Hava radarı - Weather radar

Hava durumu radarı Norman, Oklahoma ile yağmur mili

Hava durumu (WF44) radar anteni

Oklahoma Üniversitesi OU-PRIME İnşaat sırasında C-bandı, polarimetrik, hava durumu radarı

Hava radarı, olarak da adlandırılır hava gözetleme radarı (WSR) ve Doppler hava durumu radarı, bir tür radar bulmak için kullanılır yağış, hareketini hesaplayın ve türünü tahmin edin (yağmur, kar, selamlamak vb.). Modern hava durumu radarları çoğunlukla darbe-Doppler radarları, yağış yoğunluğuna ek olarak yağmur damlacıklarının hareketini de tespit edebilmektedir. Fırtınaların yapısını ve bunların neden olma potansiyelini belirlemek için her iki veri türü de analiz edilebilir. Şiddetli hava.

Sırasında İkinci Dünya Savaşı, radar operatörler, havanın ekranlarında yankılara neden olduğunu ve potansiyel düşman hedeflerini maskelediğini keşfettiler. Bunları filtrelemek için teknikler geliştirildi, ancak bilim adamları bu fenomeni incelemeye başladı. Savaştan hemen sonra fazla Yağışları tespit etmek için radarlar kullanıldı. O zamandan beri, hava durumu radarı kendi başına gelişti ve şu anda ulusal hava durumu hizmetleri, üniversitelerdeki araştırma bölümleri ve televizyon istasyonları hava durumu departmanları. Ham görüntüler rutin olarak kullanılır ve özel yazılımlar kısa vadeli yapmak için radar verilerini alabilir tahminler yağmur, kar, dolu ve diğer hava olaylarının gelecekteki konumlarının ve yoğunluklarının. Radar çıkışı bile dahil edilmiştir sayısal hava tahmini analizleri ve tahminleri geliştirmek için modeller.

Tarih

Tayfun Kobrası Aralık 1944'te bir geminin radar ekranında görüldüğü gibi.

II.Dünya Savaşı sırasında, askeri radar operatörleri yağmur, kar ve yağmur nedeniyle geri dönen yankılarda gürültü fark ettiler. sulu kar. Savaştan sonra, askeri bilim adamları sivil hayata geri döndüler veya Silahlı Kuvvetlerde devam ettiler ve bu yankıları kullanmak için çalışmalarına devam ettiler. Birleşik Devletlerde, David Atlas^[1] ilk önce Hava Kuvvetleri ve daha sonra MIT, ilk operasyonel hava radarlarını geliştirdi. Kanada'da, J.S. Marshall ve R.H. Douglas, Montreal'de "Fırtınalı Hava Grubu" nu kurdu.^[2][3] Marshall ve doktora öğrencisi Walter Palmer, damla boyutu dağılımı enlem ortasındaki yağmurda, belirli bir radarı ilişkilendiren Z-R ilişkisinin anlaşılmasına yol açan yansıtma yağmur suyunun düştüğü oranda. Birleşik Krallık'ta araştırmalar, radar yankı modellerini ve aşağıdaki gibi hava durumu unsurlarını incelemeye devam etti. katman biçimi yağmur ve konvektif bulutlar ve 1 ila 10 santimetre arasındaki farklı dalga boylarının potansiyelini değerlendirmek için deneyler yapıldı. 1950'de Birleşik Krallık şirketi EKCO havada bulunan 'bulut ve çarpışma uyarısı arama radarı ekipmanını' gösteriyordu.^[4]

1960'ların radar teknolojisi kasırga ürettiğini tespit etti süper hücreler üzerinde Minneapolis-Saint Paul Metropol alanı.

1950 ile 1980 yılları arasında, yağışın konumunu ve yoğunluğunu ölçen yansıtma radarları, dünyanın dört bir yanındaki hava durumu hizmetlerine dahil edildi. İlk meteorologlar bir katot ışınlı tüp. 1953'te Illinois Eyaleti Su Araştırmaları için çalışan bir elektrik mühendisi olan Donald Staggs, bir "kanca yankısı "kasırga fırtınasıyla ilişkili.^[5]

Amerika Birleşik Devletleri'nde televizyonda hava durumu radarının ilk kullanımı Eylül 1961'de oldu. Carla Kasırgası Teksas eyaleti ve yerel muhabir yaklaşıyordu Dan yerine Kasırganın çok büyük olduğundan şüphelenerek ABD'ye bir gezi yaptı. Hava Durumu Bürosu WSR-57 radar sitesi Galveston fırtınanın büyüklüğü hakkında bir fikir edinmek için. Büro personelini ofislerinden canlı yayın yapmasına ikna etti ve bir meteorologdan kendisine Meksika körfezi şeffaf bir plastik levha üzerine. Yayın sırasında, izleyicisine hem Carla'nın büyüklüğünü hem de fırtınanın gözünün yerini hissettirmek için bilgisayarın siyah-beyaz radar ekranının üzerine şeffaf bir katman yerleştirdi. Bu, daha ziyade ulusal bir isim yaptı ve raporu, uyarılmış nüfusun, o zamanlar ABD tarihindeki en büyük tahliye olan tahmini 350.000 kişinin yetkililer tarafından tahliye edilmesini kabul etmesine yardımcı oldu. Uyarı sayesinde sadece 46 kişi hayatını kaybetti ve tahliyenin daha küçük olduğu için birkaç bin hayat kurtardığı tahmin edildi. 1900 Galveston kasırgası tahmini 6000-12000 kişiyi öldürdü.^[6].

1970'lerde, radarlar standartlaştırılmaya ve ağlar halinde organize edilmeye başlandı. Radar görüntülerini yakalayan ilk cihazlar geliştirildi. Yağışın üç boyutlu bir görünümünü elde etmek için taranan açıların sayısı artırıldı, böylece yatay enine kesitler (CAPPI ) ve dikey kesitler yapılabilir. Gök gürültülü fırtınaların organizasyonuyla ilgili çalışmalar daha sonra Alberta Dolu Projesi Kanada'da ve Ulusal Şiddetli Fırtınalar Laboratuvarı (NSSL) özellikle ABD'de.

1964'te oluşturulan NSSL, ikili polarizasyon sinyaller ve Doppler etkisi kullanır. Mayıs 1973'te bir kasırga harap oldu Union City, Oklahoma hemen batısında Oklahoma şehri. NSSL'den ilk kez Dopplerize edilmiş 10 cm dalga boylu bir radar, kasırganın tüm yaşam döngüsünü belgeledi.^[7] Araştırmacılar bir orta ölçekli kasırga yere değmeden önce buluttaki dönüşü - tornadic vorteks imzası. NSSL'nin araştırması, Ulusal Hava Servisi Doppler radarının çok önemli bir tahmin aracı olduğu.^[7] Süper Salgın 3–4 Nisan 1974'teki kasırgaların sayısı ve yıkıcı yıkımları, daha fazla gelişme için fon bulmaya yardımcı olabilirdi.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Güney Dakota'da NEXRAD, süper hücre arka planda.

1980 ve 2000 yılları arasında hava radar ağları Kuzey Amerika, Avrupa, Japonya ve diğer gelişmiş ülkelerde norm haline geldi. Konvansiyonel radarların yerini, konum ve yoğunluğa ek olarak havadaki parçacıkların göreceli hızını izleyebilen Doppler radarları aldı. Amerika Birleşik Devletleri'nde 10 cm'lik radarlardan oluşan bir ağın inşası adı verilen NEXRAD veya WSR-88D (Hava Gözetleme Radarı 1988 Doppler), NSSL'nin araştırmasının ardından 1988'de başlatıldı.^[7][8] Kanada'da, Çevre Kanada inşa etti King City istasyon^[9] 1985 yılına kadar 5 cm araştırma Doppler radarı ile; McGill Üniversitesi radarını dopplerize etti (J. S. Marshall Radar Gözlemevi ) 1993 yılında. Bu tam bir Kanadalı Doppler ağı^[10] 1998 ve 2004 yılları arasında. Fransa ve diğer Avrupa ülkeleri 2000'lerin başında Doppler ağlarına geçtiler. Bu arada, bilgisayar teknolojisindeki hızlı gelişmeler, algoritmaların şiddetli hava koşullarının belirtilerini tespit etmesine ve medya kuruluşları ve araştırmacılar için birçok uygulamaya yol açtı.

