Deutschland erlebt zurzeit bei einer kräftigen westlichen Strömung eine kleine Sturmserie. Verbreitet treten dabei warnwürdige Windgeschwindigkeiten auf. Diese Wind- bzw. Sturmböen lassen sich nicht nur mittels vor Ort installierter Windmessgeräte direkt bestimmen. Eine weitere Möglichkeit der Abschätzung von Windgeschwindigkeit und -böen ist mithilfe von Doppler-Radarsystemen möglich. Aber was ist ein Doppler-Radarsystem genau und wie funktioniert es? Bei einer Radarmessung wird von dem Radarstandort aus ein sehr kurzer elektromagnetischer Impuls im Mikrowellenbereich in eine bestimmte Richtung ausgesendet. Dieser Impuls breitet sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aus. Trifft er auf einen Streukörper, d.h. beispielsweise ein Niederschlags- oder Staubpartikel, auf Insekten oder ähnliches, wird ein bestimmter Anteil des Impulses zurückgestreut und am Radarstandort registriert. Bei den Niederschlagsradarsystemen wird nun aus der Zeit zwischen Aussendung und Empfang des zurückgestreuten Impulses, also der Laufzeit des Impulses, die Entfernung des Streukörpers abgeleitet. Die Stärke des zurückgestreuten Signals lässt Rückschlüsse auf die Niederschlagsart und -intensität zu.
Was passiert aber nun beim Dopplerradar?
Der ausgesendete Impuls lässt sich generell als schwingendes Wellensignal mit gleichmäßigen Wellenbergen und -tälern beschreiben. Die Frequenz des Signals beschreibt die Anzahl dieser Berge und Täler in einem bestimmten Zeitintervall. Wird das Signal an einem ruhenden Streukörper reflektiert, empfängt man am Radarstandort den zurückgestreuten Anteil des Signals mit der gleichen Frequenz wie das gesendete Signal. Bewegt sich der Streukörper jedoch auf den Radarstandort zu, werden aufeinanderfolgende Wellenberge und -täler jeweils einen kleinen Moment früher zurückgestreut. Dadurch wird am Radarstandort im Vergleich zum gesendeten Signal in der gleichen Zeit eine höhere Anzahl an Wellenbergen und -tälern registriert. Es liegt also eine zeitliche Stauchung des Wellensignals vor (siehe Grafik unter www.dwd.de/tagesthema). Folglich ist die Frequenz des rückgestreuten Signals höher als die des gesendeten. Umgekehrt kommt es zu einer zeitlichen Dehnung des Signals, also einer Frequenzerniedrigung, wenn sich ein Streukörper vom Radarstandort entfernt. Diesen Effekt der Frequenzverschiebung bezeichnet man als Doppler-Effekt. Akustisch kennt man ihn meist von vorbeifahrenden Polizei- oder Krankenwagen. Während sich diese auf den ruhenden Beobachter zubewegen, registriert dieser das ausgesendete Signal des Martinshorns mit einer zeitlichen Stauchung, also einer erhöhten Frequenz. Das Gehör nimmt eine höhere Tonlage wahr. Nachdem der Krankenwagen den Beobachter passiert hat und sich von diesem entfernt, ändert sich jedoch die Tonlage. Das vom Beobachter registrierte Signal besitzt aufgrund des Doppler-Effekts eine niedrigere Frequenz, er nimmt eine tiefere Tonlage des Signals wahr.
Mithilfe der Frequenzunterschiede zwischen gesendetem und rückgestreutem Radarsignal lassen sich nun beim Doppler-Radar die Geschwindigkeiten der Streukörper ableiten. Damit erhält man einen Aufschluss über die dort vorherrschenden Windgeschwindigkeiten relativ zum Radarstandort und kann Aussagen über potentielle, am Boden auftretende Windböen treffen. Gibt das Radar nun von seinem Standort aus Impulse in verschiedene Höhen und Richtungen ab, können Streukörper in einem Umkreis von etwa 150 km in verschiedenen Höhen detektiert werden. Anschließend werden die Informationen der gesendeten und empfangenen Radarstrahlen zusammengetragen und ausgewertet. Damit lassen sie die Windverhältnisse flächendeckend und in verschiedenen Höhen in einem Radarbild darstellen. Bei der Betrachtung und Interpretation der Doppler-Radarbilder ist jedoch Vorsicht geboten. Partikel, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit genau auf das Radar zu bzw. vom Radar weg bewegen, weisen eine maximale Radialwindgeschwindigkeit auf, während Partikel, die sich mit der gleichen Geschwindigkeit exakt senkrecht zum Radarstandort bewegen, keine Radialwindgeschwindigkeit zeigen. Bei der Betrachtung des Doppler-Radars am Standort Flechtdorf am 29.03.2015 um 15 Uhr in 1000 m Höhe lassen sich Windgeschwindigkeiten von 24,5 m/s bis zu 31,5 m/s (113,4 km/h) in Richtung des Radarstandorts (Mitte des Fadenkreuzes) erkennen (siehe Grafik unter www.dwd.de/tagesthema). Am Boden wurde beispielsweise in Düsseldorf im Westen des Radarstandorts eine Windböe von etwa 104 km/h registriert, was die Aussage des Doppler-Radars bestätigt. Anhand der Nulllinie (lila eingefärbt) kann man die Windrichtung (weißer Pfeil) ableiten. Auf dieser Nulllinie bewegen sich die Streukörper parallel zum Radarstandort. Das Doppler-Radar stellt somit ein nützliches Hilfsmittel zur flächendeckenden Abschätzung von Windgeschwindigkeiten in bestimmten Höhen dar, mit denen unter anderem auch auf Windböen am Boden geschlossen werden kann.
M.-Sc. Met. Sebastian Schappert und Dipl.-Met. Adrian Leyser
Deutscher Wetterdienst