DACH2007-A-00048 - Copernicus Meetings

 Über die Notwendigkeit der integrierten Auswertung von Wetterinformationen
am Beispiel vom Niederschlagsradar
Dipl.­Met. Jörg Asmus
Deutscher Wetterdienst
Fernerkundung
Postfach100465
63004 Offenbach am Main
[email protected]
1. Einleitung
Im Jahr 2006 wurde über mehreren Wochen in vielen Medien über ungewöhnliche Echos im Niederschlags­
radar berichtet. Mit „Geisterwolken“ wurden Erscheinungen im Radarbild bezeichnet, die offensichtlich kein Niederschlag waren und somit zu vielen Spekulationen führten.
In einem Radarbild vom 19. Juli 2005 wurden großflächige Strukturen entdeckt, wie der Vergleich mit anderen meteorologischen Beobachtungen zeigen kein Niederschlag sein konnten. Eine erste Untersuchung [1] führte zu dem Schluss, dass es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um „Düppel“ (dünne metallbeschichtete Glasfaserfäden) handeln musste, die im Rahmen von militärischen Übungen oder wissenschaftlichen Expe­
rimenten ausgesetzt wurden. Eine Strafanzeige gegen Unbekannt u.a. wegen Wetterbeeinflussung und Um­
weltverschmutzung führte die Presse auf dieses Thema. Eine weitere Untersuchung der Universität Karlsruhe [2] bestätigte, dass es sich tatsächlich nur um Düppel handeln konnte, die vom Niederschlagsradar beobachtet worden sind.
Da im Radarbild immer wieder Echos auftreten, die nicht durch Niederschlag sondern durch Reflektionen am Boden oder an Dichtesprüngen in der Atmosphäre, Wind­
kraftanlagen, Bergspitzen, Schiffen, Düppel usw. hervorge­
rufen werden, ist es notwendig, Radardaten auf Fehlechos zu prüfen. Dies kann bei der Datenerfassung selber er­
folgen und durch zusätzlichen Vergleich der Radardaten mit anderen Informationen, wie z.B. Wettersatellitendaten. Die Prüfung der Radardaten ist auch deshalb notwendig, da zunehmend automatische Auswerteverfahren in der Wetter­
überwachung sowie Analysen der Vorhersagemodelle Radardaten nutzen. 2. Grundlagen zum Niederschlagsradar des DWD
Der Radarverbund des Deut­ München
1987
1988
schen Wetterdienstes setzt Frankfurt
Hamburg
1990
sich aus 16 Radar­Geräten zu­ Berlin-Tempelhof 1991
1991
sammen, die zwischen 1987 Essen
Hannover
1994
und 2000 aufgestellt wurden Emden
1994
1994
(Tabelle 1). Alle 16 Geräte Neuhaus
Rostock
1995
Abbildung 1: Radarverbund des DWD
sind Doppler­Radargeräte und Ummendorf
1996
1997
liefern neben Intensität, Höhe Feldberg
Eisberg
1997
und Entfernung von Niederschlagsereignissen über den Doppler­Effekt auch Flechtdorf
1997
1998
Informationen über die Geschwindigkeit der Hydrometeore. Neben den opera­ Neuheilenbach
Türkheim
1998
tionellen Radargeräten gibt es noch ein Forschungsradar am Meteorologischen Dresden
2000
Observatorium Hohenpeißenberg (Abb. 1).