2000'den sonra, ikili polarizasyon teknolojisi üzerine yapılan araştırmalar operasyonel kullanıma geçti ve yağış türü hakkında mevcut bilgi miktarını artırdı (örn. Yağmur ve kar). "İkili polarizasyon", mikrodalga radyasyonu olan polarize hem yatay hem de dikey olarak (zemine göre) yayılır. Amerika Birleşik Devletleri, Fransa gibi bazı ülkelerde geniş çaplı dağıtım on yılın sonunda veya bir sonrakinin başında yapıldı.^[11] ve Kanada. Nisan 2013'te tüm Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Hava Servisi NEXRAD'ler tamamen çift kutupluydu.^[12]

2003'ten beri ABD Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi ile deney yapıyor aşamalı dizi radarı daha fazla zaman çözünürlüğü sağlamak için geleneksel parabolik antenin yerine atmosferik sondaj. Bu, şiddetli gök gürültülü fırtınalarda önemli olabilir çünkü evrimleri daha zamanlı verilerle daha iyi değerlendirilebilir.

Ayrıca 2003 yılında Ulusal Bilim Vakfı kurdu Atmosferin İşbirlikçi Uyarlamalı Algılama Mühendislik Araştırma Merkezi (CASA), mühendisler, bilgisayar bilimcileri, meteorologlar ve sosyologların temel araştırmaları yürütmek, etkin teknolojiyi geliştirmek ve genel olarak yetersiz örneklenen alt troposferden ucuz bir örnek alarak mevcut radar sistemlerini artırmak için tasarlanmış prototip mühendislik sistemlerini dağıtmak için çok disiplinli, çok üniversiteli bir işbirliği. , hızlı tarama, çift polarizasyon, mekanik olarak taranmış ve aşamalı dizi radarları.

Bir hava durumu radarı nasıl çalışır?

Radar darbeleri gönderme

Bir radar ışını, radar istasyonundan uzaklaştıkça genişleyerek artan bir hacmi kaplar.

Hava durumu radarları, mikrodalga emriyle radyasyon mikrosaniye uzun, kullanarak boşluk magnetron veya klistron ile bağlı tüp dalga kılavuzu bir parabolik anten. 1-10 cm dalga boyları, ilgilenilen damlacıkların veya buz parçacıklarının çapının yaklaşık on katıdır, çünkü Rayleigh saçılması bu frekanslarda oluşur. Bu, her darbenin enerjisinin bir kısmının bu küçük parçacıklardan radar istasyonu yönünde geri döneceği anlamına gelir.^[13]

Daha kısa dalga boyları, daha küçük parçacıklar için kullanışlıdır, ancak sinyal daha hızlı zayıflatılır. Böylece 10 cm (S-bandı ) radar tercih edilir ancak 5 cm'den daha pahalıdır C bandı sistemi. 3 santimetre X bandı radar yalnızca kısa menzilli birimler için kullanılır ve 1 cm Ka-bandı hava durumu radarı sadece çiseleme ve sis gibi küçük parçacıklı olaylar üzerine araştırma yapmak için kullanılır.^[13] W bandı hava durumu radar sistemleri sınırlı üniversite kullanımı gördü, ancak daha hızlı zayıflama nedeniyle çoğu veri çalışmıyor.

Radar sinyalleri, radar istasyonundan uzaklaştıkça yayılır. Böylece, bir radar darbesinin geçtiği hava hacmi, istasyondan daha uzaktaki alanlar için daha büyük ve yakın alanlar için daha küçüktür. çözüm uzak mesafelerde. 150-200 km'lik bir sondaj aralığının sonunda, tek bir darbeyle taranan havanın hacmi bir kilometre küp mertebesinde olabilir. Bu denir darbe hacmi^[14]

Belirli bir darbenin herhangi bir zamanda aldığı hava hacmi formülle yaklaşık olarak hesaplanabilir. ${ displaystyle , {v = hr ^ {2} theta ^ {2}}}$burada v darbenin çevrelediği hacimdir, h darbe genişliğidir (örneğin metre cinsinden, darbenin saniye cinsinden süresiyle ışık hızıyla hesaplanır), r darbenin halihazırda seyahat ettiği radardan olan mesafedir ( örneğin metre cinsinden) ve ${ displaystyle , theta}$ ışın genişliğidir (radyan cinsinden). Bu formül, ışının simetrik olarak dairesel olduğunu, "r" nin "h" den çok daha büyük olduğunu, dolayısıyla darbenin başında veya sonunda alınan "r" nin hemen hemen aynı olduğunu ve hacmin şeklinin bir koni olduğunu varsayar. hüsran derinlik "h".^[13]

Dönüş sinyallerini dinleme

Her darbe arasında, radar istasyonu, havadaki parçacıklardan gelen dönüş sinyallerini dinlerken bir alıcı görevi görür. "Dinleme" döngüsünün süresi, bir milisaniye nabız süresinden bin kat daha uzun olan. Bu fazın uzunluğu, mikrodalga radyasyonu ihtiyacına göre belirlenir ( ışık hızı ) dedektörden hava durumu hedefine ve tekrar geri yayılmak için, birkaç yüz kilometreye varabilen bir mesafe. İstasyondan hedefe yatay mesafe, basitçe darbenin başlamasından dönüş sinyalinin tespitine kadar geçen süre miktarından hesaplanır. Zaman, havadaki ışık hızıyla çarpılarak mesafeye dönüştürülür:

${ displaystyle { text {Mesafe}} = c { frac { Delta t} {2n}},}$

nerede c = 299,792.458 km / sn ... ışık hızı, ve n ≈ 1.0003, havanın kırılma indisidir.^[15]

Darbeler çok sık yayınlanırsa, bir darbeden gelen geri dönüşler önceki darbelerden gelen geri dönüşlerle karıştırılarak yanlış mesafe hesaplamalarına neden olur.

Yüksekliğin belirlenmesi

Yüksekliğe sahip radar ışın yolu

Dünya yuvarlak olduğu için, boşluktaki radar ışını, Dünya'nın ters eğriliğine göre yükselecektir. Ancak atmosferin bir kırılma indisi azalan yoğunluğu nedeniyle yüksekliği azalır. Bu, radar ışınını yere doğru hafifçe büker ve standart atmosfer bu, ışının eğriliğinin Dünya'nın gerçek eğriliğinin 4/3'ü olduğunu düşünmeye eşdeğerdir. Antenin yükseklik açısına ve diğer hususlara bağlı olarak, aşağıdaki formül hedefin yerden yüksekliğini hesaplamak için kullanılabilir:^[16]

${ displaystyle H = { sqrt {r ^ {2} + (k_ {e} a_ {e}) ^ {2} + 2rk_ {e} a_ {e} sin ( theta _ {e})}} -k_ {e} a_ {e} + h_ {a},}$

nerede:

r = mesafe radarı-hedef,

k_e = 4/3,

a_e = Dünya yarıçap

θ_e = yükseklik açısı yukarıda radar ufku,

h_a = yem boynuzunun yerden yüksekliği.

Birden çok yükseklik açısı kullanılarak taranan hacim

Bir hava durumu radar ağı, ihtiyaçlara göre ayarlanacak bir dizi tipik açı kullanır. Her tarama dönüşünden sonra, anten yüksekliği bir sonraki sondaj için değiştirilir. Bu senaryo, maksimum menzil dahilinde radar etrafındaki tüm hava hacmini taramak için birçok açıdan tekrarlanacaktır. Genellikle, bu tarama stratejisi, yerden 15 km yukarıda ve radardan 250 km mesafede veri elde etmek için 5-10 dakika içinde tamamlanır. Örneğin Kanada'da 5 cm hava radarları 0,3 ila 25 derece arasında değişen açılar kullanır. Sağdaki resim, birden çok açı kullanıldığında taranan hacmi gösterir.

Dünyanın eğriliği ve yükseklik ile kırılma indisinin değişmesi nedeniyle, radar, minimum açının (yeşil ile gösterilmiştir) yerden yüksekliğinin altında veya maksimum olandan daha yakın olanı (kırmızı koni olarak gösterilmiştir) "göremez". Merkez).^[17]

Geri dönüş yoğunluğunu kalibre etme

Hedefler her ciltte benzersiz olmadığından, radar denklemi temel olanın ötesinde geliştirilmelidir. Varsayarsak monostatik radar nerede ${ displaystyle G_ {t} = A_ {r} ( mathrm {veya} , G_ {r}) = G}$:^[13][18]

${ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} lambda ^ {2} sigma} üzeri {{(4 pi)} ^ {3} R ^ {4}}} propto { frac { sigma} {R ^ {4}}}}$

nerede ${ displaystyle scriptstyle P_ {r}}$ alınan güç, ${ displaystyle scriptstyle P_ {t}}$ iletilen güçtür, ${ displaystyle scriptstyle G}$ verici / alıcı antenin kazancıdır, ${ displaystyle scriptstyle lambda}$ radar dalga boyu, ${ displaystyle scriptstyle sigma}$ hedefin radar kesiti ve ${ displaystyle scriptstyle R}$ vericiden hedefe olan mesafedir.

