¿Cómo funciona? • El principio de funcionamiento del radar meteorológico es el de emitir a través de una antena un pulso de energía electromagnética de duración t (del orden de los microseg) y de longitud de onda l (del orden de los centímetros, ya que el blanco deseado son las gotas de agua) El radar emite pulsos de energía y ella se refleja en el blanco y parte de la misma es reflejada en dirección al radar Duración pulso = 1 microseg Duración interpulso = 1 miliseg Para la ubicación del “blanco” se necesitan 3 coordenadas: distancia, Ángulo de elevación y ángulo azimutal La distancia al 'blanco” se determina calculando el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción de la energía, sabiendo que dicha energía se trasmite a la velocidad de la luz. d = rango del radar C = velocidad de la luz=3x108m/s Angulo Azimutal y de elevación (http://weather.noaa.gov/radar/radinfo/radinfo.html) • Números en rojo corresponden a ángulos elevación Plan Position Indicator • Constant elevation angle • Azimuth angle varies (antenna rotates) (University of Illinois WW2010 Project) RHI • Range Height Indicator (RHI) – Angulo Azimutal constante – Angulo elevación angle varía – Sección Vertical de una tormenta (University of Illinois WW2010 Project) Ecuación de Radar Energía reflejada por un blanco puntual. Pt = Potencia emitida por el radar G = Ganancia de la antena. Λ = Longitud de onda del radar. σ = superficie efectiva de dispersión del blanco. Si en lugar de tener un blanco puntual, tenemos un conjunto de blancos dentro de un volumen: por ejemplo un conjunto de gotas dentro de un volumen iluminado por el radar la ecuación se modifica de la siguiente manera: Donde sumamos sobre el sigma de todos los elementos presentes en el volumen. ө es el delta de ángulo que define el “ancho” del volumen. Asumimos que las partículas dispersan siguiendo un modelo de Rayleigh entonces podemos escribir la sección de dispersión. (Recordemos que en este caso estamos suponiendo que el tamaño de las partículas es mucho menor que la longitud de onda del RADAR). σ? Donde D es el diámetro de la partícula dispersora y K es la constante dieléctrica. Para el agua (K)2= 0.93 y para el hielo es 0.197 Reemplazando en la suma sobre todas las partículas del volumen obtenemos: 2 2 3 Pr = Pt G θ π h K 2 2 2 1024ln 2R λ ∑ i 6 Di Finalmente la ecuación queda dependiendo de la suma de la sexta potencia de los diámetros de las partículas presentes en el volumen iluminado por el RADAR. Ecuación de radar Rc Z e Pr = 2 r k ∑ Z e Ze dBZ = 10 log10 6 − 3 1mm m = N iD 6 i i=1 v Z e se define como la suma de la sexta potencia de los radios sobre el volumen “iluminado” por el RADAR Dado que Z cambia varios órdenes de magnitud, se utiliza la reflectividad que se define como el logaritmo en base 10 de Z y que es lo que usualmente se muestra como producto del RADAR. Para obtener dBZ a partir de la potencia recibida por el RADAR se asume que lo que dispersa es agua y que es válida la ecuación de dispersión discutida previamente. (lo cual no siempre es así). Reflectividad equivalente: La banda brillante Nieve, las partículas son relativamente grandes, pero |K|2 es bajo lo que produce reflectividad equivalente baja. Zona de fusión, |K|2 similar al del agua, partículas grandes recubiertas por una capa líquida. Reflectividad equivalente alta. Lluvia, |K|2 es el del agua, pero las partículas son más pequeñas porque se han fundido totalmente. La reflectividad equivalente disminuye nuevamente. Ejemplo con un corte RHI Ejemplo con un corte PPI Reflectividad Lluvia acumulada Echo Tops Radar con Efecto Doppler • Basado en los cambios de frecuencia asociados con objectos en movimiento • Energía E-M dispersada por los hidrometeoros moviendose hacia/desde el radar causa cambios en la frecuencia • La frecuencia de la señal de retorno es comparada con la de la señal transmitida → velocidad radial. Velocidad Radial • Hidrometeoros moviéndose hacia /desde el radar – Valores Positivos ⇒ Blancos moviéndose desde el radar – Valores Negativos ⇒ Blancos