikal schwingenden Signal unterschieden werden (siehe obere linke Abbildung). W\u00e4hrend der ausgesendete Impuls beim einfachen Polarisationssradarnur einehorizontaleSchwingungsrichtung aufweist, werden beim Dualpolarisationsradar gleichzeitig vertikal und horizontal polarisierte Impulse ausgesendet. Damit lassen sich zus\u00e4tzliche Informationen \u00fcber bestimmte Eigenschaften der Streuk\u00f6rper gewinnen.<\/p>\n
Da gro\u00dfe Regentropfen beispielsweise im Vergleich zu Schneekristallen oder Hagel durch den Luftwiderstand beim Fallen eine ovale, abgeplattete Form besitzen und somit breiter als hoch sind, weisen die zur\u00fcckgestreuten horizontal polarisierten Impulse eine h\u00f6here Intensit\u00e4t als die vertikal polarisierten Impulse auf. \u00dcber das Verh\u00e4ltnis der zur\u00fcckgestreuten Intensit\u00e4t beider polarisierten Impulse l\u00e4sst sich dann eine Aussage \u00fcber die horizontale bzw. vertikale Ausdehnung des Streuk\u00f6rpers treffen und somit zwischen verschiedenen K\u00f6rperformen unterscheiden.<\/p>\n
Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften von Wasser und Eis, wie zum Beispiel der Durchl\u00e4ssigkeit von elektromagnetischen Signalen (dielektrische Leitf\u00e4higkeit) und der Dichte beider Stoffe wirken sich ebenfalls auf die Impulse aus. Der Vergleich von mehreren hintereinander ausgesendeten, polarisierten Impulsen zeigt die zeitliche \u00c4nderung der r\u00e4umlichen Orientierung der Streuk\u00f6rper. Diese r\u00e4umliche Orientierung \u00e4ndert sich bei fallenden Regentropfen kaum \u00fcber die Zeit, wohingegen bei Eis-Wasser-Mischungen wie z.B. Hagel beim Fallen taumelnde Bewegungen registriert werden.<\/p>\n
Kombiniert man diese Gr\u00f6\u00dfen mit der vom Niederschlagsradar gemessenen Intensit\u00e4t des zur\u00fcckgestreuten, polarisierten Impulses, lassen sich die verschiedenen Niederschlagsarten aufgrund der unterschiedlichen Konsistenz, Gr\u00f6\u00dfe und Form der Niederschlagspartikel voneinander trennen. Tr\u00e4gt man die verschiedenen Informationen aller ausgewerteten Impulse zusammen, erh\u00e4lt man f\u00fcr diesen Radarstandort ein fl\u00e4chendeckendes Bild der Niederschlagsarten.<\/p>\n
Bei der Interpretation der Radarbilder des Polarisationsradars ist jedoch Vorsicht geboten: Die dargestellten Informationen k\u00f6nnen aus unterschiedlichen H\u00f6hen stammen. Aufgrund der schr\u00e4gen Abstrahlung vom Radar trifft der Radarstrahl mit zunehmender Entfernung vom Standort auf Streuk\u00f6rper in gr\u00f6\u00dferen H\u00f6hen. Es wird also keine Aussage dar\u00fcber gemacht, welchen Eigenschaften die Niederschlagspartikel am Boden besitzen, sondern in der H\u00f6he, in der sievom Radarstrahl getroffen werden. Entsprechend muss bei der Absch\u00e4tzung der Niederschlagsform immer die Angabe zur H\u00f6he des abtastenden Radarstrahls ber\u00fccksichtigt werden.<\/p>\n
Derzeit laufen im DWD Entwicklungsarbeiten um auf Basis der neuen Dual-Polarisierungstechnologie Radarprodukte bereitzustellen, die in der operationellen Wettervorhersage genutzt werden k\u00f6nnen.Umeinen kleinen Vorgeschmack zu bieten, werden im heutigen Thema des Tages Abbildungen aus der Forschungsabteilung des Deutschen Wetterdienstes am Beispiel des 13.05.2015 gezeigt. An diesem Tag zogen von Frankreich her heftige Gewitter nach Deutschland, die in Freiburg am Abend gegen 20:50 Uhr mit bis zu 5 cm gro\u00dfem Hagel auftraten (siehe violette Pixel innerhalb der roten Markierung in den Abbildungen).<\/p>\n
Die Niederschlagsform ist in der rechten unteren Abbildung dargestellt, dar\u00fcber wird der gleiche Zeitpunkt in einem vergr\u00f6\u00dferten Ausschnitt gezeigt. Die Einf\u00e4rbung entspricht jeweils einer bestimmten Niederschlagsart, die der Legende zu entnehmen ist. Die linke untere Abbildung zeigt die H\u00f6he, in der die Streuk\u00f6rper den abtastenden Radarstrahl reflektieren. Die Einf\u00e4rbung steht hier f\u00fcr die entsprechende H\u00f6he, die Werte in Meter sind der Legende zu entnehmen. Die Dualpolarisationsradare bieten demnach f\u00fcr den Deutschen Wetterdienst ein gro\u00dfes Potenzial, um in den n\u00e4chsten Jahren noch pr\u00e4zisere Wettervorhersagen- und Warnungen f\u00fcr die \u00d6ffentlichkeit bereitzustellen.<\/p>\n
M.Sc.-Met. Sebastian Schappert Deutscher Wetterdienst Vorhersage- und Beratungszentrale Offenbach, den 09.06.2015<\/p>\n
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