RADAR İLE YAĞIŞ GÖZLEMLERİ [HOMS C33]

Hidrolojide radar Kullanımı

Radar, yağışın alansal konum ve hereket gözlemine izin verir ve belirli türdeki radar ekipmanı radar kapsama alanları üzerinde yağış oranları tahminleri sağlanabilmektedir (Bringi ve Chandrasekar, 2001). hidrolojik amaçlı etkili radar aralığı (Avrupa Komisyonu, 2001) radar özellikleri anten çapı, güç çıkışı ve alıcı hassasiyeti gibi radar özelliklerine bağlı olacak şekilde genellikle 40-200 km. dir. Radarın hidrolojik kapsama aralığını radar üzerindeki tanımlanmış yoğunluk ve yağış şiddeti ve yankı makul azami menzili olarak tanımlamak geçerli olur. Hidrolojik alandaki herhangi bir yerdeki yağış oranı radardan sağlanan düzgün kalibre edilmiş alıcı kazanç kontrolü ile belirlenebilir.

Yağış durmunda radar sinyali zayıflar Kısa dalga boylu radarlar için bu etki daha büyüktür. Öte yandan, uzun dalga boyu sahip radar gibi kısa dalga boyu ekipmanda doğrudan hafif yağmurlu ve kar durumunu algılamaz. Uygun bir dalga boyu seçimi iklim koşulları ve amaçları üzerinde yapılacak seçime bağlıdır. Her üç radar bantları Tablo I.3.3 verilen yağış gözlem için kullanılmaktadır.

Radar yağış denklemi

Radar denklemi bazen serbest olan alan azami menzili denklemi olarak adlandırılır (FSMR). Bu denklem belirli bir radar sisteminden tahmin edilebilir azami menzilini tanımlar.

Tablo 3. Hava radar frekans bandları

yağış radar ışını dolu olarak kabul edilir yağış hedefleri için, denklem formu vardır:

Burada Pr watt cinsinden yansıyan darbe bir dizi alınan ortalama güç, Pt watt cinsinden peak güç iletilir, G anten kazancı olduğunu, Ɵ ve Ø yatay ve dikey band genişlikleri vardır, h metre darbe uzunluğu, R metre mesafe aralığı, ƛ metredeki dalga boyu, K2 Yağmur kırılma endeksi terimdir (0,9313 10 cm radar cihazı 10 ° C'lik bir sıcaklık varsayarak için) ve Z reflektivite olduğunu.

Bu denklem sadece (3.4) belirli varsayımlar altında geçerli olduğu anlaşılmalıdır (Avrupa Komisyonu, 2001; Meischner, 2003) ve bu nedenle şartlar yerine getirilmediği zaman hata olması muhtemeldir. Ancak, tek bir frekansta radar gelen yağış tahminleri tüm radarın temelini oluşturmaktadır.

Yağış oranı mm h^–1 ortalama damla çapı olmak üzere aşağıdaki ilgili denklemdeki gibidir:

Burada Pi yağış yoğunluğu içinde mm h–1 ve a ve b sabitlerdir. Ölçülen damla boyut dağılımı zemin ve dönüşüm olarak düşme hızları ile farklı boyutlardaki damla ve belirli bir yağış oranı için birçok tespitler yapılmıştır. Kullanılan en yaygın denklemi:

Z = 200 Pi1.6 (3.6)

ölçümleri etkileyen faktörler

Ölçümleri etkileyen faktörler bir özeti sırayla aşağıda tartışılmaktadır.

Dalgaboyu

S-bant kullanımı sıklığı, Amerika Birleşik Devletleri gibi, yağış oluşurken radar demetinde meydana gelen bu sorunu ortadan kaldırır. Dünyanın geri kalanında daha çok C-band frekans kullanımı, duyarlılık geliştirir ama sonuş olarak zayıflama proplemleri yoktur. Aynı hava koşulları için C-bant sistemlerinden halen yaklaşık iki kat daha ucuz S-bant sistemleri vardır, Buna rağmen gelecekte teknoloji güçlü dalga tüpünün geliştirilmesiyle değişebilir (TWT).

