Deutscher Wetterdienst
Abteilung Hydrometeorologie
Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
von
Dipl.-Met. Elmar Weigl
(DWD-Hydrometeorologie)
beim
Abschlusstreffen des Projektes AQUARadar
der
Universität Bonn
am
10. Juli 2009
in
Bonn
KU 4 – 07/2009 – Folie 1 von 26
Deutscher Wetterdienst
Abteilung Hydrometeorologie
Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 2 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 3 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Niederschlagsüberwachung im DWD
in situ: Regenmesser auf
Erdboden (1-2 m über der
Erdoberfläche)
-> WZN
KU 4 – 07/2009 – Folie 4 von 26
Fernerkundung: Bodengestütztes Wetterradar
-> RADOLAN
Fernerkundung: Wettersatelliten im All (oben: polar
umlaufend in ~800 km Höhe;
unten: geostationär in
~36000 km Höhe)
-> CM-SAF
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Abteilung Hydrometeorologie
Vor- und Nachteile der verschiedenen Niederschlagsüberwachungsmethoden:
Bodengestützte Messnetze
Radarbeobachtungen
+ direkte quantitative Messung
+ lange Messreihen vorhanden
+ teils hohe zeitliche Auflösung (1 min)
- indirekte Beobachtung
- diverse Fehlerquellen
- Quantifizierung aufwendig
-
+
+
+
+
begrenzte räumliche Repräsentanz
unregelmäßige Stationsverteilung
nur teilweise zeitnah übermittelt
hoher Bearbeitungsaufwand
flächendeckend
hohe räumliche Auflösung (1 km)
hohe zeitliche Auflösung (5 min)
zeitnah verfügbar
Satellitenbilder und -daten
+ sehr hilfreich zur Analyse der Großwetterentwicklung und in Gebieten
ohne ausreichende Abdeckung mit Boden- bzw. Radardaten
+ nutzbar als Hintergrundinformation, z.B. zur Fehlererkennung
- unterschiedliche Instrumente und Plattformen, daher klimatologisch nur
bedingt nutzbar
- indirekte Beobachtungen, nur bedingt für Niederschlag geeignet
- flächendeckend, aber (teils sehr) geringere Auflösung
KU 4 – 07/2009 – Folie 5 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 6 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Produktübersicht
(RADOLAN und RADVOR-OP)
 Radarniederschlagsanalyse (RADOLAN)
- Teil 1: nicht-angeeichte RADOLAN-Vorstufe
nur auf Basis von fünf-minütlichen Radarniederschlagsdaten
- Teil 2: angeeichte RADOLAN-Produkte
incl. Nutzung der aktuell verfügbaren stündlichen Ombrometerdaten
 Radarniederschlagsvorhersage (RADVOR-OP)
- Radar-Nowcasting bis zwei Stunden
KU 4 – 07/2009 – Folie 7 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Übersicht aller in Echtzeit verfügbaren
operationellen RADOLAN-Produkte
Teil 1: Nicht-angeeichte RADOLAN-Vorstufe
verfügbar
nach
zeitliche
Auflösung
Inhalt
Produktkennung
Anwendung
2 Min.
5 Min.
Original Radardaten in qualitativen rvp-6-Einheiten
RX
KONRAD, CellMOS,
EuRadCom
3 Min.
5 Min.
Radardaten nach Abschattungskorrektur und nach
Anwendung der verfeinerten Z-R-Beziehungen in
Niederschlagshöhen umgerechnet
RZ
Radarwetter,
quantitatives RADARNowcasting
5 Min.
5 Min.
Mitteleuropäische quantitative Radardaten: räumliche
Ausdehnung auf alle Deutschland beeinflussende FlussEinzugsgebiete
EZ
Quantitative
Niederschlagsanalyse
(Mitteleuropa)
5 Min.
5 Min.
qualitätsgeprüfte Radardaten nach Abschattungskorrektur
und nach Anwendung der verfeinerten Z-R-Beziehungen in
Niederschlagshöhen umgerechnet / Qualitätsflags
RY/QY
COSMO-DE,
AutoWARN
5 Min.
60 Min.
(alle 5 Min.)
RZ auf eine Stunde aufsummiert
RH
Warnwesen,
AutoWARN
7 Min.
60 Min.
(alle 5 Min.)
