Bir hava radar türüdür radar kullanılan meteoroloji bulmak için çökeltme , yer değişimini hesaplamak ve türünü belirlemek ( yağmur , kar , dolu vs.). Elde edilen verilerin üç boyutlu yapısı, bulutlarda yağış hareketlerinin de çıkarılmasını ve böylelikle hasara neden olabilecekleri tespit etmeyi mümkün kılmaktadır. Son olarak, izleyici olarak yağış kullanarak, alt atmosferdeki rüzgarların radyal yönünü ve hızını belirleyebiliriz.
II.Dünya Savaşı sırasında radar operatörleri, parazitik yankıların yağıştan kaynaklanıyor gibi göründüğünü fark ettiler ve bu rahatsız edici yankıları filtrelemek için teknikler geliştirildi. Bununla birlikte, bilim adamları meteoroloji potansiyelini çabucak fark ettiler ve çatışma biter bitmez, yağışların tespiti için askeri radarlar kullanıldı. Bugün, hava durumu radarları ulusal hava durumu hizmetleri, hava alanları, üniversite meteoroloji araştırma departmanları ve hatta günlük haber raporlarında televizyon istasyonları tarafından kullanılmaktadır .
Bu radarlardan elde edilen ham veriler, görüntüler oluşturmak için kullanılabilir veya kısa vadede hareketlerini tahmin edecek ( şimdi yayınlama ) özel bir yazılım tarafından işlenebilir . Hatta bilgileri , hava durumu analizlerini iyileştirmek için sayısal hava durumu tahmin modellerine yüklenebilir ve bu da daha iyi tahminler yapmalarına olanak sağlar.
1864'te James Clerk Maxwell , kaynakları üzerinde ilk kez çalışmayı mümkün kılan elektromanyetizma yasalarını tanımladı. 1889'da Heinrich Rudolf Hertz , elektromanyetik dalgaların metal yüzeyler tarafından yansıtıldığını gösterdi. İlk yıllarda XX inci yüzyılın birçok mucitler , bilim adamları ve mühendisler çeşitli ülkelerden sadece başlaması için zamanında, radar gelişimine katkıda İkinci Dünya Savaşı . Çatışma sırasında, bir mikrodalga radar operatörleri Müttefik ordularına olduğu ortaya çıktı kirlenmesini fark yankıları gelen yağış ( yağmur , kar , vs.). Savaşın hemen ardından, rapor edilen olaylarla ilgili araştırmalarına çoktan başlamış olan askeri bilim adamları, hem askeri hem de sivil hayatta çalışmalarına devam ettiler.
Amerika Birleşik Devletleri'nde, David Atlas , Hava Kuvvetleri Grubu ve daha sonra Massachusetts Teknoloji Enstitüsü için radar meteorolojisinde öncüdür . İlk operasyonel meteorolojik radarların geliştirilmesine katıldı. Kanada'da, J. Stewart Marshall ve RH Douglas , Montreal'deki McGill Üniversitesi'nde " Fırtınalı Hava Grubu " nu oluşturuyor . Marshall ve öğrencisi Walter Palmer, genellikle ZR ilişkisi olarak adlandırılan zeminde yansıtma (Z), dönüş yağış yoğunluğu ve yağış oranı (R) arasındaki ilişkiye yol açan yağıştaki damlacıkların çap dağılımı üzerinde çalışarak kredilendirildi . In Britain , araştırma yağış özelliklerine ve 1 ile 10 santimetre arasında farklı dalga boyları tarafından sunulan olanaklarla yankı imzaları ilişkilendirmek devam etti.
1950 ile 1980 arasında, dünyanın dört bir yanındaki çeşitli meteoroloji hizmetleri, yağışları yansıtıcılıklarına göre takip etmek için meteorolojik radarlar inşa etti. Birincisi, bu radarlar büyük merkezlerde ve sınırlı sayıda açı ile yerel kullanım içindi ve askeri fazlalıklardan geliyordu. Katot ışını ekranlarındaki yankıları takip etmek zorunda kalan meteorologlar tarafından gerçek zamanlı olarak ameliyat edildi. 1957'de Ulusal Hava Servisi , yağışları tespit etmek için özel olarak tasarlanmış ilk radarı olan WSR-57'yi tanıttı . 1953'te, Illinois Eyaleti Su Araştırması için çalışan bir elektrik mühendisi olan Donald Staggs, kasırga fırtınası ile ilişkili yansıtma çıktıları üzerindeki tipik kancayı ilk fark eden oldu.
1970'lerde, standardizasyonun başlamasıyla çeşitli radarlar ağlar halinde organize edilmeye başlandı. İlk görüntü yakalama sistemleri geliştirildi. İncelenen açıların sayısı artar, bu da üç boyutlu bir veri hacmi elde etmeyi sağlar. Hem yatay (CAPPI) hem de dikey kesimler geliştirilmiştir. Böylece gök gürültülü fırtınaların ve diğer bulutların yapısını inceliyoruz (diğerleri arasında Isztar Zawadzki ). Araştırma grupları, özellikle Amerika Birleşik Devletleri'nde 1964'te Edwin Kessler'in önderliğinde kurulan NSSL olmak üzere dünya çapında mantar gibi çoğaldı ve radar sinyalinin polarizasyonundaki varyasyonun yanı sıra Doppler kullanımı üzerinde de deneyler yapmaya başlıyor. Fizeau etkisi . İçindeMayıs 1973Oklahoma City'nin hemen batısındaki Union City kasabasına bir kasırga çarptı . NSSL'nin deneysel 10 cm dalga boylu radarı , bu fenomenin tüm ömrünü ilk kez kaydedebildi. Doppler etkisi sayesinde araştırmacılar , kasırga oluşmadan önce fırtına bulutunda mezosiklon adı verilen bir dönüşü görebildiler ve bu da Ulusal Hava Servisi'ni bu yeni bilginin şiddetli gök gürültülü fırtınaları tahmin etmek için çok önemli olacağına ikna etti .
1980 ve 2000 yılları arasında meteorolojik radar ağları Kuzey Amerika , Avrupa , Japonya ve diğer bazı ülkelerde yaygınlaştı . Geleneksel radarların yerini yalnızca yağış yoğunluğunu değil, aynı zamanda hareket hızlarını da (Doppler etkisi) algılayabilen radarlar alıyor. Amerika Birleşik Devletleri'nde, bu 10 uygulama cm dalga boyu radarlar denilen NEXRAD veya WSR-88D 1988 yılında başladı ve 1990'ların başında sona erdi. In Canada , ilk Doppler radar olduğunu King City, kuzey ve Toronto içinde 1985 . 5cm dalga boyu ile konsepti test etmek için yapılmıştır . İkincisi, 1993'te McGill Üniversitesi'nden 10 cm'lik olacak . Kanada meteorolojik radar ağı 1998'den itibaren tamamen modernize edildi. Fransa ( ARAMIS ağı ) ve diğer Avrupa ülkeleri 1990'ların sonunda ve 2000'den sonra dönüştürüldü. Avustralya'da , 1990'ların sonunda ve 2000'in başında birkaç arama radarı inşa edildi, ancak 2003 yılına kadar ulusal ağı yenilemek için bir program, Doppler işlevli radarlar için belirli alanları ayırdı.
BT'nin göz kamaştırıcı gelişimi, çok sayıda doğrudan ürün (CAPPI, ÜFE, kümülatif yağış, vb.) Üretmek için radar verilerini gerçek zamanlı olarak işlemeyi ve aynı zamanda tehlikeli yağışları (gök gürültülü fırtına, yağmur, sağanak yağış) tanımlamayı mümkün kılan algoritmaları mümkün kılar. , bulutların altındaki rüzgarlar vb.) ve kısa vadede hareketlerini tahmin etmek.
2000 yılından sonra radar sinyalinin ikili polarizasyonu üzerine yapılan araştırmalar yağış tipinin tespitinde pratik uygulamalar bulmaya başladı. La France , Kanada , ABD, Avustralya ve diğerleri, bazı radarlarını bu konsepti operasyon öncesi modda kullanmak için çevirdi. Elektronik taramada mekanik sondajın yerini almak için üç boyutlu elektronik tarama radarında bir araya getirilmiş aşamalı dizi antenleri kullanmak için araştırmalar 2003 yılından beri devam etmektedir , bu nedenle daha hızlıdır.
Sürekli bir dalga radarının aksine, bir hava durumu radarı monostatik bir darbe radarıdır . Periyodik olarak çok kısa süreli bir darbe yayar. İki darbe arasındaki aralık, belirli bir radar aralığı için hesaplanır. Bu, bir sonraki darbe gönderilmeden önce yağıştan dönen yankıların alınmasını sağlar. Böylece çökeltinin konumunu, yoğunluğunu ve yer değiştirmesini belirleyebiliriz.
Bir elektromanyetik darbe, bir elektronik osilatör ( magnetron , klystron veya diğerleri) tarafından üretilir . Bir dalga kılavuzu aracılığıyla yönlü bir antene gönderilir. Azimut ve yükseklik çözünürlüğünü tanımlayan ışın genişliği, antenin özelliklerine bağlıdır ve tek sinüzoidal darbe süresi (bir mikrosaniye mertebesinde ) radyal çözünürlüğü tanımlar. Daha iyi radyal çözünürlük elde etmeyi mümkün kılan sıkıştırılmış darbeler kullanmak mümkündür.