Düzeltme işlemleri C-bandında zayıflama için geliştirilmiştir (3.7.3.4).

Zemin yığılması

Radar demetinin her iki ana ve yan loblar yer hedefleriyle karşılaşabilir. Bu güçlü kalıcı yankıları, zemin yığılması olarak cereyan eden, hangi yağış olduğu bilinmeyen yanlış durumun oluşmasına neden olacaktır. Radarlardaki bu yankıları en aza indirmek için yerleştirilmelidir, buna rağmen tamamen kaldırmak mümkün değildir ve Doppler işleme gibi yığılmayı haritadan çıkarılması ile (Germann ve Joss, 2003) diğer teknikler kullanılmalıdır. Anlaşılmaz nedenlerle kalıcı yankıların üretimi durumda dalganın zemin tarafından veya tarama ana bölümü taraması tarafından üreten kalıcı yankılardır. Bu durumda yalnızca bir kısım yağmurun daha uzun sınıflandırmasını güçlükle aydınlatır. Bu sağlanan sinyal en az yüzde 40 engellenmediğinde düzeltilebilir. Bir radar alanından dijital bir arazi modeli kullanarak görünürlüğünü için simülasyonu mümkün müdür, yakın mesafedeki mükemmel olmayan küçük hatalar nedeniyle bir gösterme açısı sümilasyondaki belirsizlikler radar demetinin kırılasındaki ve özellikle sayısal arazi modelindeki yetersiz çözünürlükten kaynaklanır.

Sinyal genişliği ve aralığı

160 km de, radar kapsama genişliği, kullanıma bağlı olarak birkaç kilometre genişliğinde olabilir. Normalde, bu geniş seçim alanı içinde radar yansıtmasındaki değişimler işaretlenir. Böylece, büyük bir alan üzerinde bir nokta değeri yerine ortalama bir değer elde edilen. Radar denklemi meteorolojik hedefleri ile ışınım temeli üzerine dayanmaktadır. Bu nedenle, bir çok nokta yağışölçerlerle yağış ölçümlerinin radar ile yüksek korelasyonda olması beklenemez. Ancak, radar tarafından görüntülenen bölgesel desen çoğu yağışölçer ağlarıyla ölçülen gerçek yağış fırtınası yapılandırmasından genellikle daha fazla temsili olmalıdır. Yağmurlu koşullarda bu yansımalar 160 km kaydedilen frekans, 64 km kaydedilen yansımaların yalnızca yaklaşık yüzde 4 ü olarak bulunmuştur. Bu nedenle, bir sağanak durumunda 64 km de hangi ışınım dolduracak, sadece 160 km deki ışınım yaklaşık 1/8 dolduracaktı. Bu sonuç, ışınım genişliği ve ışınım yükseklik faktörlerin bir araya gelmesinden kaynaklanmaktadır.

Atmosferik ve radom zayıflaması

Mikrodalgalar atmosferik gazlar, bulut ve yağış tarafından zayıflatılırlar. Zayıflama radyo dalgalarının maruz kaldığı iki tür etkilenmenin bir sonucudur: Soğurma ve saçılma. Genel olarak, gazlar sadece absorbe ediciler, ama bulut ve yağmur damlaları dağılım ve absorbe işleminin her ikisinide yapar.

Radar için uzun dalga boylarında işletim setleri, zayıflama bir sorun değildir ve genellikle ihmal edilebilir. Genel kabul görmüş desibel zayıflaması bulunmaktadır. Desibel (dB) göreceli olarak kullanılan bir güç ölçüsü olarak ifade edilir:

dB = 10 log10 Pt / Pr (3.7)

Burada Pt ve Pr iletilen güç ve alınan güç sinyal zayıflaması olarak yağış oranı ile ilgili ve dalga boyu Tablo I.3.4 'de verilmiştir. Radar sahasından olan mesafe düzeltme hesabı yapılabilir (1/R2, R = mesafe), ışınım dağılımında atmosferik gazlar tarafından meydana gelen zayıflama nedeniyle (0.08 dB km–1 tek yön) ve yoğun yağmur yoluyla sinyal zayıflaması (Tablo I.3.4). Ancak, bu tür işlemleri (Meischner, 2003; Collier, 1996) kararsız şiddetli zayıflama durumlarda operasyonel düzeltmeler olabilir ve makul "maskeli" (sınırlı) bir üst limite dayanarak güncellenmiştir. Gelecekte bu prosedürlere dayalı çok parametrenin kullanıldığı radarlar (3.7.8) çalıştırılabilir.