Bu durumda, tüm hedeflerin kesitlerini eklemeliyiz:^[19]

${ displaystyle sigma = { bar { sigma}} = V toplamı sigma _ {j} = V eta}$

${ displaystyle { begin {case} V quad = mathrm {tarandı , , volume} qquad = mathrm {pulse , , length} times mathrm {ışın , , genişlik} qquad = { frac {c tau} {2}} { frac { pi R ^ {2} theta ^ {2}} {4}} end {case}}}$

nerede ${ displaystyle , c}$ ışık hızı ${ displaystyle , tau}$ bir nabzın zamansal süresidir ve ${ displaystyle , theta}$ radyan cinsinden ışın genişliğidir.

İki denklemi birleştirirken:

${ displaystyle P_ {r} = P_ {t} {{G ^ {2} lambda ^ {2}} üzeri {{(4 pi)} ^ {3} R ^ {4}}} { frac {c tau} {2}} { frac { pi R ^ {2} theta ^ {2}} {4}} eta = P_ {t} tau G ^ {2} lambda ^ {2 } theta ^ {2} { frac {c} {512 ( pi ^ {2})}} { frac { eta} {R ^ {2}}}}$

Bu şunlara yol açar:

${ displaystyle P_ {r} propto { frac { eta} {R ^ {2}}}}$

Şimdi geri dönüşün şuna ters olarak değiştiğine dikkat edin: ${ displaystyle , R ^ {2}}$ onun yerine ${ displaystyle , R ^ {4}}$. Radardan farklı mesafelerden gelen verileri karşılaştırmak için bu oran ile normalize etmek gerekir.

Veri tipleri

Yansıtma

Önerildi dBZ (meteoroloji) olmak birleşmiş bu makaleye. (Tartışma) Ağustos 2020'den beri önerilmektedir.

Hedeflerden dönen yankılar ("yansıtma"), taranan hacimdeki yağış oranını belirlemek için yoğunlukları açısından analiz edilir. Kullanılan dalga boyları (1-10 cm), bu geri dönüşün oranla orantılı olmasını sağlar çünkü bunlar, Rayleigh saçılması Bu, hedeflerin tarama dalgasının dalga boyundan çok daha küçük olması gerektiğini belirtir (10 faktör ile).

Radar tarafından algılanan yansıtma (Z_e) yağmur damlacıklarının çapının (D) altıncı kuvvetine, hedeflerin dielektrik sabitinin (K) karesine ve damla boyutu dağılımı (örneğin N [D] / Marshall-Palmer) damla. Bu kesilmiş bir Gama işlevi,^[20] şeklinde:

${ displaystyle Z_ {e} = int _ {0} ^ {Dmax} | K | ^ {2} N_ {0} e ^ {- Lambda D} D ^ {6} dD}$

Öte yandan yağış oranı (R), parçacıkların sayısına, hacimlerine ve düşme hızlarına (v [D]) eşittir:

${ displaystyle R = int _ {0} ^ {Dmax} N_ {0} e ^ {- Lambda D} { pi D ^ {3} 6 üzerinden} v (D) dD}$

Yani Z_e ve R, adı verilen formun ikisi arasında bir ilişki vererek çözülebilen benzer işlevlere sahiptir. Z-R ilişkisi:

Z = aR^b

A ve b'nin yağış türüne bağlı olduğu yerlerde (kar, yağmur, konvektif veya katman biçimi ), farklı olan ${ displaystyle Lambda}$, K, N₀ ve v.

• Anten atmosferi tararken, her azimut açısında karşılaşılan her hedef türünden belirli bir geri dönüş gücü elde eder. Daha sonra bu hedefin daha iyi bir veri kümesine sahip olması için yansıtıcılığın ortalaması alınır.
• Hedeflerin çapındaki ve dielektrik sabitindeki değişiklik, radara güç geri dönüşünde büyük değişkenliğe yol açabileceğinden, yansıtma dBZ cinsinden ifade edilir (yankının aynı taranan hacmi dolduran standart 1 mm çaplı bir damlaya oranının logaritmasının 10 katı) ).

Bir radar ekranındaki yansıma nasıl okunur

NWS renk yansıtma ölçeği.

Radar dönüşleri genellikle renk veya seviyeye göre tanımlanır. Bir radar görüntüsündeki renkler normalde zayıf dönüşler için mavi veya yeşilden, çok güçlü dönüşler için kırmızı veya macentaya kadar değişir. Sözlü bir rapordaki sayılar, geri dönüşlerin şiddeti ile artar. Örneğin, ABD Ulusal NEXRAD radar siteleri, farklı yansıtma seviyeleri için aşağıdaki ölçeği kullanır:^[21]

• macenta: 65 dBZ (aşırı yoğun yağış, saatte> 16 inç (410 mm), ancak muhtemelen dolu)
• kırmızı: 50 dBZ (saatte 51 mm (2 inç) yoğun yağış)
• sarı: 35 dBZ (saatte 0,25 inç (6,4 mm) orta yağış)
• yeşil: 20 dBZ (hafif yağış)

Güçlü dönüşler (kırmızı veya macenta) yalnızca şiddetli yağmuru değil aynı zamanda gök gürültülü fırtınaları, doluları, kuvvetli rüzgarları veya kasırgaları da gösterebilir, ancak aşağıda açıklanan nedenlerden dolayı dikkatlice yorumlanmaları gerekir.

Havacılık sözleşmeleri

Hava durumu radarı dönüşlerini açıklarken pilotlar, sevk görevlileri ve hava trafik kontrolörleri tipik olarak üç dönüş seviyesine atıfta bulunacaktır:^[22]

• Seviye 1 yeşil radar dönüşüne karşılık gelir, genellikle hafif yağış ve çok az türbülansa veya hiç türbülansı göstermez, bu da görüş mesafesinin azalmasına yol açar.
• Seviye 2 sarı bir radar dönüşüne karşılık gelir ve orta derecede yağışa işaret eder ve çok düşük görüş, orta derecede türbülans ve uçak yolcuları için rahatsız edici bir sürüş olasılığına yol açar.
• 3. seviye şiddetli yağışları gösteren kırmızı bir radar dönüşüne karşılık gelir, bu da gök gürültülü fırtına ve şiddetli türbülans ve uçakta yapısal hasar olasılığına yol açar.

Uçak, mümkün olduğunda 2. seviye dönüşlerden kaçınmaya çalışacak ve özel olarak tasarlanmış araştırma uçağı olmadıkları sürece her zaman 3. seviyeden kaçınacaktır.

Yağış türleri

Ticari televizyon kanalları (hem yerel hem de ulusal) ve hava durumu web siteleri tarafından sağlanan bazı görüntüler; Hava Kanalı ve AccuWeather, kış aylarında yağış türlerini gösterir: yağmur, kar, karışık yağışlar (sulu kar ve dondurucu yağmur ). Bu, radar verilerinin kendisinin bir analizi değil, diğer veri kaynaklarıyla yapılan bir son işlemdir, birincil olarak yüzey raporları (METAR ).^[23]

Radar ekolarının kapsadığı alan üzerinde, bir program yüzey sıcaklığına göre bir yağış türü atar ve çiy noktası temelde rapor edildi hava istasyonları. İnsan tarafından işletilen istasyonlar ve belirli otomatik istasyonlar tarafından bildirilen yağış türleri (AWOS ) daha yüksek ağırlığa sahip olacaktır.^[24] Ardından program, tanımlanmış bölgelere sahip bir görüntü oluşturmak için enterpolasyonlar yapar. Bunlar şunları içerecek interpolasyon hesaplamadan kaynaklanan hatalar. Mezoskale yağış bölgelerinin varyasyonları da kaybolacaktır.^[23] Daha karmaşık programlar, sayısal hava tahmini modellerden çıktı, örneğin NAM ve WRF, yağış türleri için ve bunu ilk tahmin olarak radar yankılarına uygulayın, ardından son çıktı için yüzey verilerini kullanın.

Çift polarizasyona kadar (bölüm Polarizasyon aşağıda) veriler yaygın olarak mevcuttur, radar görüntülerindeki herhangi bir yağış türü yalnızca dolaylı bilgilerdir ve dikkatle kullanılması gerekir.

Hız

Doppler çıktısının idealleştirilmiş örneği. Yaklaşma hızları mavidir ve uzaklaşan hızlar kırmızıdır. Ekranda belirli bir aralıkta dolaşırken sinüzoidal hız değişimine dikkat edin.

Yağış bulutların içinde ve altında bulunur. Damlalar ve pullar gibi hafif yağışlar hava akımlarına tabidir ve tarama radarı bu hareketin yatay bileşenini algılayabilir, böylece yağışların olduğu yerde rüzgar hızı ve yönünü tahmin etme imkanı verir.