Böylece, bir darbe , radara olan uzaklıkla (h: darbenin genişliği, r radara olan mesafe ve ışının açılma açısı) artan bir atmosfer hacmini araştırır . Sağdaki resimde, farklı zamanlarda bir radar bırakan iki darbenin kapladığı hacmi görüyoruz. Bir radar ışınının tipik boyutları, kulağa hacmi bu nedenle 0.001 arasında değişir km 3 radar yakın 1'e kadar km 3 200 km sonrakinden. Buna “radar hacmi” denir.
Bir darbe yağış alanına girdiğinde , geri kalanı devam ederken küçük bir kısmı radara geri saçılır (yansıtılır). Bu getiri, incelenen hacimdeki tüm damlaların getirilerinin toplamıdır ve hacim hedefleri için radar denklemi yoğunluğu yönetir:
Veya:
Hacim hedeflerle doldurulduğunda yoğunluklarının ortalamasını alırız, ancak sadece kısmen doldurulursa, ekosu olmayan alanları dahil ederek bunu hafife alacağız. Hacim mesafe arttıkça arttıkça, bu eksik tahmin gittikçe daha olası hale gelecektir. Son olarak, geri dönüşün yoğunluğu ne olursa olsun, geri dönüşleri normalleştirmemiz gerektiği , yani geri dönüyorlarmış gibi davranmak için onları bu faktörle çarpmamız gerektiği anlamına gelen tersine azalacaktır .
Her darbe arasında, anten ve elektronik devre geri dönüş darbesine göre ayarlanır. Radar ile yağış arasındaki mesafe aşağıdaki ilişki ile hesaplanır:
Veya:
c = vakumda ışık hızı = 299,792.458 km / s n = havanın kırılma indisi ~ = 1.0003, ancak bu, havada bulunan sıcaklık, basınç ve su buharına göre değişir.Belirsizlik olmadan araştırılabilecek maksimum mesafe, sonraki iki darbe arasında kullanılana bağlıdır . Nitekim, ikinci bir dürtü kaldıktan sonra, ilk dürtüden gelen herhangi bir geri dönüşün konumu, ikincisinden geri döndüğü şeklinde yanlış yorumlanacaktır. Genel olarak, 1 milisaniye düzeyinde bir dinleme aralığı , yani darbenin süresinin bin katı kullanılır . Bu, yaklaşık 250 km'lik maksimum kullanışlı bir menzile izin verir .
Mesafeye ek olarak, hedeflerin bulunduğu yerden yükseklik de hesaplanabilir. Bu, radarın yükseklik açısı ve Dünya'nın eğriliği bilinerek hesaplanır . Atmosfer katmanlarının yoğunluğundaki değişimi de hesaba katmak gerekir . Gerçekte, radar ışını, vakumda olduğu gibi düz bir çizgide yayılmaz, ancak rakımla birlikte kırılma indisindeki değişiklik nedeniyle eğimli bir yol izler .
Bu yüksekliği bulmanın formülü şudur:
R = mesafe, k e = 4/3, a e = Dünyanın yarıçapı , θ e : yükseklik açısı , h a : Dünya yüzeyinin üzerindeki boynuzun yüksekliği.
çözümİki çökelme bölgesinin, ancak menzilden daha fazla ve / veya azimutta ışının genişliğinin yarısı kadar ise belirgin bir şekilde çözülebileceği düşünülmektedir (bkz. Darbe sıkıştırması ).
Belirli bir yükseklik açısında tam dönüş yaptıktan sonra, uydu anteni daha yüksek bir açıya yükseltilecek ve başka bir dönüş gerçekleştirecektir. Bu senaryo, birkaç açıdan tekrarlanacak ve böylece radar, atmosferin üç boyutlu bir taramasını 5 veya 10 dakika içinde gerçekleştirecektir. Böylece, yere yakın bir seviyeden yaklaşık 15-20 km rakıma ve 250 km'den fazla mesafeye kadar yağış hakkında bir fikrimiz olacak .
Dünyanın eğriliği ve az önce bahsedilen havanın kırılma indisinin değişmesi nedeniyle, sondaj, radara olan mesafeye ve açıya bağlı olan belirli bir yükseklikte "göremez", minimum kullanılır. Ayrıca radara, kullanılan maksimum açının yörüngesinden daha yakın "göremeyecektir". Soldaki şekil, tipik olarak bir Kanada hava durumu radarı tarafından kullanılan bir dizi açının mesafesine karşı yüksekliği gösterir, bu açılar 0,3 ila 25 derece arasındadır. Sağdaki resim, birkaç yükseklik açısında bir sondajın kapladığı bir hacme örnek verir. Alttaki yeşil koni minimum açıyı ve ortadaki kırmızı koni maksimum açıyı temsil eder.
Her ülke, kendine özgü ihtiyaçlarına göre kullanılan yükseklik sayısını ve açılarını belirler. Bazı ülkeler, yağış miktarlarının en iyi tahminini elde etmek için sınırlı sayıda nispeten düşük seviyeli açı kullanırken, gök gürültülü fırtınaların baskın olduğu ülkeler dikey kapsama alanını artıracaktır. Radarın türü, dalga boyu ve görüntüleme frekansı da incelenen açıların sayısını belirleyen faktörlerdir.
En yaygın olarak kullanılan radarlar, prensipleri yukarıda açıklanan yatay taramalı olanlardır. Bunlar, geniş formatlı bir parabolik anten (çapı 3 ila 10 metre) kullanan ve en az zayıflatılmış dalga boylarında , yani 5 ila 10 cm arasında çalışan radarlardır . Ulusal meteoroloji hizmetleri, verileri ayrı ayrı veya bir ağ içinde işlenen bu tür birkaç radarı çalıştırır.
Hava durumu önemli bir konu olduğu için, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bazı televizyon istasyonlarının boyutu daha küçük olan ve 3 cm dalga boyu kullanan hava durumu radarları vardır . Bu istasyonlar tarafından işe alınan meteorologlar, izleyicileri tarafından kapsanan daha küçük alanı detaylandırmak için bu verileri kullanır.
Havaalanlarının yağış tespitine ek olarak çok özel ihtiyaçları vardır. Diğer şeylerin yanı sıra , pistlerin yakınındaki rüzgar kesmesi , uçuş güvenliği için bilinmesi gereken önemli bir unsurdur. Bu amaçla bazı özel radarlar kullanılır. Ayrıca yatay olarak problarlar ancak daha yüksek çözünürlükte ve daha sık olarak daha az yükseklik açısı yaparlar. Buna iyi bir örnek, başlıca ABD havalimanlarına yerleştirilen TDWR (Terminal Doppler Hava Radarı) havaalanı hava durumu radarlarıdır .
Bazı üniversiteler ve bazı ulusal meteoroloji hizmetleri, çeşitli meteorolojik olayların çalışmaları için bölgeden bölgeye taşınabilen radarlar geliştirmiştir. Bazıları, parçalara ayrılabilen ve uzun süreli çalışmalar için bir yere yerleştirilebilen tam boyutlu radarlardır. Diğerleri, nerede olursa olsun hava durumunu takip edebilen bir kamyona monte edilmiş daha küçük antenlere sahiptir. Bu olduğu Gezici Doppler (veya DOW gelen) Şiddetli Hava Araştırma Merkezi'nde de Boulder (Colorado) yapısı hakkında araştırmalar için kullanılır, şiddetli fırtına , kasırga ve ince ölçekli meteorolojik olayların. Bu radarlar, iyi çözünürlüğü korumak için daha küçük bir dalga boyu kullanır.
Rüzgar profili oluşturucu, çok yüksek çözünürlüklü Doppler-Fizeau etkisini (tipik olarak dikey olarak 100 ila 200 m ve yatayda 100 m'den az) kullanarak rüzgar yönünü ve hızını ölçmek için meteorolojide kullanılan dikey olarak monte edilmiş bir radar türüdür . Bragg saçılma teorisine (Bragg yasası ) göre havanın kırılma indisindeki değişimi not eder . Bu varyasyon, hareket eden havanın yoğunluğunun değişmesiyle oluşan türbülans nedeniyledir. İndeks, kullanılan radarın dalga boyunun yarısına karşılık gelen bir mesafe boyunca değiştiğinde, birbirini izleyen varyasyon bölgelerinden dönen dalgalar arasında yapıcı bir geri bildirim vardır.
Bir milimetre bulut radarı, tepeden geçen bulutları incelemek için 30 ila 100 GHz düzeyinde aşırı yüksek frekansları kullanan dikey olarak sivri uçlu bir radardır. Bulutların özelliklerini belirlemek ve onların fiziğini , menzil içinde birkaç on metre ve zaman içinde 1 ila 10 saniye düzeyinde çok yüksek bir çözünürlükle incelemek için kullanılır. Bu radarlar sadece araştırmada değil, bazı ülkelerde meteorologlar tarafından hava durumunu izlemek için günlük olarak kullanılmaktadır.
Bulut damlacıklarının çapı 30 ila 100 mikrometre arasındadır . İçin Rayleigh saçılması için geçerlidir ve yankıları onların yoğunluğu ile orantılı olması, kullanılan dalga boyu o hedeflerin çapının yaklaşık on kat olmalıdır. Bu nedenle, bulutları incelemek için bir milimetre radar uygundur. Bir santimetre dalga boyunda çalışan ve yağışa uyarlanmış geleneksel bir hava durumu radarı, çok uzun bir dalga boyu kullanır.
