Dopplerradar

Von Autorennen her ist ist dieses Prinzip bekannt: Der Frequenz des Tones ist höher/tiefer, wenn das Auto auf uns zu / von uns weg fährt. Das Gleiche geschieht mit der Frequenz des Radars (5.64 GHz), wenn sich die Regentropfen auf das Radar zu (positives Vorzeichen) oder von ihm weg (negatives Vorzeichen) bewegen (sog. DOPPLER-Verschiebung).

Im Wetterradar wird die mittlere Geschwindigkeit und die Breite des Doppler-Spektrums mittels Autokorrelationsverfahren oder Fouriertransformation bestimmt. Diese aufwändigen Verfahren müssen bei einer Antennen-Drehgeschwindigkeit von 18 Grad/sec in Echtzeit für 2048 Entfernungspunkte pro Grad berechnet werden!

Die DOPPLER-Messung dient einesteils der Filterung von störenden Bodenechos, andernteils der eigenständigen Interpretation von Windgeschwindigkeit, Böen und Tornadosignaturen.

Die Messung der DOPPLER-Verschiebung geschieht interferometrisch anhand der Veränderung der Phasenlage zweier aufeinanderfolgender Impulse, vorstellbar als Entfernungsmessung in Bruchteilen einer Wellenlänge (5.32 cm). Da die Phase einer Sinuskurve nur bis auf eine halbe Wellenlänge genau bestimmt ist, darf sich die Entfernung der Tropfen zwischen zwei Impulsen um nicht mehr als 2.66 cm ändern, d.h. -1.33 cm .... + 1.33 cm in 833 us. Dies ergibt eine eindeutig bestimmbare Geschwindigkeit von -16 m/s ... +16 m/s. Größere tatsächliche Tropfengeschwindigkeiten (Entfernungsänderungen > 2.66 cm) führen zur sog. "Faltung" (aliasing): Eine Tropfengeschwindigkeit von z.B. +19 m/s (-21 m/s) würde in diesem Fall als -13 m/s (+11 m/s) dargestellt.

Lösungsmöglichkeiten:

• Wahl einer größeren Wellenlänge, z.B. S-Band (üblich in USA; teurere Systeme und andere Nachteile); nicht möglich bei vorhandenen Systemen.
  
• Erhöhung der Pulswiederholfrequenz (s.u.).
  
• Pulscoding-Verfahren (erfordern kohärenten Sender, z.B. Klystron)
  
• Entfaltungsverfahren, z.B. "staggered PRT" (wird im DWD operationell eingesetzt)
  

Eine demnach wünschenswerte hohe Pulsfolgefrequenz hat jedoch eine Kehrseite: Für eine eindeutige Entfernungszuordnung steht nämlich als Laufzeit (vom Radar zum Regen und zurück) nur die Zeit PRT zwischen zwei Impulsen zur Verfügung. EIne Verdopplung des messbaren Geschwindigkeitsintervalls durch zweifache Pulswiederholfrequenz führt zu einer Halbierung der Reichweite! Diese Tatsache ist als das DOPPLER-Dilemma bekannt. Im DWD werden deshalb getrennte Messungen für hohe Reichweite (250 km bei 600 Hz) bzw. für ein großes Eindeutigkeitsintervall in der Geschwindigkeit (-32 m/s ... + 32 m/s bei 1200/800 Hz, vgl. folg. Absatz).

Entfaltung (dealiasing): Beim sog. "staggered PRT"-Verfahren wird die Pulswiederholfrequenz ständig gewechselt. Durch Vergleich der sich ergebenden beiden gefalteten Geschwindigkeiten kann die wahre Geschwindigkeit ermittelt werden. Bei einem Frequenzverhältnis von 1200 zu 800 Hz erhöht sich das Eindeutigkeitsintervall auf -32 m/s ---- + 32 m/s.

Ein kohärentes C-Band Radar des DWD ermöglicht über die Doppler-Phasenverschiebung des Sende- und Echoimpulses die Geschwindigkeit der rückstreuenden, driftenden Regentröpfchen im Strahlelement 1°/1km zu ermitteln. Algorithmen bzw. Technik spreizen den normalen Messbereich von 8 auf ?32m/s Radialwindkomponente innerhalb etwa 120km Strahlreichweite (siehe "Polarisation, Doppler", hier nur im Warnzusammenhang).

In einem etwa homogenen Strömungsfeld im etwa 120 km-Umkreis erscheinen die Farbgrenzen nahezu strahlenförmig um das Radar. An der Nulllinie ? 1m/s ist die Windrichtung tangential zur Blickrichtung (Abb. Front), die höchste Windgeschwindigkeit findet man diagonal an (belegten) hochwertigen Farbklassen (Radialwind etwa gleich wahrer Windvektor).

Doppler-Windableitungen sind immer nur eine Auswahl (ohne "trockene" Böen) und blickwinkelabhängig. Im Zellumfeld sind oft vorderseitige Böenkonvergenzen oder auch Top-Divergenzen zu beobachten. Rückschlüsse auf warnenswerte Zelleigenschaften (updraft, Hagelwachstum) sind weiter Untersuchungsbestandteil.

Der Deutsche Wetterdienst nutzt eingeschränkt Doppler-Produkte (CAPPIs, VAD, Velocity azimuth display, Algorithmen) verstärkt aber Entwicklungen. Das Haupt-Augenmerk bei Warnungen liegt auf konvektiven Szenarien. Die Schlussfolgerungen werden von der Datenqualität aber auch von der Messhöhe beeinflusst.

© DWD, Offenbach

Beispiel einer Kata-Kaltfront im Echo- und Doppler-Bild (R=Radar Hamburg). Die Schneise hellerer Radialwindfarben (---) deutet auf den Streifen der Winddrehung auf NW hin. Dort sind auch die stärksten Schauerechos nach Hebung. © DWD, Offenbach

rot/blau-Dipol als Rotationszeichen einer Mesozyklone in H2 km (links).

Die Mutterzelle des idealen Wittenberg Tornados war nur eine Sekundärzellen (grüner Punkt) in KONRAD (rechts) Berlin 12.6.02, 18:10 © DWD, Offenbach

Divergenz im Top-Bereich H10 km. Angezeigt durch die beiden weissen Pfeile Radialwind mit ~-25m/s und -3m/s (dunkel-/ hellblau). Zellgeschwindigkeit ~28 km/h, Topwind ~ 90km/h.(R = Radar) Freiburg, 28.6.06, 17:40 © DWD, Offenbach

Etwas vorlaufende Böenfront an KONRAD Zelle, angezeigt durch Radialwindmaximum Bft 10 noch vor. Radar Rostock, 18.6.02, 20:13 © DWD, Offenbach