Bir hedefin radar istasyonuna göre hareketi, radar darbesinin yansıyan frekansında bir değişikliğe neden olur. Doppler etkisi. Hava durumu yankıları için saniyede 70 metreden daha düşük hızlar ve 10 cm'lik radar dalga boyu ile bu, yalnızca 0,1'lik bir değişiklik anlamına gelir. ppm. Bu fark, elektronik aletler tarafından not edilemeyecek kadar küçüktür. Bununla birlikte, hedefler her darbe arasında hafifçe hareket ettiğinden, geri dönen dalganın gözle görülür bir evre fark veya faz değişimi nabızdan nabzına.

Darbe çifti

Doppler hava durumu radarları yağış hareketini hesaplamak için bu faz farkını (darbe çifti farkı) kullanır. Hedeflerin hafifçe hareket ettiği aynı taranmış hacimden arka arkaya dönen nabzın yoğunluğu:^[13]

${ displaystyle I = I_ {0} sin sol ({ frac {4 pi (x_ {0} + v Delta t)} { lambda}} sağ) = I_ {0} sin sol ( Theta _ {0} + Delta Theta right) quad { begin {case} x = { text {radardan hedefe uzaklık}} lambda = { text {radar dalga boyu}} Delta t = { text {iki darbe arasındaki süre}} end {durum}}}$

Yani ${ displaystyle Delta Theta = { frac {4 pi v Delta t} { lambda}}}$,v = hedef hız = ${ displaystyle { frac { lambda Delta Theta} {4 pi Delta t}}}$Bu hıza radyal Doppler hızı denir çünkü yalnızca radyal radar ile hedef arasındaki mesafenin zamana göre değişimi. Gerçek hız ve hareket yönü aşağıda açıklanan işlemle çıkarılmalıdır.

Doppler ikilemi

Yansıtıcılıktan (kırmızı) ve kesin Doppler hız aralığından (mavi) maksimum aralık darbe tekrarlama frekansı

Darbe çiftleri arasındaki faz aşağıdakilerden farklı olabilir:${ displaystyle pi}$ ve +${ displaystyle pi}$, dolayısıyla kesin Doppler hız aralığı^[13]

V_max = ${ displaystyle pm}$${ displaystyle { frac { lambda} {4 Delta t}}}$

Bu denir Nyquist hız. Bu, birbirini izleyen darbeler arasındaki zamana ters olarak bağlıdır: aralık ne kadar küçükse, kesin hız aralığı o kadar büyük olur. Bununla birlikte, yansıtıcılıktan maksimum aralığın doğrudan orantılı olduğunu biliyoruz.${ displaystyle Delta t}$:

x = ${ displaystyle { frac {c Delta t} {2}}}$

Seçim, hız aralığı pahasına yansıtıcılık aralığının artırılması veya yansıtma aralığından kaynaklanan menzil pahasına ikincisinin artırılması haline gelir. Genel olarak, yararlı menzil uzlaşması yansıtma için 100-150 km'dir. Bu, 5 cm'lik bir dalga boyu için (şemada gösterildiği gibi), 12,5 ila 18,75 metre / saniye arasında belirsiz olmayan bir hız aralığı üretilir (sırasıyla 150 km ve 100 km için). NEXRAD gibi 10 cm'lik bir radar için,^[13] kesin hız aralığı iki katına çıkacaktır.

İki alternatif darbe tekrarlama frekansı (PRF) kullanan bazı teknikler, daha büyük bir Doppler aralığına izin verir. İlk nabız hızı ile kaydedilen hızlar, ikinciye eşit veya farklı olabilir. Örneğin belirli bir hızla maksimum hız 10 metre / saniye ve diğer hızda olan 15 m / s ise. Her ikisinden gelen veriler 10 m / s'ye kadar aynı olacak ve daha sonra farklılık gösterecektir. Daha sonra iki dönüş arasında matematiksel bir ilişki bulmak ve iki PRF'nin sınırlamasının ötesinde gerçek hızı hesaplamak mümkündür.

Doppler yorumu

360 derece tarama yaparken gerçek rüzgarların radyal bileşeni

Doğuya doğru hareket eden tek tip bir yağmur fırtınasında, batıyı gösteren bir radar ışını yağmur damlalarının kendisine doğru hareket ettiğini "görecek", doğuya bakan bir ışın ise damlaların uzaklaştığını "görecek". Işın kuzeye veya güneye taradığında, herhangi bir göreceli hareket kaydedilmez.^[13]

Sinoptik

İçinde sinoptik ölçek yorumlama, kullanıcı rüzgarı radar kapsama bölgesi üzerinden farklı seviyelerde çekebilir. Işın radar etrafında 360 derece tarama yaparken, veriler tüm bu açılardan gelecek ve gerçek rüzgarın bireysel açı üzerindeki radyal projeksiyonu olacaktır. Bu taramayla oluşturulan yoğunluk modeli, bir kosinüs eğrisi ile temsil edilebilir (yağış hareketinde maksimum ve dikey yönde sıfır). Radar ekranında yeterli kapsama alanı olduğu sürece parçacıkların hareketinin yönü ve gücü hesaplanabilir.

Ancak yağmur damlaları düşüyor. Radar yalnızca radyal bileşeni gördüğünden ve yerden belirli bir yüksekliğe sahip olduğundan, radyal hızlar düşme hızının bir kısmı tarafından kirletilir. Bu bileşen, küçük yükseklik açılarında önemsizdir, ancak daha yüksek tarama açıları için dikkate alınmalıdır.^[13]

Mezo ölçeği

Hız verilerinde, rüzgârın yukarıda belirtilenlerden farklı olduğu radar kapsama alanında daha küçük bölgeler olabilir. Örneğin, bir fırtına bir orta ölçekli genellikle rotasyonları içeren fenomen ve türbülans. Bunlar yalnızca birkaç kilometrekareyi kapsayabilir, ancak radyal hızdaki değişikliklerle görülebilir. Kullanıcılar, rüzgârdaki dönüşlerle ilişkili hız modellerini tanıyabilir, örneğin mesosiklon, yakınsama (çıkış sınırı ) ve ıraksama (şiddetli patlama ).

Polarizasyon

İkili hedeflemepolarizasyon damlacığın şeklini ortaya çıkaracak

Düşen sıvı su damlacıkları nedeniyle daha büyük bir yatay eksene sahip olma eğilimindedir. sürükleme katsayısı düşerken hava (su damlacıkları). Bu suya neden olur molekül dipol bu yöne yönelmek; bu nedenle, radar ışınları, maksimum sinyal yansımasını almak için genellikle yatay olarak polarize edilir.

İle aynı anda iki darbe gönderilirse dikey polarizasyon (dikey ve yatay, Z_V ve Z_H sırasıyla), iki bağımsız veri seti alınacaktır. Bu sinyaller birkaç yararlı yolla karşılaştırılabilir:^[25][26]

• Diferansiyel Yansıtma (Z_dr) - Diferansiyel yansıtma, yansıyan dikey ve yatay güç dönüşlerinin oranıdır. Z_V/Z_H. Diğer şeylerin yanı sıra, damla şeklinin iyi bir göstergesidir ve damla şekli, ortalama damla boyutunun iyi bir tahminidir.
• Korelasyon katsayısı (ρ_hv) - Yansıyan yatay ve dikey güç getirileri arasındaki istatistiksel bir korelasyon. Bire yakın olan yüksek değerler homojen yağış türlerini gösterirken, daha düşük değerler yağmur ve kar veya dolu gibi karışık yağış türlerinin bölgelerini veya aşırı durumlarda havada enkaz, genellikle bir Tornado girdap imzası.
• Doğrusal Depolarizasyon Oranı (LDR) - Bu, yatay bir darbeden dikey bir güç dönüşü veya dikey bir darbeden yatay bir güç dönüşü oranıdır. Ayrıca yağış türlerinin bir karışımının olduğu bölgeleri de gösterebilir.
• Diferansiyel Faz (${ displaystyle Phi _ {dp}}$) - Diferansiyel faz, yatay ve dikey darbeler arasında geri dönen faz farkının bir karşılaştırmasıdır. Fazdaki bu değişiklik, yatay ve dikey olarak polarize dalgalar için yayılma yolu boyunca dalga döngülerinin (veya dalga boylarının) sayısındaki farktan kaynaklanır. Bulutun ve yağış parçacıklarının hareketinden kaynaklanan Doppler frekans kayması ile karıştırılmamalıdır. Hepsi de yansıyan güce bağlı olan diferansiyel yansıtma, korelasyon katsayısı ve doğrusal depolarizasyon oranının aksine, diferansiyel faz bir "yayılma etkisidir". Yağmur oranının çok iyi bir tahmin edicisidir ve aşağıdakilerden etkilenmez: zayıflama. Diferansiyel fazın menzil türevi (spesifik diferansiyel faz, K_dp) kuvvetli yağış / zayıflama alanlarını lokalize etmek için kullanılabilir.

