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Moderne Wetterradar-Technologie Im Operationellen Einsatz

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Moderne Wetterradar-Technologie Im Operationellen Einsatz MODERNE WETTERRADAR-TECHNOLOGIE IM OPERATIONELLEN EINSATZ 2. Fachsitzung der DMG Sektion Frankfurt 13. Februar 2019, Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 2 ÜBERSICHT WETTERRADAR © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 3 WETTERRADAR – GRUNDLAGEN 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 4 S-BAND RADAR 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 5 C-BAND RADAR 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 6 X-BAND RADAR 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 7 WOLKENRADAR: K-BAND UND W-BAND 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 8 WETTERRADAR ALS „SEKUNDÄRRADAR“ „Wetterkanal“ in ASR Wetterdaten aus Marine-Radar © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 9 NICHT-STATIONÄRES WETTERRADAR Satellitenradar Flugzeugradar © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 10 HORIZONTALE UND DUAL-POLARISATION 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) (Copyright © 2013 NOAA, NSSL, Norman, Oklahoma, USA) © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 11 WETTERDATEN AUS WETTERRADAR © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 12 HYDROLOGIE: NIEDERSCHLAG Verarbeitungskette: Radarreflektivität „Z-R-Beziehung“ Niederschlagsintensität Addition über Zeit Niederschlagssumme © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 13 HYDROLOGIE: NIEDERSCHLAG Verarbeitungskette: Radarreflektivität „Z-R-Beziehung“ Niederschlagsintensität Advektionskorrektur und Addition über Zeit Niederschlagssumme Weitere räumliche Integration (Flusseinzugsgebiete) © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 14 WIND: VON RADIALWIND ZU VEKTOREN The VAD displays the radial velocity versus the azimuth angle for a fixed elevation and a fixed slant range. © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 15 WIND: VON RADIALWIND ZU VEKTOREN 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. © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 16 WIND: VON RADIALWIND ZU VEKTOREN 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. © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 17 WINDSCHERUNG UND MICROBURST Gust Front Increased lift Divergent downdraft Increased loss ATC requirement: • Short, complete information • High detection rate • Low to zero false alarm rate © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 18 WINDSCHERUNG UND MICROBURST 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 19 DUAL-DOPPLER / MULTIPLE-DOPPLER Berechnung des Windvektors (horizontal oder 3D) durch Berechnung aus Radialwinddaten von zwei oder mehr Radargeräten © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 20 DUAL-POLARISATION: EINIGE ANWENDUNGEN © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 21 DUAL-POLARISATION 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) (Copyright © 2013 NOAA, NSSL, Norman, Oklahoma, USA) © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 22 DUAL-POLARISATION Reflektivität Z ZDR LDR ΦDP ρHV © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 23 DUAL-POLARISATION Wichtigste Anwendungen: • Unterscheidung zwischen Wetter- und anderen Signalen • Unterscheidung zwischen verschiedenen Hydrometeor-Typen • Verbesserung der Niederschlagsberechnung • Korrektur von Dämpfung durch Niederschlag One year precipitation accumulation (without Dual-Pol filter). Copyright © 2018 KNMI, The Netherlands © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 24 DUAL-POL – HYDROMETEOR-ERKENNUNG 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 25 DUAL-POL – HYDROMETEOR-ERKENNUNG © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 26 DATENQUALITÄT: MDQC 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. © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 27 WETTERRADAR-NETZWERKE © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 28 HERAUSFORDERUNGEN BEI NETZWERKEN 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 © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 29 BEISPIELE FÜR GROßE NETZWERKE 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/ © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 30 BEISPIELE FÜR GROßE NETZWERKE 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/ © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 31 BEISPIELE FÜR GROßE NETZWERKE WMO Radar Database: http://wrd.mgm.gov.tr/ • Informationen zu Radarsystemen und -standorten weltweit • Links zu Radardaten, (noch) keine zentrale Ablage © 2019 LEONARDO Germany GmbH – All rights reserved 2. Fachsitzung DMG Sektion Frankfurt, 13. Februar 2019 32 BEISPIELE FÜR GROßE NETZWERKE US-NEXRAD (NOAA-NWS): https://radar.weather.gov/ • Weltweit größtes Netzwerk mit frei verfügbaren aktuellen Radardaten
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