el principio de funcionamiento del radar meteorológico es...

¿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

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 radarC = velocidad de la luz=3x108m/s

Duración pulso = 1 microsegDuración interpulso = 1 milisegPara la ubicación del “blanco” se necesitan 3 coordenadas: distancia,Ángulo de elevación y ángulo azimutal

Angulo Azimutal y de elevación

• Números en rojo corresponden a ánguloselevación

(http://weather.noaa.gov/radar/radinfo/radinfo.html)

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 RadarEnergía 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).

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:

∑=i

i

tr D

R

KhGPP

6

22

2322

2ln1024 λ

πθFinalmente 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.

σ ?

Ecuación de radar

PR Z

rr

c e= 2

v

DN

Z

k

i

ii

e

∑== 1

6

dBZZ

mm m

e= −10

110 6 3log

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 brillanteNieve, 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 asociadoscon objectos en movimiento

• Energía E-M dispersada por los hidrometeorosmoviendose hacia/desde el radar causacambios 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

Houston, TX (KHGX)

Colores cálidos es V hacia afuera radar

Colores frios es V hacia el radar

Velocidad Base Storm-Relative Velocity

(http://virtual.clemson.edu/groups/birdrad/COMMENT.HTM)

Buffalo, NY (KBUF)

1944 UTC 28 April 2002

Storm-Relative Velocity

mesocyclone

(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:

PRFV4

max

λ=

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

RADARRADAR

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 PolarimetricoProductos del Radar Polarimetrico

ZDR Reflectividad

Diferencial

ρHV Coeficientecorrelation copolar

ΦDP Diferencia de cambio de fase

ZDR Reflectividad

Diferencial

ρHV Coeficientecorrelation copolar

ΦDP Diferencia de cambio de fase

ProductosProductos Productos DerivadosProductos Derivados

R(syn) Estimación de la PP usando ZH, ZDR,

KDP

HCA Hydrometeor Class-ification Algorithm

KDP Diferencia de Fases específica

R(syn) Estimación de la PP usando ZH, ZDR,

KDP

HCA Hydrometeor Class-ification Algorithm

KDP Diferencia de 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?

1.1. TamaTamaññoo mediomedio de de laslas gotasgotas de de aguaagua (Zdr↑, tamaño medio de las gotas↑)

2.2. GranizoGranizo (Zdr ~ 0dB o negativo en regiones con altos niveles de Zh)

3.3. RegionesRegiones con con gotasgotas grandesgrandes o o hielohielo queque comienzacomienza

a a fundirsefundirse (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 cambiosde posición y en el caso de granizosovalados, 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

De acuerdo a los valores de reflectividad y de reflectividad diferencial se puede

ensayar una clasificación de los hidrometeoros.

Rs Gotas pequeñas.

Rm Gotas medianas

Rl Gotas grandes

G/ Hs Graupel granizo

pequeño.

R/H Mezcla de lluvia y

granizo.

H Granizo.

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 polarizaciónincluyen 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