EZ auf eine Stunde aufsummiert
EH
Warnwesen
KU 4 – 07/2009 – Folie 8 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Teil 2: Angeeichte RADOLAN-Produkte
verfügbar
nach
zeitliche
Auflösung
Inhalt
Produktkennung
Anwendung
30 Min.
60 Min.
vorangeeichte Radardaten nach Anwendung eines Faktors
RB
RANIE, SNOW
30 Min.
60 Min.
angeeichte Radardaten: Endergebnis der Aneichung nach
Durchführung der gewichteten Mittelung aus zwei
Standardverfahren
RW
HVZ, quant. RADARNowcasting,
Landwirtschaft,
Auswertung
40 Min.
60 Min.
Mitteleuropäische quantitative Radardaten: räumliche
Ausdehnung auf alle Deutschland beeinflussende FlussEinzugsgebiete
EB/EW
Quantitative
Niederschlagsanalyse
(Mitteleuropa)
40 – 60 Min.
6h/12h/24h
(alle 60 Min.)
aufsummierte, angeeichte Radardaten
SQ/SH/
SF
Warnwesen, HVZ
60 – 120 Min.
60 Min.
Radardaten nach Merginganeichung/ angeeichte
Radardaten: Endergebnis der Aneichung nach
Durchführung der gewichteten Mittelung aus zwei
Standardverfahren und dem Mergingverfahren
RL/RU
HVZ
18 – 25 h
60 Min./24h
„nach-angeeichte“ Radardaten: Endergebnis der Aneichung
nach Durchführung der gewichteten Mittelung aus zwei
Standardverfahren
„RW2“,
„SF2“
HVZ
KU 4 – 07/2009 – Folie 9 von 26
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 Übersicht aller in Echtzeit verfügbaren RADVOROP-Produkte im prä-operationellen Testbetrieb
verfügbar
nach
zeitliche
Auflösung
Inhalt
Produktkennung
Anwendung
4 Min.
5 Min.
Qualitativ-quantitative, vorhergesagte Radardaten auf der
Basis der RZ-Produkte von RADOLAN; Vorhersage bis 2h
RV
Radarwetter,
quantitatives RADARNowcasting
5 Min.
60 Min.
(alle 15 Min.)
RV auf eine Stunde aufsummiert; Vorhersage bis 2h
RS
Radarwetter,
quantitatives RADARNowcasting
6 Min.
60 Min.
(alle 15 Min.)
Quantifizierte, vorhergesagte Radardaten auf der Basis der
RW-Produkte von RADOLAN und der RS-Produkte;
Vorhersage bis 2h
RQ
HVZ
KU 4 – 07/2009 – Folie 10 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Einführung von RADOLAN-ME:
Erweiterung der mitteleuropäischen quantitativen Radarkomposits (5min, 1h) und
Aneichung mit mitteleuropäischen Ombrometerdaten
Ist:
Integration der Radardaten
Belgiens, Frankreichs, der
Niederlande und der
Schweiz in die nationale
RADOLAN-Prozesskette;
nur Aneichung mit
nationalen Ombrometermessnetzen (DWD und
Bundesländer) und
„internationalen SYNOP‘s“
Soll:
Integration weiterer Radars
aus den Nachbarstaaten im
N, E und SE von
Deutschland und Aneichung
mit allen nationalen
KU 4 – 07/2009 – Folie 11 von 26
Ombrometermessnetzen
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 Einführung von RADOLAN-ME:
EW-Produktbeispiel vom 25.05.2009, 17:50 UTC:
links: nationaler; rechts: mitteleuropäischer Ausschnitt
KU 4 – 07/2009 – Folie 12 von 26
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Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 13 von 26
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Fachliches Monitoring von RADOLAN
KU 4 – 07/2009 – Folie 14 von 26
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 Fachliches Monitoring
Vor- und Nachteile der verschiedenen Aneichverfahren
Auswertung vom 10.06.2008, 18:50 UTC in der Oberpfalz
Ombrometer
Radar, original (RH)
Radar, vorangeeicht (RB)
Radar, „merging“ (RL)
Radar, „RL+RW“ (RU)
Radar, angeeicht (RW)
KU 4 – 07/2009 – Folie 15 von 26
Gerade bei extrem konvektiven Ereignissen zeigen
sich die unterschiedlichen
Schwächen der verschiedenen Aneichverfahren:
Subjektiv am besten schneidet
hier das vorangeeichte Produkt
RB ab. Während das aus den
beiden Standardverfahren berechnete RW sowohl die räumliche Verteilung verzerrt als auch
die Intensität auf über 300 mm/h
aufbläht, werden mit dem Merging-Produkt RL zwei weitere
Zellen vollkommen unterdrückt.
Beim
vermeintlich
besten,
objektiv
aus
allen
drei
Aneichverfahren verschnittenem
RU („best of three“) wird die
südöstliche
Zelle
auch
„verschmiert“.
