Základy radaru a dopplerovský posun

NEXRAD (radar nové generace) získává informace o počasí (srážky a vítr) na základě vrácené energie. Radar vysílá výtrysk energie (na animovaném obrázku zelený). Pokud energie dopadne na objekt (dešťovou kapku, sněhovou vločku, kroupy, brouka, ptáka atd.), energie se rozptýlí do všech směrů (modře). Poznámka: jedná se o malou část vysílané energie, která je rozptýlena přímo zpět k radaru.

O radarovém paprsku se dozvíte zde

Tento odražený signál pak radar přijímá během doby poslechu. Počítače analyzují sílu vráceného impulsu, čas, který potřeboval k cestě k objektu a zpět, a fázi neboli dopplerovský posun impulsu. Tento proces vysílání signálu, naslouchání případnému zpětnému signálu a následného vysílání dalšího signálu probíhá velmi rychle, až přibližně 1300krát za sekundu!“

NEXRAD tráví obrovské množství času „nasloucháním“ zpětným signálům, které vyslal. Když se sečte doba všech impulsů každou hodinu (doba, po kterou radar skutečně vysílá), je radar každou hodinu „zapnutý“ asi 7 sekund. Zbývajících 59 minut a 53 sekund stráví nasloucháním případným zpětným signálům.

O různých režimech skenování radaru se dozvíte zde

Schopnost detekovat „posun fáze“ energetického impulsu činí z radaru NEXRAD dopplerovský radar. Fáze vracejícího se signálu se obvykle mění na základě pohybu dešťových kapek (nebo brouků, prachu atd.). Dopplerův jev byl pojmenován po rakouském fyzikovi Christianu Dopplerovi, který jej objevil. S největší pravděpodobností jste se s „Dopplerovým jevem“ setkali v okolí vlaků.

Když kolem vás projíždí vlak, možná jste si všimli, že se výška tónu píšťaly vlaku mění z vysoké na nízkou. Jak se vlak blíží, zvukové vlny tvořící píšťalu se stlačují, takže výška tónu je vyšší, než kdyby vlak stál. Stejně tak, když se vlak od vás vzdaluje, zvukové vlny se roztahují, čímž se výška píšťaly snižuje. Čím rychleji se vlak pohybuje, tím větší je změna výšky tónu píšťaly, když projíždí kolem vaší polohy.

Stejný efekt se odehrává v atmosféře, když impuls energie z radaru NEXRAD dopadá na objekt a odráží se zpět k radaru. Počítače radaru měří změnu fáze odraženého impulsu energie, kterou pak převádějí na rychlost objektu, a to buď směrem k radaru, nebo od něj. Informace o pohybu objektů směrem k radaru nebo od něj lze použít k odhadu rychlosti větru. Právě tato schopnost „vidět“ vítr umožňuje Národní meteorologické službě odhalit vznik tornád, což následně umožňuje vydávat varování před tornády s větším předstihem.

Na obrázku výše je šedou čarou znázorněn vysílaný signál. Můžete vidět, jak
vrácená energie mění své vlnové charakteristiky, když zasáhne
cíl, který se od radaru vzdaluje nebo k němu směřuje (červená, resp. zelená čára)

Nyní se podívejme na radarová data

Existují dva hlavní typy dat, rychlost a odrazivost.

Údaje o odrazivosti nám ukazují sílu energie, která se vrací do radaru po odrazu od srážkových cílů. Energii vracejí i jiné nesrážkové cíle, ale prozatím se budeme zabývat pouze srážkami. Obecně platí, že čím silnější je vrácená energie, tím silnější jsou srážky. Více informací o odrazivosti se dozvíte zde.

Údaje o rychlosti jsou odvozeny z fáze neboli dopplerovského posunu vrácené energie. Počítače radaru tento posun vypočítají a určí, zda se srážky pohybují směrem k radaru nebo od něj a jak rychle, a pak těmto směrům a rychlostem přiřadí odpovídající barvu. Červenou barvou se obvykle označuje cíl pohybující se směrem od radaru, zatímco zelenou barvou se označují cíle pohybující se směrem k radaru. Intenzita těchto barev určuje jeho odhadovanou rychlost. Více informací o rychlosti se dozvíte zde.

