Grundlæggende om radar og dopplerforskydning

NEXRAD (Next Generation Radar) får vejrinformationer (nedbør og vind) baseret på den returnerede energi. Radaren udsender en energiudladning (grønt på det animerede billede). Hvis energien rammer et objekt (regndråbe, snefnug, hagl, insekt, fugl osv.), spredes energien i alle retninger (blå). Bemærk: det er en lille del af den udsendte energi, der spredes direkte tilbage mod radaren.

Lær om radarstrålen her

Dette reflekterede signal modtages derefter af radaren i løbet af dens lytteperiode. Computere analyserer styrken af den tilbagevendende puls, den tid det tog at rejse til objektet og tilbage, og faserne eller dopplerforskydningen af pulsen. Denne proces med at udsende et signal, lytte efter et eventuelt tilbagevendende signal og derefter udsende det næste signal foregår meget hurtigt, op til ca. 1300 gange hvert sekund!

NEXRAD bruger den store mængde tid på at “lytte” efter tilbagevendende signaler, som den har sendt. Når tiden for alle impulserne hver time lægges sammen (den tid, som radaren faktisk sender), er radaren “tændt” i ca. 7 sekunder hver time. De resterende 59 minutter og 53 sekunder bruges på at lytte efter eventuelle returnerede signaler.

Lær om radarens forskellige scanningstilstande her

Den evne til at registrere “forskydningen i fasen” af energipulsen gør NEXRAD til en Doppler-radar. Fasen af det tilbagevendende signal ændrer sig typisk på baggrund af regndråbernes (eller insekters, støvs osv.) bevægelse. Dopplereffekten er opkaldt efter den østrigske fysiker Christian Doppler, som opdagede den. Du har højst sandsynligt oplevet “Doppler-effekten” i nærheden af tog.

Når et tog passerer dit sted, har du måske bemærket, at tonehøjden i togets fløjte skifter fra høj til lav. Når toget nærmer sig, komprimeres de lydbølger, som fløjten består af, hvilket gør tonehøjden højere, end hvis toget var stationært. På samme måde bliver lydbølgerne strakt ud, når toget bevæger sig væk fra dig, hvilket sænker fløjtens tonehøjde. Jo hurtigere toget bevæger sig, jo større er ændringen i fløjtens tonehøjde, når det passerer dit sted.

Den samme effekt finder sted i atmosfæren, når en energipuls fra NEXRAD rammer et objekt og reflekteres tilbage mod radaren. Radarens computere måler faseændringen i den reflekterede energipuls, som derefter omdanner denne ændring til en hastighed for objektet, enten mod eller fra radaren. Oplysninger om objekters bevægelse enten mod eller væk fra radaren kan bruges til at vurdere vindhastigheden. Denne evne til at “se” vinden er det, der gør det muligt for National Weather Service at opdage dannelsen af tornadoer, hvilket igen gør det muligt for os at udsende tornadovarsler med mere fremskyndet varsel.

I billedet ovenfor er den grå linje det transmitterede signal. Du kan se, hvordan
den returnerede energi ændrer sine bølgelængdekarakteristika, når den rammer
et mål, der bevæger sig væk fra eller hen imod radaren (henholdsvis rød og grøn linje)

Lad os nu se på radardataene

Der er to hovedtyper af data, Hastighed og Refleksivitet.

Reflektivitetsdata viser os styrken af den energi, der returneres til radaren, efter at den er prellet af på nedbørsmål. Andre mål, der ikke er nedfaldsmål, vil returnere energi, men for nu vil vi kun beskæftige os med nedfaldet. Generelt gælder det, at jo stærkere den returnerede energi er, jo kraftigere er nedbøren. Få mere at vide om refleksivitet her.

Velocity data er afledt af fasen eller dopplerforskydningen af den returnerede energi. Radarens computere beregner forskydningen og bestemmer, om nedbøren bevæger sig mod eller væk fra radaren, og hvor hurtigt, og anvender derefter en tilsvarende farve til disse retninger og hastigheder. Rødt er typisk et mål, der bevæger sig væk fra radaren, mens grønt anvendes på mål, der bevæger sig mod radaren. Intensiteten af disse farver bestemmer dens anslåede hastighed. Få mere at vide om hastighed her.