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 Fachliches Monitoring
 Seit Dezember 2007 werden drei verschiedene Aneichverfahren im operationellen
Routinebetrieb erstellt
 Vergleich der zu täglichen Niederschlagswerten aufsummierten, stündlichen
Radarkomposits RA, RM, RW, RL und RU mit vier konventionellen Niederschlagsstationen auf Basis täglicher Werte (verschiedene Schwellenwerte) für vier Monate
 schlechtere POD für RL ab 5 mm/d, schlechtere RMSE für RL und RU (generell)
Probability of Detection (POD) resp. False Alarm Ratio (FAR)
RA-RM-RW-RL-RU [4 months: Dec 07 - Mar 08]
POD RA
FAR RA
POD RM
FAR RM
POD RW
FAR RW
POD RL
FAR RL
Root Mean Square Error (RMSE)
RA-RM-RW-RL-RU [4 months: Dec 07 - Mar 08]
RMSE RA
POD RU
FAR RU
RMSE RM
RMSE RW
RMSE RL
RMSE RU
1,0
10.0
0,9
precipitation threshold [mm/day]
0,8
POD resp. FAR
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
5.0
2.0
1.0
0.1
0,0
0.1
1.0
2.0
5.0
precipitation threshold [mm/day]
KU 4 – 07/2009 – Folie 16 von 26
10.0
0
1
2
3
4
5
RMSE
6
7
8
9
10
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Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 17 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Untersuchung des Starkniederschlages in Dortmund am 26.07.2008
► RADOLAN-Auswertungen für die Zeitspanne von 15 bis 18 Uhr MESZ: Abb. von oben nach
unten zeitlich angeordnet: 15-16, 16-17 und 17-18 MESZ bzw. von links nach rechts: Niederschlagsverteilung aus Boden-, Original-Radar- und kombinierten Boden-Radar-Messungen (RADOLAN, angeeicht)
MESZ 
Boden 
Original-Radar  Radar,angeeicht 
15-16

16-17
Foto: WDR; entnommen aus Berliner
Wetterkarte vom 30.07.2008

► In NRW noch kein Zugriff auf das
verdichtete Landes- und/oder
Wasserverbände-Messnetz
► Räumliche Niederschlagsstruktur 17-18
kann nur mittels Radar wieder
gegeben werden
KU 4 – 07/2009 – Folie 18 von 26
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 Untersuchung des Starkniederschlages in Dortmund am 26.07.2008
► RADOLAN-Auswertungen für die Zeitspanne von 15 bis 18 Uhr MESZ im Vergleich mit
den Bodenmesswerten der meteomedia-Station Dortmund-Universität und der
Station Dortmund-Marten der Emschergenossenschaft
Zeit (MESZ) 
 RADOLAN-Pixel bzw. Station
1h-RR-Wert (15-16)
1h-RR-Wert (16-17)
1h-RR-Wert (17-18)
3h-RR-Wert (15-18)
DO-Uni aus RADOLAN (Boden)
0,3
10,1
1,6
12,0
DO-Uni aus RADOLAN (Original-Radar)
100,1
126,9
71,9
298,9
DO-Uni aus RADOLAN (Radar-angeeicht)
43,1
66,5
19,0
128,6
Station DO-Uni (meteomedia)
50,3
125,2
24,7
200,2
Station Waltrop
0,0
2,7
5,4
8,1
Station Bochum
0,5
12,1
0,7
13,3
Station Gevelsberg
0,0
0,0
0,8
0,8
Station DO-Marten (EG; jeweils ca. zwei km
westlich und nördlich von DO-Uni)
bzw.
RADOLAN (Radar-angeeicht)
42,0
55,6
12,9
110,5
bzw.
43,0
bzw.
58,2
bzw.
20,1
bzw.
121,3
► Sowohl die gemessenen 1h- (von 16-17) und 3h-Werte der Station DO-Uni als auch die
aus RADOLAN ermittelten Werte übertreffen bei weitem die Jährlichkeit von 100 Jahren
► Die extrem hohe räumliche Variabilität dieses „Jahrhundertereignisses“ spiegelt sich
bereits bei den Werten der beiden Niederschlagsstationen innnerhalb Dortmund wieder
KU 4 – 07/2009 – Folie 19 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Untersuchung des Starkniederschlages in Poxdorf am 21.07.2007
Angeeichte
Tageswerte
des
Niederschlags mit maximalem Wert
von 146,1 mm gegenüber einem
maximal an der Station Bräuningshof
gemessenem Wert von 167,2 mm in der
Poxdorfer Zelle
Entfernung zu den nächsten Radars
jeweils ca. 100 km (südlich von
Neuhaus bzw. westlich von Eisberg)
Und genau im südwestlichen Teil
dieser Zelle, also abgewandt von
beiden Radars, liegt Bräuningshof 
klassischer Fall von Niederschlagsdämpfung
KU 4 – 07/2009 – Folie 20 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Untersuchung des Starkniederschlages in Poxdorf am 21.07.2007
Angeeichte Tageswerte des Niederschlags
mit Werten über 100 mm für die Zeitspanne
vom 21.07.07, 05:50 bis 22.07.07, 05:50 UTC
nur knapp östlich der nächst gelegenen
Online-Aneichstation Möhrendorf-Kleinseebach mit einem Stationswert von 73,5 mm.
