Radarmeteorológia Makra László
TARTALOM Bevezetés Interpretáció A radarok története Radar hardver Hogyan működik? Elmélet Gyakorlat Visszaverődési kép Radartípusok 1-2. Hagyományos radar Doppler radar Szélsebességes képek A Doppler és a szélsőséges időjárás Az oakfieldi tornádó esettanulmány Hamis adatok
Bevezetés Magaslégköri megfigyelések
Interpretáció RAdio Detection And Ranging hullámhossz LIght Detection And Ranging RÁDIÓ RADAR Buderi 1996: THE INVENTION THAT CHANGED THE WORLD Young and Taylor 1934: PULSES OF ENERGY
A radarok története Kezdetben ellenséges hajók és repülőgépek felderítésére használták; A csapadék gyakran megnehezítette a közeledő ellenséges támadók felderítését; A radar-technológia azóta sokat fejlődött, elsősorban a nagyteljesítményű számítógépeknek köszönhetően;
energia Doppler radarok sebesség radar adatok Kısayol Bilgisayarım.lnk számítógép automatikus figyelmeztetések fajta polarizáció alak méret
Radar hardver reflektor antenna hullámvezető duplexer adóállomás vevő modulátor időjelző kijelző
Hogyan működik? m - Elmélet let egyedi antenna visszatér ő cél küldő rövid tartamú energia impulzusok Az antenna egy függőleges tengely körül forog, minden irányban letapogatva a horizontot 0 20 magassági szög + 4 6 perc Teljes ciklus adat... kijelzés
Elektromágneses hullámok rádió és radar elektromágneses sugárzás f = c λ f : 1 Hz = 1 ciklus / másodperc c: m/s λ: m
Elektromágneses spektrum Skolnik, 1980
Radarsávok és a megfelelő frekvenciasávok (Rinehart, 2001) radarsávok frekvencia hullámhossz HF 3-30 MHz 100-10 m VHF 30-300 MHz 10-1 m UHF 300-1000 MHz 1-0,3 m L 1-2 GHz 30-15 cm S 2-4 GHz 15-8 cm C 4-8 GHz 8-4 cm X 8-12 GHz 4-2,5 cm Ku 12-18 GHz 2.5-1.7 cm K 18-27 GHz 1,7-1,2 cm Ka 27-40 GHz 1,2-0,75 cm mm or W 40-300 GHz 7,5-1 mm
REFRAKT KTÍV INDEX n = c u c : fénysebesség a vákuumban u: átlagos fénysebesség anyagi közegben n: refraktív index c u (mindig) n 1 (dimenzió nélküli paraméter) két komponense van: m = n ik i = 1 k az anyagi közeg abszorpciós együtthatója levegőre: m = 1,003
Refraktivitás [N] légnyomás (p, hpa) N = 77.6 T e p+ 4810 T 4.03 10 7 N f e 2 hőmérséklet (T, K) gőznyomás (e, hpa) szabad elektr. (N e, db m -3 ) radar frekvencia (f, Hz.) normál légköri feltételek mellett; talaj Z N N
Radaregyenlet pontszerű célra radar viharok csapadék intenzitás és... radar energia impulzus az űrbe antenna segítségével energia gömbszerűen terjedő energia-burok terület 2 = 4 π r r: a radartól való távolság energia-sűrűség: S S = Pt 4 π r 2
2 4 r A g P P t = π σ σ σ P a célpont által felfogott energia σ célpont A radar által felfogott energiamennyiség a következő: 2 4 r A P P e r = π σ ( ) 4 2 4 r A A g P P e t r = π σ π 4 λ g A 2 e = A e : a vevőantenna hatásterülete 4 3 2 2 64 r A g P P t r = π λ σ
Új! A célpont c keresztszelvény nyéről l törtt rténő visszaszóródás σ A σ VÉGSŐ FORMA P r = P g λ 2 2 t 3 64 π r σ 4 GÖMBI CÉLPONTOKC Ha a gömb NAGY 2 σ = π r NAGY : D / λ f 10 Ha a gömb KICSI RAYLEIGH térség KICSI : D / λ p 0. 1
A Rayleigh térségben: σ = π 5 K λ 4 2 D 6 (Battan, 1973) 2 K : Az anyag komplex refrakciós indexéhez kapcsolódik Meteorológiai célpontok kicsi Rayleıgh térség meteorológiai radar használata Néhány standard célpont: Adott rétegek, madarak, repülőgépek, épületek, víztornyok, rádió jeladók, stb. Összegzés: Számos radarnál a pontszerű célpontok az echo impulzusforrásai. A visszatérő impulzusok precíz mérése estén sokat megtudhatunk a célpontokról. A jól megválasztott célpontok azt is lehetővé teszik, hogy megfigyeljük egy adott radarrendszer egészségi és kvantitatív megbízhatóságát.