Bulutların özelliklerini ölçmek için, radar dikey olarak işaretlenmeli ve yansıtıcılıkta ve ayrıca Doppler etkisiyle radyal hızda araştırılmalıdır . Aslında, bulutta dikkat edilmesi gereken ilginç olan şey, kalınlığı, tabanı ve tepesi , su ve buz içeriğinin yanı sıra rakımla değişimi ve son olarak parçacıkların dikey hızıdır. Bulut profillerinin oluşturulması, bulutların anlaşılmasını geliştirir.
Bu radarlar, CloudSat gibi bir uyduya monte edilebilir ve en alt noktayı veya zemini işaret ederek zirveyi işaret edebilir . Sinyal sıvı haldeki su ile kuvvetli bir şekilde zayıflatıldığından, sesin kalınlığı 30 kilometreyi geçemez.
Uçak yolcularının güvenliği için önemli kullanımlardan biri havadan hava durumu radarıdır. Pilotun yağış ve rüzgar kesmesini takip etmesini sağlar . Genelde radar uçağın burnunda bulunur ancak konfigürasyona veya ihtiyaçlara bağlı olarak uçağın altında, kanatlardan birinin altında veya kuyrukta da bulunabilir.
Yer radarlarından farklı olarak, bir havadan radarın anteni , uçağın tutumunu hesaba katan çeşitli açılarda kullanılmalıdır . Aslında, ikincisi yokuş yukarı, yokuş aşağı veya bir dönüşte olabilir ve çevrenin sabit bir görüntüsünün verilmesi için dengeleyici bir jiroskopik mekanizma entegre edilmelidir.
Havadaki meteoroloji radarlarının en büyük zorluğu, yere yakınlıktan dolayı (özellikle kalkış ve iniş sırasında ) yankıyı yeterince filtrelemekte başarılı olmaktır . İkincisi, radar yere doğru işaret ettiğinde ana lob tarafından geri getirilir, ayrıca radarın konumu ne olursa olsun ikincil loblar tarafından geri getirilir. Yer ekosunun önemini azaltmak için ana lob ufkun üzerine işaret etmelidir. Böylece, pilotların iş yükünü azaltmak için yeni nesil radar otomatik göre radarın dikey eğimi ayarlayın tutum uçağın. Eğimi pilotlar tarafından manuel olarak ayarlamak da mümkündür.
Yer ekolarını azaltmanın en basit tekniği , zeminin bulutlara göre hareket etmediğini varsayarak Doppler efektini kullanmaktır . Alınan sinyalin spektrumunun sıfır hıza yakın Doppler hızlarına karşılık gelen kısmı filtrelenir. Bu tekniğin birkaç dezavantajı vardır: düşük radyal hıza sahip yağmurun bir kısmı da filtrelenir ve yerdeki hareket eden nesnelerden (arabalar veya rüzgar türbinlerinin kanatları gibi) gelen yankı bu yöntemle uygun şekilde filtrelenmez. Modern hava radarları daha sofistike filtreleme algoritmaları (kalıcı yankı filtreleme, vb.) Kullanır ve genellikle yer yankılarının daha iyi filtrelenmesine izin veren yüksek çözünürlüklü bir arazi veri tabanına sahiptir.
Yer radarlarından farklı olarak, havadan radarlar uçağın etrafında 360 derece hareket etmez, sadece tek bir yükseklik açısında veya ekseni ufuk olan bir koni boyunca 180 derece ileri geri hareket eder. Böylelikle kısmi olabilen ÜFE tipi verileri elde ederler ve pilotlar genellikle önemli ekoları belirlemek için yükseklik açısını ayarlayacaktır.
Ticari radarlarda, kullanılan dalga boyları genellikle X bandındadır (yaklaşık 3 cm, yani 8,000 ila 12,500 MHz arası frekanslar ), bu da hala iyi çözünürlüğe sahip küçük antenlerin kullanılmasını mümkün kılar. Maksimum faydalı menzil genellikle 180 deniz milidir (333 km ), ancak daha sık olarak pilot, bu dalga boyundaki zayıflama ve özellikle yakın çevreye konsantre olma ihtiyacı nedeniyle bunu 30 ila 80 deniz miline ayarlar.
Hedeflerden yansıyan dönüş yankısı, örneklenen hacimdeki yağış oranını belirlemek için yoğunluğu açısından da analiz edilir. Geri dönüşün Rayleigh yasasına göre hareket etmesi için 1 ve 10 cm arasında bir radar dalga boyu kullanıyoruz , yani geri dönüş yoğunluğu, hedeflerin çapının gücüyle orantılıdır. radar ışınının dalga boyundan daha küçük. Bu ham yoğunluğu ile orantılıdır 1 / r² ve bu nedenle de (bkz yeniden normalize edilmiş olmalıdır yukarıda ). Buna yansıtma (Z) denir . Bu yoğunluk olarak aslında değişir 6 inci hedef çapı D çapına (altıncı güç zamanı ile çarpılır) yağmur damlalarının dağılımı . Yağmur damlacıklarının dağılımının aşağıdaki ilişkiye uyduğu Marshall-Palmer dağılımını ele alıyoruz :
Burada N 0 fiziksel bir sabittir ve Λ yağış hızına bağlı olarak fiziksel bir değişkendir.
Böylece bir Gama işlevi elde ederiz (kesilmiş):
Not: Bir kar tanesi durumunda, D' nin eriyikten gelen eşdeğer damlacığın çapı olduğuna dikkat edilmelidir .
Bu Z içeride , bu da oldukça sıra dışı birimlerle sonuçlanıyor. Ek olarak, bu formül hedefin doğasını hesaba katmaz. Radarın gördüğü eşdeğer yansıtıcılığı (Z e ) elde etmek için , yansıma verimliliğini hesaba katmak için hedefin dielektrik sabitinin (K) karesiyle normalleştirmeli ve çarpmalıyız :
Bu formülün kullanım koşulları şunlardır:
Yerde elde ettiğimiz şey bir yağış miktarı olduğundan, eşdeğer yansıtma ile ölçtüğümüz şey arasındaki ilişkiyi bulmak istiyoruz. Yağış hızı R , parçacıkların sayısına, hacimlerine ve düşme hızlarına eşittir v (D) :
Bu nedenle bu Z'nin bkz e ve R benzeri bir formülasyon var ve biz türünden bağımsız olarak, ZR adında bir ilişki, varmak denklemleri çözerek:
a ve b farklı K, N 0 ve v değerlerine sahip yağış türüne (yağmur, kar, konvektif veya tabakalı ) bağlıdır.
Orijinal 1948 Marshall- Palmer makalesinde teorik yağmur damlası dağılımına sahip katsayılar şunları verdi: a = 296 , b = 1.47 . Bununla birlikte, ilişkilerden en iyi bilineni, a = 200 ve b = 1.6 veren Marshall-Palmer bağıntısı ZR'dir . Bu değerler, çeşitli yağmur olayları sırasında damlaların dağılımı ve McGill Üniversitesi radarından alınan veriler karşılaştırılarak deneysel olarak elde edildi .
Marshall-Palmer ZR ilişkisinin gösterilmesiBasit olması için bunu varsayıyoruz . Marshall-Palmer kadrosu şunu iddia ediyor:
.Değişken değişikliği yaptıktan sonra şunları elde ederiz:
.Gama işlevini tanıyoruz ve bu nedenle,
.R yarıçaplı bir yağmur damlacığının ağırlığı :
Bir küreye uygulanan havanın direnci:
burada V hızı, Cx = 0.44 olan sürtünme katsayısı ve ρ hava hava yoğunluğudur. Terminal hız P = A ile verilir ve bu nedenle,
Bu nedenle,
Batma oranı:
Bu nedenle,
Bu nedenle,
X = Λ D değişkeninin değişmesi hala devam ediyor ve böylece:
En sonunda,
Bu nedenle,
Bu nedenle,
En sonunda,
Bu nedenle,
Eşdeğer olarak,
14/9 = 1.55 ... ve bu nedenle b katsayısının ampirik Marshall-Palmer formülüne yakın olduğunu not ediyoruz .
Uluslararası Birimler Sistemi kullanılmaktadır . N 0 = 8 × 10⁶ , 6'ya sahibiz ! = 720 , ρ hava = 1.225 ve ρ su = 10³ ve C x = 0.44 . Bu nedenle,
Bu nedenle,
Böylece, Uluslararası Birimler Sisteminde şunları elde ederiz:
Yani .
Z'yi mm⁶ / m³ ve R'yi mm / sa cinsinden ifade edersek, şunu elde ederiz:
Teorik değer bir , deneysel değerinin% 22 daha düşüktür.
Orta enlemlerde sinoptik yağmur için geçerli olduğu için hala en çok kullanılanlardan biridir, çok sık görülen bir durumdur. Kar, fırtına altında yağmur , tropikal yağmur vb. Durumlar için başka ilişkiler bulunmuştur .