Nur in 2 km Entfernung befindet sich in
Bräuningshof eine Offline-Station des AGV
„Mittlere Regnitz“, die einen Tageswert von
167,2 mm gemessen hat.
Station
Bräuningshof
Wellerstadt
Poxdorf
Hagenau
Effeltrich
Baiersdorf "Point"
Baiersdorf "In der Huth"
Möhrendorf-Kleinseebach
Mittel
Bräuningshof
Wellerstadt
Poxdorf
Hagenau
Effeltrich
Baiersdorf „Point“
Baiersdorf „In der Huth“
KU 4 – 07/2009 – Folie 21 von 26
RR
167,2
89,3
159,8
146,9
150,8
110,4
148,1
73,5
130,8
RH
151,7
122,5
179,3
172,0
210,9
120,9
138,0
113,2
151,1
RB
107,4
101,2
130,5
120,3
146,0
93,4
106,8
88,7
111,8
RW
99,3
94,0
119,0
110,4
131,6
87,9
99,2
82,8
103,0
Tägliche Niederschlagshöhen (RR) der
Stationen mit zugehörigen RADOLANWerten: RH = Radar-Original, RB = Radarvorangeeicht, RW = Radar-“best-angeeicht“
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Abteilung Hydrometeorologie
 Untersuchung des Starkniederschlages in Poxdorf am 21.07.2007
An 2 (von 8) Stationen (Bräuningshof; Baiersdorf „In der Huth“) sind sogar die Original-Radarwerte
niedriger als die Stationswerte; nur an 2 Stationen (Wellerstadt; Möhrendorf) sind die „bestangeeichten“ wirklich die „besten“!
Relative Fehler (s. Grafik)
60%
von RADOLAN zu den
gemessenen Werten der
50%
acht Stationen und im
40%
Mittel  Genauigkeit von
RADOLAN (Volumen30%
messung) zur punktuellen
20%
Stationsmessung am Ort
einer Aneichstation: ca.
10%
10%; vorangeeichte Werte
0%
(RB) sind im Mittel für
Bräuningshof Wellerstadt
Poxdorf
Hagenau
Effeltrich
Baiersdorf Baiersdorf "In MöhrendorfMittel
"Point"
der Huth"
Kleinseebach
diesen Fall und für dieses
-10%
Gebiet am besten!
-20%
Ähnlichkeit
zum
Dort-30%
munder Ereignis: sowohl
die extrem starken
-40%
Gradienten von 110,5 auf
RH-RR (rel.)
RB-RR (rel.)
RW-RR (rel.)
-50%
200,2 mm/3h (DO) auf 3 km
bzw. von 73,5 auf 167,2 mm/6h auf 2,5 km als auch extrem hohe Werte werden während des RADOLANProzesses geglättet bzw. gemindert. Teilweise sind sogar die hohen Original-Radarwerte am „besten“!
Aneichstation
KU 4 – 07/2009 – Folie 22 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
Aktueller Sachstand und Ausblick zur
quantitativen Niederschlagsbestimmung
mittels Boden- und Radarmessungen
 Einführung
 Produktübersicht (RADOLAN und RADVOR-OP)
 Fachliches Monitoring von RADOLAN
 Untersuchungen zu Starkniederschlagsereignissen
mittels RADOLAN
 Ausblick
KU 4 – 07/2009 – Folie 23 von 26
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 Ausblick
• Genauigkeit, Verifikation und Klimatologie von RADOLAN
• Stetisierung als verbessertes Kompositverfahren
• Vervollständigung von RADOLAN-ME:
-
Radars im N (DK), E (PL, CZ, …) und SE (A, …)
-
zusätzliche Ombrometer im benachbarten Ausland
• weitere Online-Stationen für die Aneichung durch
Kooperationspartner
KU 4 – 07/2009 – Folie 24 von 26
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Abteilung Hydrometeorologie
 Ausblick
• Erweiterung der Produktpalette von RADOLAN-ME:
-
EX-Produkt (analog zum RX)
-
EY-Produkt (analog zum RY)
• Unterscheidung in fest und flüssig beim RadarNowcasting (RE-Produkt)
• Operationalisierung des quantitativen Radar-Nowcastings
KU 4 – 07/2009 – Folie 25 von 26
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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
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Internet:
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Dipl.-Met. Elmar Weigl
Frankfurter Strasse 135
63 067 Offenbach/Main
[email protected]
[email protected]
www.dwd.de/RADOLAN
www.dwd.de/radvor-op

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