Viden om vejrradarer i en hydrologisk kontekst

Masser af fordele ved gode nedbørsestimater

Gode estimater af nedbørens stedslige og tidslige fordeling (spatiotemporale fordeling) er essentielt for at kunne bestemme sammenhængen mellem nedbør og afstrømning. Præcise nedbørsestimater giver f.eks. mulighed for at styre og regulere afløbssystemer og renseanlæg under kraftige nedbørshændelser. Det vil kunne begrænse skader ved regnbetingede oversvømmelser samt aflastninger i forhold til badevandskvalitet og recipienters vandkvalitet, ved aktivt at udnytte afløbssystemets og renseanlæggenes kapacitet i forhold til den givne nedbør. Endvidere giver præcise nedbørsestimater mulighed for at lave detaljerede retrospektive analyser af, hvordan en given nedbørshændelse påvirkede et givent system. Både menneskeskabte og naturlige vandsystemer.

Ved brug af vejrradarer er det muligt at opnå gode estimater af nedbørens stedslige og tidslige fordeling over et større areal (spatiotemporale fordeling). I skrivende stund er det ikke praktisk muligt at foretage nedbørsmålinger med lignede spatiotemporalopløsning ved brug af andre teknologier.

Vejrradarer giver endvidere mulighed for at kortlægge nedbørens variabilitet tredimensionelt i den nedre del af atmosfæren. Størrelsen af måleområdet samt præcisionen og den spatiotemporale opløsning af nedbørsestimaterne er afhængig af vejrradartypen. Det grundlæggende målprincip for alle vejrradartyper er dog ens.

Sådan måler vejrradaren

En vejrradar måler grundlæggende ved at sende en elektromagnetisk puls ud i atmosfæren i en given retning og elevation. Når den elektromagnetiske puls rammer noget i atmosfæren, bliver en del af energien fra den elektromagnetiske puls reflekteret tilbage mod radaren. Radaren opfanger derefter den reflekterede energi.

Måleprincippet er illustreret på den følgende figur:

Forskellige kategorier ud fra bølgelængder

Overordnet kan vejrradarer deles ind i forskellige kategorier efter de bølgelængder, som de anvender. De meste anvendte frekvensbånd til landbaserede civile vejrradarer er S-båndet, C-båndet og X-båndet:

• S-bånd vejrradarer opererer med en bølgelænge på 7,50-15 cm og en frekvens på 2-4 Ghz.
• C-bånd vejrradarer opererer med en bølgelænge på 3,75-7,50 cm og en frekvens på 4-8 Ghz.
• X-bånd vejrradarer opererer med en bølgelænge på 2,50-3,75 cm og en frekvens på 8-12 Ghz.

Fordele og ulemper ved de forskellige bånd

De tre typer af vejrradarer har forskellige fordele og ulemper. Jo længere bølgelængden jo mindre attenuering (dæmpning) af signalet vil der forekomme. Ved brug af S og C-bånds vejrradarer kan der derfor foretages målinger i op til 250 km afstand. Ulempen ved S og C-bånds vejrradarer er, at de kræver store antenne, hvilket gør hardware, installation og vedligehold dyrt. Kombinationen af radarens store dimensioner og deres store rækkevidde gør, at deres rotationshastighed er væsentlig lavere end for de mindre X-bånds vejrradarer. Dette resultere i, at den spatiotemporale opløsning for S og C-bånds vejrradarer ofte er lavere end den ønskede opløsning for afløbstekniske modellering på 1-5 min og 1km² (Schilling, 1991; Berne et al., 2004; Einfalt et al., 2004). Ved brug af X-bånd vejrradarer kan den ønskede opløsning for afløbstekniske anvendelser opnås, da disse radarer ofte kan levere opløsning på <1 min og <0,05km².

Ulempen ved at anvende X-bånds vejrradarer er den øgede attenuering af signalet, hvilket for mindre X-bånds vejradarer reducere målerækkevidden til <50km. Den øgede attenuering skydes en øget følsomhed, da X-bånd radarer kan detektere mindre partikler end C og S-bånd radarer. Den øgede målefølsomhed er dog også en fordel i forhold til hydrologisk og hydraulisk modellering af vores vandsystemer, da præcisionen af lavintense nedbør øges. Pga. den mindre fysiske størrelse af X-bånds vejrradarer er de ofte nemmere at placere optimalt i forhold til de ønskede måleområder (hydrologiske oplande). Endvidere er omkostninger til indkøb, installation og vedligehold væsentligt mindre sammenlignet med C og S-bånds vejrradarer.