Parçacık şekli hakkında daha fazla bilgi ile, çift polarizasyonlu radarlar, havadaki döküntüleri yağıştan daha kolay ayırt edebilir ve yerini bulmayı kolaylaştırır. kasırga.^[27]

Doppler hava radarları tarafından üretilen yansıtma, hız ve spektrum genişliğine eklenen bu yeni bilgilerle, araştırmacılar yağış türlerini, meteorolojik olmayan hedefleri ayırt etmek ve daha iyi yağış birikimi tahminleri üretmek için algoritmalar geliştirmeye çalışıyorlar.^[25][28][29] ABD'de., NCAR ve NSSL bu alanda dünya liderleri olmuştur.^[25][30]

NOAA NSSL'de çift polametrik radar için bir test dağıtımı kurdu ve 10 cm'nin tamamını donattı NEXRAD Nisan 2013'te tamamlanan çift kutuplu radarlar.^[12] 2004 yılında, ARMOR Doppler Hava Durumu Radarı Alabama, Huntsville'de operatöre Çift Polarmetrik yetenekler sağlayan bir SIGMET Anten Monteli Alıcı ile donatılmıştı. McGill Üniversitesi J. S. Marshall Radar Gözlemevi içinde Montreal Kanada enstrümanını dönüştürdü (1999)^[31] ve veriler operasyonel olarak kullanılır. Çevre Kanada Montreal'de.^[32] Kanada'da başka bir çevre radarı, King City (Kuzey Toronto ), 2005 yılında çift kutuplu hale geldi;^[33] 5 cm dalga boyu kullanır, bu daha büyük zayıflama.^[34] Environment Canada, tüm radarlarını çift polarizasyona dönüştürmek için çalışıyor.^[35] Météo-Fransa ağ kapsama alanına çift kutuplu Doppler radar eklemeyi planlıyor.^[36]

Başlıca radar çıktı türleri

Radar taramalarından gelen tüm veriler, kullanıcıların ihtiyacına göre görüntülenir. Buna ulaşmak için zamanla farklı çıktılar geliştirilmiştir. İşte mevcut ve özel çıktıların bir listesi.

Plan konumu göstergesi

Bir ÜFE'de yansıma (dBZ) olarak görüntülenen gök gürültülü fırtına çizgisi

Veriler her seferinde bir açıdan elde edildiğinden, bunları göstermenin ilk yolu, yalnızca iki boyutlu bir görüntüdeki radar dönüşünün düzeni olan Plan Konum Göstergesi (PPI) olmuştur. Radara farklı mesafelerden gelen verilerin yerden farklı yüksekliklerde olduğu unutulmamalıdır.

Radarın yakınında görülen yüksek yağmur oranı yere ulaşana nispeten yakın olduğu için bu çok önemlidir, ancak 160 km uzaktan görülen şey yerden yaklaşık 1.5 km yüksektedir ve yüzeye ulaşan miktardan çok farklı olabilir. Bu nedenle, radardan farklı mesafelerdeki hava ekolarını karşılaştırmak zordur.

ÜFE'ler, ek bir sorun olarak radarın yakınında yer yankılarından etkilenir. Bunlar gerçek yankılar olarak yanlış yorumlanabilir. Bu nedenle, bu tür eksiklikleri tamamlamak için başka ürünler ve başka veri işlemleri geliştirilmiştir.

Kullanım: Yansıtma, Doppler ve polarimetrik veriler ÜFE kullanabilir.

Doppler verileri durumunda, iki bakış açısı mümkündür: yüzeye veya fırtınaya göre. Farklı irtifalarda rüzgarı çıkarmak için yağmurun genel hareketine bakarken, radara göre verileri kullanmak daha iyidir. Ancak bir fırtına altında rotasyon veya rüzgar kayması ararken, kullanıcının hava hareketini bulutun üzerinde oturuyormuş gibi görmesini sağlayarak genel yağış hareketini çıkaran fırtına göreli görüntülerini kullanmak daha iyidir.

Sabit irtifa planı konum göstergesi

Kanada'da taranan tipik açılar. Zikzaklar, 1.5 km ve 4 km rakımda CAPPI yapmak için kullanılan veri açılarını temsil eder.

ÜFE'lerdeki bazı problemleri önlemek için Kanadalı araştırmacılar tarafından sabit irtifa planı konum göstergesi (CAPPI) geliştirilmiştir. Temelde, radar verileri üzerinden yatay bir kesittir. Bu şekilde, yağış radardan farklı bir mesafede eşit bir zeminde karşılaştırılabilir ve yer yankıları önlenebilir. Veriler yerden belirli bir yükseklikte alınmasına rağmen, yer istasyonlarının raporları ile radar verileri arasında bir ilişki olduğu sonucuna varılabilir.

CAPPI'ler, ihtiyaç duyulan yüksekliğe mümkün olduğu kadar yakın bir kesime sahip olmak için, radarın yatay yakınından dikey yakınına kadar çok sayıda açı gerektirir. O zaman bile, belirli bir mesafeden sonra, herhangi bir açı yoktur ve CAPPI, en düşük açının ÜFE'si olur. Yukarıdaki açılar diyagramındaki zikzak çizgi, 1,5 km ve 4 km yükseklikteki CAPPI'leri üretmek için kullanılan verileri göstermektedir. 120 km'den sonraki bölümün aynı verileri kullandığına dikkat edin.

Kullanım

CAPPI, radardan her noktada istenen yüksekliğe en yakın açıyı kullandığından, veriler radar kapsamının farklı noktalarında görüntüde görüldüğü gibi biraz farklı rakımlardan kaynaklanabilir. Bu nedenle, bu yükseklik değişikliğini en aza indirmek için yeterince büyük sayıda sondaj açısına sahip olmak çok önemlidir. Ayrıca, gürültülü olmayan bir görüntü oluşturmak için veri türü yüksekliğe göre nispeten kademeli olarak değişmelidir.

Yansıtıcılık verileri, yükseklik ile nispeten pürüzsüz olduğundan, CAPPI'ler çoğunlukla bunları görüntülemek için kullanılır. Hız verileri ise yükseklik ile hızla yön değiştirebilir ve bunların CAPPI'leri yaygın değildir. Öyle görünüyor ki McGill Üniversitesi radarlarında bulunan 24 açı ile düzenli olarak Doppler CAPPI'ler üretmektedir.^[37] Bununla birlikte, bazı araştırmacılar çalışmak için hız CAPPI'leri kullanan makaleler yayınladılar. tropikal siklonlar ve gelişimi NEXRAD Ürün:% s.^[38] Son olarak, polarimetrik veriler yenidir ve genellikle gürültülüdür. Onlar için düzenli CAPPI kullanımı yok gibi görünse de SIGMET şirket bu tür görüntüleri üretebilen bir yazılım sunuyor.^[39]

Gerçek zamanlı örnekler

• McGill Üniversitesi
• Çevre Kanada

Dikey kompozit

Baz ÜFE'ye karşı Bileşik.

ÜFE sorunlarının bir başka çözümü, zeminin üstündeki bir katmanda maksimum yansıtma özelliğine sahip görüntüler üretmektir. This solution is usually taken when the number of angles available is small or variable. Amerikan Ulusal Hava Servisi is using such Composite as their scanning scheme can vary from 4 to 14 angles, according to their need, which would make very coarse CAPPIs. The Composite assures that no strong echo is missed in the layer and a treatment using Doppler velocities eliminates the ground echoes. Comparing base and composite products, one can locate Virga ve Güncel taslaklar bölgeler.

Real time example:NWS Burlington radar, one can compare the BASE and COMPOSITE products

Birikimler

24 hours rain accumulation on the Val d'Irène radar in Eastern Canada. Notice the zones without data in the East and Southwest caused by radar beam blocking from mountains.

Another important use of radar data is the ability to assess the amount of precipitation that has fallen over large basins, to be used in hidrolojik calculations; such data is useful in flood control, sewer management and dam construction. The computed data from radar weather may be used in conjunction with data from ground stations.

To produce radar accumulations, we have to estimate the rain rate over a point by the average value over that point between one PPI, or CAPPI, and the next; then multiply by the time between those images. If one wants for a longer period of time, one has to add up all the accumulations from images during that time.

Echotops

Aviation is a heavy user of radar data. One map particularly important in this field is the Echotops for flight planning and avoidance of dangerous weather. Most country weather radars are scanning enough angles to have a 3D set of data over the area of coverage. It is relatively easy to estimate the maximum altitude at which precipitation is found within the volume. However, those are not the tops of clouds as they always extend above the precipitation.

Vertical cross sections

Vertical cross-section.

To know the vertical structure of clouds, in particular thunderstorms or the level of the melting layer, a vertical cross-section product of the radar data is available. This is done by displaying only the data along a line, from coordinates A to B, taken from the different angles scanned.

Range Height Indicator

Image of an RHI.