Geleneksel Doppler'e göre yağmur damlalarını veya kar tanelerini hareket ettirerek üretilen frekans farkı , mevcut elektronik enstrümantasyon tarafından fark edilemeyecek kadar küçüktür. Gerçekte, kullanılan frekanslar Hz mertebesindedir (dalga boyları 5 ila 10 cm ) ve 0 ila 70 m / s arasındaki hedef hızlar , yalnızca % 10 ± % 5'lik bir frekans değişikliği sağlar . Bunun yerine , aynı incelenmiş hacimden (darbeli dalga çifti) dönen iki ardışık darbe arasındaki faz farkı kullanılır . Her darbe arasında, hedefler bu faz farkını yaratarak hafifçe hareket eder. Bir gidiş-dönüş yolculuğunun ardından bir dürtü yoğunluğu şu şekilde verilir:
Aynı incelenmiş hacimden dönen ancak hedeflerin hafifçe hareket ettiği sonraki bir darbenin yoğunluğu şu şekilde verilir:
Bu nedenle
Doppler ikilemi
Şimdi kesin olarak ölçülebilen maksimum hıza bakalım. Açı yalnızca - ve + arasında değişebildiğinden , şunlardan daha büyük bir hız not edemeyiz:
Buna Nyquist hızı denir . Hedeflerin hızının daha iyi belirlenebilmesi için çok yakın darbeler, dolayısıyla çok küçük darbeler göndermek gerekir . Ama aynı zamanda yansıtma aralığının olduğunu da biliyoruz.
Bu, belirsizlik olmadan uzaktan dönen yankıların konumundan emin olmak için büyük bir t gerektirir . Bu Doppler ikilemi, bu nedenle, bu etkiyi kullanan radarların yararlı menzilini sınırlar. Sağdaki tabloda bu iki parametrenin darbe tekrarlama oranına (1 / t) göre değişimini görebiliriz . Bu nedenle, genel olarak yararlı bir menzili 100 ila 150 km olan Doppler radarlarıyla sonuçlanan bir uzlaşma sağlanmalıdır .
GelişmeBazı teknikler yine de bu ünlü ikilemin etkisini azaltmak için maksimum hızı artırmayı mümkün kılar. Bunlar , farklı tekrar oranlarında, birbirine çok yakın darbeler yaymaktan ve karşılık gelen tek tek Doppler hızlarının yeniden birleştirilmesinden oluşan, çoklu tekrar frekansları ( çoklu PRF ) yöntemleridir . Böylece belirli bir tekrar oranı ile hedef için bir hız elde ederken, başka bir hızla not edilen hız farklı olacaktır. Basit bir hesaplamayla, gerçek hızı çıkarabiliriz ve nihai kesin hızı artırabiliriz. Bir dizi nabız hızı ile, aynı maksimum aralık için maksimum algılanabilir hız artırılır.
Meteorolojik radarların Kanada ağı 5 bir dalga boyu kullanılarak, cm , teknik olmaksızın 1999 yılından bu yana radar proseslemesine bu tip ile donatılmıştır, biz 11 arasında açık bir hız not olur 15 m / s 150 bir dizi için km . İki oranlı teknik kullanılarak maksimum aralık değiştirilmeden 48 m / s elde edilir . Bu aralığı değiştirmek istendiğinde, kullanılabilir tekrarlama oranı aralığı daha düşük olacak ve maksimum kesin hız, bu teknikle bile daha düşük olacaktır.
Fransız operasyonel ağı ARAMIS'in radarları yakın zamanda böyle bir şema ile donatılmıştır ( 2006 ). Bu teknik , 60 m / s mertebesinde kesin bir hıza sahipken maksimum menzili 200 km'den daha fazla uzatmayı mümkün kılar (Tabary ve ark. 2006). Bu durumda, hız aralığını daha da genişletmek için üç tekrar oranı kullanılır. Ama yine ikilem var, biz sadece grafikteki çizgilerin eğimini değiştiriyoruz.
YorumlamaBu hıza Doppler hızı denir. Yalnızca yer değiştirmenin radyal hız olarak bilinen radyal bileşenini verir . Bununla birlikte, eğer ekran yağışla yeterince doldurulmuşsa, gerçek hızları ve yönleri bir miktar hassasiyetle çıkarmak mümkündür. Tüm gün süren ve batıdan doğuya eşit bir şekilde hareket eden bir yağmur yağdığını düşünün. Bu nedenle, batıya bakan radar ışını, kendisine yaklaşan damlaları ve doğuya doğru işaret ettiğinde tersini görecek. Öte yandan radar kuzeyi ve güneyi gösterdiğinde damlalar ışına dik geçtikleri için ona yaklaşmaz ve uzaklaşmaz. Yani belirtilen hız sıfır olacaktır.
SinoptikRadarın 360 derece döndüğünü hatırlarsak, bu nedenle bu damlaların hızının izdüşümünün tüm bileşenlerini kendi görüş hattında görecektir. Tam bir devir boyunca hız seti, bir kosinüs değerlerini alacaktır (yağmurun yer değiştirme yönünde maksimum sinüzoid ve dikey yönde sıfır). Bunun gücüne dayanarak, radarın kapsadığı bölge üzerindeki yağış yönünü ve hızını (+/- rüzgarın hızı) tahmin edebiliriz.
Bununla birlikte, düşme hızı ihmal edilmiştir, ancak en çok aranan açılar olan radara 150 km dahilinde 3 derecenin altındaki yükseklik açıları için düşüktür . Daha yüksek bir bakış bunu hesaba katmalıdır.
MezoskaleBununla birlikte, bir radarın kapsadığı alanda, rüzgarın farklı olduğu daha küçük alanlar olabilir. Örneğin, bir fırtınada rotasyonlar ve türbülans olabilir . Denilen bu ölçekte, başta orta ölçekli , radar hala sadece radyal bileşeni gözlemler ancak böyle bir rotasyon (ki olarak imzalarını tanımak mümkündür mesocyclone bir sapma () inen patlaması ) ya da bir yakınlaşma. ( Bora ön ) sarar.
Genel olarak, çoğu hidrometörün yatay boyunca daha büyük bir ekseni vardır (örneğin, hava direnci nedeniyle yağmur damlaları düşerken yassı hale gelir). Su moleküllerinin dipol ekseni bu nedenle bu yönde hizalanma eğilimindedir ve maksimum geri dönüşten yararlanmak için radar ışını genellikle yatay olarak polarize edilecektir.
Aynı anda dikey polarizasyonlu bir puls ve yatay polarizasyonlu bir puls gönderirsek, bu dönüşler arasında birkaç özellikte bir fark olduğunu görebiliriz:
Bu tip sondajı kullanan sözde çift kutuplu radarlar bu nedenle hedeflerin şekli ve şekillerin karışımı hakkında göstergeler elde edebilir. Bu, geri dönüş yoğunluğuna ek olarak, bir algoritma sayesinde yağış türünün (yağmur, kar, dolu vb.) Doğrudan tanımlanması için kullanılabilir . Hatta "çalı" olarak da adlandırılan enkaz bileziğinin tanımlanması yoluyla bir kasırga tarafından kaldırılan döküntüleri tespit edebilir .
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki NCAR , Dusan S. Zrnic ve Alexander V. Ryzhkov ile bu alandaki öncü merkezlerden biriydi. NOAA bir adlandırılan programda 2000'li yılların başından itibaren operasyonel radar testine ilkesini koymak Ortak Polarizasyon Deneyi (JPOLE) ve 2010Nisan 2013, NEXRAD ağının radarları çift polarizasyon kurularak yükseltildi.
Kanada'da McGill Üniversitesi (Montreal, Kanada) kendisiyle donatılmış ve verileri operasyonel olarak kullanılan bir S-band radarına sahiptir.ekim 2018Kanada Meteoroloji Servisi tarafından . MSC, Toronto'nun kuzey banliyölerindeki King City'de ancak C bandında başka bir çift kutuplu radara sahip . Kanadalı hava radar ağı kademeli olarak 2018 yılından bu yana ikili kutuplaşma S-bant radar ile güncellendi.
Son olarak, Météo-France ilk polarize radarlarını 2008'de açtı ve Almanya'daki Poldirad gibi diğer merkezler bu alanda araştırmalarına devam ediyor.
Radar sondajı ile elde edilen tüm veriler kendi formatında görüntülenir. Bazı ürünler birden fazla veri türünü görüntülemek için kullanılırken diğerleri daha spesifiktir. Son olarak, veri türüne bağlı olarak ekran, değişecek bir renk kuralı kullanacaktır.
Başlangıçta, yansıtma verileri yalnızca radar operatörü tarafından bir CRT ekranında görülüyordu , bu nedenle yoğunluk, parlaklıktaki değişiklikle belirtiliyordu. Daha sonra, bu görüntülerin fotoğrafları veya analog görüntülerin kağıt üzerinde beyaz ve gri tonlarında üretilmesi sağlandı. Bilgisayarlar, hava durumu radar verilerini dijital olarak işlemeyi mümkün kıldığında, bir rengi yağış hızıyla ilişkilendirmek mümkün hale geldi. Bu uygulama, kullanılabilir olduğunda diğer veri türlerine yayıldı. Yansıtma, radyal hız verileri ve çift polarimetre verileri tipik olarak farklı bir renk kodu kullanır. Hangi renklerin kullanılacağına dair uluslararası bir sözleşme değil, sahada ticaretle yayılan bir uygulama var.