Vigtigt med rette placering af vejrradar

Udfordringen ved at bruge vejrradarer til at måle nedbør (regn) med er, at vejrradar i princippet ikke kan kende forskel på nedbør og andre objekter i atmosfæren, hvilket er illustreret på den følgende figur:

Figuren ovenfor illustrere at der er mange faktorer, som kan påvirke nedbørsmålingen med vejrradarer. Det er derfor vigtigt at tage disse aspekter med i overvejelserne omkring opsætningen af en vejrradar. Ved at placere vejrradaren optimalt kan flere af effekterne illustreret på figuren ovenfor minimeres.

Brugen af vejrradarer til nedbørsmåling er beskrevet nærmere i bogen Radar for Meteorologists (Rinehart, 2010). I løbet af det seneste årti er der blevet lavet flere forskningsprojektet indenfor brugen af vejrradarer til hydrauliske og hydrologiske applikationer. F.eks. Vejrradarbaseret styring af spildevandsanlæg I (Rasmussen et al., 2008), Vejrradarbaseret styring af spildevandsanlæg II (Thorndahl et al., 2010), Combining C- and X-band Weather Radars for Improving Precipitation Estimates over Urban Areas (Nielsen, 2013), Combining weather radar nowcasts and numerical weather prediction models to estimate short-term quantitative precipitation and uncertainty (Jensen, 2015) and Adjustment of rainfall estimates from weather radars using in-situ stormwater drainge sensors (Ahm, 2017).

Dansk Meteorologisk Institut (DMI) har fem C-bånds vejrradarer, som tilsammen dækker Danmark. Endvidere har flere forsyninger lokale X-bånds vejrradarer, som dække deres lokale nærområder. Vejrradarernes placering (orange/grøn) er vist på kortet herunder sammen med de 164 aktive SVK regnmålere (marts 2017).

Bedre varsling af beredskab og borgere

Vejrradardatene vil på sigt kunne skabe merværdi for landets kommunerne og dets borgere, da dataene også kan bruges til bedre hydrologisk modellering af hele vandkredsløbet samt bedre varsling af beredskab og borgere. F.eks. varsling af potentielle oversvømmelse, dårligt trafikføre eller bare varsling af, hvornår vasketøjet skal tages ind og det er smart at cykle hjem fra arbejde.

Referencer

Ahm, M. (2017) Ph.D. Thesis: Adjustment of rainfall estimates from weather radars using in-situ stormwater drainge sensors, Department of Civil Engineering, Aalborg University.

Berne, A., Delrieu, G., Creutin, J.-D., Obled, C. (2004) Temporal and spatial resolution of rainfall measurements required for urban hydrology. Journal of Hydrology, 299(3–4), 166–179. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.002.

Einfalt, T., Arnbjerg-Nielsen, K., Golz, C., Jensen, N.-E., Quirmbach, M., Vaes, G., Vieux, B. (2004) Towards a roadmap for use of radar rainfall data in urban drainage. Journal of Hydrology, 299(3–4), 186–202. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2004.08.004.

Jensen, D. G. (2015) Ph.D. Thesis: Combining weather radar nowcasts and numerical weather prediction models to estimate short-term quantitative precipitation and uncertainty, Department of Civil Engineering, Aalborg University.

Nielsen, J. E. (2013) Ph.D. Thesis: Combining C- and X-band weather radars for improving precipitation estimates over urban areas, Department of Civil Engineering, Aalborg University.

Rasmussen, M. R., Thorndahl, S., Grum, M., Neve, S., Borup, M. (2008) Vejrradarbaseret styring af spildevandsanlæg, København.

Rinehart, R. E. (2010) Radar for Meteorologists, Rinehart Publications.

Schilling, W. (1991) Rainfall data for urban hydrology: what do we need? Atmospheric Research, 27(1–3), 5–21. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0169-8095(91)90003-F.

Thorndahl, S., Rasmussen, M. R., Neve, S., Poulsen, T. S., Grum, M. (2010) Vejrradarbaseret styring af spildevandsanlæg II. DCE Technical Report, 95(95), Aalborg University, Denmark.