When a weather radar is scanning in only one direction vertically, it obtains high resolution data along a vertical cut of the atmosphere. The output of this sounding is called a Range Height Indicator (RHI) which is excellent for viewing the detailed vertical structure of a storm. This is different from the vertical cross section mentioned above by the fact that the radar is making a vertical cut along specific directions and does not scan over the entire 360 degrees around the site. This kind of sounding and product is only available on research radars.

Radar networks

Berrimah Radar in Darwin, Kuzey Bölgesi Avustralya

Over the past few decades, radar networks have been extended to allow the production of composite views covering large areas. For instance, many countries, including the United States, Canada and much of Europe, produce images that include all of their radars. This is not a trivial task.

In fact, such a network can consist of different types of radar with different characteristics such as beam width, wavelength and calibration. These differences have to be taken into account when matching data across the network, particularly to decide what data to use when two radars cover the same point. If one uses the stronger echo but it comes from the more distant radar, one uses returns that are from higher altitude coming from rain or snow that might evaporate before reaching the ground (Virga ). If one uses data from the closer radar, it might be attenuated passing through a thunderstorm. Composite images of precipitations using a network of radars are made with all those limitations in mind.

Automatic algorithms

The square in this Doppler image has been automatically placed by the radar program to spot the position of a mesocyclone. Notice the inbound/outbound doublet (blue/yellow) with the zero velocity line (gray) parallel to the radial to the radar (up right). It is noteworthy to mention that the change in wind direction here occurs over less than 10 km.

To help meteorologists spot dangerous weather, mathematical algorithms have been introduced in the weather radar treatment programs. These are particularly important in analyzing the Doppler velocity data as they are more complex. The polarization data will even need more algorithms.

Main algorithms for reflectivity:^[13]

• Vertically Integrated Liquid (VIL) is an estimate of the total mass of precipitation in the clouds.
• VIL Density is VIL divided by the height of the cloud top. It is a clue to the possibility of large hail in thunderstorms.
• Potential wind gust, which can estimate the winds under a cloud (a downdraft) using the VIL and the height of the echotops (radar estimated top of the cloud) for a given storm cell.
• Selamlamak algorithms that estimate the presence of hail and its probable size.

Main algorithms for Doppler velocities:^[13]

• Mezosiklon detection: it is triggered by a velocity change over a small circular area. The algorithm is searching for a "çift" of inbound/outbound velocities with the zero line of velocities, between the two, boyunca a radial line from the radar. Usually the mesocyclone detection must be found on two or more stacked progressive tilts of the beam to be significative of rotation into a thunderstorm cloud.
• TVS or Tornado Vortex Signature algorithm is essentially a mesocyclone with a large velocity threshold found through many scanning angles. This algorithm is used in NEXRAD to indicate the possibility of a tornado formation.
• Rüzgar kesme in low levels. This algorithm detects variation of wind velocities from point to point in the data and looking for a çift of inbound/outbound velocities with the zero line dik to the radar beam. The wind shear is associated with aşağı çekiş, (şiddetli patlama ve mikro patlama ), gust fronts ve türbülans under thunderstorms.
• VAD Wind Profile (VWP) is a display that estimates the direction and speed of the horizontal wind at various upper levels of the atmosphere, using the technique explained in the Doppler section.

Animasyonlar

PPI reflectivity loop (in dBZ) showing the evolution of a hurricane

The animation of radar products can show the evolution of reflectivity and velocity patterns. The user can extract information on the dynamics of the meteorological phenomena, including the ability to extrapolate the motion and observe development or dissipation. This can also reveal non-meteorological artifacts (false echoes) that will be discussed later.

Radar Integrated Display with Geospatial Elements

Map of the RIDGE presentation of 2011 Joplin kasırgası.^[40]

A new popular presentation of weather radar data in United States is via Radar Integrated Display with Geospatial Elements (RIDGE) in which the radar data is projected on a map with geospatial elements such as topography maps, highways, state/county boundaries and weather warnings. The projection often is flexible giving the user a choice of various geographic elements. It is frequently used in conjunction with animations of radar data over a time period.^[41][42]

Limitations and artifacts

Radar data interpretation depends on many hypotheses about the atmosphere and the weather targets, including:^[43]

• Uluslararası Standart Atmosfer.
• Targets small enough to obey the Rayleigh scattering, resulting in the return being proportional to the precipitation rate.
• The volume scanned by the beam is full of meteorolojik targets (rain, snow, etc.), all of the same variety and in a uniform concentration.
• Hayır zayıflama
• No amplification
• Return from side lobes of the beam are negligible.
• The beam is close to a Gauss işlevi curve with power decreasing to half at half the width.
• The outgoing and returning waves are similarly polarized.
• There is no return from multiple reflections.

These assumptions are not always met; one must be able to differentiate between reliable and dubious echoes.

Anomalous propagation (non-standard atmosphere)

The first assumption is that the radar beam is moving through air that cools down at a certain rate with height. The position of the echoes depend heavily on this hypothesis. However, the real atmosphere can vary greatly from the norm.

Süper kırılma

Temperature inversions often form near the ground, for instance by air cooling at night while remaining warm aloft. Olarak kırılma indisi of air decreases faster than normal the radar beam bends toward the ground instead of continuing upward. Eventually, it will hit the ground and be reflected back toward the radar. The processing program will then wrongly place the return echoes at the height and distance it would have been in normal conditions.^[43]

This type of false return is relatively easy to spot on a time loop if it is due to night cooling or marine inversion as one sees very strong echoes developing over an area, spreading in size laterally but not moving and varying greatly in intensity. However, inversion of temperature exists ahead of sıcak cepheler and the abnormal propagation echoes are then mixed with real rain.

The extreme of this problem is when the inversion is very strong and shallow, the radar beam reflects many times toward the ground as it has to follow a dalga kılavuzu yol. This will create multiple bands of strong echoes on the radar images.

This situation can be found with inversions of temperature aloft or rapid decrease of moisture with height.^[44] In the former case, it could be difficult to notice.

Under refraction

On the other hand, if the air is unstable and cools faster than the standard atmosphere with height, the beam ends up higher than expected.^[44] This indicates that precipitation is occurring higher than the actual height. Such an error is difficult to detect without additional temperature Yanılma oranı data for the area.

Non-Rayleigh targets

If we want to reliably estimate the precipitation rate, the targets have to be 10 times smaller than the radar wave according to Rayleigh scattering.^[13] This is because the water molecule has to be excited by the radar wave to give a return. This is relatively true for rain or snow as 5 or 10 cm wavelength radars are usually employed.

However, for very large hydrometeors, since the wavelength is on the order of stone, the return levels off according to Mie teorisi. A return of more than 55 dBZ is likely to come from hail but won't vary proportionally to the size. On the other hand, very small targets such as cloud droplets are too small to be excited and do not give a recordable return on common weather radars.

Resolution and partially filled scanned volume

Profiler high resolution view of a thunderstorm (top) and by a weather radar (bottom).

A supercell thunderstorm seen from two radars almost colocated. The top image is from a TDWR and the bottom one from a NEXRAD.

As demonstrated at the start of the article, radar beams have a physical dimension and data are sampled at discrete angles, not continuously, along each angle of elevation.^[43] This results in an averaging of the values of the returns for reflectivity, velocities and polarization data on the resolution volume scanned.

In the figure to the left, at the top is a view of a thunderstorm taken by a wind profiler as it was passing overhead. This is like a vertical cross section through the cloud with 150-metre vertical and 30-metre horizontal resolution. The reflectivity has large variations in a short distance. Compare this with a simulated view of what a regular weather radar would see at 60 km, in the bottom of the figure. Everything has been smoothed out. Not only the coarser resolution of the radar blur the image but the sounding incorporates area that are echo free, thus extending the thunderstorm beyond its real boundaries.

This shows how the output of weather radar is only an approximation of reality. The image to the right compares real data from two radars almost colocated. TDWR has about half the ışın genişliği of the other and one can see twice more details than with the NEXRAD.

Resolution can be improved by newer equipment but some things cannot. As mentioned previously, the volume scanned increases with distance so the possibility that the beam is only partially filled also increases. This leads to underestimation of the precipitation rate at larger distances and fools the user into thinking that rain is lighter as it moves away.

Beam geometry

The radar beam has a distribution of energy similar to the kırınım pattern of a light passing through a slit.^[13] This is because the wave is transmitted to the parabolic antenna through a slit in the wave-guide at the focal point. Most of the energy is at the center of the beam and decreases along a curve close to a Gaussian function on each side. However, there are secondary peaks of emission that will sample the targets at off-angles from the center. Designers attempt to minimize the power transmitted by such lobes, but they cannot be completely eliminated.

