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BBC-2 Messungen

  BBC-2 Messkampagne

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Im Rahmen der internationalen Messkampagne BALTEX-Bridge Campaign BBC-2 wurden im Mai 2003 Messungen zur Studie der örtlichen und zeitlichen Variabilität von Niederschlag und seinem Tropfenspektrum auf dem Gelände des meteorologischen Observatoriums bei Cabauw (Niederlande) durchgeführt. Dabei wurden vier MRRs, ein 2D-Video Distrometer, sowie mehrere in-situo Regenmesser auf einem Gebiet von ungefähr 200 x 600 Metern eingesetzt. Messungen des Transportable Atmospheric Radar (TARA), des C-Band Wetterradar De Bilt, zwei Windprofilern, und des Meteorologischen Messmastes wurden zur Kalibration und korrekten Interpretation der Daten hinzugezogen (siehe Tabelle).

Die hohe räumliche Variabilität des Regens und Inhomgenität des Tropfenspektrums innerhalb eines größeren Messvolumens (wie zB das ausgeleuchtet Volumen eines Wetterradars oder das Gitter eines Models) erschwerte die realsitische Abschätzung von gefallenem Niedershlag. Punktmessungen durch Stationwerte sind nicht nur aus diesem Grund bedingt aussagekräftig, sondern leiden auch durch andere Fehlerquellen wie Horizontalwind (siehe folgendes Beispiel 2), Verlusten durch Spritzwasser und mangelnder Sensitivität. In diesem bis jetzt einzigartigem Experiment wurde die räumliche Verteilung der Regentropfen in der höhe sowie im horizontalen mit 30 sekunden Auflösung gemessen. Zur Erkennung und Elimination von Fehlerquellen wurde eine Vielzahl von verschiedenen Instrumenten verwendet.

Im folgenden sind einige interessante Beispiele zur variabilität des Tropfenspektrums und den Konsequenzen für die operationelle Niederschlagsmessung zu sehen.
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Instrumente Institut
Radar  
24 GHz FMCW Mikro Regen Radar (1) Universität Bonn
24 GHz FMCW Mikro Regen Radar (2) Universität Bonn
24 GHz FMCW Mikro Regen Radar (3) Universität Wageningen
24 GHz FMCW Mikro Regen Radar (4) Universität Marburg
3 Ghz FMCW TARA Technische Universität Delft
35 GHz Wolkenradar KNMI
5 GHz Wetterradar KNMI
Distrometer  
2D-Video Distrometer Universität Wageningen
Regenwippen  
3 Regenwippen 0.2 mm Sensitivität Universität Wageningen
1 Regenwippe 0.1 mm Sensitivität KNMI
Windprofiler  
MODOS Sodar/RASS IfT Leipzig
1.29 GHz Windprofiler/RASS KNMI


Die zeitliche Änderung der Radarreflektivität Z und des Verhältnisses von Z zur Regenrate R erzeugt bei betrachtung mehrerer Messwerte die bekannten Z-R Beziehungen der Form Z=aR^b. Das wiederholte Auftreten  von bestimmten so abgeleiteten Z-R Beziehungen läst auf die möglichkeit der Parametrisierung für manche Ereignisse schließen, obwohl dies bisher nur zu beschränkten Erfolgen geführt hat.

Die folgenden Abbildungen zeigen Zeitreihen von MRR Reflektivitätsprofilen, die Wetterradarscans aus De Bilt, und Streuplots der Parameter Z (Radarreflektivität) und R (Regenrate), die aus den Tropfenspektren berechnet wurden. Die Streuplots zeigen die Messungen zwischen den Zeiten, die durch schwarze Linien in den Höhenprofilen markiert sind. Das 2D-Video Distrometer wird in schwarzen Kreuzen gezeigt, die MRR-Messungen in rot (200 meter Höhe), orange (800 meter Höhe), und blau (1500 meter Höhe). Als zusätzliche Information ist die horizontale Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe gezeigt, da diese Abweichungen zwischen in-situo Instrument und Radar erklärt.

Das verhältnis Z/R wird durch die Größenverteilung der Tropfen bestimmt: viele große Tropfen bedeuten hohes Z/R, wenig große und viele kleine gibt ein kleineres Z/R, da Z~Summe(Tropfendurchmesser^6) und R~Summe(Tropfendurchmesser^3.67). Die eingezeichnete Linie zeigt die Z-R Beziehung Z=250R^1.46, welche häufig als standard Z-R Beziehung benutzt wird. Abweichungen von dieser Beziehung würden einen vergeleichbaren Fehler in der Niederschlagsmessung durch Radar geben. Durch klicken auf das Bild wird eine Animation gestartet, die die zeitliche Variabilität der Tropfenverteilung zeigt.


Beispiel 1: 19.05.2003

Ein großflächiges Niederschlagsgebiet mit konvektiven Strukturen zieht über Cabauw hinweg. Die hohen Fallstreifen zeigen große variabilität im Horizontalen und unterhalb der Schmelzschicht wenig im Vertikalen. Die Z-R Beziehung ändert sich nur wenig mit der Höhe. Disdrometer und MRR zeigen gute Übereinstimmung, was mit der starken Regenintensität und wenig horizontalwind zusammenhängt. Die Niederschlagsmessung mit Wetterradar und standard Z-R Beziehung würde hier eine Überschätzung in hohen Regenraten geben.

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Beispiel 2: 23.05.2003

Nieselregen mit wenig vertikaler Ausdehnung, ohne sichtbare Schmelzschicht (warmer Regen). Das auftretende vertikale Reflektivitätsprofil (VRP) führt zu einer Unterschätzung der Niederschagsintenität am Boden wenn der Wetterradarstrahl über 800 m liegt. Eine standard Z-R Beziehung würde ebenfalls zu einer Unterschätzung der Niederschlagsrate führen, weil das Tropfenspektrum zu kleinen Tropfen verschoben ist (sehr kleines Z/R Verhältnis). Der starke Horizontalwind verhindert das auffangen der für den Gesamtniederschlag hier sehr wichtigen kleinen Tropfen durch in-situo Instrumente (hier Disdrometer gezeigt). Wetterradar sowie Stationwerte unterschätzen beide den auf den Boden fallenden Niederschlag.

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Folgende Beispiele:

Zeitlich sehr variable Z-R beziehungen machen die genaue Messung von Niederschlag mit Wetterradar und festen Z-R beziehungen fast unmöglich. Obwohl die standard Z-R Beziehungen sehr kurzzeitig ihre Gültigkeit zu haben scheinen, ändern sie sich so schnell innerhalb eines Ereignisses, dass andere Ansätze, die die raum-zeitliche Struktur und Änderung des Niederschlags berücksichtigen (in Ausdehnung, Intensität, auftretender Schmelzschicht), wünschenswert sind. Die beobachtung der Beispiele lässt vermuten, wie die Entwicklungsgeschichte der Tropfenpopulation sich auf das Z/R verhältnis auswirkt.


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Für Nachfragen bzgl. Messungen und Datenarchiv: Malte Diederich

Technische Betreuung und Aufbau : Dr Andreas Schneider

Die aufgenommenen Messungen sind Eigentum des Meteorologischen Instituts Universität Bonn, Gruppe Fernerkundung. Anfragen bzgl. Datenweitergabe und Kooperation sind an Prof. Dr. Clemens Simmer zu richten.

Bilder dürfen nur mit Hinweis auf diese Webseite weiterverwendet werden.

Letzte Änderung: 23.09.2004        
Malte Diederich

 

 

 

 

 

 

 

 

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