På billedet ovenfor kan du se de hastighedsdata, der er forbundet med en kraftig storm, som er afbildet i refleksionsdataene. Dette er et godt eksempel på, hvordan en tornado ser ud i hastighedsvisningen. Klik på billedet for at få flere detaljer. Radaren er placeret mod sydøst, eller nederst til højre på computerskærmen. Bemærk den lyse røde farve eller de kraftige udadgående hastigheder lige ved siden af den lyse grønne farve eller de indadgående hastigheder. Dette indikerer en stærkt roterende luftsøjle. Når dette kombineres med et reflektivitetsmønster, der viser en krogformet signatur, som i dette tilfælde, er der ofte tale om en tornado, der er ved at opstå eller er ved at opstå.

Sommetider ser WSR-88D Doppler-radaren ikke-nedbørsmål

Hvis der er et “mål” derude, og det reflekterer radarenergi tilbage til radaren, vil radaren vise det, som om det var nedbør. Radaren har indbygget en vis logik, der hjælper den med at skelne mellem nedbørsmål og ikke-nedbørsmål. Men nogle gange ser vi mærkelige ting på vores radarskærm. Her er et par stykker:

Fuglestolringe. Disse er mest almindelige om efteråret omkring vandområder, der typisk har varmere temperaturer end det omgivende land om natten. Det er også den tid, hvor fuglene samles med henblik på sæsonens træk. Om natten hviler/bygger fuglene rede i og omkring søerne. Lige før solopgang sker der ofte en koordineret opstigning og spredning af fuglene ud på de omkringliggende marker til fodring i løbet af dagen. Klik på billedet til venstre for at se en hurtig animation af fugleringene.

Anomal udbredelse

Terræn

AP & Terræn

Anomal udbredelse. Baseret på vores forståelse af radarstrålekarakteristika forventer vi, at radarstrålen forlader radaren og udbreder sig gennem atmosfæren på en standardmæssig måde. Nogle gange vil atmosfæren dog medføre, at strålen superbrydes eller ledes gennem atmosfæren. Når dette sker, vil strålen undertiden bøje nedad, hvilket medfører, at noget af radarenergien rammer jorden og returnerer energi tilbage til radaren, hvilket skaber anomal udbredelse (AP). De tre billeder ovenfor viser et interessant tilfælde. På det første billede til venstre viser det indcirklede område isoleret AP. Det midterste billede er et terrænkort over det sydlige Wisconsin. Billedet til højre viser AP overlejret på terrænkortet. Bemærk, hvordan det høje terræn i Baraboo-bakkerne er fremhævet af radaren. Vi ved, at der er tale om AP, da vi via satellit og andre observationer har bekræftet, at himlen var klar.

Interferens fra vindmølleparker. Vindmølleparker kan påvirke Doppler-radarer på tre måder, hvis møllebladene bevæger sig, og de befinder sig inden for radarens sigtelinje. Hvis de er tæt nok på (inden for et par kilometer), kan de delvis blokere en betydelig procentdel af strålen og svække data inden for vindmølleparkens rækkevidde. De kan også reflektere energi tilbage til radaren og fremstå som clutter (AP) på radarbilledet og forurene basisreflektivitetsdataene. Radaralgoritmerne bruger reflektivitetsdataene til at vurdere nedbørsmængden og til at registrere visse stormkarakteristika. Endelig kan de påvirke hastighedsdataene, som også anvendes af radaroperatørerne og af en række algoritmer i radarens dataprocessorer til at registrere visse stormkarakteristika, f.eks. mesocykloner, relativ stormbevægelse, turbulens osv. Få mere at vide her.

Solinterferens. To gange om dagen, ved solopgang og solnedgang, oplever radaren interferens fra den elektromagnetiske energi, der udsendes af solen. Der er et punkt ved solopgang og solnedgang, hvor radarparabolen peger direkte mod solen og bliver ramt af denne energi. Dette vises som en spids af tilbagevendende energi på vores display. Det er kortvarigt og forekommer typisk kun i løbet af en volumenaflytning. Bemærk på billedet til venstre, at solnedgangen er lidt syd for ret vest. Datoen er den 11. marts 2009. Om mindre end 2 uger vil vi være ved forårsjævndøgn. Solen vil gå ned ret vest for radaren.

Røgfaner. I tørre perioder, hvor der foregår kontrolleret afbrænding eller ukontrollerede skovbrande, vil vores radar registrere røgfaner i forbindelse med brandene. Mange af de store røgfaner stammer fra foreskrevne eller kontrollerede afbrændinger. Der er tale om brande, der med vilje er sat i gang af føderale/statslige/lokale myndigheder med henblik på arealforvaltning. Andre brande kan være på private arealer. De to røgfaner i dette eksempel (klik på billedet for at se en animation) var foreskrevne afbrændinger foretaget af Wisconsin DNR.