When a secondary lobe hits a reflective target such as a mountain or a strong thunderstorm, some of the energy is reflected to the radar. This energy is relatively weak but arrives at the same time that the central peak is illuminating a different azimuth. The echo is thus misplaced by the processing program. This has the effect of actually broadening the real weather echo making a smearing of weaker values on each side of it. This causes the user to overestimate the extent of the real echoes.^[43]

Idealized energy distribution of a radar beam (Central lobe at 0 and secondary lobes on each side)

Diffraction by a circular slit simulating the energy viewed by weather targets

The strong echoes are returns of the central peak of the radar from a series of small hills (yellow and reds piksel ). The weaker echoes on each sides of them are from secondary lobes (blue and green)

Non-weather targets

There is more than rain and snow in the sky. Other objects can be misinterpreted as rain or snow by weather radars. Böcekler ve eklembacaklılar are swept along by the prevailing winds, while birds follow their own course.^[45] As such, fine line patterns within weather radar imagery, associated with converging winds, are dominated by insect returns.^[46] Bird migration, which tends to occur overnight within the lowest 2000 metres of the Dünya atmosferi, contaminates wind profiles gathered by weather radar, particularly the WSR-88D, by increasing the environmental wind returns by 30–60 km/hr.^[47] Other objects within radar imagery include:^[43]

• Thin metal strips (saman ) dropped by military aircraft to fool enemies.
• Solid obstacles such as mountains, buildings, and aircraft.
• Ground and sea clutter.
• Reflections from nearby buildings ("urban spikes").

Such extraneous objects have characteristics that allow a trained eye to distinguish them. It is also possible to eliminate some of them with post-treatment of data using reflectivity, Doppler, and polarization data.

Rüzgar çiftlikleri

Reflectivity (left) and radial velocities (right) southeast of a NEXRAD weather radar. Echoes in circles are from a wind farm.

The rotating blades of yel değirmenleri modernde rüzgar çiftlikleri can return the radar beam to the radar if they are in its path. Since the blades are moving, the echoes will have a velocity and can be mistaken for real precipitation.^[48] The closer the wind farm, the stronger the return, and the combined signal from many towers is stronger. In some conditions, the radar can even see toward and away velocities that generate false positives for the kasırga girdap imzası algorithm on weather radar; such an event occurred in 2009 in Dodge City, Kansas.^[49]

As with other structures that stand in the beam, zayıflama of radar returns from beyond windmills may also lead to underestimation.

Zayıflama

Example of strong attenuation when a line of gök gürültülü fırtınalar moves over (from left to right images) a 5 cm wavelength weather radar (red arrow). Kaynak: Environment Canada

Microwaves used in weather radars can be absorbed by rain, depending on the wavelength used. For 10 cm radars, this attenuation is negligible.^[13] That is the reason why countries with high water content storms are using 10 cm wavelength, for example the US NEXRAD. The cost of a larger antenna, klystron and other related equipment is offset by this benefit.

For a 5 cm radar, absorption becomes important in heavy rain and this attenuation leads to underestimation of echoes in and beyond a strong thunderstorm.^[13] Canada and other northern countries use this less costly kind of radar as the precipitation in such areas is usually less intense. However, users must consider this characteristic when interpreting data. The images above show how a strong line of echoes seems to vanish as it moves over the radar. To compensate for this behaviour, radar sites are often chosen to somewhat overlap in coverage to give different points of view of the same storms.

Shorter wavelengths are even more attenuated and are only useful on short range^[13] radar. Many television stations in the United States have 5 cm radars to cover their audience area. Knowing their limitations and using them with the local NEXRAD can supplement the data available to a meteorologist.

Due to the spread of dual-polarization radar systems, robust and efficient approaches for the compensation of rain attenuation are currently implemented by operational weather services.^[50][51][52]

Bright band

1.5 km altitude CAPPI at the top with strong contamination from the brightband (yellows). The vertical cut at the bottom shows that this strong return is only above ground.

A radar beam's reflectivity depends on the diameter of the target and its capacity to reflect. Snowflakes are large but weakly reflective while rain drops are small but highly reflective.^[13]

When snow falls through a layer above freezing temperature, it melts into rain. Using the reflectivity equation, one can demonstrate that the returns from the snow before melting and the rain after, are not too different as the change in dielektrik sabiti compensates for the change in size. However, during the melting process, the radar wave "sees" something akin to very large droplets as snow flakes become coated with water.^[13]

This gives enhanced returns that can be mistaken for stronger precipitations. On a PPI, this will show up as an intense ring of precipitation at the altitude where the beam crosses the melting level while on a series of CAPPIs, only the ones near that level will have stronger echoes. A good way to confirm a bright band is to make a vertical cross section through the data, as illustrated in the picture above.^[43]

An opposite problem is that drizzle (precipitation with small water droplet diameter) tends not to show up on radar because radar returns are proportional to the sixth power of droplet diameter.

Çoklu yansımalar

It is assumed that the beam hits the weather targets and returns directly to the radar. In fact, there is energy reflected in all directions. Most of it is weak, and multiple reflections diminish it even further so what can eventually return to the radar from such an event is negligible. However, some situations allow a multiple-reflected radar beam to be received by the radar antenna.^[13] For instance, when the beam hits hail, the energy spread toward the wet ground will be reflected back to the hail and then to the radar. The resulting echo is weak but noticeable. Due to the extra path length it has to go through, it arrives later at the antenna and is placed further than its source.^[53] This gives a kind of triangle of false weaker reflections placed radially behind the hail.^[43]

Solutions for now and the future

Filtreleme

Radar image of reflectivity with many non-weather echoes.

The same image but cleaned using the Doppler velocities.

These two images show what can be presently achieved to clean up radar data. The output on the left is made with the raw returns and it is difficult to spot the real weather. Since rain and snow clouds are usually moving, one can use the Doppler velocities to eliminate a good part of the clutter (ground echoes, reflections from buildings seen as urban spikes, anomalous propagation). The image on the right has been filtered using this property.

However, not all non-meteorological targets remain still (birds, insects, dust). Others, like the bright band, depend on the structure of the precipitation. Polarization offers a direct typing of the echoes which could be used to filter more false data or produce separate images for specialized purposes, such as clutter, birds, etc. subsets.^[54][55]

Mesonet

Phased Array Weather Radar in Norman, Oklahoma

Another question is the resolution. As mentioned previously, radar data are an average of the scanned volume by the beam. Resolution can be improved by larger antenna or denser networks. A program by the Center for Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere (CASA) aims to supplement the regular NEXRAD (a network in the United States) using many low cost X-band (3 cm) weather radar mounted on cellular telephone towers.^[56][57] These radars will subdivide the large area of the NEXRAD into smaller domains to look at altitudes below its lowest angle. These will give details not currently available.

Using 3 cm radars, the antenna of each radar is small (about 1 meter diameter) but the resolution is similar at short distance to that of NEXRAD. The attenuation is significant due to the wavelength used but each point in the coverage area is seen by many radars, each viewing from a different direction and compensating for data lost from others.^[56]

Scanning strategies

The number of elevation scanned and the time taken for a complete cycle depend on the weather situation. For instance, with little or no precipitation, the scheme may be limited the lowest angles and using longer impulses in order to detect wind shift near the surface. On the other hand, in violent thunderstorm situations, it is better to scan on a large number of angles in order to have a 3 dimensions view of the precipitations as often as possible. To mitigate those different demands, scanning strategies have been developed according to the type of radar, the wavelength used and the most commons weather situations in the area considered.

One example of scanning strategies is given by the US NEXRAD radar network which has evolved with time. For instance, in 2008, it added extra resolution of data,^[58] and in 2014, additional intra-cycle scanning of lowest level elevation (MESO-SAILS^[59]).

Electronic sounding

Timeliness is also a point needing improvement. With 5 to 10 minutes time between complete scans of weather radar, much data is lost as a thunderstorm develops. Bir Phased-array radar is being tested at the National Severe Storms Lab in Norman, Oklahoma, to speed the data gathering.^[60] A team in Japan has also deployed a phased-array radar for 3D NowCasting at the RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS).^[61]

Özel uygulamalar

Küresel Ekspres Weather radar with radome up

Avionics weather radar

Aircraft application of radar systems include weather radar, collision avoidance, target tracking, ground proximity, and other systems. For commercial weather radar, ARINC 708 is the primary specification for weather radar systems using an airborne darbe-Doppler radarı.