Hogyan működik? - Gyakorlat Az elve hasonló egy röntgengépéhez, amellyel az emberi testet világítják át; A radar az elektromágneses sugárzási spektrum mikrohullámú tartományát használja; A tipikus hullámhossztartomány: 3 cm < λ<10 cm Milliónyi mikrohullámot bocsát ki, melyek kölcsönhatásba lépnek a fagyott és nem fagyott vízrészecskékkel a légkörben; eső, hó, jégeső, felhők, stb.
Hogyan működik? - Gyakorlat Amikor a mikrohullámok összeütköznek a részecskékkel, energiájuk minden irányban szétszóródik; Ennek az energiának egy része visszajut a radarhoz; A sugárnyaláb általában 1 hajlású és 1,5 széles, s forgása közben egy teljes kört pásztáz; Általában 200 tengeri mérföldet (1852 m) pásztáz;
Hogyan működik? - Gyakorlat A jel kibocsátása és visszaverődése közötti időkülönbség = a zivatar távolsága; A jel erőssége = csapadékintenzitás; A nagyméretű, vagy a nagyon sok részecske a kibocsátott hullámokat nagyobb intenzitással veri vissza, mint a kis méretű, vagy a nagyon kevés részecske; Az intenzitás mértéke az echo (azaz visszhang ), ami a hullámoknak a részecskékről történő visszaverődésének a jellemzője; Mint a visszhang egy szurdokban az üvöltés után; A csapadékintenzitást bemutató képet visszaverődési képnek nevezzük; Az intenzitást decibelben (dbz) mérjük;
Visszaverődési kép Az intenzitást a számítógép képernyőjén általában a színskála különböző színeivel jelöljük; vörös / bíbor = intenzívebb csapadékhullás; kék / zöld = mérsékeltebb csapadékintenzitás; fekete = tiszta;
Radartípusok 1. Monosztatikus és bisztatikus radar CW és pulzáló radar Doppler radar FM-CW radar Szélprofil készítő és repülőgépes radarok Lebegő radar Hajófedélzeti radar Időjárási radar Kettős-hullámhossz radar Polarizációs radar
A légi l közlekedk zlekedésben használatos radarok ARSR : ASR : TDWR : ARDE : L-sáv, λ=20 cm; Repülőgépek felderítése; Információt nyújt a repülőgépek pozíciójáról; Microburst, szélrohamok, légmozgások, csapadék felderítése; Repülőgépek követése a talajról néhány reptéren;
Radartípusok 2. Két fő radartípus használatos: hagyományos radar Doppler radar
Hagyományos radar Hagyományos radar A radarképernyőn látható echo-k ( visszhangok ); Csak visszaverődéses képeket állít elő; Nemcsak körben pásztáz, hanem, bólogató mozgással vertikálisan is, azért, hogy különböző szinteket, illetve egyedi viharokat is belásson;
Doppler radar Doppler radar A radarok egyik legfejlettebb változata; Mindent tud, amit egy hagyományos radar, DE MÉG ANNÁL IS TÖBBET; A Doppler-effektus elvén működik; Doppler-effektus Általában hanghullámok használatával írják le; Definíció: a hullámforrás (adó) és / vagy a hullámfogadó (vevő) mozgása révén keltett hullámok megfigyelt frekvenciájának a megváltozása;
Doppler radar Példa a Doppler-effektusra elhaladó mentőautó; A mentőautó mozgása megváltoztatja a hullámok irányát; közeledés a sziréna hangja magasabb frekvenciára emelkedik; távolodás a sziréna hangja alacsonyabb frekvenciára csökken; A mozgó objektum mozgásának irányában a hullámok összenyomódnak;
Doppler radar A Doppler-effektus meteorológiai használata ehhez igen hasonló; A radar felé mozgó csapadékhullám megnöveli a visszavert impulzusok gyakoriságát; A távolodó mozgás csökkenti a frekvenciát;