Tabelle 1: Radarstandorte
Jörg Asmus Über die Notwendigkeit der integrierten Auswertung von Wetterinformationen am Beispiel vom Niederschlagsradar 2
Ein Niederschlagsradar besteht aus einer Antenne, die sich in einer Kuppel (Radom) dreht (Abb. 2), einem Sender und Empfänger und den notwendigen Verarbeitungsrechnern. Ein elektromagnetischer Impuls wird auf einer Frequenz im C­Band (5,6 GHz) in einem gebündelten Strahl von ca. 1° Öff­
nungswinkel bei bekannter Länge und Leistung ausgesendet. Der Radarstrahl wird an Partikeln in der Atmosphäre gestreut, wobei die Wellenlänge (ca. 53 mm) für eine maximale Reflektion an typischen Niederschlagströpfchen (2­6 mm) optimiert ist. Ein Teil der ausgesendeten Energie kommt wieder bei der Antenne an. Die Entfernung zum reflektierten Partikel lässt sich aus der Laufzeit bestimmen, die Stärke der reflektierten Signals gibt Hinweise über Größe und Beschaffenheit des Niederschlagsteilchens. Über den Doppler­
Effekt kann auch die Geschwindigkeit bezogen auf den Radar­standort be­
stimmt werden. Abbildung 2: Radar Türkheim
Der DWD setzt zwei verschiedene Abtastverfahren ein [3]. Bei der Raumabtastung, dem „volume scan“, durch­
läuft die Antenne innerhalb von 15 Minuten 18 verschiedene Elevationswinkel von 37,0° bis 0,5°. Dabei tastet der Radarstrahl die Atmosphäre bis in eine Höhe von 12 km ab. Der „volume scan“ besteht aus zwei verschiedenen Messmodi: Der „intensity mode“ deckt die unteren Elevations­
winkel von 0,5° bis 4,5° ab, der „doppler mode“ erfasst die Elevationswinkel darüber. Die horizon­
tale Reichweite beträgt beim „intensity mode“ 230 km, beim „doppler mode“ 120 km. Die un­
Abbildung 3: Lokales Radar Hamburg 18.07.2007 14:45 UTC terste Position hat für die Hydrometeorologie eine herausragende Bedeutung. Daher wird die Raum­
abtastung alle fünf Minuten unterbrochen und die Niederschlagsabtastung („precipitation scan“) im tiefsten Elevationswinkel durchgeführt, um möglichst zeitnah Niederschlagsdaten aus Entfer­
nungen bis 128 km zu gewinnen. Der Radarstrahl streicht dabei ­ angepasst an die jeweilige Oro­
graphie ­ zwischen 0,5° und 1,8° über den Hori­
zont.
Vor Ort werden aus den Daten lokale Radarbilder (Abb. 3) erstellt, die wiederum in der Zentrale in Offenbach zu Kompositbildern zusammen gestellt werden (Abb. 4).
Abbildung 4: Deutschland­Komposit 18.07.2007 14:45 UTC
3. Fehlechos im Radar
Normalerweise soll das Niederschlagsradar nur Echos von Hydrometeoren zeigen. Bei genauer Betrachtung der Radarbilder sind aber auch immer wieder Echos zu erkennen deren Ursache andere Gründe haben. Häu­
fige Fehlechos im Radar sind Bodenechos („Ground Clutter“). Bei bestimmten Ausbreitungsbedingungen in der Atmosphäre wird der Radarstrahl zum Erdboden hin gebeugt, der dann als mehr oder weniger große Flä­
che zu erkennen ist. Aber auch Erhebungen in der Landschaft oder Bebauung können im Radarbild sichtbar werden. Jörg Asmus Über die Notwendigkeit der integrierten Auswertung von Wetterinformationen am Beispiel vom Niederschlagsradar 3
Zur Korrektur der Ground Clutter werden an den Doppler­Filter und bei besonders starken Bodenechos Clutter­
Thresholds eingesetzt, die diese Echos verwerfen. Ein weitere Möglichkeit der Clutter­Erkennung erfolgt über die Aus­
