Wie funktioniert ein modernes Wetterradar – einfach erklärt

Wie funktioniert ein modernes Wetterradar - einfach erklärt

Spätestens zu dem Zeitpunkt, als der Mensch begann, das Land urbar zu machen, um darauf Getreide und Gemüse anzubauen, wurde die Wettervorhersage ein zentrales Thema. Daran hat sich bis heute nicht viel geändert, nur sind die Gründe für eine möglichst exakte Wettervorhersage wesentlich differenzierter geworden.

Spätestens zu dem Zeitpunkt, als der Mensch begann, das Land urbar zu machen, um darauf Getreide und Gemüse anzubauen, wurde die Wettervorhersage ein zentrales Thema. Das war vor rund 10.000 Jahren. Daran hat sich bis heute nicht viel geändert, nur sind die Gründe für eine möglichst exakte Wettervorhersage wesentlich differenzierter geworden. Aber die Erdatmosphäre, die für das Wetter verantwortlich ist, stellt ein sehr komplexes Gebilde dar, dessen verschiedene Interaktionen bis heute nicht vollständig erforscht sind.

Immerhin hat sich die Wettervorhersage gerade in den letzten dreißig Jahren wesentlich verbessert und besitzt heute, je nach Wetterlage, eine Genauigkeit von 70 bis 90 % für die nächsten 24 Stunden. Dabei sind lokale Wetterphänomene wie Regen, Schnee und Eis für verschiedene Bereiche der Gesellschaft von besonderer Bedeutung und hierbei sorgt unter anderem der Einsatz eines Wetterradars dafür, das sich der Mensch rechtzeitig darauf einstellen kann.

Wie funktioniert ein Wetterradar?

Das Wetterradar hat sich aus der Radartechnik entwickelt, deren Anfänge in den Versuchen Heinrich Hertz zu finden sind, der bereits 1886 feststellte, dass sich Radiowellen an Metalloberflächen reflektieren. Aus dieser Entdeckung entwickelte sich im Laufe der Jahrzehnte unter anderem das Wetterradar. Das Grundprinzip eines Wetterradars beruht, wie bei allen Radargeräten, auf dem Aussenden und Empfangen elektromagnetischer Wellen.

Diese elektromagnetischen Wellen werden in unterschiedlichen Frequenzen und Modulationen ausgestrahlt. Bezogen auf das Radar ist es eine sogenannte Impulsfolgefrequenz. Es wird also eine elektromagnetische Welle ausgestrahlt, die eine bestimmte Höhe und Länge besitzt. Bildlich gesprochen sieht diese Impulsfolgefrequenz wie eine Wellenlinie aus, deren Wellenspitzen und Wellentäler exakt bestimmt oder moduliert sind. Nach dem Aussenden der Impulsfrequenz wird vor dem nächsten Senden erst einmal eine Antwort abgewartet. Auch diese Pausen zwischen den einzelnen Impulsfrequenzen sind definiert.

Radarstation Wetter - wie funktioniert ein Wetterradar?

Diese genau bemessenen Zeitabstände sind wichtig für die Berechnung des zurückkommenden Signals beziehungsweise für die Entfernung zwischen dem Radargerät und dem Hindernis, das die Impulsfrequenz reflektierte. Damit besteht zwar die Gewissheit, dass sich in einer bestimmten Entfernung ein Hindernis befindet, nicht aber dessen Form, Eigenbewegung und Größe. Um auch die Form eines Hindernisses und dessen eigene Geschwindigkeit zu messen, werden verschiedene Techniken miteinander kombiniert. Für die Eigenbewegung wird der Dopplereffekt genutzt. Alle Signale, die sich mit Licht- oder Schallgeschwindigkeit bewegen, unterliegen aufgrund der Laufzeit einer Veränderung zwischen Sender und Empfänger. Diese Veränderung des Signals kann nun zur Messung der Geschwindigkeit verwendet werden.

Das funktioniert sowohl zwischen feststehenden Sendern und bewegten Empfängern oder Hindernissen wie auch zwischen zwei bewegten Objekten, also einem mobilen Radar und dem ebenso mobilen Hindernis. Um nun auch die Größe oder das Volumen des Hindernisses feststellen zu können, wird bei einem herkömmlichen Radar der Radarquerschnitt des zurückkommenden Signals berechnet, was wiederum Rückschlüsse auf die effektive Rückstrahlfläche zulässt. Bei einem Wetterradar und etwa der Messung von Regentropfen funktioniert dies aufgrund der geringen Größe der Rückstrahlflächen nicht so einfach. Hier wird die Reflektivität zugrunde gelegt. Dies ist ein Querschnitt aller zurückgestrahlten Signale, die es aufgrund von Erfahrungswerten erlauben, die Anzahl und Größe von Regentropfen zu bestimmen.