moviéndose hacia el radar • Puede ser usada para establecer patrones de circulacion a) frentes b) circulaciones de mesoscala c) Tornados d) Microburst e) Velocidad Tormenta (http://virtual.clemson.edu/groups/birdrad/COMMENT.HTM) Velocidad Base Storm-Relative Velocity Houston, TX (KHGX) Colores cálidos es V hacia afuera radar Colores frios es V hacia el radar mesocyclone Buffalo, NY (KBUF) 1944 UTC 28 April 2002 Storm-Relative Velocity (http://www.srh.weather.gov/jetstream/remote/srm.htm) ¿Cuál es la máxima velocidad que puedo medir con un RADAR Doppler? La velocidad máxima es: Vmax = λ PRF 4 Cuanto más menor sea el espaciamiento entre pulsos en el RADAR mayor es la máxima velocidad que puede ser medida unívocamente. PRF = 1000 s-1 y λ = 10 cm, entonces Vmax = 25 ms-1 Existe un problema importante y es que el rango máximo del RADAR depende inversamente del PRF: Ecuación para el rango máximo de medición de un RADAR en función del PRF. Con lo cual: Si aumentamos el rango… disminuye la Vmax y viceversa. Es por eso que en general los productos de velocidad Doppler se presentan en un dominio más reducido y miden velocidades máximas de entre 20-30 m/s. ¿Qué pasa cuando el cambio de fase es mayor que el detectable por el RADAR? Se produce el fenómeno de Aliasing, el RADAR interpreta el cambio de fase como si este estuviera asociado a una velocidad en el intervalo –Vmax, Vmax. Por eso es posible detectar estos cambios en las imágenes de RADAR como cambios bruscos en la intensidad del viento medido. Interpretación de los campos de velocidad provenientes de un solo RADAR: El RADAR Doppler mide velocidad radial, es decir la componente del movimiento que indica si el blanco se está alejando o acercando al RADAR. Algunos ejemplos básicos. En este caso también es muy importante tener en cuenta la variación de la altura del pulso de RADAR con la distancia. Una imagen Doppler nos puede dar información de cómo varía el viento con la altura. Veamos ejemplos de casos en los que solo tenemos movimiento de gran escala… Caso 1 Como se interpreta esta imagen? Cual es la dirección del viento? Hay variación del viento con la altura? Como es dicha variación? Valores rojos (positivos) indican partículas que se alejan del RADAR, valores verdes y azules partículas que se acercan al RADAR. Caso 2 Caso 3 Analizar el perfil vertical del viento en este caso. Caso 4 Como es la advección de temperatura en escala sinóptica? Caso 5 Soluciones: Algunos casos más difíciles… Soluciones: Casos frecuentemente asociados a convección RADAR RADAR Donde hay rotación en la imagen? Donde sería posible identificar zonas done la velocidad se va del rango que puede calcular el RADAR? Un ejemplo local… ¿Qué fenómeno ocurre sobre el Río de la Plata? VAD: Algoritmo para determinar el perfil de viento medio asumiendo que W=0, y que la velocidad y dirección del vientos son mayormente homogéneos en la horizontal. Midiendo la velocidad radial en distintos puntos sobre un círculo equidistante al RADAR es posible inferir la dirección del viento medio de la misma manera que la dedujimos en los ejemplos idealizados discutidos previamente. Cuanto mayor radio tenga el círculo mayor será la distancia y por ende la altura a la que estamos realizando el análisis. Algunos problemas asociados al uso del RADAR en meteorología. Distinguir entre agua y hielo precipitantes. Identificar la presencia de algunas especies en particular como granizo o agua sobreenfriada. Estimar mejor las tasas de precipitación a partir de los datos extraidos del RADAR. Los radares convencionales, emiten radiación polarizada en una única dirección. Los radares de doble polarización emiten radiación polarizada en el sentido vertical y horizontal. Definiciones: Potencia co-polar: Potencia recibida con la misma polarización que la potencia emitida. Potencia cross-polar: Potencia recibida con la polarización opuesta a la emitida. Esquema de funcionamiento de un RADAR de doble polarización. Variables derivadas a partir de la dispersión de la señal emitida por un radar de doble