Tablo 4. Yağış nedeniyle radar sinyalindeki zayıflama (dB km–1)

Uzaklık (km) belirli bir oranda olan yağışın üzerinde çeşitli dalga boylarında 10 dB bir zayıflatma vererek ayrıntılandırmak gerekir.

Işın ve çoklu saçılmada kırılma

Radar dalgaları uzayda dalgalara kavisli yol veren bir kırılma etkisi ile yayıldı. Ortalama yarıçapı yaklaşık Dünya'nın ortalama yarıçapının dörtte üçüdür. Dikey nem süreksizliklerin sonucunda, kırılan radar ışınımındaki gibi ek eğilme oluşabilir. Bu hangi sıklıkla iletilir veya radar demetinin hapsedlmesi ve neden yeniden eğri şeklinde dünyaya Doğru iki radar ışını üretir veya yağıştaki ıskalama, 80 yukarı 120 km uzakta kavisli olması gereklidir. Meteorolojik koşulların halli (hapsi lehine) matematiksel olarak belirlenebilir. Eğer suyla kaplı buz yüzeylerde yağış oluştuktan daha sonra radar pulslarındaki bilinen bir süreçteki saçılma üç kısımda alışılmadık saçılma işareti üretebilir. "Dolu Tanesi" Böyle bir işaret olduğunu. Bu sürecin yanı sıra hidrometeoprlar, yerden kombine saçılma içerir ama yaygın bir olgu değildir.

Dikey hız

Çok yoğun konvektif sistemlerde yağışın dikey hızı, radar ekolarına neden olabilir bu da yağış çeşitleri arasındaki ilişkiye neden olabilir, R, ve radar yansıtması, Z, hava anlamlı olmaktan oldukça farklılık gösterir. Örneğin, 8 ms^-1 nin altında verilen bir yağış oranı yansıtma değeri hava daha hala yaklaşık 3 dB den daha az, yağış oranın olarak yüzde 40 daha az yağış üretiyor olacaktır.

Yansıtmanın dikey profili

Ana faktör yüzey yağışını radar tahminleri içine önveri olarak tanıtarak hava radarları düşey ölçüm geometrisi olduğunu. Artan aralığın az bir radar ölçü birimi yeryüzü üzerinde artan yükseklikte bulunmaktadır. Bu nedenle bir radar yansıma ölçümü havada doğru, ama yer yüzey koşullarında temsil etmiyor olabilir. Bu bir ölçüm hatasıdır, ama bir örnekleme sorunu değildir.

Hangi radar yansıtma ışını kar erimeye başladığı zaman kesişen düzeyinde sonuç artırılmıştır ve parlak grup olarak bilinir. Bu (Şekil I.3.9 bakınız) donma seviyesinin birkaç yüz metre altında vuku bulur. Bu şekilde, karın mevcut yağış derinliği boyunca sürekli olarak, parlak bandı ve artan yükseklikle radar yansıması azalır.

Yeryüzünün her noktası (VPR) Yukarıda yansıtma ve dikey kesit Ze(h) olarak, burada h radar sitesinin aralığı r ile yüzey üzerindeki yükseklik ifade edilebilir. VPR şekli örnekleme farkın büyüklüğünü belirler (Koistinen ve diğerleri, 2003). Radar ışın deseni f 2 şeklinde belirlendikten sonra;

Ze (h, r) = ∫ f 2 (y) Ze (h) dy (3.8)

Gerçekleştirilmiş dikey birleştirme (y) eksiltilmesi gelen ışın demetinin üst kenarına yapılır. Düşey örnekleme fark o zaman (desibel veya dB).

c = 10 log (Ze (0) / Ze (h, r)) (3.9)