Doppler radar Következésképp, a szelek Doppler-analízise segítségével meghatározhatjuk azok sebességét és irányát; Lehetővé teszi számunkra, hogy földeríthessük egy zivatar belső szerkezetét; Sebesség / vihar relatív sebesség fotók; Megjegyzés: Míg a hagyományos radarral csak visszaverődéses képek készíthetők, a Doppler-radarral mind visszaverődéses, mind szélsebességes képek előállíthatók;
Szélsebességes képek A szélsebességet szintén a színskála különböző színeivel jelöljük; zöld / kék = a levegő a radar felé mozog; vörös / narancs = a levegő a radartól távolodik; a sebesség egysége: 1 tengeri mérföld / óra (1852 m/óra);
A Doppler radar értelmezése Sugár irányú sebesség: a radar felé, vagy a radar felől történő mozgás sebessége
A Zéró Izodop használata 0% Amikor a szélirány merőleges a radarsugárra, a radar zéró sebességet mutat. Ez a zéró zóna, amit úgy hívnak, hogy Zéró Izodop. Amikor a szélirány párhuzamos a radarsugárral, a szél teljes komponense mérhető. 100% 100% 0% A tényleges szélsebesség mekkora hányadát jelzi a radar? 0 0 = 100% - párhuzamos 15 0 = 97% 30 0 = 87% 45 0 = 71% 60 0 = 50% 75 0 = 26% 90 0 = 0% - merőleges
A Doppler radar értelmezése A szélirány merőleges a radarsugárra a zöld és a piros közötti szürke sávban ( zéró izodop ); A szélprofil megfordulását egy S jelzi a szélkijelzőn; A széliránynak a magassággal történő megfordulása meleg levegő advekcióját jelzi (2. körnegyed), következésképp emelkedő levegőre utal;
A Doppler radar értelmezése A visszaforduló szélprofilt visszahajló S jelzi a szélkijelzőn; A széliránynak a magassággal történő megfordulása hideg levegő advekcióját jelzi (3. körnegyed), következésképp süllyedő levegőre utal;
A Doppler és a szélsőséges időjárás A Doppler Radar alkalmazása előtt a tornádó riadót nem lehetett bejelenteni addig, amíg az el nem érte a felszínt; Ma már tudjuk, hogy a potenciális tornádóval együtt járó zivataroknak gyakran vannak olyan jellemzői, melyek a Doppler radar használatával felismerhetők; Követezésképp, jóval fejlettebb / megalapozottabb tornádó riadót lehet bejelenteni, mielőtt az megérkezik;
A Doppler és a szélsőséges időjárás A tornádóval együtt járó zivatar (ún. szupercella) modellje Látható a visszaverődéses képeken A visszaverődés íve a vihar hátsó részében a kampós visszhang ( Hook Echo ); A tornádó keletkezésének legvalószínűbb helye;
A Doppler és a szélsőséges időjárás A szupercella zivataroknak egy olyan különleges tulajdonságuk van, amely megkülönbözteti őket minden egyéb zivatartól: A mezociklon; A mezociklon egy 5-10 km széles térség a viharnak az alacsonytól a közepes magasságú szintjein belül, amely az óramutató járásával ellentétes irányban forog; Ez a forgás arra kényszeríti a levegőt, hogy fölemelkedjen a felszínről, amely aztán megfelelő körülmények között tornádóvá fejlődhet; Mivel a mezociklonok légáramláshoz kapcsolódnak, azok felismerhetők, ha a Doppler szélsebességes képeket előállítjuk vörös és zöld színű kis térséget kijelölve közvetlenül egymás mellett;
A Doppler és a szélsőséges időjárás A tornádó örvény kijelölése A tornádó képe egy Doppler szélsebességes képen; Egy kis térség, gyorsan változó szélsebességgel a mezociklonon belül; Sebesség kritérium: A közeledő, illetve a távolodó légmozgások maximális sebessége közötti különbség (nyírás) 90 csomó (= 90 tengeri mérföld / óra = 90 1852 m / óra), ha az átlagos szélsebesség < 30 tengeri mérföld; 70 csomó, ha az átlagos szélsebesség 30 és 55 tengeri mérföld közötti;
Az oakfieldi tornádó, esettanulmány Oakfield, Wisconsin, USA, 1996 július 18. F5 kategóriájú tornádó alakult ki; a szélsebesség > 261 mérföld / óra (a legpusztítóbb hatású tornádó a Fujita skálán); [ 1 mérföld = 1609 m 261 mérföld / óra 420 km / óra] Egy klasszikus szupercellából keletkezett 19 óra 15 perckor; Igen jó esettanulmány; A következő képek Doppler radar segítségével készültek; Green Bay, Wisconsin, USA
Az oakfieldi tornádó, esettanulmány A visszaverődéses képek tanulmányozásával az előrejelzők felismerték az éppen kialakulóban lévő klasszikus vesebab formájú szupercellát, valamint a jól definiálható kampós visszhangot ( Hook Echo );
Az oakfieldi tornádó, esettanulmány A szélsebességes képek tanulmányozásával az előrejelzők igazolták a mezociklon jelenlétét, (azaz a vihar forgásban volt); Azután a tornádó örvényt (TVS) azonosították; Észrevették, hogy a tornádó örvény (TVS) ugyanazon a helyen van, mint a kampós visszhang ( Hook Echo );
A Doppler és a szélsőséges időjárás Néha a tornádók olyan zivatarokból jönnek létre, melyek egy szélroham vonal részét képezik, s ily módon nem szupercellák; Szélroham vonal (Squall line) = a zivatarzóna vonala; Általában hidegfront előtt alakul ki, s az előtt, vele egyirányban halad; A szélsőséges szelek súlyos fenyegetést jelentenek, de tornádók csak ritkán képződnek; A tornádók a szélsőséges szelekkel gyengébbek és rövidebb életűek, mint a szupercella tornádók;
Tornádó a Doppler radaron Reflektivitás sebesség
Doppler radar hálózat, USA
Lényeges problémák A radarsugarak egy része épületekről, fákról, hegyoldalakról verődik vissza A radarsugarak intenzitását a por és a radarberendezés közelében található aeroszol is befolyásolja; Hamisan jelezhet csapadékot; A radarberendezés a fekete területen található, melyet kék / zöld visszaverődések vesznek körül; Hamis adatok
Hamis adatok Anomalikus terjedés (AT) Akkor történik, amikor hőmérsékleti inverziók találhatók alacsony szinteken; A talajfelszín felé hajló radarsugarak visszaverődve erős jelet adnak; Gyakori a kora reggeli órákban, derült éjszakát követően; Szintén, hamisan jelezhet csapadékot;
Virga A radar felderítheti a magasabb szinteken keletkező csapadékot, ami viszont nem hull le a földfelszínre; A csapadék gyorsan elpárolog a felhő alatti száraz levegőben; A csapadékot ily módon túlbecsüljük; Hamis adatok
Hamis adatok Túlirányzott sugarak Némely csapadék igen alacsony felhőkben képződik; A sugár túlmehet a felhő jelentős részén, alábecsülve a csapadék intenzitását;
Vihar interferencia A radarhoz legközelebbi viharok elnyelhetik, vagy visszaverhetik a radar energiájának jelentős részét; Csökkent mennyiségű energia áll rendelkezésre a távoli viharok kiderítésére; Alábecsüli a csapadékot; Hamis adatok
Hamis adatok A radarsugár elfogása Épületek, fák, hegységek, stb. megakadályozzák, hogy a radarsugár egy jelentős része elérje, s ily módon kimutassa a csapadékot, mely lehet, hogy ezen akadályok túlsó oldalán van; Alábecsüli a csapadékot;
Hamis adatok Szélnyírás A hulló csapadékot elmozdíthatja a szél annak hullása közben; Némely területen hullhat csapadék, annak ellenére, hogy a radar ott nem jelzett semmit, és viszont;