1. Ciencia

¿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