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Wie funktioniert ein Wetterradar? Doppler-Radar erklärt

Von Dietmar Kramer • Zuletzt aktualisiert am 1. Juni 2024

Ein Wetterradar ist ein unverzichtbares Werkzeug im Werkzeugkasten eines Meteorologen, mit dem er Niederschläge erkennen und das Wetter vorhersagen kann.

Ähnlich wie Satellitenbilder von Wolken hilft das Radar den Meteorologen, das Wetter um sie herum besser zu verstehen, was zu zuverlässigeren Vorhersagen führt.

Radar (kurz für RAdio Detection And Ranging) und sein Einsatz beim Wetter wurden eigentlich durch Zufall entdeckt. Mit dem zunehmenden Einsatz von Radar zum Aufspüren von feindlichen Schiffen und Flugzeugen während des Zweiten Weltkriegs stellten die Radarbediener fest, dass Niederschläge auch falsche Echos auf ihren Bildschirmen verursachten.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurden die militärischen Radargeräte für meteorologische Zwecke umfunktioniert und ihre Fähigkeiten zur Erkennung von Niederschlägen durch spätere Aufrüstungen verbessert.

Die heutigen Wetterradarbilder, die du in deiner Wetterradar-App findest, unterscheiden sich deutlich von den ersten Radargeräten aus den 1950er Jahren, aber die Grundkonzepte sind dieselben.

Charakteristika eines Wetterradars

Bevor wir uns mit den Eigenschaften und der Funktionsweise eines Wetterradars befassen, müssen wir erst einmal genau definieren, was ein Wetterradar ist:

Was ist ein Wetterradar?
Ein Wetterradar ist ein Beobachtungsinstrument, in der Regel ein Puls-Doppler-Radar, das in der Meteorologie eingesetzt wird, um verschiedene Arten von Niederschlägen zu identifizieren und abzubilden, ihre Stärke zu messen und ihre Bewegung zu verfolgen. Dazu sendet es elektromagnetische Wellen oder Mikrowellen aus und analysiert die zurückkommenden Echos.

Stell dir einen riesigen Golfball vor, der oben auf einem Abschlag sitzt. Jetzt hast du eine ziemlich gute Vorstellung davon, wie ein Wetterradar aussieht, wie das nebenstehende Bild deutlich zeigt.

Wetterradare gibt es in verschiedenen Kugelgrößen und Turmhöhen, je nach ihrem speziellen Zweck, der Art der verwendeten Technologie und der Topografie des umliegenden Geländes.

Die kuppelförmige Kugel, die sich an der Spitze des Turms befindet, wird Radom genannt. Sie beherbergt die rotierende Antenne/Schüssel, die in der Mitte der Kuppel installiert ist.

Wie ein modernes Wetterradar funktioniert

Alle Radargeräte funktionieren auf ähnliche Weise, unabhängig von ihrer Technologie.

Eine Antenne sendet einen Strahl von Radiowellen nach außen.

Wenn sich in der Luft Gegenstände wie Regen, Graupel oder Schnee befinden, prallen die ausgesandten Funkwellen an diesen Gegenständen ab und werden gestreut. Ein Teil dieser gestreuten Funkwellen wird zum Radargerät zurückgeworfen, wobei größere Objekte stärker reflektiert werden.

Die Unterschiede in der Reflektivität werden auf einer Karte dargestellt, um einen Überblick über den Niederschlag im Bereich des Radars zu erhalten – das Bild, das du im Fernsehen, im Internet und in deiner Radar-App siehst.

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Wie funktioniert ein Wetterradar?

Während sich die Antenne dreht, sendet sie Radiowellen (elektromagnetische Wellen) bis zu einer maximalen Entfernung von etwa 230 km (143 Meilen) aus.

Trifft das Signal auf Niederschlag (Regen, Hagel oder Schnee), wird es zum Radarturm zurückgeworfen, der das reflektierte Signal (auch Echo genannt) interpretiert. Das Radar kann aus den Eigenschaften der reflektierten Welle eine Menge herauslesen.