Antenler

Unlike ground weather radar, which is set at a fixed angle, airborne weather radar is being utilized from the nose or wing of an aircraft. Not only will the aircraft be moving up, down, left, and right, but it will be rolling as well. To compensate for this, the antenna is linked and calibrated to the vertical jiroskop located on the aircraft. By doing this, the pilot is able to set a pitch or angle to the antenna that will enable the stabilizer to keep the antenna pointed in the right direction under moderate maneuvers. The small servo motors will not be able to keep up with abrupt maneuvers, but it will try. In doing this the pilot is able to adjust the radar so that it will point towards the weather system of interest. If the airplane is at a low altitude, the pilot would want to set the radar above the horizon line so that ground clutter is minimized on the display. If the airplane is at a very high altitude, the pilot will set the radar at a low or negative angle, to point the radar towards the clouds wherever they may be relative to the aircraft. If the airplane changes attitude, the stabilizer will adjust itself accordingly so that the pilot doesn't have to fly with one hand and adjust the radar with the other.^[62]

Receivers/transmitters

There are two major systems when talking about the receiver/transmitter: the first is high-powered systems, and the second is low-powered systems; both of which operate in the X bandı frequency range (8,000 – 12,500 MHz). High-powered systems operate at 10,000 – 60,000 watts. These systems consist of magnetrons that are fairly expensive (approximately $1,700) and allow for considerable noise due to irregularities with the system. Thus, these systems are highly dangerous for arcing and are not safe to be used around ground personnel. However, the alternative would be the low-powered systems. These systems operate 100 – 200 watts, and require a combination of high gain receivers, signal microprocessors, and transistors to operate as effectively as the high-powered systems. The complex microprocessors help to eliminate noise, providing a more accurate and detailed depiction of the sky. Also, since there are fewer irregularities throughout the system, the low-powered radars can be used to detect turbulence via the Doppler Effect. Since low-powered systems operate at considerable less wattage, they are safe from kıvılcım and can be used at virtually all times.^[62][63]

Thunderstorm tracking

Nowcasting a line of thunderstorms from AutoNowcaster sistemi

Digital radar systems now have capabilities far beyond that of their predecessors. Digital systems now offer fırtına tracking surveillance. This provides users with the ability to acquire detailed information of each storm cloud being tracked. Thunderstorms are first identified by matching precipitation raw data received from the radar pulse to some sort of template preprogrammed into the system. In order for a thunderstorm to be identified, it has to meet strict definitions of intensity and shape that set it apart from any non-convective cloud. Usually, it must show signs of organization in the horizontal and continuity in the vertical: a core or a more intense center to be identified and tracked by digital radar trackers.^[23][64] Once the thunderstorm cell is identified, speed, distance covered, direction, and Estimated Time of Arrival (ETA) are all tracked and recorded to be utilized later.

Doppler radar and bird migration

Using the Doppler weather radar is not limited to determine the location and velocity of yağış, but it can track kuş göçleri as well as seen in the non-weather targets Bölüm. Radyo dalgaları sent out by the radars bounce off rain and birds alike (or even insects like kelebekler ).^[65][66] Birleşik Devletler Ulusal Hava Servisi, for instance, have reported having the flights of birds appear on their radars as clouds and then fade away when the birds land.^[67][68] The U.S. National Weather Service St. Louis has even reported hükümdar kelebekler appearing on their radars.^[69]

Different programs in North America use regular weather radars and specialized radar data to determine the paths, height of flight, and timing of migrations.^[70][71] This is useful information in planning for windmill farms placement and operation, to reduce bird fatalities, aviation safety and other wildlife management. In Europe, there has been similar developments and even a comprehensive forecast program for aviation safety, based on radar detection.^[72]

Meteorite fall detection

NOAA NEXRAD radar image of the Park Forest, IL, meteorite fall of 26 March 2003.

At right, an image showing the Park Forest, Illinois, meteorite fall which occurred on 26 March 2003. The red-green feature at the upper left is the motion of clouds near the radar itself, and a signature of falling meteorites is seen inside the yellow ellipse at image center. The intermixed red and green pixels indicate turbulence, in this case arising from the wakes of falling, high-velocity meteorites.

Göre Amerikan Meteor Topluluğu, meteorite falls occur on a daily basis somewhere on Earth.^[73] However, the database of worldwide göktaşı düşüyor tarafından tutulan Meteoritik Topluluğu typically records only about 10-15 new meteorite falls annually^[74]

Meteorites occur when a göktaşı falls into the Earth's atmosphere, generating an optically bright meteor by ionization and frictional heating. If the meteoroid is large enough and infall velocity is low enough, surviving meteorites will reach the ground. When the falling meteorites decelerate below about 2–4 km/s, usually at an altitude between 15 and 25 km, they no longer generate an optically bright meteor and enter "dark flight". Because of this, most meteorite falls occurring into the oceans, during the day, or otherwise go unnoticed.

It is in dark flight that falling meteorites typically fall through the interaction volumes of most types of radars. It has been demonstrated that it is possible to identify falling meteorites in weather radar imagery by different studies.^{[75][76][77][78][79][80]} This is especially useful for meteorite recovery, as weather radar are part of widespread networks and scan the atmosphere continuously. Furthermore, the meteorites cause a perturbation of local winds by turbulence, which is noticeable on Doppler outputs, and are falling nearly vertically so their resting place on the ground is close to their radar signature.

Ayrıca bakınız

• Geri saçılma
• Berber direği
• Lockheed WP-3D Orion (P-3)
• Ulusal Kasırga Araştırma Laboratuvarı
• OU-PRIME

Notlar

Referanslar

• Atlas, David, ed. (1990). Meteorolojide radar. Battan Anıtı ve 40. Yıl Radarı Meteoroloji Konferansı. Boston, MA: Amerikan Meteoroloji Derneği. doi:10.1007/978-1-935704-15-7. ISBN  978-0-933876-86-6.ISBN  978-1-935704-15-7, 806 sayfa, AMS Kodu RADMET.
• Yves Blanchard, Le radar, 1904–2004: histoire d'un siècle d'innovations teknikleri ve operasyonları Ellipses, Paris, Fransa, 2004 tarafından yayınlandı ISBN  2-7298-1802-2
• R. J. Doviak ve D. S. Zrnic, Doppler Radar ve Hava Gözlemleri, Academic Press. Seconde Sürümü, San Diego Cal., 1993 s. 562.
• Gunn K. L. S. ve T. W. R. East, 1954: Çökeltme parçacıklarının mikrodalga özellikleri. Quart. J. Kraliyet Meteoroloji Derneği, 80, s. 522–545.
• M K Yau ve R.R. Rogers, Bulut Fizikinde Kısa Kurs, Üçüncü SürümButterworth-Heinemann tarafından 1 Ocak 1989'da yayınlanmıştır, 304 sayfa. ISBN  9780750632157 ISBN  0-7506-3215-1
• Roger M. Wakimoto ve Ramesh Srivastava, Radar and Atmospheric Science: A Collection of Essays in Honour of David Atlas, publié par l'American Meteorological Society, Boston, Ağustos 2003. Seri: Meteorological Monograph, Cilt 30, sayı 52, 270 sayfa, ISBN  1-878220-57-8; AMS Kodu MM52.
• V.N. Bringi ve V. Chandrasekar, Polarimetrik Doppler Hava Radarı, Cambridge University Press, New York, ABD tarafından yayınlandı, 2001 ISBN  0-521-01955-9.

Dış bağlantılar

Genel

• ABD Hava Durumu Servisi tarafından Hava Durumu Radarının Operasyonel Kullanımının Geçmişi:
  • Bölüm I: NEXRAD Öncesi Dönem.
  • Bölüm II: Operasyonel Doppler Meteoroloji Radarlarının Geliştirilmesi
  • Hava Durumu Radarı geliştirme (ABD için), öne çıkan özellikler Ulusal Şiddetli Fırtınalar Laboratuvarı ilk 40 yılı
• "Atmosfer, hava durumu ve uçma (Hava radarları bölüm 19)" (PDF). Çevre Kanada. Arşivlenen orijinal (PDF) 7 Ağustos 2016. Alındı 28 Ağustos 2013.

• Environment Canada tarafından radarı yorumlamada yaygın hatalar

• Radarda Hava Yeraltı

Ağlar ve radar araştırması

• Kuruluş birimi Atmosferik Radar Araştırma Merkezi
• Kanada hava durumu radarı SSS
• McGill radar ana sayfası
• Hong Kong radar resim galerisi
• Alabama Üniversitesi Huntsville C-band Çift-polarimetrik araştırma Radarı
• NEXRAD Doppler radar ağı bilgileri:

• POLARİMETRİK RADAR ARAŞTIRMASI

• Ortak Polarizasyon Deneyi - Oklahoma Üniversitesi çift kutuplu araştırma ve geliştirme

Gerçek zamanlı veri

Afrika

• Güney Afrika - Güney Afrika için gerçek zamanlı hava durumu radarı itibaren Güney Afrika Hava Servisi

Asya

Avustralya ve Okyanusya

Orta Amerika ve Karayipler

• Aruba (Karakas üzerinden)
• Belize
• Barbados (Karayip kompoziti )
• Cayman Adaları
• Küba
• Curacao (Karayip kompoziti )
• El Salvador Marn radar siteleri
• Fransa denizaşırı departmanları (Guadeloupe, Martinik )
• Porto Riko
• Trinidad

Avrupa

Kuzey Amerika

Güney Amerika

• Fransız Guyana