wertung des Musters des Fehlechos. Ground Clutter zeigen meist eine starke Variabilität in der Intensität auf kleins­
ter Fläche, während Niederschlagsechos dies nicht so intensiv zeigen. Damit lassen sich die Ground Clutter ebenfalls erkennen und im Bild löschen oder durch umgebende Niederschlagsechos ersetzen. Weitere Möglichkeiten für Fehlechos im Radarbild können sein: Rotoren von Windkraftanlagen,
Schiffe, elektromagnetische Strahlung auf einer gleichen oder ähnlichen Frequenz des Abbildung 5: Niederschlagsradar 15.02.2007 16:30 UTC Verschiedene Fehlechos im Radar­Bild: Sonne, Windkraftanlagen, Radars, Reflektoren in der Atmosphäre, Düppel
die den Hydrometeoren ähneln. Solche Fehlechos lassen sich mit Clutter­Filtern nur schwer ausblenden, hierfür müssen andere Verfahren genutzt werden. In Abbildung 5 sind verschiedene Störechos zu erkennen. Die vielen kleineren Punkte können u.a. Windkraftanlagen sein, die nach Südwesten ausgerichteten Striche weisen auf die untergehende Sonne hin, die auch im C­Band elektromagnetische Strah­
lung aussendet, und die Echos an der Nordsee­Küste können Düppel (dünne me­
tallbeschichtete Glasfaserfäden) sein. Abbil­
dung 6 zeigt südlich von Hamburg ein in­
tensives linienförmiges Signal, das durch die im Hamburger Hafen liegende Freedom of the Seas (eines der größten Kreuzfahrt­
schiffe der Welt) hervorgerufen wurde, vermutlich ausgelöst durch einen Sender im C­Band an Bord des Schiffes. Durch zahlreiche Presseartikel im Jahr 2006 bekannt geworden sind Fehlechos, die am Abbildung 6: Niederschlagsradar 25.04.2007 07:40 UTC 19. Juli 2005 über mehrere Stunden in den Freedom of the Seas als Fehlecho im Radar­Bild
Radarbildern zu erkennen waren („Geis­
terwolken“). Aufgefallen waren die Echos, da bei einem Vergleich mit einem Satellitenbild keine zugehö­
rigen Wolken zu erkennen waren. Eine genauere Auswertung zeigte dann, dass die Quelle dieser Echos im Bereich der Nordsee liegen musste. Mit der Strömung wurden die Echos nach Osten, unter gleichzeitiger Ausbreitung in der Fläche, verlagert. Jörg Asmus Über die Notwendigkeit der integrierten Auswertung von Wetterinformationen am Beispiel vom Niederschlagsradar 4
Der Vergleich der Radarechos mit Satellitenbildern von METEOSAT, NOAA und EOS Terra sowie Synoptischen Beobachtungen schloss aus, dass es sich hier um Niederschlag handelte und somit wetterrele­
vant war. In einer ersten Untersuchung [1] wurden verschiedene Theorien für die Fehlechos gegenüber­
gestellt. Als wahrschein­
lichste Ursache wurden Düppel1 (brit.­engl. „Window“, US­engl. „Chaff“) angenommen, die vermutlich im Bereich der Nordsee im Rahmen eines wissenschaftliches Expe­
rimentes bzw. militä­
rischen Übung ausgesetzt wurden. Bei Düppeln handelt es sich um dünne metallbe­
schichtete Glasfaserfäden, die um ein vielfaches besser reflektieren als z.B. Abbildung 7: Niederschlagsradar 15.07.2005 14:00 UTC Wassertropfen. Daher rei­
Störechos durch Düppel (entlang der Ems)
chen wenige Düppel aus um im Niederschlagsradar deutlich sichtbar zu werden [2] Eine besonders starke Reflektion wird erreicht, wenn die Länge der Fäden der halben Wellenlänge des Radarstrahls entspricht. Bei einem späteren Auftreten solcher Fehlechos im März 2006 wurde bekannt gemacht, dass Düppel im Rahmen eines militärischen Ma­
növers freigesetzt wurden [3].