Die Zeit, die das Echo braucht, um zum Sender zurückzukehren, zeigt an, wie weit der Niederschlag vom Radar entfernt ist. Die Stärke des Echos wiederum gibt einen deutlichen Hinweis auf die Art des Niederschlags (Regen, Hagel oder Schnee).

Obwohl dies von Radar zu Radar unterschiedlich ist, wird normalerweise etwa alle sechs bis zehn Minuten ein Signal ausgesendet. Das daraus resultierende animierte Radarbild bildet eine dreißigminütige Schleife.

Obwohl ein Radarbild keine eindeutige Vorhersage ermöglicht, zeigt es dir, wo sich der Niederschlag befunden hat und in welche Richtung er sich möglicherweise bewegt.

Bei modernen Wettersystemen werden die von einem Wetterradar erfassten Ergebnisse in Form eines Farbbildes auf einem Bildschirm angezeigt.

Eine Farbskala zeigt die Intensität des Niederschlags an. In der Regel wird die stärkste Form des Niederschlags durch Schwarz angezeigt. (In vielen Fällen steht Schwarz für Hagel.)

Farbskalen werden auch verwendet, um die Menge des Niederschlags anzuzeigen, nicht nur die Intensität. Die beiden Begriffe werden oft synonym verwendet, was verwirrend sein kann.

Lies unbedingt die Wetterskala, die jedem Radarbild beiliegt, um zu erfahren, was die einzelnen Farben für das jeweilige Bild bedeuten.

Jedes Radarbild hat einen Zeitstempel am unteren Rand des Bildes, der in Universalzeit (Greenwich) oder UTC angegeben ist. So kann jeder, der das Bild betrachtet, wissen, wann es erstellt wurde, egal wo auf der Welt oder in welcher Zeitzone er sich befindet.

wetterradar

Einschränkungen eines Wetterradars

Bei all den Vorteilen und Vorzügen des Wetterradars gibt es auch Nachteile und Einschränkungen. Hier sind ein paar der wichtigsten Nachteile:

  • Die optische Reichweite eines Wetterradars ist auf 5 – 200 Kilometer begrenzt. Das liegt vor allem an der Krümmung der Erde. Der Radarstrahl bewegt sich in einer geraden Linie, was bedeutet, dass er jenseits seiner maximalen Reichweite keine Objekte nahe der Erdoberfläche erkennen kann.
  • Als Folge des vorhergehenden Punktes kann das Radar auch Niederschläge erfassen, die viel höher in der Luft liegen als seine optische Grenze. Dies spiegelt jedoch nicht die Bedingungen an der Oberfläche wider, was zu einer falschen Messung führen kann.
  • Es ist schwierig, bodennahen Nieselregen zu erfassen, da er oft unter den Strahl des Radars fällt und die Tröpfchen manchmal zu klein sind, um erkannt zu werden (das Signal kann nur schwer zurückgeworfen werden).
  • Ein Wetterradar kann keine Echos erkennen, die sehr nah am oder über dem Radar selbst liegen. Das fällt in den so genannten “Kegel des Schweigens”.
  • Gelegentlich kann ein Radar “fälschlicherweise” etwas auffangen, was als Niederschlag wahrgenommen wird, aber in Wirklichkeit Vogelschwärme, Rauch oder Insektenschwärme sind.
  • Radarstrahlen können nicht “durchsehen” und werden durch feste Einbauten wie hohe Gebäude und Berge behindert. Das ist einer der Hauptgründe, warum Wetterradare auf großen, offenen Flächen aufgestellt werden.

Wie funktioniert das Doppler-Radar?

Das Doppler-Radar funktioniert ein bisschen anders als ältere Radargeräte. Es misst nicht nur das Reflexionsvermögen des Niederschlags, sondern auch seine Form, Position und Gestalt. Durch diese Messungen kann ein Doppler-Radar auch die Geschwindigkeit messen, mit der sich der Niederschlag auf das Radar zu oder von ihm weg bewegt.