YansıtmaGenel olarak, yansıtma görüntüleri, gökkuşağındakine benzer bir renk varyasyonu kullanır . En zayıf yoğunluklar soluk mavi ( camgöbeği ), orta yoğunluklar sarı ve güçlü olanlar kırmızı ve ardından macenta ile gösterilir . Yoğunluklar, dBZ veya saat başına milimetre / santimetre cinsinden eşdeğeri olarak yansıtma ile ilgili olabilir. Örneğin, Kanada Meteoroloji Hizmetleri web sitesinde bulunan görüntüler bu ölçeği kullanır: kışın mor en yüksek yağış oranını (20 cm / sa ), ölçeğin altındaki mavi-yeşil ise en düşük oranı (0,1 cm) temsil eder. / h ). Yaz aylarında, yansıtma ölçeği, izden 100 mm / saate kadar değişen mm / sa cinsinden yağışla değiştirilir .
Ancak bazı kullanıcılar, yorumlanması daha kolay olan sayısal kodları tercih eder. Bu nedenle, bir uçak pilotu veya bir hava trafik kontrolörü yağış ekolarının yoğunluğunu radar ekranlarında tanımladığında, şu seviyeleri kullanırlar: düşük yağış için seviye 1 , muhtemelen düşük görüş ve türbülans ile ilgili orta derecede yağış için seviye 2 , şiddetli için seviye 3 tehlikeli uçuş koşullarıyla ilgili yağmur / kar.
Bazı ticari ekranlar yağış türünü gösterir. Böylelikle kışın televizyon yayınlarında görülebilen görüntüler yağmur, dondurucu yağmur ve kar alanlarını ayırabilir . Bu, radardan gelen bilgi değil , yüzey meteoroloji istasyonlarından gelen bilgilerle bir ilişkidir . Bir program, bir radar yankı bölgesi altında METAR'lar tarafından bildirilen sıcaklığı, çiğlenme noktasını ve yağış türünü analiz eder ve bölgeleri böler. Bu analiz, Numerical Weather Prediction modellerinden elde edilen verileri bir test alanı olarak kullanarak geliştirilebilir, ancak bu yine de yumuşatma hatalarına tabidir ve yağış türlerinin dağılımındaki küçük ölçekli etkileri hesaba katmaz (bir vadide hapsolmuş hava örneğin yağmur yerine dondurucu yağmur). İkili polarizasyon verileri yaygın olarak elde edildiğinde , böyle bir analiz daha güvenilir olacaktır.
Doppler hızıDoppler verileri ile elde edilen radyal hız durumunda, astronomide olduğu gibi kırmızıya veya maviye kayma prensibi kullanılır. Böylece radara yaklaşan yağışlı alan, radyal hızlarına bağlı olarak soğuk mavi / yeşil / mor renklerle gösterilirken, uzaklaşan yağışlar sıcak kırmızı / sarı renklerle gösterilecektir. Yaklaşma hızları ayrıca pozitif bir sayı ile ve uzaklaşanlar da negatif bir sayı ile gösterilebilir, bu değer radyal hızın büyüklüğünü temsil eder.
Radar tarafından araştırılan veriler bir seferde bir yükseklik açısı alındığında, ilk görüntüler, her açıdan ayrı ayrı (PPI) verilerin panoramik bir görüntüsüne sahipti. Bu tür veriler, radar ışınının, radardan uzaklaştıkça yerden yükseldiği akılda tutularak yorumlanmalıdır. Yani ne radar yakın bakınız biz 200 gördüğünüzden çok daha düşük düzeydedir km .
Sonuç olarak, radardan 30 km uzakta yüksek yağış oranlarına sahip bir bulut , radardan uzaklaştıkça yoğunluğu azalmış veya artmış gibi görünebilir. Aslında, ışınımız ikinci kez bulutta daha yüksekte olduğu için, ikincisinin başka bir bölümüne bakıyor.
Bir ÜFE, radarın yakınında yerden gelen geri dönüşlerden de etkilenir çünkü yayılan enerjinin bir kısmı, ana ışının ekseninin dışındaki yan çubuklarda sona erer . Bu, yoğun yağış olarak yanlış yorumlanabilecek çok güçlü getiri sağlar.
KULLANIM: Tüm veri türleri: yansıtma, radyal hız ve farklı polarimetrik alanlar.
ÜFE sorunlarının üstesinden gelmek için Kanadalı araştırmacılar tarafından CAPPI geliştirilmiştir. Aslında, radar tarafından incelenen tüm yükseklik açıları boyunca yatay bir kesittir. Açıların sayısına ve yüksekliklerine bağlı olarak, az çok hassas bir kesim yapılabilir. Kesimimizin seviyesine bağlı olarak, belirli bir mesafede artık istenen yükseklikte veriye sahip olmadığımız da oluyor. Daha sonra CAPPI'de görülen, o düzeye en yakın ÜFE'den gelen verilerdir.
Örneğin, yukarıdaki açıların görüntüsünde ( anket stratejisi bölümü ), 24 açı 0.5 ila 25 derece arasında değişir ve bu nedenle bu veriler aracılığıyla bir CAPPI yapabiliriz. Kalın testere dişi çizgileri , 1.5 ve 4 km rakımdaki CAPPI'leri temsil eder . 120 ötesinde Not km , en düşük açı 1.5 yukarıda gider Km ve 200 o km de 4 aşıyor km . Dolayısıyla, CAPPI'nin bu sınırların ötesinde olan kısmı, bu nedenle daha çok en düşük açıda bir ÜFE olacaktır.
KullanımBir CAPPI'nin nispeten düzgün noktadan noktaya görüntüler vermesi için, dikey kapsama alanında deliklerden kaçınmak için dikeyde yeterli sayıda açıda verilere ihtiyaç vardır. Ek olarak, veri alanının yükseklikle birlikte ani değişikliklerden arındırılmış olması önemlidir. Bu nedenle, CAPPI'lerde gösterilen esas olarak yansıtma verileridir.
Doppler hız verileri genellikle daha gürültülüdür çünkü rüzgar yönü birkaç yüz metrelik yükseklik içinde aniden değişebilir, bu da kesim, bu değişikliğin yüksekliği civarında yapılırsa bantlı CAPPI görüntülerine neden olabilir. Yalnızca McGill Üniversitesi (Montreal, Kanada) düzenli olarak Doppler CAPPI'ler üretmektedir. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar, diğer şeylerin yanı sıra, tropikal siklonlar etrafındaki dolaşımın analizi ve NEXRAD ürünlerinin geliştirilmesi için kullanmaktadır .
Son olarak, ikili polarizasyon verileri yenidir ve aynı zamanda gürültülü olabilir. Bu verinin hiçbir CAPPI örneği bilinmemektedir, ancak SIGMET adlı en az bir radar elektroniği şirketinin bunu yapacak yazılımı vardır.
Gerçek zamanlı örneklerMeteorolojik radarların ana kullanımlarından biri, hidrometrik kullanımlar için yağışları belli bir mesafeden tespit edebilmektir . Örneğin nehir akış kontrol hizmetleri, sel uyarısı , baraj planlaması vb. hepsinin geniş alanlara düşen yağmur ve kar miktarını bilmesi gerekir. Radar , veri toplamayı geniş bir alana genişleterek yağmur ölçerler ağını ideal olarak tamamlar, ağ kalibrasyonu için kullanılır . Bu ürünün farklı isimleri vardır: birikimlerin haritası veya görüntüsü (Kanada), su seviyesi (Fransa veya hidrolojide ), yağış seviyeleri haritası, vb.
Birikim görüntüsü oluşturmak için, bir radarda sondaj yapan düşük seviyede elde edilen yağış oranını istenen süre ile çarpın. Yağış hareket ettikçe, hızı yalnızca tek bir noktada alabiliriz ve bu nedenle düzenli aralıklarla birkaç sondaj yapmalı ve yağışı her zaman adımı arasında dağıtmalıyız. Örneğin, her 10 dakikada bir düşük seviyeli bir ÜFE veya CAPPI oluşturursak. Bu görüntüleri bilgisayarla karşılaştırarak yağış bölgesinin hızını ve hareket yönünü elde edebiliriz. İki zaman adımı arasında A noktasından B noktasına hareket eden X yağış hızı (dakika başına), bu nedenle 10 X milimetre yağmur bırakacaktır. Bu miktar daha sonra A'dan B'ye eşit olarak dağıtılır. Daha büyük periyotlarda (saatler, günler, vb.) Birikimler elde etmek için, bu nedenle birkaç araştırma süresi adımının verilerini eklemek yeterlidir.
Bununla birlikte, makalenin ilerleyen kısımlarında tartışılacağı gibi, bazı eserler, radara dönüşte gerçek verilerle karışabilir. Birikimlerin daha kesin bir tahminine sahip olmak için, bu birikim haritalarını oluşturmadan önce onları filtrelemek gerekecektir.
Kompozit yansıtma ya da en fazla yansıtma , her bir nokta (maksimum değeri temsil ettiği bir radar görüntüdür DBZ arasında) yansıtma incelenen pervane hava sütununda. Bu ürün, Amerika Birleşik Devletleri'nde Ulusal Hava Servisi için Bileşik yansıtma ve Kanada'da MAXR olarak adlandırılır.
Bir hava durumu radarı, 360 derecenin üzerinde bir dizi dikey açıyı sırayla araştırır. Bu açıların her birindeki yansıtma, radardan uzağa yükselen bir koni boyunca yağış oranını temsil eder. Her açı bir ÜFE görüntüsünde görülebilir . Bununla birlikte, bu oran rakıma göre değişir ve tek bir ÜFE, yağışın dikey yapısı hakkında tam bir fikir vermez.
