Radarmeteorológia
Makra László
TARTALOM •
Bevezetés 9 Interpretáció 9 A radarok története
• •
Radar hardver Hogyan működik? 9 Elmélet 9 Gyakorlat
• •
Visszaverődési kép Radartípusok 1-2. 9 Hagyományos radar 9 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
radar adatok
sebesség automatikus figyelmeztetések
Kısayol Bilgisayarım.lnk
számítógép
fajta alak polarizáció méret
Radar hardver reflektor antenna
hullámvezető
duplexer
adóállomás
vevő
modulátor
kijelző időjelző
Hogyan működik? - Elmélet egyedi antenna
visszatér ő
cél
küldő rövid tartamú energia impulzusok
Az antenna egy függőleges tengely körül forog, minden irányban letapogatva a horizontot
10 – 20 magassági szög + 4 – 6 perc
Teljes ciklus
adat ... kijelzés
Elektromágneses hullámok rádió és radar
f =
c
λ
elektromágneses sugárzás
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
REFRAKTÍV INDEX
c n= u
c : fénysebesség a vákuumban u: átlagos fénysebesség anyagi közegben n: refraktív index
c ≥ u (mindig) két komponense van:
k
n ≥ 1 (dimenzió nélküli paraméter)
m = n − ik
i = −1
az anyagi közeg abszorpciós együtthatója levegőre: m = 1,003
Refraktivitás [N] légnyomás (p, hPa)
77.6 ⎛ e⎞ 7 Ne N= ⎜ p + 4810 ⎟ − 4.03⋅10 2 T ⎝ T⎠ f
hőmérséklet (T, K) gőznyomás (e, hPa) szabad elektr. (Ne, db⋅m-3) radar frekvencia (f, Hz.)
normál légköri feltételek mellett; talaj
N
Z
N
Radaregyenlet pontszerű célra radar radar
viharok
csapadék intenzitás és ... az űrbe antenna segítségével
energia impulzus
energia
gömbszerűen terjedő energia-burok
terület = 4 ⋅ π ⋅ r energia-sűrűség: S
2
r: a radartól való távolság
S =
Pt
4 ⋅π ⋅ r
2
Pσ
a célpont által felfogott energia
Pt ⋅ g ⋅ Aσ Pσ = 2 4 ⋅π ⋅ r
σ
célpont
A radar által felfogott energiamennyiség a következő:
Pσ ⋅ Ae Pr = 2 4 ⋅π ⋅ r
Pt ⋅ g ⋅ Aσ ⋅ Ae Pr = 2 (4 ⋅ π ) ⋅ r 4
Ae: a vevőantenna hatásterülete
g ⋅ λ2 Ae = 4⋅π
Pt ⋅ g 2 ⋅ λ2 ⋅ Aσ Pr = 64 ⋅ π 3 ⋅ r 4
Új!
A célpont keresztszelvényéről történő visszaszóródás
VÉGSŐ FORMA
σ
Aσ
Pt ⋅ g 2 ⋅ λ 2 ⋅ σ Pr = 64 ⋅ π 3 ⋅ r 4 GÖMBI CÉLPONTOK
Ha a gömb NAGY
σ = π ⋅r
Ha a gömb KICSI
RAYLEIGH térség
2
“NAGY” : D
/ λ f 10
“KICSI” : D
/ λ p 0 .1
A Rayleigh térségben:
K
2
:
σ =
π
5
⋅ K
2
λ4
⋅D
6
(Battan, 1973)
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 közlekedésben 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 Amikor a szélirány merőleges a radarsugárra, a radar zéró sebességet mutat. Ez a “zéró zóna”, amit úgy hívnak, hogy “Zéró Izodop”.
0%
100%
100%
Amikor a szélirány párhuzamos a radarsugárral, a szél teljes komponense mérhető. 0%
A tényleges szélsebesség mekkora hányadát jelzi a radar? 00 = 100% - párhuzamos 150 = 97% 300 = 87% 450 = 71% 600 = 50% 750 = 26% 900 = 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
Hamis adatok • 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 •
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;
Hamis adatok • 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 • Túlirányzott sugarak – Némely csapadék igen alacsony felhőkben képződik; – A sugár túlmehet a felhő jelentős részén, alábecsülve a csapadék intenzitását;
Hamis adatok • 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 • 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;