Ze(0) VRR içinde yüzeydeki yansıma olduğunu gösterir. Bu nedenle ölçülen yansıma için örnekleme fark c ekleyerek havada (dBZ), yüzey dBZ(0, r) olan yansıtma,

dBZ (0, r) = dBZ + c (3.10)

Kar yağışında aralığının bir fonksiyonu olarak örnekleme farkı artar, dar aralıkları bile yüzey yağışında önemli ölçüde eksik tahmin edilen kar yağışı olarak gösterir. Ancak, yağış olarak radar ölçümleri nispeten doğru olduğu menzil 130-140 km kadardır. Parlak bölge yüksekliği radar anten üzerinde fazla yaklaşık 1 km olduğu zaman, fazla tahmin etkisini nedeniyle o radar demeti içinde kar azalmasını telafi edecek.

Şekil 9. Radardan 2-40 km ölçekli tek kutupsal değerlerin iki dikey kesitten olan ortalama yansıtma miktarları. Koyu çizgi yağmuru temsil ederken kesikli çizgi yağışını temsil eder. (Koistinen ve diğerlerinden, 2003)

Bu nedenle, O parlak bant olmasaydı bir radar ölçümü daha uzun aralıklarla daha doğru olurdu. Düşük seviyenin üzerindeki tepelere maruz kalan güçlü nemli deniz havası akımı için dünyanın bazı bölgelerinde orografik yağışların etkisinde büyüme vardır. Bu büyüme VPR yansıması olabilir, ama bazen radar hüzmesi yüksekliği aşağıda oluşabilir. Bu durumda, Bir ölçümde büyüme iklimsel düzeltme katsayıları kullanılarak tahmin edilebilir. Bazı sinoptik durumlarda, Örneğin sıcak cephelerin önü için, gözlemlerdeki ters etkisi çoğunlukla düşük seviyede buharlaşma görülebilmektedir. Bu durumda daha zor bir düzeltme uygulamak için, orta ölçekli bir sayısal tahmin model çıktısı kullanmak gerekebilir. Ancak, bunun için model çıktısı dikkatli kullanılarak bakım yapmak için model çıktısı alınmalıdır ve VPR içinde buharlaşma gözlemlemek mümkün olduğunca radar ışınım yüksekliğini daha düşük olarak kullanmak daha güvenilir olabilir.

Kar ve Dolu

Bir radar yağışı doğru olduğu kadar kar yağışını ölçme yeteneğine sahiptir. Ancak, özellikle VPR üzerinde doğruluk ve parlak bant yüksekliğine çok bağlıdır. Yağış ise a ve b (Denklem 3.5) R:Z ilişkisi büyük ölçüde bağlı olarak değişebilir, örneğin, ister ıslak veya kuru kar.Tipik sık kullanılan değerler a = 2000 ve b = 2.0 . Bir radarda dolu gözlemleri, geri saçılmış güç artık parçacık boyutu altıncı gücü ile doğru orantılıdır ve Mie teorisi geçerlidir. Yalnızca doğrudan dolu görülmektedir darbe hacmindeki dolu sayısını sinyal gücü doğrudan dolu çapı ile ilgilidir.

N (DH) = 561 DH–3.4 (3.11)

Bu nedenle Rayleigh saçılması varsayarak C-bandında dolu:

Z = 10 log10 (561 DH2.6) dBZ (3.12)

Sorunlar şiddetli yağış içerinde hangi sıklıkla dolu içeriği bulunur. Bu artış yansıtma. polarizasyon radarlarının doğrudan dolu varlığını tespit edebilme kabiliyetine sahip, tek polarizasyon radarları değildir ve diğer teknikler kullanılmalıdır(Collier, 1996).