Bileşikte, görüntünün her noktasının üzerinde farklı açılarda bulunanların en yüksek yoğunlukları görüntülenecektir. Radar verilerindeki bulutların veya eserlerin belirli özelliklerini tespit etmek için düşük seviyeli yansıtma ile hava sütunundaki toplam yansıtma oranını karşılaştırmak için oluşturulmuş bir radar ürünüdür.
Radarların bir diğer kullanım alanı da havacılıktır. Bu alan için çok kullanışlı bir harita yağış zirveleridir. Gerçekten de uçaklar, tehlikeli bulutlardan kaçınmak için hangi irtifada uçmaları gerektiğini bilmek için gök gürültülü fırtınalar da dahil olmak üzere bulut tepelerinin yüksekliğini bilmek ister. Meteoroloji radarı üç boyutlu bir hacmi incelerken, yağışın bittiği yüksekliği bulabiliriz. Açıkçası, bu bulutların yüksekliği değildir, çünkü üstlerinde yalnızca radarda görülebilecek kadar büyük olmayan damlacıklar vardır, ancak onlara yaklaşmaktadır.
Bunu yapmanın yolu, verileri en yüksek açıdan aşağıya almak ve her görüş açısında bir eşik yağış oranının aşılacağı yükseklik ve konumları not etmektir. Bu oran ne kadar düşükse, bulutun gerçek tepesine o kadar yaklaşırız.
Tiplerini tanımak için önemli olan bulutlarda yağış düşey yapısını bilmek için radar verilerinin düşey kesit ürünü geliştirilmiştir. Bunlar, çeşitli yükseklik açılarından ve 360 derecelik azimutta ele alındığında, 3 boyutta bir değer matrisi oluşturan her bir tam için bir değer matrisi oluştururlar. Bir kesit çizgisi belirleyerek, karşıt görüntüde olduğu gibi A noktasından B noktasına dikey boyunca yansıtıcılıkları, hızları ve polarimetrik değerleri göstermek mümkündür. Görüntünün çözünürlüğü, dikeyde incelenen açıların sayısına, radara olan mesafeye ve azimut çözünürlüğüne bağlıdır: açı sayısı ne kadar düşükse veya radardan uzaklaştıkça, veriler o kadar kaba olur.
Bu tür bir bölüm bazen bir kesit olarak adlandırılır, ancak bu terim belirsizdir çünkü bir veri hacmindeki herhangi bir eksen boyunca herhangi bir bölüm için geçerlidir. Böylece CAPPI'yi veren yatay kesimlere de uygulanabilir .
Tamamen farklı bir şekilde üretilen benzer bir ürün "dikey süpürme" dir. Bu durumda, hava durumu radarı site çevresinde 360 derecelik bir tarama gerçekleştirmez, bunun yerine bir alan radarı gibi tek bir azimutta dikey bir tarama gerçekleştirir . Veriler, bu nedenle, tek yönde çok yüksek çözünürlüklü bir dikey sondayı temsil eder. Bu tip sondaj, yalnızca araştırmada, radara nispeten yakın bir kümülonimbus bulutu gibi bir fenomeni incelemek için kullanılır ve bir yükseklik / mesafe ekranı (RHI) gerektirir.
Radar verilerinden türetilen tüm ürünler canlandırılabilir. Kullanıcı böylece yansıtma, hız vb. Bölgesinin gelişimini görebilir. ve gözlemlenen meteorolojik fenomenin hareketi ve dinamikleri hakkında bilgi türetmek. Örneğin, kısa vadede ilgili bir şehre yağmurun gelişini tahmin etmek için rahatsızlığın yer değiştirmesini tahmin etmek mümkündür. Animasyon ayrıca yağıştaki gelişimi veya azalmayı gözlemlemenizi sağlar .
Bu anlık tahmin , kullanıcı tarafından manuel olarak veya yankıların zamansal değişimlerini çıkaran uzman bir sistem tarafından yapılabilir . Aslında bir yazılım, radar ekolarının yatay ve dikey sürekliliği kriterlerini uygulayarak yağış bölgelerini bulabilir, ardından hızlarını ve hareket yönlerini bulmak için bir çapraz korelasyon yapabilir . Son olarak, ekstrapolasyonu rafine etmek için yağış gelişimini tahmin etmek için sayısal bir model kullanılabilir.
Aşağıdaki bölümlerde, hidrometeörlerden olmayan (ve görsel yorumu engelleyen) farklı radar dönüşleri tartışılacaktır. Bir animasyon, önceden filtrelenmemiş olmaları durumunda rastgele davranışa sahip (örneğin gürültü veya anormal yayılma) meteorolojik olmayan eserleri tanımlamayı mümkün kılar . Bununla birlikte, kuşlardan (hatta sivrisineklerden) gelen yankılar gibi diğer bazı artefaktlar, yağışla aynı şekilde hareket eder ve tek başına animasyon kullanmak onları tanımlamaz.
Tek bir hava durumu radarından gelen veriler, yalnızca kısa bir menzile ve nispeten kısa bir süreye bakıyorsanız kullanışlıdır. Bununla birlikte, yağış hareketini doğru bir şekilde görmek için, birkaç radarın çıktılarının bir mozaik harita üzerinde ağa bağlanması gerekir. Farklı radarlar kalibrasyon dahil farklı özelliklere sahip olabileceğinden ve çakışan bölgelere sahip olabileceğinden, sürekliliğe sahip olmak için bir noktaya hangi değerin koyulacağını seçmek için bir karar ağacı sağlamak gerekir.
5 cm dalga boylu olanlar gibi yoğun yağışta bir miktar zayıflama olabilen radarlar için, eğer bu yeri iki radar kaplarsa, genellikle bir noktaya en güçlü dönüşü olan radarın verilerini koyarız. 10 cm gibi kayda değer zayıflaması olmayan radarlar için , bunun yerine en yakın radarın değerini koyacağız.
Bu aynı zamanda kış ve yaz arasında değişebilir. İlk durumda, rüzgarlar tarafından taşınması ve süblimasyon ( virga ) ile yağış oranındaki farklılıklar nedeniyle pozisyonda çok fazla fark olabilir . Bu, radar veri seviyesi ile yer arasında büyük bir farka neden olabilir.
Ağlarda veri görmek için bazı siteler şunlardır:
Météo-France ağından ( ARAMIS ) veriler
Bir radarın verilerinde bulunan bilgileri daha iyi tanımlamak için çeşitli bilgisayar algoritmaları geliştirilmiştir. Nitekim, bilgili göze ve çok deneyime sahip bir meteorolog bu çıkışları yorumlayabilir, ancak bazı ayrıntılar çok fazla dikkat gerektirir. Bu, özellikle sadece radyal bileşeni veren Doppler verileri için geçerlidir.
Ana yansıtma algoritmalarıRadar verilerinin yorumlanması, her zaman yerine getirilemeyen birkaç varsayıma bağlıdır:
Radar ışını atmosferde dolaşır ve yağmur veya kar dışında birçok şeyle karşılaşır. Bu nedenle, verileri doğru bir şekilde yorumlayabilmek için bu eserlerin imzalarının nasıl tanınacağını bilmek gereklidir.
Kırılma endeksi vakumda (n) 1 ama aşağıdaki formüle göre olan bir sıcaklıkta (T), basınç (p) ve su buharı basıncı (e) havada değişmektedir:
Radar ışınının, irtifa ile normal bir eğri içinde sıcaklık, nem ve basıncın düştüğü standart bir atmosferde hareket edeceği varsayılmaktadır. Ekoların konumunun ve yüksekliğinin hesaplanması bu varsayıma bağlıdır. Bu standarttan bir değişiklik varsa, anormal yayılma söz konusudur .
Aşırı bölünmeGenellikle, sıcaklık değişimlerinin düşük seviyede, açık bir gökyüzü altında gece soğumasıyla veya yükseklikte çökme ile meydana geldiği görülür . Ayrıca, nem, yere yakın bir yerde tutulabilir ve bir fırtına altında soğuk bir düşüşte , sıcak hava soğuk sudan geçtiğinde veya bir sıcaklığın tersine çevrilmesi sırasında irtifa ile hızla azalabilir .
Bu farklı durumlar havanın katmanlaşmasını değiştirir. Kırılma indisi daha sonra sıcaklık veya nemi ters çevirme katmanında normalden daha hızlı azalır ve bu da radar ışınının aşağı doğru bükülmesine neden olur. Ters çevirme zemine yakınsa, ışın radardan belirli bir mesafede yere çarpar ve ardından radardan sonrakine geri döner. Radar işleme belirli bir yükseklikten dönüş beklediğinden, yankıyı yanlışlıkla yüksekliğe yerleştirir.
Bu tür bir yanlış yankı, çökelme yoksa, bir dizi görüntüye bakarak kolayca tespit edilebilir. Bazı yerlerde zamanla, ancak yer değiştirmeden yoğunlukları değişen çok güçlü yankılar görüyoruz. Ek olarak, komşu noktalar arasında çok büyük bir yoğunluk farklılığı vardır. Çoğu zaman geceleri tersine çevirmede olduğu gibi, her şey gün batımından sonra başlar ve sabah kaybolur. Bu fenomenin en uç noktası, ters çevirme o kadar belirgin olduğunda ve ince bir katman üzerinde radar ışını bir dalga kılavuzunda olduğu gibi katmana hapsolduğunda meydana gelir . Radara dönmeden önce yerde birkaç kez zıplar. Bu, çoklu eşmerkezli bantlarda anormal yayılma yankıları yaratır.