Dadurch können Doppler-Radare auch die Windgeschwindigkeit messen, was sie bei der Erkennung von Tornados außerordentlich nützlich macht. Früher mussten Meteorologen nach visuellen Hinweisen, sogenannten “Hakenechos”, suchen, um Tornados in Stürmen zu finden. Da nicht jeder Tornado diese Hakenechos erzeugt, wurden viele übersehen.

Du erlebst diese “Dopplerverschiebungen” jeden Tag. Stell dir vor, du stehst an einer Ampel, um ein Einsatzfahrzeug passieren zu lassen, oder du stehst an einem Bahnübergang, wenn ein Zug vorbeifährt und seine Pfeife ertönt. Du wirst bemerken, dass die Tonhöhe ansteigt, wenn er sich dir nähert, gleichmäßig ist, wenn er vor dir ist, und die Tonhöhe sinkt, wenn er sich entfernt.

Das ist der Doppler-Effekt, und diese Verschiebungen versucht das Doppler-Radar zu erkennen.

Doppelpolarisationsradar

Das Dual-Polarisations-Radar ist eine Erweiterung des Doppler-Radars, die dessen Erkennungsfähigkeiten verbessert. Anstatt nur in horizontaler Richtung Radiowellen auszusenden, senden “Dual-Pol”-Radare sowohl horizontal als auch vertikal Radiowellen aus.

Dies hat den Vorteil, dass die Form von Objekten in der Atmosphäre besser erkannt werden kann. So können Meteorologen zwischen verschiedenen Niederschlagsarten unterscheiden und sogar Bodentrümmer in der Luft erkennen. Das Bild unten zeigt, wie die duale Polarisation dabei geholfen hat, einen Tornado am Boden zu erkennen.

Vor der Dualpolarisation standen uns nur die Geschwindigkeitsdaten auf der linken Seite zur Verfügung, anhand derer wir zwar einen Tornado am Boden vermuten konnten, ihn aber ohne einen Bodenbeobachter nicht bestätigen konnten.

Das Bild auf der rechten Seite wird Korrelationskoeffizient genannt, und der kleine kreisförmige blaue Bereich zeigt einen Bereich mit klarer Luft an, der von in der Luft entdeckten Objekten (grüne Farbe) und ähnlich geformten Regentropfen (rot) umgeben ist. Dies wird als “Trümmerball” bezeichnet und ist auf einem Dual-Pol-Radar ein verräterisches Zeichen für einen Tornado auf dem Boden.

Wie geht es weiter mit dem Wetterradar

Wie wir bereits gesagt haben, haben Radargeräte die Wettervorhersage revolutioniert, besonders wenn es um Unwetter geht.

Und die Meteorologen bleiben nicht beim Doppler-Radar stehen: Neue Technologien wie das Phased-Array-Radar werden die Erkennung verbessern und auch die Abtastzeiten drastisch erhöhen. Anstelle der 2-6 Minuten, die jeder Scan im Doppler-Radarsystem dauert, wird Phased Array das gleiche Gebiet in weniger als einer Minute scannen können.

Es wird jedoch erwartet, dass die Einführung des Phased-Array-Radars Milliarden von Dollar kosten wird, und da die Dualpolarisierung erst kürzlich eingeführt wurde, ist es unwahrscheinlich, dass sie bis weit ins nächste Jahrzehnt hinein realisiert wird.

Es ist klar, wie wichtig die Erweiterung der Wetterradarsysteme für den Bereich der Meteorologie ist. Zusammen mit den traditionellen Formen der Wettererfassung tragen sie dazu bei, genauere Wettervorhersagen zu treffen.

Mit der Einführung des Doppler-Radars (das jetzt langsam alle traditionellen Wetterradare ersetzt) haben sich die Möglichkeiten der Wetterradare weiter verbessert. Es wird heute bei vielen Veranstaltungen im Freien eingesetzt, bei denen die Wetterbedingungen eine entscheidende Rolle spielen.

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Bis zum nächsten Mal, behalte das Wetter im Auge!

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