4. Intergrierte Nutzung von Wetterinformationen
Verlässt man sich bei der Wetterüberwachung allein auf Radar­Informationen, so besteht die Wahrscheinlich­
keit, dass Niederschlag an Stellen erkannt wird (und ggfls. in Wetterberichte für die Medien) einfließt, wo es kein signifikantes Wetter gibt. Um dies zu verhindern ist es notwendig Wetterinformationen immer gegenein­
ander zu prüfen, da grundsätzlich alle meteorologischen Informationen Fehler enthalten können. Die Überprüfung der Information kann manuell mit Hilfe geeigneter Visualisierungsprogramme, die mehrere Datenquellen gleichzeitig anzeigen können erfolgen oder automatisch mit Programmen, die die Daten mit anderen Datenquellen vergleichen.
1 „Düppel“ wurden im Zweiten Weltkrieg zuerst in der Nähe von (Berlin­) Düppel eingesetzt
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4.1. Viuselle Prüfung der Radardaten
Die Prüfung kann visuell in moder­
nen Wetterpräsentationssystemen wie NinJo [4] erfolgen, in dem die verschiedenen Informationsquellen wie Radar­ und Satellitenbild, synoptische Beobachtungen, Blitzortungen gleichzeitig oder nacheinander überlagert werden. Ein Sichtkontrolle zeigt, ob die Meldungen gegeneinander konsis­
tent sind. Am einfachsten ist es, wenn die Fehlechos nicht zur Be­
wölkung im Satellitenbild passen. Abbildung 8: METEOSAT 8 (IR), Niederschlagsradar, synoptische Beobach­
tungen 15.02.2007 21:00 UTC
Abbildung 8 zeigt ein Beispiel mit ausgeprägten Radarechos im Nordwesten Deutschlands. Sowohl Satellitenbild als auch synoptische Beobachtungen zeigen keine Über­
einstimmungen mit dem Radarbild, es gibt keine passenden Wolken, bzw. es gibt keine Niederschlags­
meldungen. Es kann sich hier nur um Fehlechos handeln.
Abbildung 9 zeigt im Radar eben­
falls ausgeprägte Echos, dieses Mal über Süddeutschland. Im Satelliten­
bild (Farbkompositbild 0,6­0,8­10,8 µm) sind in diesem Gebiet keine Wolken zu erkennen. Auch hier handelt es sich um Fehlechos im Radar, die eventuell durch Düppel hervorgerufen wurden. Treten die Fehlechos in Wolkensys­
temen auf, dann können die Echos gegen synoptische Beobachtungen geprüft werden oder es werden die Strukturen im Radarbild mit Wolkenstrukturen im Satellitenbild verglichen. Abbildung 9: METEOSAT 8 (Farbkomposit) und Niederschlagsradar 26.10.2006 12:30 UTC
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4.2. Automatische Prüfverfahren
Es gibt eine Reihe von automatischen Prüfverfahren, die die Echos darauf testen, ob es sich um Hydrometeo­
re handelt.
Bei neuartigen polarimetrischen Radargeräten lassen sich Hydrometeore und nicht­meteorologische Teilchen in der Atmosphäre über ihre polarimetrischen Eigenschaften unterscheiden. Abbildung 10: METEOSAT 9 (VIS) und Niederschlagsradar 03.08.2007 12:15 UTC
Spezielle Auswerteverfahren ermöglichen es „Ground Clutter“, also Bodenechos, recht zu­
verlässig zu unterdrücken. Da Pi­
xel im Radarbild, die durch Ground Clutter hervorgerufen werden, im Gegensatz zu Pixeln aus Niederschlag eine größere Va­
riabilität der Reflektivität in der Fläche zeigen, können sie automatisch erkannt werden. Entweder werden sie gelöscht oder in Niederschlagsgebieten an die umgebenden Niederschlags­
werte angepasst.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Radarechos gegen Sa­
Abbildung 11: Wolkenklassifikation (Nowcasting SAF) 03.08.2007 12:15 UTC