Öte yandan, ters çevirme önden ters çevirmeden kaynaklanıyorsa ( sıcak ön ), anormal yayılma ile karışık çökelme olabilir ve bu da algılamayı daha sorunlu hale getirir. Son olarak, ters çevirme yükseklikte ise, radar ışını gerçek yağışa çarpabilir, ancak konumu gerçeğe kıyasla çok düşük olacaktır.
KızılötesiKararsız hava durumunda ( konveksiyon ) olduğu gibi, hava sıcaklığı standart atmosferdekinden daha hızlı düşerse, ters etki meydana gelir. Bu durum, aerolojik sondajla öngörülebilir ancak radar ekranına yerleştirilmesi zordur. Radar ışını bu durumda düşündüğünden daha yüksektir ve bu nedenle yankılar belirtilenden daha düşük bir seviyededir. Işın ayrıca normalde algılayabileceği bir yağış alanı üzerinden geçebilir ve kızılötesi kırılma, bu nedenle düşük seviyede algılamayı sınırlandırarak hava durumu radarının menzilini sınırlar.
Radar yorumlamasının varsayımlarından biri, hedeflerin geri dönüşünün hedeflerin çapıyla orantılı olmasıdır. Bu, damlalar kullanılan dalga boyundan 10 kat daha küçük olduğunda meydana gelir. Hedefler çok küçükse, hedefin içerdiği su moleküllerinin dipolü (örneğin, birkaç mikron çapında bulut damlacıkları) uyarılamayacak kadar küçük olacak ve geri bildirim radar tarafından görülemeyecektir.
Öte yandan, hedef dalga boyuna yaklaşırsa (örn. 5 cm dolu ), hedefin dipolü doğrusal olmayan bir şekilde uyarılacak ve dönüş artık orantılı olmayacaktır. Bu alan, Mie'nin teorisine göre difüzyon olarak adlandırılır .
Bu nedenle, operasyonel bir hava durumu radarı ( genel olarak 5 ve 10 cm ) çiseleyen yağmurları veya bulutları algılayamaz. Öte yandan, yansıtma oranı 50 dBZ'yi aşarsa, büyük olasılıkla dolu ile uğraşıyoruz, ancak yağış oranı belirtilemez.
Radar ışınının belirli bir genişliği vardır ve veriler, her bir görüş açısında ve ayrı yükseklik açılarında belirli sayıda darbe ile alınır. Sonuç olarak, hedef hacimler üzerinden yansıtma, hız ve polarizasyon değerlerinin ortalamasını alan verilere sahibiz. Yukarıda gördüğümüz gibi, ne kadar uzakta olursak, bu hacim o kadar büyüktür.
Soldaki şekilde, en üstte bir fırtına bir rüzgar profilinin üzerinden geçtiğinde yapılmış dikey bir bölüm görüyoruz . İkincisi düşeye göre 150 m , yataya göre 30 m çözünürlüğe sahip, bu da pek çok detayı görebileceğimiz anlamına geliyor. Diğer şeylerin yanı sıra, yansıtıcılığın belirli yerlerde ( gradyan ) hızla değiştiği görülebilir .
Bu görüntüyü , 60 km mesafedeki 1 derece geniş meteorolojik radar ışınının özelliklerinden simüle edilen alttakiyle karşılaştırın . Bozulma çok net bir şekilde görülebilir ve bu, eğimin güçlü olduğu alanlarda özellikle önemlidir. Bu, radar verilerinin, incelenen hacmin tek tip olarak düzenlenmiş hedeflerle dolu olduğu varsayımından nasıl kolayca sapabileceğini gösterir. Ek olarak, radar ışını daha geniş bir alan üzerinde ortalamasını alır, diğerleriyle hedefi olmayan bölgeleri birleştirir ve böylece yağış görüntüsünü gerçekliğin ötesine genişletir. Bölgelerin yumuşatılması ve yayılmasının bu etkileri mesafe ile artar ve bu da kullanıcının radardan uzaklaşan yağış bölgelerinin daha az yoğun hale geldiğine inanmasına neden olabilir.
Sağdaki resim şiddetli bir fırtınadan alınan verileri göstermektedir . Bir TDWR radar alınan üst görüntü, çift bunun bir çözünürlüğe sahiptir Nexrad . Meteorologun bir kasırga kancası yankısının tehlikeli kurulumunu tanımasına yardımcı olacak ayrıntıları çok daha iyi görebiliriz . Bu nedenle, antenin çapını artırarak veya tarama dalgaboyunu azaltarak ışın genişliğini azaltmak, üniform olarak doldurulmuş bir hacim varsayımına daha iyi uymak için önemli bir faktördür, ancak mesafe ile bozulma için hiçbir şey yapmaz.
Yağmur, kar, karla karışık yağmur ve diğer yağışlara ek olarak, hava durumu radarı diğer kaynaklardan yankılar alabilir. Ana veri kirleticileri şunlardır:
Bu eserlerin her biri, onları eğitimli bir göz için gerçek yağış olarak tanımayı mümkün kılan kendi özelliklerine sahiptir. Aşağıdaki Çözümler bölümünde , yansıtma, Doppler hızları ve polarizasyonu birleştirerek bunları filtrelemenin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu veriler, yağıştan ayrıldıktan sonra bazı kullanıcılar için faydalı olabilir. Örneğin, birkaç üniversite ve hükümet araştırması, Monarch kuşlarının ve kelebeklerin dönemi, yüksekliği ve göç yörüngesi hakkında bu parazitik yankılardan veri çıkarmayı mümkün kılmıştır . Bu bilgi, doğal alan geliştirme programları, rüzgar çiftliği planlaması ve kuş veya böcek popülasyonlarını etkileyebilecek diğer faaliyetler için kullanışlıdır .
Hava durumu radarı, çeşitli kullanıcılar tarafından kullanılabilen, araştırılan atmosferdeki kalıntıları da algılayabilir:
Rüzgar çiftlikleri yeni bir yanlış geri dönüş kaynağıdır. Direkler metaliktir ve bu cihazların kanatları çoğunlukla fiberglastan veya karbon fiberden yapılmıştır ancak parafudr görevi gören metal bir eke sahiptir . Işının görüş hizasında olacak kadar yükseğe yerleştirildiklerinde radara oldukça güçlü bir sinyal döndürebilirler. Radardan uzaktaki tek bir rüzgar türbininden gelen yankı, sesli hacimde ihmal edilebilir olsa da, radarın yakınında bulunan bir rüzgar çiftliği, göz ardı edilemeyecek bir toplam geri bildirim verecektir. Ek olarak, kanatlar döndüğünden, radyal hız verileri sıfır olmayacaktır.
Bu nedenle, bir rüzgar çiftliğinden gelen yankılar yağışla karıştırılabilir veya onunla karıştırılabilir. İkinci durumda, bıçakların yönü doğru ise, bir mezosiklona benzeyen ve veri işleme programı tarafından hatalı olarak tespit edilecek olan, uzaklaşan ve radara yaklaşan bir çift hız bile not edilebilir. Bu, örneğin 2009'da Dodge City , Kansas , ABD'de oldu ve yerel NEXRAD radar verilerinde dönen bir kasırga izi analiz edildiğinde gereksiz bir kasırga uyarısını tetikledi .
Son olarak, rüzgar türbinleri, radar ışınını kısmen kesen fiziksel bir engeldir ve bu nedenle tam veya kısmi gölge sorunlarına yol açar. Diğer tıkanmalar gibi, bu da rüzgar çiftliğinin aşağı akış yönündeki yağışların geri dönüşünü azaltır ve bu da onların hafife alınmasına neden olur. Hem radar eşdeğer yüzeylerini azaltmak için rüzgar türbinleri hem de rüzgar türbinlerini diğer yankılardan ayırt etmelerini sağlamak için radar algoritmaları üzerinde çalışmalar devam ediyor .
Herhangi bir elektromanyetik dalga, kendisini oluşturan molekülleri uyardığı için herhangi bir ortamdan geçerek absorbe edilebilir. Bu nedenle bu, ortamın enerji seviyesini değiştirmek için bazı fotonları kaldırabilir. Hava çok emici değildir, ancak su molekülü öyledir. Radar ışınının taşıyıcı dalga boyu su damlalarınınkine (0,1 ila 7 milimetre) ne kadar yaklaşırsa, bu moleküllerin dipolü o kadar fazla uyarılacak ve karşılaşılan yağışla dalga o kadar zayıflayacaktır.
Sonuç olarak, hava durumu radarları tipik olarak 5 cm veya daha fazla dalga boyu kullanır . 5 santimetrede, yoğun yağmurlar sırasında, radar görüntüsünde aşağı yönde sinyal kaybı olur (resme bakın). Bununla birlikte zayıflama, hafif ila orta şiddetli yağış ve karda kabul edilebilirdir. Ilıman bölgelerdeki çoğu ülke (Kanada ve Avrupa'nın çoğu) bu dalga boyunu kullanmasının nedeni budur. Daha ucuz teknoloji ( magnetron ve daha küçük anten ) gerektirir. Şiddetli gök gürültülü fırtınaların baskın olduğu uluslar, her koşulda ihmal edilebilir düzeyde zayıflatılan ancak daha pahalı olan ( klystron ) 10 santimetrelik bir dalga boyu kullanır . Amerika Birleşik Devletleri, Tayvan ve diğerlerinde durum böyledir.