Dünyanın, özellikle şiddetli hava için bu konu, operasyonel sistemlerin oluşturulması için radar oldukça aranan bir biçim olarak kabul edilmektedir. Onlar doğal olarak daha karmaşık olsa da geleneksel radarlardan daha pahalı değildir ve daha fazla işlem gücü ve daha fazla bakım çabası gerektirir. Buna rağmen, Doppler özelliğine sahip radarlar Amerika Birleşik Devletleri ve diğer yerlerde büyük ulusal ağlar mevcuttur. Doppler radarları genel tahmin amaçları için kullanılır, yararlı özellikleri tornado ve şiddetli fırtınalar gibi olaylarda ortaya çıkarabilir bu olayların uyarısı için gelişmiş veri sağlamak. Ayrıca, bu olayların yoğunluğu, yapısı ve diğer pratik anlamlarıyla ilgili daha fazla bilgi verebilir.

Parazit ekolarını çıkarma

Çoğu sistemde yağış yoğunluğunu ölçmek geleneksel bir şekilde Dopler veri sağlamasının önemli bir avantajı konumu ve kalıcı yaygınlığı olabildiğince doğru bir seviyede belirlemek ve bir dereceye kadar anormal yayılımı, yankıları ile tanımı gereği sabit Doppler kanaldan belirlenebilmesi mümkündür. Daha sonra bu bilgiler bir çalışmada sadece yağış verileri olmayan Doppler kanal ile yapılan ölçümlen sağlamak için kullanılabilir. Yığılmayı kaldırma başka bir sistem olduğu gibi, yöntemin doğrudan yalnız başına tamamıyle başarılı olması mümkün gülmemektedir, bazı iletim ve hava koşullarında, kalıcı yankıları taşımak ve tam tersine görünebileceği, yağışın bazen etkili bir şekilde durağan olduğunu. Doppler yığılmayı iptal genellikle karmakarışık haritalar ve VPR kullanımı gibi karmaşayı gidermek için diğer prosedürler eşlik ediyor. Kırılma özelliğine sahip homojen olmayan gelen yankıları elde etmek için ve yağış yoğunluğu amacıyla mümkün olan en büyük aralıklarda konvansiyonel olmayan Doppler radar veya şiddetli fırtınaların yapısını incelemek için tercihen 10 cm ve daha uzun dalga boyları gerekir.

Rüzgarların Ölçümü

Tek bir Doppler radar kullanarak rüzgarları tahmin etmek için bir dizi farklı teknikler geliştirildi (Bringi ve Chandrasekar, 2001; Avrupa Komisyonu, 2001; Meischner, 2003 ). Ticari radar üreticileri bazıları şimdi bu tekniklerin sunmak ve her ikisini de üretmek için belirli varsayımlar altında yatay rüzgar hızı ve radyal rüzgarlar profilleri anlamına kullanılır. Bu veriler henüz yağış tahmininde operasyonel kullanım yardımcı olmak için değildir. Bu tür verilerin kullanımına yakın gelecekte ancak asimileye başladığınızda sayısal hava tahmin modelleri (NWP) içine rutin olarak değişebilir (3,17).

Çoklu parametre radarı

Çoklu parametre radarların donanımlarındaki gelişme ile hidrometeorların ilk yavaş oluşumundan beri özelliklerini ölçmek için yüksek hızlı ilk üretimlerinden beri dönüşümleri yatay ve dikey mikrodalga radyasyonun polarize hızla alternatif iletim sağlayacak durumda olmuştur. Ancak, son yıllarda donanım tasarımı, diğer polarizasyon durumu üzerinde böyle dairesel ve çok parametreli radar potansiyelinin, donanım tasarımınındaki yağışın dikkatli ölçümü için de artmıştır. Çok yönlü araştırma radarları gibi İngiltere, ABD ve Chilbolton içinde CSU-CHILL kurulu gibi çok yönlü araştırma radarları kutuplaşma tabanı hangi yağış ve hidrometeor tipinin ölçümünde en etkili olduğunu düşünmek için test zemini sağlamıştır. Artık çok güçlü bir kutuplaşma geçişine gerek kalmadan aynı anda radyasyon yayınları yapmak yatay (H) ve dikey (V). Eşzamanlı iletişim formu şu anda uygulandığı Ulusal Şiddetli Fırtına Araştırma Laboratuvarının (NSSL) WSR-88D S-band radar ve ABD'de işletme WSR-88D radarlar için polarimetrik iyileştirmele temeli olarak düşünülmektedir.