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Variation of weather radar sensitivity at ground level and from space: case studies and possible causes

Joss, Jürg; Gabella, Marco; Michaelides, Silas C.h.r.; Perona, Giovanni

Meteorologische Zeitschrift Vol. 15 No. 5 (2006), p. 485 - 496

published: Nov 17, 2006

DOI: 10.1127/0941-2948/2006/0150

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ArtNo. ESP025011505002, Price: 29.00 €

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Abstract

Firstly, this paper summarizes the procedure for correcting the variation of sensitivity of radars at ground level, using a radar in space for reference, as already described in the literature. Around 10dB have to be added to the measured radar reflectivity Z (in mm6/m3), when increasing the range from 10 km to 100 km. In other words, instead of an r−2-dependence (where r is the range, i.e. the distance between the radar and the meteorological target), we find an apparent reduction proportional to r−3. A similar procedure is used to analyze the dependence of the TRMM radar, using the adjusted data of the radar at ground level for reference. We have to add around 3dB to the measured reflectivity, when increasing the distance from close to Nadir (10 km) to the edge of the swath (100 km). In other words, instead of a constant sensitivity over the swath of the satellite, we find a reduction of sensitivity with the range, proportional to r−0.3. Secondly, the paper illustrates possible causes of the systematic range dependence of both radars. The old, dominant cause - overshooting of precipitation - is already vastly discussed in literature. We describe the variability of the precipitation with three case studies. The variability of the precipitation is difficult to quantify. It is concluded to be responsible for the variable range dependence and for many disillusions with radar.

Kurzfassung

Im ersten Teil wird ein Vorgehen zur Korrektur der Daten eines meteorologischen Radars am Boden zusammengefasst. Dabei dient das TRMM-Satellitenradar als Referenz. Dieses Vorgehen wurde bereits in der Literatur beschrieben. Ungefähr 10 dB müssen zur gemessenen Reflektivität Z (in mm6/m3) in r = 100 km Entfernung vom Radar addiert werden, um das Resultat mit dem Echo in r = 10 km vergleichbar zu machen. In andern Worten, wir finden, statt der bekannten quadratischen Abnahme (∼r−2), eine Echoabnahme ∼r−3. Ein entsprechendes Korrektur-Verfahren wird anschliessend für die Daten des TRMM-Satelliten Radars beschrieben, wobei das Radar auf Zypern als Referenz dient. Um das Resultat mit dem in r = 10 km Entfernung vom Nadir gemessenen Echo vergleichbar zu machen, müssen wir 3 dB zur Reflektivität in 100 km vom Nadir addieren. In andern Worten wir finden anstelle der Distanz-Unabhängigkeit für das TRMM-Radar eine Echoabnahme proportional zu r−0.3. In einem zweiten Teil werden mögliche Ursachen illustriert, die zu den beobachteten Phänomenen führen. Die Hauptursache (das Überschiessen der Echos in Bodennähe durch den Radarstrahl) wurde in der Literatur bereits beschrieben. Wir sehen eine zweite Ursache in der grossen Variabilität der Niederschläge. Zusammen mit nichtlinearen Transformationen zwischen der Radarreflektivität und davon abgeleiteten Grössen (Niederschlagsintensität oder die Schäden von Ereignissen) ergibt die mangelnde Feinauflösung wesentliche Fehler. Diese sind für die Variabilität der notwendigen Bereichskorrektur und damit auch für viele Enttäuschungen über Radarresultate verantwortlich.