Tutkan perusteet ja doppler-siirtymä

NEXRAD (seuraavan sukupolven tutka) saa säätietoja (sademäärä ja tuuli) palautuvan energian perusteella. Tutka lähettää energiapurkauksen (vihreä animoidussa kuvassa). Jos energia osuu kohteeseen (sadepisara, lumihiutale, raekuuro, ötökkä, lintu jne.), energia hajoaa kaikkiin suuntiin (sininen). Huomaa: vain pieni osa lähetetystä energiasta siroaa suoraan takaisin kohti tutkaa.

Tutustu tutkasäteeseen täältä

Tutka vastaanottaa tämän heijastuneen signaalin kuunteluaikana. Tietokoneet analysoivat palautuneen pulssin voimakkuuden, sen kulkemiseen kohteeseen ja takaisin kuluneen ajan sekä pulssin vaiheen eli doppler-siirtymän. Tämä prosessi, jossa lähetetään signaali, kuunnellaan palautuvaa signaalia ja lähetetään sitten seuraava signaali, tapahtuu hyvin nopeasti, jopa noin 1300 kertaa sekunnissa!

NEXRAD käyttää valtavan osan ajasta lähettämiensä signaalien ”kuuntelemiseen”. Kun kaikkien tunneittain lähetettyjen pulssien aika lasketaan yhteen (aika, jonka tutka todella lähettää), tutka on ”päällä” noin 7 sekuntia tunnissa. Jäljelle jäävät 59 minuuttia ja 53 sekuntia kuluu paluusignaalien kuunteluun.

Tutustu tutkan eri skannausmoodeihin täällä

Kyky havaita energiapulssin ”vaiheen siirtymä” tekee NEXRADista Doppler-tutkan. Palautuvan signaalin vaihe muuttuu tyypillisesti sadepisaroiden (tai ötököiden, pölyn jne.) liikkeen perusteella. Doppler-ilmiö on nimetty itävaltalaisen fyysikon Christian Dopplerin mukaan, joka löysi sen. Olet todennäköisesti kokenut ”Doppler-ilmiön” junien ympärillä.

Junan ohittaessa paikkakuntasi olet ehkä huomannut, että junan pillin sävelkorkeus muuttuu korkeasta matalaksi. Kun juna lähestyy, pilliin kuuluvat ääniaallot puristuvat, jolloin äänenkorkeus on korkeampi kuin jos juna olisi paikallaan. Vastaavasti, kun juna etääntyy sinusta, ääniaallot venyvät, jolloin pillien sävelkorkeus laskee. Mitä nopeammin juna liikkuu, sitä enemmän pillien äänenkorkeus muuttuu, kun se ohittaa sijaintisi.

Sama vaikutus tapahtuu ilmakehässä, kun NEXRADin energiapulssi osuu kohteeseen ja heijastuu takaisin kohti tutkaa. Tutkan tietokoneet mittaavat heijastuneen energiapulssin vaiheen muutoksen, joka sitten muunnetaan kohteen nopeudeksi joko kohti tutkaa tai poispäin. Tietoja kohteiden liikkeestä joko kohti tutkaa tai poispäin tutkasta voidaan käyttää tuulen nopeuden arvioimiseen. Tämän kyvyn ”nähdä” tuuli ansiosta kansallinen sääpalvelu pystyy havaitsemaan tornadojen muodostumisen, mikä puolestaan mahdollistaa tornadovaroitusten antamisen hyvissä ajoin.

Yllä olevassa kuvassa harmaa viiva on lähetetty signaali. Voit nähdä, kuinka
palautettu energia muuttaa aallonpituusominaisuuksiaan, kun se osuu
kohteeseen, joka liikkuu poispäin tai kohti tutkaa (punainen ja vihreä viiva vastaavasti)

Tarkastellaan nyt tutkadataa

Tutkadataa on kahta pääasiallista tyyppiä, nopeus- ja heijastustiedot.

Heijastavuusdata kertoo meille sen energian voimakkuuden, joka palaa tutkaan sen jälkeen, kun se on kimpoillut sademääräisistä kohteista. Myös muut kuin sademääräiset kohteet palauttavat energiaa, mutta nyt käsittelemme vain sademäärää. Yleisesti ottaen mitä voimakkaampi palautuva energia on, sitä voimakkaampi on sade. Lue lisää heijastuvuudesta täältä.

Nopeustiedot saadaan palautuneen energian vaiheesta eli Doppler-siirtymästä. Tutkan tietokoneet laskevat siirtymän ja määrittävät, liikkuuko sade kohti tutkaa vai poispäin tutkasta ja kuinka nopeasti, ja käyttävät sitten kyseisiä suuntia ja nopeuksia vastaavaa väriä. Punainen väri on tyypillisesti kohde, joka liikkuu poispäin tutkasta, kun taas vihreä väri käytetään kohteisiin, jotka liikkuvat kohti tutkaa. Näiden värien voimakkuus määrittää sen arvioidun nopeuden. Lue lisää nopeudesta täältä.

Yllä olevassa kuvassa näkyy heijastuvuustiedoissa kuvattu voimakkaaseen myrskyyn liittyvä nopeustieto. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miltä tornado näyttää nopeusnäytössä. Klikkaa kuvaa saadaksesi paremmat yksityiskohdat. Tutka sijaitsee kaakossa eli tietokoneen näytön oikeassa alakulmassa. Huomaa kirkkaan punainen eli voimakas ulospäin suuntautuva nopeus kirkkaan vihreän eli sisäänpäin suuntautuvan nopeuden vieressä. Tämä viittaa voimakkaasti pyörivään ilmapatsaaseen. Kun siihen yhdistetään heijastuskuvio, jossa on koukkumaisia piirteitä, kuten tässä tapauksessa, kyseessä on usein tornado tai tornado, joka on pian syntymässä.

Joskus WSR-88D-doppleritutka näkee muita kuin sademääräisiä kohteita

Jos tuolla ulkona on ”kohde” ja se heijastaa tutkaenergiaa takaisin tutkaan, tutka näyttää sen ikään kuin se olisi sadetta. Tutkalla on sisäänrakennettu logiikka, joka auttaa sitä erottamaan sateiset ja ei-sateiset kohteet toisistaan. Joskus näemme kuitenkin outoja asioita tutkan näytöllä. Tässä muutamia:

Lintujen pesäpaikkarenkaat. Nämä ovat yleisimpiä syksyllä vesistöjen ympärillä, joiden lämpötila on tyypillisesti yöllä ympäröivää maata lämpimämpi. Se on myös aikaa, jolloin linnut kerääntyvät kausimuuttoa varten. Yöllä linnut lepäävät/pesivät järvissä ja niiden ympärillä. Juuri ennen auringonnousua linnut lähtevät usein koordinoidusti liikkeelle ja hajaantuvat ympäröiville pelloille ruokailemaan päivän aikana. Klikkaa vasemmalla olevaa kuvaa, niin näet nopean animaation lintujen kehistä.

Anomalinen leviäminen

maasto

AP & maasto

Anomaalinen leviäminen. Tutkasäteen ominaisuuksia koskevan ymmärryksemme perusteella odotamme, että tutkasäde lähtee tutkasta ja etenee ilmakehässä tavanomaisella tavalla. Joskus ilmakehä kuitenkin saa säteen taittumaan tai kanavoitumaan ilmakehän läpi. Tällöin säde taipuu joskus alaspäin, jolloin osa tutkaenergiasta osuu maahan ja palaa takaisin tutkaan, mikä aiheuttaa poikkeavaa etenemistä (AP). Yllä olevat kolme kuvaa osoittavat mielenkiintoisen tapauksen. Ensimmäisessä vasemmanpuoleisessa kuvassa ympyröity alue osoittaa eristettyä AP:tä. Keskimmäinen kuva on maastokartta Etelä-Wisconsinista. Oikeanpuoleisessa kuvassa AP on päällekkäin maastokartan kanssa. Huomatkaa, miten Baraboon kukkuloiden korkea maasto korostuu tutkassa. Tiedämme, että kyseessä on AP, koska satelliitin ja muiden havaintojen avulla varmistimme, että taivas oli kirkas.

Tuulipuiston häiriöt. Tuulipuistot voivat vaikuttaa Doppler-tutkiin kolmella tavalla, jos turbiinien lavat liikkuvat ja ne ovat tutkan näköpiirissä. Jos ne ovat riittävän lähellä (muutaman kilometrin etäisyydellä), ne voivat osittain peittää merkittävän osan säteestä ja heikentää tietoja tuulipuiston kantaman alapuolella. Ne voivat myös heijastaa energiaa takaisin tutkaan ja näkyä tutkakuvassa häiriönä (AP) ja saastuttaa perusheijastavuustietoja. Tutka-algoritmit käyttävät heijastuvuustietoja sademäärän arviointiin ja tiettyjen myrskyn ominaisuuksien havaitsemiseen. Lopuksi ne voivat vaikuttaa nopeustietoihin, joita tutkaoperaattorit ja erilaiset tutkan tietojenkäsittelyohjelmissa olevat algoritmit käyttävät myös tiettyjen myrskyn ominaisuuksien, kuten mesosyklonien, suhteellisen myrskyn liikkeen, turbulenssin jne. havaitsemiseen. Lue lisää täältä.

Auringon häiriöt. Kaksi kertaa päivässä, auringonnousun ja -laskun aikaan, tutka kokee häiriöitä auringon lähettämästä sähkömagneettisesta energiasta. Auringonnousun ja auringonlaskun aikaan on piste, jossa tutkalautanen osoittaa suoraan kohti aurinkoa ja saa osuman tästä energiasta. Tämä näkyy sitten näytöllämme palanneen energian piikkinä. Se on lyhytaikainen ja esiintyy yleensä vain yhden äänenvoimakkuusluotauksen aikana. Huomatkaa vasemmanpuoleisessa kuvassa, että auringonlasku on hieman lännestä etelään. Päivämäärä on 11. maaliskuuta 2009. Alle kahden viikon kuluttua on kevätpäiväntasaus. Aurinko laskee tutkasta länteen.

Savupilvet. Kuivina kausina, kun on meneillään valvottuja paloja tai hillitsemättömiä maastopaloja, tutkamme havaitsee paloihin liittyviä savupilviä. Monet suuret savupilvet ovat peräisin määrätyistä tai valvotuista paloista. Nämä ovat tulipaloja, jotka liittovaltion/valtion/paikallisten viranomaisten on tarkoituksellisesti sytytetty maankäyttöä varten. Muut palot voivat olla yksityismailla. Tämän esimerkin kaksi savupilveä (klikkaa kuvaa animaatiota varten) ovat Wisconsinin DNR:n määräämiä paloja.