Na obrázku výše můžete vidět údaje o rychlosti, které jsou spojeny se silnou bouří zobrazenou v údajích o odrazivosti. Jedná se o skvělý příklad toho, jak vypadá tornádo v zobrazení rychlosti. Kliknutím na obrázek získáte lepší detaily. Radar se nachází na jihovýchodě nebo v pravém dolním rohu obrazovky počítače. Všimněte si jasně červené barvy neboli silných rychlostí směrem ven hned vedle jasně zelené barvy neboli rychlostí směrem dovnitř. To ukazuje na silně rotující sloupec vzduchu. Ve spojení se vzorkem odrazivosti, který vykazuje signaturu háku, jako v tomto případě, se často jedná o tornádo, které se vyskytuje nebo se chystá vyskytnout.

Někdy Dopplerův radar WSR-88D vidí nesrážkové cíle

Pokud se venku nachází „cíl“ a odráží radarovou energii zpět k radaru, radar jej zobrazí, jako by se jednalo o srážky. Radar má v sobě zabudovanou určitou logiku, která mu pomáhá rozlišovat mezi srážkovými a nesrážkovými cíli. Někdy však na radarovém displeji vidíme zvláštní věci. Zde je několik z nich:

Kroužky ptačího hnízda. Ty se nejčastěji vyskytují na podzim v okolí vodních ploch, které mají v noci obvykle vyšší teplotu než okolní pevnina. Je to také doba, kdy se ptáci shromažďují na sezónní migraci. V noci ptáci odpočívají/hnízdí v jezerech a jejich okolí. Těsně před východem slunce často dochází ke koordinovanému vzletu a rozptýlení ptáků do okolních polí, kde se během dne krmí. Klepnutím na obrázek vlevo zobrazíte rychlou animaci kroužkování ptáků.

Anomální šíření

Terén

AP &Terén

Anomální šíření. Na základě našich znalostí charakteristik radarového svazku očekáváme, že radarový svazek opustí radar a bude se šířit atmosférou standardním způsobem. Někdy však atmosféra způsobí, že se paprsek superreflektuje nebo prochází atmosférou kanálem. Když k tomu dojde, paprsek se někdy ohne směrem dolů, což způsobí, že část energie radaru dopadne na zem a vrátí se zpět do radaru, čímž vznikne anomální šíření (AP). Tři výše uvedené obrázky ukazují zajímavý případ. Na prvním snímku vlevo ukazuje zakroužkovaná oblast izolovanou AP. Na prostředním snímku je terénní mapa jižního Wisconsinu. Obrázek vpravo ukazuje AP překryté terénní mapou. Všimněte si, jak je na radaru zvýrazněn vysoký terén kopců Baraboo. Víme, že se jedná o AP, protože jsme si prostřednictvím družice a dalších pozorování potvrdili, že obloha je jasná.

Rušení větrnou farmou. Větrné farmy mohou ovlivnit dopplerovské radary třemi způsoby, pokud se lopatky turbín pohybují a jsou v zorném poli radaru. Pokud jsou dostatečně blízko (do několika kilometrů), mohou částečně blokovat významné procento paprsku a zeslabovat data v dosahu větrné farmy. Mohou také odrážet energii zpět k radaru a zobrazovat se na radarovém snímku jako rušení (AP) a kontaminovat základní údaje o odrazivosti. Údaje o odrazivosti používají radarové algoritmy k odhadu srážek a k detekci určitých charakteristik bouřek. V neposlední řadě mohou ovlivnit údaje o rychlosti, které rovněž používají operátoři radaru a různé algoritmy v datových procesorech radaru k detekci určitých charakteristik bouřek, jako jsou mezocyklony, relativní pohyb bouřek, turbulence atd. Více informací naleznete zde.

Rušení slunečními paprsky. Dvakrát denně, při východu a západu Slunce, dochází na radaru k rušení elektromagnetickou energií vyzařovanou Sluncem. Při východu a západu slunce existuje bod, kdy radarová anténa míří přímo na slunce a je touto energií zasažena. To se pak na našem displeji zobrazí jako výkyv vrácené energie. Je krátký, obvykle se objevuje pouze během jednoho skenování svazku. Na obrázku vlevo si všimněte, že západ Slunce je mírně jižně od západu. Datum je 11. března 2009. Za necelé dva týdny nastane jarní rovnodennost. Slunce bude zapadat západně od radaru.

Kouřové oblaky. Během suchých období, kdy probíhá řízené vypalování nebo neřízené požáry v přírodě, bude náš radar detekovat kouřová oblaka spojená s požáry. Mnoho velkých kouřových oblaků pochází z předepsaného nebo řízeného vypalování. Jedná se o požáry úmyslně založené federálními/státními/místními úředníky pro účely správy půdy. Jiné požáry mohou být na soukromých pozemcích. Dva kouřové oblaky v tomto příkladu (kliknutím na obrázek zobrazíte animaci) byly předepsané požáry prováděné úřadem Wisconsin DNR.