Moderne Wetterradar-Technologie Im Operationellen Einsatz

MODERNE WETTERRADAR-TECHNOLOGIE IM OPERATIONELLEN EINSATZ

2. Fachsitzung der DMG Sektion Frankfurt

Fester Standort 3D-Scans: vertikale und horizontale Rotationsachsen Sendepulse: Dauer um 1 µs, Leistung um 100 kW bis 1 MW Frequenzbereich 3 bis 100 GHz Sender: Magnetron oder Klystron Polarisation: Horizontal oder Dual (H+V) Empfänger mit Dynamik-Bereich über 100 dB

Typische Daten S-Band: • Frequenz 2.8 GHz • Sendeleistung 1 MW • Reflektorgröße 6 bis 9 m • Radomdurchmesser bis 12 m

Vorteile: • Große Reichweite (geringe Dämpfung durch Niederschlag) • Sehr gut für Doppler- Windmessung

Nachteile: • Große Abmessungen • Hohe Kosten

Typische Daten C-Band: • Frequenz 5.6 GHz • Sendeleistung 400 kW • Reflektorgröße um 4 m • Radomdurchmesser um 6 m

Der am meisten in Europa verwendete Wetterradar-Typ

Typische Daten X-Band: • Frequenz 9.2 GHz • Sendeleistung 100 kW • Reflektorgröße um 2 m • Radomdurchmesser um 3 m

Vorteile: • Kompakt • Geringe Kosten

Nachteile: • Geringe Reichweite (hohe Dämpfung durch Niederschlag) • Weniger gut für Doppler- Windmessung

Typische Daten K-Band und W-Band: • Frequenz 35 GHz (K-Band) bzw. 90 GHz /W-Band) • Reflektorgröße unter 1 m • Leicht transportabel

Vorteile: • Sehr Kompakt • Sehr geringe Kosten

Nachteile: • Dringt nicht durch Niederschlag • Teils nicht 3D-scannend, sondern nur vertikal

„Wetterkanal“ in ASR

Wetterdaten aus Marine-Radar

Satellitenradar

Flugzeugradar

2 Sendekanäle • gleichzeitig • abwechselnd 2 Empfangskanäle • gleichzeitig  Erheblich mehr Information als bei rein horizontaler Polarisation

Horizontally (blue) and vertically (red) polarized pulse, emitted by a dual- polarization radar (lower left)

Verarbeitungskette: Radarreflektivität „Z-R-Beziehung“  Niederschlagsintensität Addition über Zeit  Niederschlagssumme

Verarbeitungskette: Radarreflektivität „Z-R-Beziehung“  Niederschlagsintensität Advektionskorrektur und Addition über Zeit  Niederschlagssumme

Weitere räumliche Integration (Flusseinzugsgebiete)

The VAD displays the radial velocity versus the azimuth angle for a fixed elevation and a fixed slant range.

VVP: Volume Velocity Processing

The wind barb presentation displays the horizontal wind velocity and direction of a vertical cylinder around the radar site over the time axis.

UWT: Uniform Wind Technique

This product shows horizontal wind vectors in any top projection image as dynamic overlay. The standard algorithm for uniform wind technique of SMI has been applied.

Gust Front  Increased lift Divergent downdraft  Increased loss

ATC requirement: • Short, complete information • High detection rate • Low to zero false alarm rate

Runway-Oriented Windshear: Bestimmung des Verlusts oder Zugewinns an Auftrieb über Flugsegmente bei Start und Landung Hier Microburst: Auftriebsverlust entsprechend 27 Knoten (links) bzw. 18 Knoten

Berechnung des Windvektors (horizontal oder 3D) durch Berechnung aus Radialwinddaten von zwei oder mehr Radargeräten

2 Sendekanäle • gleichzeitig • abwechselnd 2 Empfangskanäle • gleichzeitig  Erheblich mehr Information als bei rein horizontaler Polarisation

Horizontally (blue) and vertically (red) polarized pulse, emitted by a dual- polarization radar (lower left)