5 cm'den daha az dalga boyları , orta şiddetli yağmurda bile güçlü bir şekilde zayıflatılır, ancak çözünürlüğün daha ince olduğu yakın menzilde biraz işe yarayabilir. Bazı ABD televizyon istasyonları , yerel NEXRAD'a ek olarak izleyicilerini kapsamak için 3 santimetre radarları kullanır . Bununla birlikte, meteorolojik radarların ikili polarizasyonu , zayıflatılmış verileri düzeltmek için yeni parametrelerin kullanılmasını mümkün kılar. Kanada ve Fransa gibi C-bant radar ağlarını bu şekilde güncelleyen birçok ülke, bu düzeltmeyi otomatik olarak yapmak için sağlam algoritmalar geliştirildi. Bu algoritmalar, ışının özelliklerine ve dalga boyuna göre değişiklik gösterir.
Daha önce gördüğümüz gibi, yansıtma geri dönüşü hedefin çapı, sayısı ve dielektrik sabitiyle orantılıdır. Bir kar tanesi ile aynı kütlede bir yağmur damlası arasında, bu üç değişkende önemli bir fark vardır. Yani bir pulun çapı damlanın çapından çok daha büyüktür, ancak dielektrik sabiti çok daha küçüktür. Pullar daha yavaş düştükçe, damlalardan daha büyük bir konsantrasyona sahip olurlar, ancak ikincisi genellikle daha büyük hedefler oluşturmak için çarpışır. Tüm bu faktörleri hesaba katıp bu iki hedefin her birinin yansıtıcılığını hesapladığınızda, farkın düşüş lehine yaklaşık 1,5 dBZ olduğunu fark edersiniz.
Yükseklikte kar yere inip donma noktasının üzerinde hava ile karşılaştığında yağmura dönüşür. Bu nedenle, karda alınan bir radar verisi ile yağmurda alınan bir başka radar verisi arasında yansımanın yaklaşık 1,5 dBZ artmasını bekliyoruz. Ancak karın erimeye başladığı yükseklikte, yansımalarda 6,5 dBZ'ye kadar bir artış var. Ne oluyor?
Bu seviyede ıslak pullarla uğraşıyoruz. Hala kar tanelerine yaklaşan büyük bir çapa sahipler, ancak dielektrik sabitleri yağmura yaklaşıyor ve yavaş yavaş düşüyorlar. Daha sonra, daha fazla yansıtıcılığı destekleyen üç faktöre sahibiz. Bu, parlak bant adı verilen bir alanla sonuçlanır. Radar verilerinde, bu seviyeyi geçen ÜFE veya CAPPI üzerinde, yağış yoğunluklarında gerçek olmayan bir artış göreceğiz.
Bu nedenle, parlak bant tarafından kirletilen yağış oranlarının kullanılması, zemindeki yağış miktarlarının fazla tahmin edilmesine yol açacaktır. Bu yapıyı birkaç meteoroloji servisi tarafından filtrelemek için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Genel ilke, parlak şeridin seviyesini tespit etmek ve verileri mümkünse altındaki yağmurda veya başka bir şekilde yukarıdaki karda, ancak düzelterek kullanmaya çalışmaktır.
Yayılan ışın, lazer ışını gibi bir fırça değildir, bunun yerine, yayılan dalga bir uydu çanağının odak noktasında bir dalga kılavuzu tüpünün yarığından çıktığı için bir yarık boyunca bir kırınım modeline sahiptir . Merkezi tepe (radar ışını) aşağı yukarı bir Gauss eğrisidir, ancak hedefleri ana eksenden de aydınlatabilen ikincil tepeler vardır. İkincil zirvelerin enerjisini merkezi zirvenin küçük bir bölümünde en aza indirmek için her şey yapılır, ancak bunlar asla sıfır değildir.
Radar ışını özellikle güçlü bir yankının üzerinden geçtiğinde, enerjinin merkezi tepeden geri dönüşü görüş hattındadır. İkincil zirvelerin (bkz. İkincil lob ) geri dönüşleri, kendi paylarına, merkezi tepe başka bir bakış açısını aydınlattığında aynı anda ulaşır. Alıcı, merkezi zirvenin görüş açısını not ettiğinde, ikincil zirvelerin geri dönüşleri, bu nedenle, gerçek yankımızın her iki tarafında zayıf bir yanlış dönüş yaratan yanlış bir azimutta not edilir .
Radar ışını hedef tarafından her yöne yansıtılır. Genel olarak, buluttaki çoklu yansımalardan gelen geri bildirim ihmal edilebilir düzeydedir. Yağışın çekirdeğinin yoğun olduğu belirli koşullar altında ( dolu gibi ), radar ışınının enerjisinin önemli bir kısmı yere geri yansıyacaktır. İkincisi çok yansıtıcı olduğundan, büyük bir bölümünü buluta geri döndürecektir. Yoğun yağış alanı sonunda bir kısmını radara geri döndürdü. Daha sonra üç gövdeli bir yansımaya sahip olacağız.
Bu fazladan yankı, bulutun ilk yankısından daha geç geldikçe, daha uzun yol nedeniyle, gerçek yağış yankılarının arkasında yanlış yerleştirilecektir. Bir ÜFE veya CAPPI'de, çökeltinin en yoğun çekirdeğinin arkasında bir koni veya uzun bir düşük yoğunluklu alan görünümü alacaktır. Dikey bir kesitte bu koninin yere değmeyeceğini göreceğiz. Radardan bir yükseklik açısı boyunca radyal bir yönde uzanacak ve çekirdeği geçecektir.
Bir sonraki döngü, çökelme nedeniyle gerçek yankıları bulmak için ham bir yansıtma görüntüsünü nasıl temizleyebileceğimizi gösterir. İkincisi genellikle hareketli olduğundan, Doppler işleme ile elde edilen hızı sıfır olan yankıları ortadan kaldırarak, geriye yalnızca gerçek yankılara sahip oluruz. Tedavi karmaşık ve yanılabilir olmasına rağmen genellikle çok ilginç sonuçlar verir. Değişen yağış türlerinden, yağışların karıştırılmasından ve kuşlar gibi meteorolojik olmayan hedeflerden kaynaklanan sorunlar, polarizasyon verilerinden bir filtre kullanılarak filtrelenebilir. Bu operasyonel olarak yapılmaya başlandı ve iyi sonuçlar gösteriyor.
Radar çözünürlüğü, yağış yoğunluklarının belirlenmesi ve ölçülmesinde de önemli bir faktördür. Işının genişliğini azaltmak için antenin çapı artırılabilir, ancak maliyetler önemlidir. Diğer bir yol, ışının en dar olduğu her radara en yakın verileri kullanmak için radar ağının yoğunluğunu artırmaktır.
Atmosferin İşbirlikçi Uyarlamalı Algılama Merkezi için CASA adı verilen böyle bir program , normal radarın kapsadığı bölgeyi alt bölümlere ayırır ve her sektör, yalnızca düşük seviyede araştıran küçük, ucuz bir radarla kaplıdır. Bu, yüksek çözünürlüklü, düşük seviyeli bilgi ekler ve veri boşluğunu ana radarın minimum açısında doldurur. Böyle bir ağ, antenlerin boyutunu azaltan daha kısa bir dalga boyu kullanabilir, ancak çökelme ile zayıflama önemlidir. Her nokta daha sonra, her birine farklı bir yönden "bakarak" zayıflamayı telafi edecek birkaç radarla kapsanmalıdır. Böyle bir ağ, araştırma koordinasyonunun maliyeti ve teknolojisi rekabetçi hale gelirse teorik olarak mevcut radarların yerini bile alabilir.
Yana 2003 , bir üç boyutlu elektronik taranan radar satın, Amerika Birleşik Devletleri Donanması tarafından NOAA Hava Servisi , yağış saptanmasında bu kavramın yararlılığını görmeye test edilmiştir. Bu tür bir antenin avantajı, atmosferin sesini geleneksel bir antene göre çok daha hızlı bir zamanda elde ederek, gök gürültülü fırtınaların evrimini çok daha yüksek bir zamansal çözünürlükle görmeyi mümkün kılmasıdır . İkincisi, özellikleri çok hızlı bir şekilde değiştirebildiği ve şiddetli hava koşullarına neden olabileceği için, umut, şiddetli olayların ( kasırga , dolu , şiddetli yağmur ve alçalan rüzgarlar ) başlangıcını daha iyi tahmin edebilmek ve böylece hava durumu uyarılarının uyarısını iyileştirebilmektir.
Araştırmanın tamamlanması ve bu prensibi kullanarak 5 dakikadan daha kısa sürede tam bir sondaj verebilecek yeni nesil meteoroloji radarları inşa etmeyi planlamanın 10 ila 15 yıl alacağı tahmin ediliyor. Bu denemenin tahmini maliyeti 25 milyon ABD dolarıdır .
Farklı meteorolojik radar ağları: