Radargrundlagen und die Dopplerverschiebung

NEXRAD (Next Generation Radar) gewinnt Wetterinformationen (Niederschlag und Wind) auf der Grundlage der zurückgesendeten Energie. Das Radar sendet einen Energiestoß aus (grün im animierten Bild). Trifft die Energie auf ein Objekt (Regentropfen, Schneeflocke, Hagel, Käfer, Vogel usw.), wird die Energie in alle Richtungen gestreut (blau). Hinweis: Nur ein kleiner Teil der ausgesandten Energie wird direkt zum Radar zurückgestreut.

Erfahren Sie hier mehr über den Radarstrahl

Dieses reflektierte Signal wird dann vom Radar während seiner Abhörzeit empfangen. Computer analysieren die Stärke des zurückgesendeten Impulses, die Zeit, die er für den Weg zum Objekt und zurück benötigte, sowie die Phase oder Dopplerverschiebung des Impulses. Dieser Prozess des Aussendens eines Signals, des Wartens auf ein zurückkehrendes Signal und des Aussendens des nächsten Signals erfolgt sehr schnell, bis zu 1300 Mal pro Sekunde!

NEXRAD verbringt die meiste Zeit damit, auf zurückkehrende Signale zu „lauschen“. Wenn man die Zeit aller Impulse pro Stunde zusammenzählt (die Zeit, in der das Radar tatsächlich sendet), ist das Radar jede Stunde etwa 7 Sekunden lang „an“. Die restlichen 59 Minuten und 53 Sekunden werden damit verbracht, nach zurückkehrenden Signalen zu lauschen.

Erfahren Sie hier mehr über die verschiedenen Abtastmodi des Radars

Die Fähigkeit, die „Phasenverschiebung“ des Energieimpulses zu erkennen, macht NEXRAD zu einem Doppler-Radar. Die Phase des zurückkehrenden Signals ändert sich typischerweise in Abhängigkeit von der Bewegung der Regentropfen (oder Käfer, Staub usw.). Dieser Doppler-Effekt wurde nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannt, der ihn entdeckte. Wahrscheinlich haben Sie den „Doppler-Effekt“ schon einmal in der Nähe von Zügen erlebt.

Wenn ein Zug an Ihnen vorbeifährt, haben Sie vielleicht bemerkt, dass sich die Tonhöhe der Zugpfeife von hoch nach niedrig ändert. Wenn sich der Zug nähert, werden die Schallwellen, aus denen die Pfeife besteht, komprimiert, so dass die Tonhöhe höher wird, als wenn der Zug stehen würde. Wenn sich der Zug von Ihnen entfernt, werden die Schallwellen gedehnt, wodurch sich die Tonhöhe des Pfeifens verringert. Je schneller der Zug fährt, desto stärker ändert sich die Tonhöhe des Pfeifens, wenn er an Ihnen vorbeifährt.

Der gleiche Effekt tritt in der Atmosphäre auf, wenn ein Energieimpuls von NEXRAD auf ein Objekt trifft und zum Radar zurückreflektiert wird. Die Computer des Radars messen die Phasenänderung des reflektierten Energieimpulses und wandeln diese Änderung in eine Geschwindigkeit des Objekts um, entweder in Richtung des Radars oder von ihm weg. Die Informationen über die Bewegung von Objekten auf das Radar zu oder von ihm weg können zur Schätzung der Windgeschwindigkeit verwendet werden. Diese Fähigkeit, den Wind zu „sehen“, ermöglicht es dem nationalen Wetterdienst, die Bildung von Tornados zu erkennen, was wiederum dazu führt, dass wir Tornadowarnungen rechtzeitig herausgeben können.

In dem obigen Bild ist die graue Linie das übertragene Signal. Man kann sehen, wie
die zurückgesendete Energie ihre Wellenlängencharakteristik ändert, wenn sie auf
ein Ziel trifft, das sich vom Radar weg- oder hinbewegt (rote bzw. grüne Linie)

Schauen wir uns nun die Radardaten an

Es gibt zwei Haupttypen von Daten: Geschwindigkeit und Reflexionsvermögen.

Die Reflektivitätsdaten zeigen uns die Stärke der Energie, die zum Radar zurückkommt, nachdem sie von Niederschlagszielen abgeprallt ist. Auch andere Ziele, die nicht zum Niederschlag gehören, senden Energie zurück, aber im Moment werden wir uns nur mit dem Niederschlag befassen. Im Allgemeinen gilt: Je stärker die zurückgeworfene Energie, desto stärker ist der Niederschlag. Hier erfahren Sie mehr über das Reflexionsvermögen.

Die Geschwindigkeitsdaten werden aus der Phase oder Dopplerverschiebung der zurückgeworfenen Energie abgeleitet. Die Computer des Radars berechnen die Verschiebung und stellen fest, ob sich der Niederschlag auf das Radar zu oder von ihm weg bewegt und wie schnell er ist. Rot ist typischerweise ein Ziel, das sich vom Radar wegbewegt, während Grün auf Ziele angewendet wird, die sich auf das Radar zubewegen. Die Intensität dieser Farben bestimmt die geschätzte Geschwindigkeit des Ziels. Weitere Informationen zur Geschwindigkeit finden Sie hier.

In der obigen Abbildung sehen Sie die Geschwindigkeitsdaten, die mit einem starken Sturm in den Reflektivitätsdaten verbunden sind. Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie ein Tornado in der Geschwindigkeitsanzeige aussieht. Klicken Sie auf das Bild, um mehr Details zu sehen. Das Radar befindet sich im Südosten oder unten rechts auf dem Computerbildschirm. Beachten Sie das helle Rot bzw. die starken Ausströmgeschwindigkeiten direkt neben dem hellen Grün bzw. den Einströmgeschwindigkeiten. Dies deutet auf eine stark rotierende Luftsäule hin. In Verbindung mit einem Reflektivitätsmuster, das eine Hakensignatur aufweist, wie in diesem Fall, ist oft ein Tornado im Gange oder steht kurz davor.

Gelegentlich sieht das WSR-88D Doppler Radar Ziele, die kein Niederschlag sind

Wenn es da draußen ein „Ziel“ gibt und es die Radarenergie zurück zum Radar reflektiert, zeigt das Radar es an, als ob es sich um Niederschlag handelt. Das Radar verfügt über eine eingebaute Logik, die es ihm ermöglicht, zwischen Niederschlag und Nicht-Niederschlag zu unterscheiden. Aber manchmal sehen wir seltsame Dinge auf unserem Radarbildschirm. Hier sind einige davon:

Vogelkoordinaten. Diese sind im Herbst am häufigsten in der Nähe von Gewässern zu finden, wo es nachts wärmer ist als an Land. Dies ist auch die Zeit, in der sich die Vögel für den saisonalen Zug versammeln. Nachts ruhen bzw. nisten die Vögel in und um die Seen. Kurz vor Sonnenaufgang findet oft ein koordinierter Abflug statt, bei dem sich die Vögel auf die umliegenden Felder verteilen, um tagsüber zu fressen. Klicken Sie auf das Bild auf der linken Seite, um eine kurze Animation der Vogelringe zu sehen.

Anomale Ausbreitung

Gelände

AP &Gelände

Anomale Ausbreitung. Ausgehend von unserem Verständnis der Eigenschaften des Radarstrahls erwarten wir, dass der Radarstrahl das Radargerät verlässt und sich in der Atmosphäre auf normale Weise ausbreitet. Manchmal führt die Atmosphäre jedoch dazu, dass sich der Strahl superbrechend ausbreitet oder durch die Atmosphäre geleitet wird. In diesem Fall wird der Strahl manchmal nach unten gekrümmt und ein Teil der Radarenergie trifft auf den Boden und kehrt zum Radar zurück, was zu einer anomalen Ausbreitung (AP) führt. Die drei Bilder oben zeigen einen interessanten Fall. Auf dem ersten Bild links zeigt der eingekreiste Bereich isolierte AP. Das mittlere Bild ist eine Geländekarte von Süd-Wisconsin. Das rechte Bild zeigt den AP überlagert auf der Geländekarte. Beachten Sie, wie das hohe Gelände der Baraboo-Hügel vom Radar hervorgehoben wird. Wir wissen, dass es sich um AP handelt, da wir durch Satelliten- und andere Beobachtungen bestätigt haben, dass der Himmel klar war.

Windpark-Störungen. Windparks können Doppler-Radare auf drei Arten stören, wenn sich die Turbinenblätter bewegen und sich in der Sichtlinie des Radars befinden. Wenn sie nahe genug sind (bis zu einigen Kilometern), können sie einen beträchtlichen Teil des Strahls blockieren und die Daten in der Nähe des Windparks abschwächen. Sie können auch Energie zurück zum Radar reflektieren und als Störung (AP) auf dem Radarbild erscheinen und die Basisreflektivitätsdaten verunreinigen. Die Reflektivitätsdaten werden von Radaralgorithmen zur Schätzung der Niederschlagsmenge und zur Erkennung bestimmter Gewittermerkmale verwendet. Schließlich können sie sich auf die Geschwindigkeitsdaten auswirken, die ebenfalls von den Radarbedienern und einer Reihe von Algorithmen in den Datenverarbeitungssystemen des Radars verwendet werden, um bestimmte Gewittermerkmale wie Mesozyklone, relative Gewitterbewegungen, Turbulenzen usw. zu erkennen. Erfahren Sie hier mehr.

Sonneninterferenz. Zweimal am Tag, bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, wird das Radar durch die von der Sonne ausgestrahlte elektromagnetische Energie gestört. Bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang gibt es einen Punkt, an dem die Radarantenne direkt auf die Sonne gerichtet ist und von dieser Energie getroffen wird. Dies wird dann als eine Spitze der zurückgesendeten Energie auf unserem Display angezeigt. Sie ist kurz und tritt normalerweise nur während eines Volumenscans auf. Auf dem Bild links sehen Sie, dass der Sonnenuntergang etwas südlich von genau westlich liegt. Das Datum ist der 11. März 2009. In weniger als 2 Wochen werden wir die Frühlings-Tagundnachtgleiche erleben. Die Sonne wird genau westlich des Radars untergehen.

Rauchfahnen. Während Trockenperioden, wenn kontrollierte Brände oder unkontrollierte Waldbrände stattfinden, wird unser Radar Rauchfahnen in Verbindung mit den Bränden erkennen. Viele der großen Rauchfahnen stammen von vorgeschriebenen oder kontrollierten Bränden. Dabei handelt es sich um Brände, die von Bundes-/Staats-/Kommunalbehörden zu Zwecken der Landverwaltung absichtlich gelegt werden. Andere Brände können auf Privatgrundstücken entstehen. Die beiden Rauchfahnen in diesem Beispiel (für eine Animation auf das Bild klicken) stammen von vorgeschriebenen Bränden des Wisconsin DNR.