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tellitendaten zu testen. Das „SAF2 for Nowcasting and Short Range Forcasting“ [7] stellt Programme zur Verfügung, die aus Daten der Wettersatelliten MSG, NOAA und METOP Nowcasting­Produkte erstellen. Eines dieser Produkte ist eine Wolkenklassifikation. Die Informationen aus verschiedenen Spektralbereichen von MSG werden für eine Klassifizierung der Wolken genutzt. Da es nur dort Niederschlag geben kann, wo auch Wolken sind, können auf diese Weise Fehlechos in wolkenfreien Gebieten markiert werden. Abbildung 10 zeigt neben den Niederschlagechos über der Mitte und dem Süden Deutschlands auch Radarechos über der Deutschen Bucht. Im Satellitenbild sind an dieser Stelle keine Wolken zu erkennen. Für ein automatisches Auswerte­
verfahren wird als Maske zum Ausblenden von Fehlechos die Wolkenklassifikation des Now­
casting­SAF vom gleichen Termin verwendet (Abbildung 11). Die Wolkenklassifikation zeigt im Bereich der Deutschen Bucht keine Wolken. Mit diesem Verfahren ist es zu­
mindest möglich, automatisch alle Radarechos außerhalb von der SAF­Nowcasting­Routinen erkannten Wolken als fehlerhaft zu markieren. Abbildung 12: Niederschlagsradar 03.08.2007 12:15 UTC fehlerhafte Echos sind orange markiert
dass bei dünnen Cirren ebenfalls keine Radarechos zugelassen werden.
Abbildung 12 zeigt das resultierende Radarbild. Alle erkannten Fehlechos sind orange markiert. In einem nächsten Schritt kann zudem eine Unterscheidung nach der Art der Wolken erfolgen, so 5. Zusammenfassung
Wetterbeobachtungen, ob synoptische Meldungen, Radar­ oder Satellitenbild usw, sollten immer mit anderen Informationen verglichen werden, da alle Meldungen grundsätzlich Fehler enthalten können. Besonders deut­
lich trifft das für das Niederschlagsradar zu, wo es immer wieder zu Fehlechos kommt. Diese Fehlechos können Niederschlagsgebieten ähneln und somit zu falschen Interpretationen führen.
Besonders wichtig erscheint die Kontrolle der Daten, wenn diese in automatische Auswerteverfahren einge­
hen sollen, z.B. für Warnsysteme oder für die numerische Datenanalyse. Neben Clutter Filtern, Ausnutzung der unterschiedlichen Polarisation oder des Doppler­Effekts kann die Kontrolle der Radarbilder gegen Satelli­
teninformationen Fehlechos wirksam erkennen und somit für die Wetterüberwachung oder für automatische Auswerteverfahren eine wichtige Unterstützung sein.
2 SAF: Satellite Application Facility
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Literatur:
[1] Asmus, J.: Unbekannte Flugobjekte im RADAR­Bild?, DMG­Mitteilungen 03/04­2005, 4­7 (2005)
[2] Blahak, U., Beheng, K.D.: Ungewöhnliche atmosphärische Strukturen im Radarbild, DMG­Mitteilungen, 03­2006, 2­9 (2006)
[3] Niedersächsicher Landtag: Antwort der Landesregierung auf die Anfrage des Abgeordneten Briese, Drucksache 15/2009, Hannover, 07.06.2006 (2006)
[4] DWD: Der Radarverbund des Deutschen Wetterdienstes, Informationsbroschüre des DWD
[5] DWD: Projekt Ninjo: http://www.dwd.de/de/Technik/Projekte/NinJo/index.htm
[6] EUMETSAT SAF Programme: www.eumetsat.int
[7] Winterrath, T.: A new module for the tracking of radar­derived precipitation with model­derived wins, Adv. Geosci., 77­83 (2007)
[8] de Valk, J.P.J.M.M., Hollemann,I.: Synergetic use of METEOSAT 8 data and Radar products, 2006 EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, Helsinki, Finnland (2006)
[9] Asmus, J.: Combined Use of METEOSAT Data with other Data, 10th METEOSAT Scientific Users' Conference, Cascais, Portugal (1994)