Das Wetterradar und seine Entwicklung

Obwohl die Grundlagen zur Radartechnik schon in den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts durch Christian Hülsmeyer gelegt wurden, der einen ersten Vorläufer moderner Radargeräte 1904 zum Patent anmeldete, blieb das öffentliche Interesse vorerst gering und die Erfindung geriet zunächst in Vergessenheit. Kurz vor Ausbruch des Zweiten Weltkrieges rückte das Radar wieder in das öffentliche oder besser in das militärische Interesse. Während im Ersten Weltkrieg die Luftwaffe praktisch keine Rolle spielte, stellte sie sich im Zweiten Weltkrieg als eine der wichtigsten Komponenten innerhalb der Kriegsführung auf beiden Seiten dar.

Dementsprechend wichtig war es, feindliche Flugzeuge rechtzeitig ausmachen zu können. Das Radar wurde zum zentralen Forschungsbereich sowohl der Alliierten wie auch der Deutschen. Schon zur Mitte der 1930er Jahre konnten Deutschland und England funktionierende Radarsysteme vorweisen. Im Laufe der folgenden Kriegsjahre entwickelte sich das Wetterradar aus dem herkömmlichen Radar, da sich bei diesem Schlechtwetterfronten als unerwünschte Störechos zeigten, die unter Umständen anfliegende Feindflugzeuge verbergen konnten. Die wichtigsten Entwicklungen, bezogen auf das Wetterradar, fanden aber erst nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges statt.

Neuartiger Wetterradar schafft minutengenaue Vorhersage

Was ist mit einem Wetterradar möglich?

Die Nutzung eines Wetterradars hängt mit der verwendeten Frequenz zusammen, in der ein Signal ausgestrahlt wird. Darum werden Wetteradargeräte entsprechend ihrer vorwiegenden Verwendung bezeichnet. Sie unterteilen sich in:

  • Niederschlagsradar mit kurzer und mittlerer Reichweite
  • Niederschlagsradar mit großer Reichweite
  • Windprofiler zur Messung der Dichte von Luftmassen
  • Windprofiler zur Messung von Grenzschichten bei Wolken und Nebel
  • Wolkenradar mit großer Reichweite, wird in Satelliten eingesetzt
  • Wolkenradar mit kurzer Reichweite
  • Airborne Radar, zur Verwendung in Flugzeugen
  • Microburst Radar, zum Einsatz auf Flugplätzen

Die hier aufgeführten Radartypen kommen nicht alle zur Wettervorhersage in den Einsatz, sondern dienen teilweise der kurzfristigen Gefahrenabwehr wie etwa im Flugverkehr oder der langfristigen Messung klimatischer Veränderungen.

In Deutschland mit seiner sehr dichten Bebauung findet vor allem das Niederschlagsradar mit kurzer und mittlerer Reichweite, bis 200 km, seine Anwendung. Es dient hierbei zur Vorhersage von Regen- Schnee- und Hagelfällen, die üblicherweise lokal begrenzt sind. Allein in Deutschland befinden sich aktuell 17 Niederschlagsradargeräte im Einsatz, verteilt auf das gesamte Bundesgebiet. Dazu kommen je 5 Radaranlagen in der Schweiz und in Österreich. Diese sehr hohe Dichte erlaubt eine sehr präzise Vorhersage einer Niederschlagswahrscheinlichkeit, wobei wiederum Unterschiede in der Trefferquote bezüglich Schnee, Hagel oder Regen bestehen. Während Regen und Hagel sehr gut prognostiziert werden können, ist Schneefall wesentlich schwieriger einzuschätzen.

Im Flugverkehr stellt das Wetterradar in Form des Airborne Radars und des Microburst Radars eines der wichtigsten Instrumente zur Flugsicherung dar. So wird mit dem Microburst Radar auf Flughäfen festgestellt, ob Fallwinde oder Fallböen bestehen, die beim Start und bei der Landung gefährlich sind. Das in Passagierflugzeugen in der „Nase“ verbaute Airborne Radar dient neben der Erfassung von Wetterverhältnissen gleichermaßen der Erkennung anderer Flugzeuge und ist mit einem Antikollisionssystem gekoppelt.

Die Kopplung zweier Systeme, dem Radar und der Satellitennavigation, findet sich außerdem in der See- und Binnenschifffahrt zur automatischen Steuerung und der Verhinderung von Havarien.

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