polarización. Zh = Reflectividad de la señal emitida con polarización horizontal. ZDR= Reflectividad diferencial. Es el cociente de los logaritmos de la reflectividad de la potencia emitida con polarización vertical y horizontal. Depende de la forma media y del tamaño medio de las partículas que dispersan. ZDR(dB) = log Zh(dBZ) / log Zv(dBZ) Rohv = Coeficiente de correlación co-polar. Es una correlación entre la potencia dispersada vertical y horizontalmente. Depende del tipo de hidrometeoros, su forma, orientación. Particularmente sensible a la presencia de granizo grande. KDP = Diferencia de fases específica. Diferencia en la fase de la potencia dispersada por un blanco entre el pulso horizontalmente polarizado y el verticalmente polarizado. Este parámetro permite estimar la cantidad de agua líquida bajo ciertas condiciones. Productos del Radar Polarimetrico Productos ZDR DR Reflectividad Diferencial ρHV Coeficiente HV correlation copolar ΦDP DP Diferencia de cambio de fase Productos Derivados R(syn) (syn) Estimación de la PP usando ZHH, ZDR DR, KDP DP HCA Hydrometeor Classification Algorithm KDP Diferencia de DP Fases específica Vamos a concentrarnos en el Zdr Consideremos la siguientes formas de gotas en función de su tamaño. Como será la reflectividad para el pulso polarizado verticalmente y para el pulso polarizado horizontalmente en cada uno de estos casos? ¿Como serán los valores de ZDR en una región donde predominen las gotas grandes? ¿Como serán en una región donde predominen las gotas pequeñas? ¿Que permite detectar el ZDR? 1. Tamaño medio de las gotas de agua (Zdr↑, tamaño medio de las gotas↑) 2. Granizo (Zdr ~ 0dB o negativo en regiones con altos niveles de Zh) 3. Regiones con gotas grandes o hielo que comienza a fundirse (Zdr ~3-6 dB) 4. Maximos de ascendentes convectivas (Zdr ~1-5 dB) por encima del nivel de 0oC • El granizo aparece como esférico aunque no lo sea debido a los constantes cambios de posición y en el caso de granizos ovalados, tienden a caer con el eje mayor orientado vertical mente con lo cual el valor de ZDR ~0 dB o eventualmente negativo. En una región donde el granizo está presente: Zdr~log(Zh/Zv) = 65dbz/65dbz = 0dB O bien Zdr~log(Zh/Zv) = 55dbz/70dbz = -1dB “Columna de Zdr” (Zh~30-50 dBZ, Zdr 1-5 dB) cercana o dentro de las ascendentes convectivas más intensas, puede alcanzar el nivel de los –10oC: gotas grandes que se encuentran dentro o cerca de una ascendente convectiva muy intensa. Las gotas se pueden estar formando o haberse formado dentro de la ascendente por procesos de formación cálidos, o fusión de hielo. Ejemplo detección de granizo. Reflectividad Reflectividad diferencial ¿Dónde la información derivada del radar de doble polarización indica la presencia de granizo? Otro ejemplo: Microburst húmedo (corte RHI) Reflectividad Reflectividad diferencial Otras aplicaciones del RADAR de doble polarización: Clasificación de hidrometeoros Rs Gotas pequeñas. Rm Gotas medianas Rl Gotas grandes G/ Hs Graupel granizo pequeño. R/H Mezcla de lluvia y granizo. H Granizo. De acuerdo a los valores de reflectividad y de reflectividad diferencial se puede ensayar una clasificación de los hidrometeoros. Ejemplo de una clasificación más compleja realizada en base a los productos del RADAR de doble polarización. Estimación de la precipitación: Las estimaciones tradicionales se basan en una relación empírica entre la tasa de precipitación en superficie y la reflectividad. Las estimaciones en base al RADAR de doble polarización incluyen las nuevas variables en el algoritmo para estimar la tasa de precipitación lo que resulta en una mejora de la estimación de la lluvia. R(Z) R(Z, KDP, ZDR) Otros ejemplos, detección de escombros arrastrados por un tornado: Ecos asociados a escombros levantados por un tornado cerca de la superficie. Otro ejemplo: ¿Debería un operador emitir un alerta frente a esta imagen? ¿De ser así que fenómeno potencialmente peligroso debería indicar? Reflectividad Reflectividad diferencial FIN
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