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Was sind polarimetrische Radardaten?

 

Bei herkömmlichen Niederschlagsradaren wird eine Elektromagnetische Welle ausgesandt, die dann auf ein Niederschlagsteilchen (Hydrometeor) trifft. Ein Teil der ausgesandten Strahlung wird dabei reflektiert und am Radar detektiert. Mit der so gemessenen Reflektivität  Z lässt sich über die sogenannte Z-R-Beziehung, die Niederschlagsintensität ableiten. Des Weiteren kann mit Hilfe des Dopplereffektes die Zugbahn und Zuggeschwindigkeit der Teilchen bestimmt werden.

 

Seit 2008 nutzt das Meteorologische Institut ein polarimetrisches X-Band Radar. Hier wird das physikalische Prinzip der Polarisation ausgenutzt. Dabei versteht man unter einer polarisierten Welle, eine Welle bei der der elektrische Feldstärkevektor in einer Ebene, der sogenannten Polarisationsebene schwingt.

 

dual_pol2.jpg

( Bildquelle: http://http://www.roc.noaa.gov/wsr88d/dualpol/)

Die auf der rechten Seite in der Grafik zu sehende horizontal und vertikal polarisierte Welle, wird ebenfalls am Hydrometeor reflektiert und am Radar detektiert. Über unterschiedliche Beziehungen der beiden Wellen zueinander, wie beispielsweise der Phasenverschiebung, lassen sich spezifischere Aussagen über die Art der Hydrometeore machen. Mit Hilfe dieser verschiedenen polarimetrischen Momente können Aussagen über die Form der Niederschlagsteilchen gemacht werden und diese Klassifiziert werden.

 

Polarimetrische Momente:

 

Z - Die Radarreflektivität wird aus der Leistung des rückgestreuten Signals errechnet und ist ein Maß für die Intensität des Niederschlags im vom Radarpuls ausgeleuchteten Volumen. Die Messung ist leider sehr ungenau, so dass die markierten Regenraten an der Farbskala nur der Orientierung dienen können.

 

V - Ein entsprechend ausgerüstetes Radar kann die mittlere Geschwindigkeitskomponente der Niederschlagsteilchen auf das Radar zu bzw. von ihm weg messen. Die Komponenten senkrecht zur Radialrichtung können nicht gemessen werden; bewegen sich z.B. Teilchen die sich genau nördlich des Radars befinden in Richtung Osten, wird die Dopplergeschwindigkeit null gemessen. Die Niederschlagsteilchen driften meist mit dem Wind, so dass man die Dopplergeschwindigkeit mit der entsprechenden Windkomponente annähernd gleichsetzen kann.
Da die Dopplergeschwindigkeit aus der Phasenverschiebung von Signalen bestimmt wird, ist die Messung nicht eindeutig. Der Eindeutigkeitsbereich liegt bei unserem Radar zwischen -20 und +20 m/s und alle anderen Geschwindigkeiten werden zyklisch auf diesen Bereich abgebildet. Zum Beispiel wird eine echte Geschwindigkeit von +26 m/s als -14 m/s angezeigt.

 

ZDR - ZDR bezeichnet die differentielle Reflektivität. Die differentielle Reflektivität beschreibt dabei das Verhältnis der horizontal vom Radar ausgesandten Welle zur vertikal ausgesandten Welle. Die differentielle Reflektivität gibt demnach Aufschluss über die Geometrie der Hydrometeore. Bei sphärischen Hydrometeoren sind die Werte der horizontalen Reflektivität und der vertikalen Reflektivät identisch, wodurch ZDR = 0 wird. Mit zunehmendem Tropfenwachstum kommt es zur Abplattung der Tropfen, wodurch eine höhere horizontale als vertikale Ausdehnung vorzufinden ist. Hieraus folgt, dass die horizontale Reflektivität größer ist als die vertikale Reflektivität, sodass ZDR > 0 ist. Bei vorwiegend vertikal ausgerichteten Hydrometeoren ergeben sich analog Werte von ZDR < 0. 


Phidp - Die differentielle Phase ist die Phasenverschiebung zwischen horizontal und vertikal polarisierter Welle. Dabei entsteht die Phasenverschiebung durch unterschiedlicher Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen beim Auftreffen von Niederschlagsteilchen. In einem Volumen mit vorwiegend horizontal ausgerichteten Hydrometeoren besitzt die horizontal polarisierte Welle eine größere Phasenverschiebung und propagiert langsamer, als die vertikal polarisierte Welle. Aus der differentiellen Phase lässt sich ebenso die spezifische differentielle Phase bestimmen. Die spezifische differentielle Phase KDP  beschreibt dabei die Änderung der differentiellen Phase mit der Entfernung.


Rhohv - Der Korrelationskoeffizient Rhohv sagt aus wie synchron die zurückgestreuten Radarsignale der horizontal und vertikal polarisierten Welle zueinander sind.
Sind in einem betrachteten Volumen alle Niederschlagsteilchen sphärisch oder aber alle nichtsphärischen Niederschlagsteilchen mit gleichem Achsenverhältnis und in gleicher Richtung orientiert, so gilt idealerweise für den Korrelationskoeffizient Rhohv = 1 .
Sind in dem betrachteten Volumen jedoch die Achsenverhältnisse der Niederschlagsteilchen zueinander unterschiedlich oder aber Niederschlagsteilchen mit gleichem Achsenverhältnis unterschiedlich ausgerichtet, so gilt für den Korrelationskoeffizienten Rhohv < 1.
Hierdurch lassen sich unter anderem meteorologische von nicht meteorologischen Streuern unterscheiden, da bei nicht meteorologischen Streuern der Korrelationskoeffizient deutlich absinkt.

 


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