AQUARadar
Einfluss zeitlicher und räumlicher Variabilität von
Tropfenspektren auf die Niederschlagsbestimmung mittels Radar
M. Clemens (1), G. Peters (1), J. Seltmann (2), P. Winkler (2)
(1) Meteorological Institute, University of Hamburg, Germany; (2) Meteor. Obs. Hohenpeißenberg, DWD
Einleitung
MRR-Messungen zeigen sprunghafte Wechsel der integralen Beziehungen zwischen der Niederschlagsintensität R und der Radarreflektivität Z, die mit instantanen Änderungen der
mikrophysikalischen Eigenschaften von Niederschlag verknüpft sind. Diese zeigen sich in großen Änderungen des entsprechenden Koeffizienten a und des jeweiligen Exponenten b
einer Beziehung der Form Z=aRb. Es wird gezeigt, dass die Unterteilung der Niederschlagsereignisse in entsprechende Perioden anhand von MRR-Messungen möglich ist. Eine
anschließend auf Basis der neu eingeteilten Untersuchungszeiträume durchgeführte Regressionsanalyse führt zu neuen modalen Z/R-Beziehungen, die eine signifikante Verbesserung
der Schätzung der Niederschlagsintensitäten mittels Radar erlauben.
Datenanalyse
Abb. 2: Zeitliche Entwicklung der Steigung der Massenflussspektren r ( D) / D in mm-1h-1.
Abb. 1: In Wielenbach am 4. August 2006 mit einem MRR
gemessene dBZ-Profile (oben). Die schwarzen Punkte
zeigen die in den Daten detektierten Schmelzschichthöhen. Zeitreihen der Niederschlagsintensität R in mmh-1
(Mitte) sowie der Radarreflektivität Z in dBZ (unten). Die
schwarzen Linien zeigen die Intensitäten bzw. Reflektivitäten mit einer zeitlichen Auflösung von 10 Sekunden.
Die roten Linien stellen die 1-Minuten Mittelwerte dar.
Da die Z/R-Beziehung im doppelt-logarithmischen Raum
durch die lineare Regression bestimmt wird, kann das
betrachtete Niederschlagsereignis mit Hilfe einer linearen
Korrelationsanalyse in Perioden zerlegt werden, für die
modale Z/R-Beziehungen gültig sind. Diese weisen deutlich
geringere Konfidenzintervalle für die Schätzung der entsprechenden Parameter auf. Dazu wird aus den mit den
MRR gemessenen Z- sowie R-Zeitreihen ein linearer
gleitender Korrelationskoeffizient bestimmt. Das Zeitfenster
zur Bestimmung des Koeffizienten umfasst 15 Minuten,
was wiederum 90 Messungen entspricht. Zusätzlich wird
für jedes Zeitfenster das 99%-Konfidenzintervall sowie die
entsprechende kritische Korrelation bestimmt. Ein
Vergleich mit der zeitlichen Entwicklung der gemessenen
Spektren zeigt, dass die Korrelation genau zu den
Zeitpunkten plötzlich abnimmt, zu denen sich die Form der
Spektren ändert, d.h. zu diesen Zeitpunkten ist der lineare
Zusammenhang der betrachteten Größen Z und R nicht
mehr gegeben und die Relation zwischen beiden Größen
ändert nahezu instantan ihren Zustand. Als Schwellwert zur
Unterscheidung der einzelnen Perioden dient hier der
kritische Korrelationskoeffizient für eine Irrtumswahrscheinlichkeit von 1%.
Abb. 4, links: Aus Tropfenverteilungen bestimmte Z-R Paarungen in dBZ bzw. dBR
sowie die daraus abgeleitete mittlere Z/R-Beziehung (rote Linie) inklusive der
entsprechenden 99%-Konfidenzintervalle der Einzelmessungen (rote gestrichelte Linie).
Das entsprechende 99%-Konfidenzintervall der Regression ist in blau markiert. Die
schwarz gestrichelte Linie zeigt zum Vergleich eine klimatologische Z/R-Beziehung mit
a=210 und b=1.46. Rechts: Vergleich der direkt aus den gemessenen Tropfenspektren
abgeleiteten Niederschlagsraten R mit den aus den Reflektivitäten Z mittels einer
klimatologischen Z/R-Beziehung abgeleiteten Niederschlagsraten RZ-R. Die rote Linie
zeigt die Regressionsgerade und die schwarze Linie zum Vergleich die 1:1 Gerade.
Abb. 3, oben: Zeitreihen des gleitenden Korrelationskoeffizienten (dicke schwarze Linie), des entsprechenden
99%-Konfidenzintervalls (dünne schwarze Linien) sowie
die kritischen Werte der Korrelation bei einer
Irrtumswahrscheinlichkeit von 1%.
Unten: Vertikalschnitt der gleitenden Korrelation für alle
Höhenstufen der MRR-Messungen. Die schwarzen Linien
markieren die Zeitpunkte, an denen die Korrelation den
kritischen Koeffizienten unter- bzw. überschreitet. Die
grauen Punkte stellen die analysierte Höhe der
Schmelzschicht dar.
Abb. 5, links: Aus Tropfenverteilungen bestimmte Z-R Paarungen in dBZ bzw. dBR
sowie die daraus abgeleiteten modalen Z/R-Beziehungen (durchgezogene Linien)
inklusive der entsprechenden 99%-Konfidenzintervalle der Einzelmessungen (gestrichelte
Linien).
Rechts: Vergleich der aus den Tropfenspektren abgeleiteten Niederschlagsraten R mit
den aus den Reflektivitäten Z mittels der modalen Z/R-Beziehung abgeleiteten
Niederschlagsraten RZ-R. Die rote Linie zeigt die Regressionsgerade und die schwarze
Linie zum Vergleich die 1:1 Gerade.
Ausblick
Anhand der vorgestellten Analysen lassen sich Niederschlagszeitreihen in einzelne Phasen zerlegen, in denen der Zusammenhang zwischen Reflektivität Z und Niederschlagsintensität
R innerhalb eines engen Vertrauensbereichs signifikant definiert ist. Dies führt zu einer signifikanten Verbesserung der Schätzung der Niederschlagsrate R aus einer direkt gemessenen
Reflektivität Z, wie es bei Wetterradaren Anwendung findet. Hier ist besonders das MRR ein nützliches Instrument, da es bis in eine Höhe von etwa 3000 m eine solche Analyse erlaubt
und damit für die unteren Elevationen des Wetterradars je nach Abstand ein entsprechendes Schnittvolumen zugeordnet werden kann. Damit ist eine Eichung der Radardaten in den
entsprechenden Höhen oberhalb des MRR-Standortes möglich. Folgende Untersuchungen im Rahmen des Projektes AQUARadar sollen zeigen, ob die plötzlichen Änderungen sowie
die konstanten Phasen in der Niederschlagsphysik Signaturen in den gemessenen Größen im Radarvolumen aufweisen. Eine besonderes Gewicht soll dabei auf die Analyse
polarimetrischer Radargrößen, wie sie z.B. das Radar des DWD in Hohenpeißenberg misst, gelegt werden, da sie eine zusätzliche Informationsquelle zur Beschreibung der
mikrophysikalischen Gegebenheiten darstellen. Hier besteht die Hoffnung, dass auf diesem Weg die Ergebnisse der Analysen punktueller Messungen auf das Radarvolumen übertragen
werden können.

Einfluss zeitlicher und räumlicher Variabilität von Tropfenspektren