Reflektivität Z ZDR

LDR ΦDP ρHV

Wichtigste Anwendungen: • Unterscheidung zwischen Wetter- und anderen Signalen • Unterscheidung zwischen verschiedenen Hydrometeor-Typen • Verbesserung der Niederschlagsberechnung • Korrektur von Dämpfung durch Niederschlag

Typical polarimetric Bright Band patterns:

Reflectivity increased by several dBZ

Differential Reflectivity increased by 0.5 to 1 dB

Correlation Coefficient reduced to about 0.8 to 0.9

Moment Data Quality Calculation Assigns a quality index to each range gate. • Quality index results from several quality measures: distance from radar • height of radar beam • partial beam blocking • Attenuation • signal-to-noise ratio • meteo/non-meteo probability Improves the downstream data quality treatment.

Scan-Geometrie einheitlich? • Gebirge / Ebenen  nein Scan-Wiederholrate einheitlich? • Meist realisierbar • Länderübergreifend? • Radar mit Sonderstellung (z.B. ATC)  ggf. abweichend Hardware einheitlich, v.a. Wellenlänge? • Klima-Unterschiede  nein • Standortfrage  ggf. nein Daten(vor)verarbeitung einheitlich? • Klima-Unterschiede  nein

Je größer das Netzwerk, umso schwieriger eine passende Datenaufnahme und -verarbeitung

BALTRAD • Ostsee-Anrainer und wenige weitere Nachbarstaaten • Projektziel Verbesserung Datenqualität • Projektziel einheitliche Produktstandards • Austausch von Datenverarbeitungs-Algorithmen • Open-Source • http://www.baltrad.eu/ • http://git.baltrad.eu/

EUMETNET-OPERA • Fast alle europäischen Staaten • Projektziel Datenaustausch • Projektziel einheitliche Datenformate • Austausch von Expertise • Open-Source • http://eumetnet.eu/activities/obs ervations-programme/current- activities/opera/

WMO Radar Database: http://wrd.mgm.gov.tr/ • Informationen zu Radarsystemen und -standorten weltweit • Links zu Radardaten, (noch) keine zentrale Ablage

US-NEXRAD (NOAA-NWS): https://radar.weather.gov/ • Weltweit größtes Netzwerk mit frei verfügbaren aktuellen Radardaten • Keine einheitliche Scanstrategie und Datenverarbeitung, sondern witterungsabhängig

Blending

NWP-Forecast STEPS-NWP-Output Radar-Observation (DWD-ICON) @ 11:00 UTC + 1:00 @ 12:00 UTC

@ 06:00 UTC + 6:00 Radar data by courtesy of IMGW, Poland

Acquisition Processing Display

METEOR Polarimetric Weather Radar

Doppler Lidar

Unwetter Frankfurt vom 6. August 2013 • PPI-Radialwind und ROSHEAR-Windscherung • ROSHEAR-Peaks: Gain: 45 Kt, Loss: 18 Kt Radar Lidar

Extraction and Visualization Radar-Radar Inter-Comparison

Vergleich PAS-RAM (Polen): 3x24 Stunden (15., 19. und 30.11.2015)

Fix bias in ZDR!

Rain on the radome

Solar emission  constant intensity  r² dependency for Z  around zero ZDR  measure and monitor radar hardware parameters

European reflectivity composite 24th June 2014, 19:30 UTC  about sunset (NW)

• 2D Raster scan through sun position • Selectable AZ and EL interval and step • Take about one to several minutes • Follow movement of sun during scan • Consider background noise (offset scan) • 2D intensity distribution of horizontal and vertical intensity, and of ZDR • Derive Antenna parameters from 2D data

Horizontal intensity

• Save every solar hit during operational scan • EL angle: consider refraction. • Ray’s position relative to position of sun’s center • Intensity: correct for solar flux variation (DRAO reference) • Differential intensity  ZDR monitoring • Sample long time (days) to obtain random 2D array of intensity and ZDR • Calculate angle offsets from intensity array • Monitor angle offsets, peak intensity and ZDR

BoM RCA ground clutter technique. Principle: the 95th percentile of ground clutter reflectivity is very stable.

Ronald Hannesen

[email protected] [email protected]