Fondamenti del radar e lo spostamento doppler

NEXRAD (Next Generation Radar) ottiene informazioni meteorologiche (precipitazioni e vento) basate sull’energia restituita. Il radar emette una raffica di energia (verde nell’immagine animata). Se l’energia colpisce un oggetto (goccia di pioggia, fiocco di neve, grandine, insetto, uccello, ecc.), l’energia si disperde in tutte le direzioni (blu). Nota: è una piccola frazione dell’energia emessa che viene dispersa direttamente verso il radar.

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Questo segnale riflesso viene poi ricevuto dal radar durante il suo periodo di ascolto. I computer analizzano la forza dell’impulso restituito, il tempo che ha impiegato per raggiungere l’oggetto e tornare indietro, e la fase, o spostamento doppler dell’impulso. Questo processo di emettere un segnale, ascoltare qualsiasi segnale di ritorno, poi emettere il segnale successivo, avviene molto velocemente, fino a circa 1300 volte ogni secondo!

NEXRAD trascorre la grande quantità di tempo “ascoltando” i segnali di ritorno che ha inviato. Quando il tempo di tutti gli impulsi ogni ora sono totalizzati (il tempo che il radar sta effettivamente trasmettendo), il radar è “acceso” per circa 7 secondi ogni ora. I restanti 59 minuti e 53 secondi sono spesi ad ascoltare eventuali segnali di ritorno.

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La capacità di rilevare lo “spostamento di fase” dell’impulso di energia rende NEXRAD un radar Doppler. La fase del segnale di ritorno cambia tipicamente in base al movimento delle gocce di pioggia (o insetti, polvere, ecc.). Questo effetto Doppler prende il nome dal fisico austriaco Christian Doppler, che lo ha scoperto. Molto probabilmente hai sperimentato l'”effetto Doppler” intorno ai treni.

Quando un treno passa vicino a te, potresti aver notato il tono del fischio del treno che cambia da alto a basso. Mentre il treno si avvicina, le onde sonore che compongono il fischio vengono compresse rendendo il tono più alto rispetto a quando il treno è fermo. Allo stesso modo, quando il treno si allontana da te, le onde sonore si allungano, abbassando il tono del fischio. Più veloce si muove il treno, maggiore è il cambiamento nel tono del fischio mentre passa la tua posizione.

Lo stesso effetto avviene nell’atmosfera quando un impulso di energia da NEXRAD colpisce un oggetto e viene riflesso verso il radar. I computer del radar misurano il cambiamento di fase dell’impulso di energia riflesso che poi convertono questo cambiamento in una velocità dell’oggetto, verso o dal radar. Le informazioni sul movimento degli oggetti verso o lontano dal radar possono essere utilizzate per stimare la velocità del vento. Questa capacità di “vedere” il vento è ciò che permette al National Weather Service di rilevare la formazione di tornado che, a sua volta, ci permette di emettere avvisi di tornado con un preavviso maggiore.

Nell’immagine sopra, la linea grigia è il segnale trasmesso. Puoi vedere come
l’energia restituita cambia le sue caratteristiche di lunghezza d’onda quando colpisce
un bersaglio che si allontana o si avvicina al radar (linea rossa e verde, rispettivamente)

Ora, diamo un’occhiata ai dati radar

Ci sono due tipi principali di dati, Velocità e Riflettività.

I dati di riflettività ci mostrano la forza dell’energia che viene restituita al radar dopo che rimbalza sui bersagli di precipitazione. Altri obiettivi non di precipitazione restituiranno energia, ma per ora, ci occuperemo solo delle precipitazioni. In generale, più forte è l’energia restituita, più pesante è la precipitazione. Per saperne di più sulla riflettività clicca qui.

I dati sulla velocità sono derivati dalla fase, o spostamento doppler dell’energia restituita. I computer del radar calcolano lo spostamento e determinano se la precipitazione si sta muovendo verso o lontano dal radar, e quanto velocemente, quindi applicano un colore corrispondente a queste direzioni e velocità. Il rosso è tipicamente un bersaglio che si allontana dal radar, mentre il verde è applicato ai bersagli che si muovono verso il radar. L’intensità di questi colori determina la velocità stimata. Per saperne di più sulla Velocità qui.

Nell’immagine qui sopra, puoi vedere i dati di velocità che sono associati a una forte tempesta raffigurata nei dati di riflettività. Questo è un ottimo esempio di come appare un tornado nella visualizzazione della velocità. Clicca sull’immagine per maggiori dettagli. Il radar si trova a sud-est, o in basso a destra dello schermo del computer. Notate il rosso brillante, o le forti velocità in uscita proprio accanto al verde brillante, o le velocità in entrata. Questo indica una colonna d’aria in forte rotazione. Quando accoppiato con un modello di riflettività che mostra una firma ad uncino, come in questo caso, c’è spesso un tornado in corso o in procinto di verificarsi.

A volte il radar WSR-88D Doppler vede obiettivi non di precipitazione

Se c’è un “obiettivo” là fuori e riflette l’energia radar verso il radar, il radar lo visualizzerà come se fosse una precipitazione. Il radar ha una certa logica incorporata per aiutarlo a discriminare tra i bersagli di precipitazione e quelli non di precipitazione. Ma, a volte vediamo cose curiose sul nostro display radar. Eccone alcune:

Anelli di posatoi per uccelli. Questi sono più comuni in autunno intorno ai corpi d’acqua che tipicamente hanno temperature più calde della terra circostante durante la notte. È anche il momento in cui gli uccelli si riuniscono per la migrazione stagionale. Di notte, gli uccelli riposano/nidificano dentro e intorno ai laghi. Poco prima dell’alba, c’è spesso un sollevamento coordinato e la dispersione degli uccelli nei campi circostanti per l’alimentazione durante il giorno. Clicca sull’immagine a sinistra per una rapida animazione degli anelli degli uccelli.

Propagazione anomala

Terrain

AP & Terrain

Propagazione anomala. In base alla nostra comprensione delle caratteristiche del raggio radar, ci aspettiamo che il raggio radar lasci il radar e si propaghi attraverso l’atmosfera in modo standard. A volte, però, l’atmosfera farà sì che il fascio sia superfratturato o canalizzato attraverso l’atmosfera. Quando questo accade, il fascio a volte si piegherà verso il basso causando una parte dell’energia radar per colpire il terreno e restituire energia al radar, generando una Propagazione Anomala (AP). Le tre immagini qui sopra mostrano un caso interessante. Nella prima immagine a sinistra, l’area cerchiata mostra un AP isolato. L’immagine centrale è una mappa del terreno del Wisconsin meridionale. L’immagine a destra mostra l’AP sovrapposta alla mappa del terreno. Notate come l’alto terreno delle colline di Baraboo è evidenziato dal radar. Sappiamo che si tratta di AP poiché abbiamo confermato attraverso il satellite e altre osservazioni che il cielo era sereno.

Interferenza del parco eolico. I parchi eolici possono avere un impatto sui radar Doppler in tre modi, se le pale delle turbine sono in movimento e sono all’interno della linea di vista del radar. Se abbastanza vicini (entro pochi chilometri) possono bloccare parzialmente una percentuale significativa del fascio e attenuare i dati a valle del parco eolico. Possono anche riflettere l’energia verso il radar e apparire come clutter (AP) sull’immagine radar e contaminare i dati di riflettività di base. I dati di riflettività sono utilizzati dagli algoritmi radar per stimare le precipitazioni e per rilevare alcune caratteristiche delle tempeste. Infine, possono avere un impatto sui dati di velocità, che sono anche utilizzati dagli operatori radar e da una varietà di algoritmi nei processori di dati del radar per rilevare alcune caratteristiche della tempesta, come mesocicloni, movimento relativo della tempesta, turbolenza, ecc. Per saperne di più clicca qui.

Interferenza solare. Due volte al giorno, all’alba e al tramonto, il radar sperimenta l’interferenza dell’energia elettromagnetica emessa dal sole. C’è un punto all’alba e al tramonto in cui l’antenna radar punta direttamente al sole e viene colpita da questa energia. Questo viene poi visualizzato come un picco di energia restituita sul nostro display. È breve, in genere si verifica solo durante una scansione del volume. Notate nell’immagine a sinistra che il tramonto è leggermente a sud della direzione ovest. La data è l’11 marzo 2009. In meno di 2 settimane, saremo all’equinozio di primavera. Il sole tramonterà a ovest del radar.

Plumi di fumo. Durante i periodi di siccità, quando ci sono incendi controllati o incendi selvaggi incontrollati in corso, il nostro radar rileverà pennacchi di fumo associati agli incendi. Molti dei grandi pennacchi di fumo provengono da incendi prescritti o controllati. Questi sono incendi appiccati intenzionalmente da funzionari federali/statali/locali per scopi di gestione del territorio. Altri incendi possono essere su terreni privati. I due pennacchi in questo esempio (clicca sull’immagine per un’animazione) sono bruciature prescritte dal Wisconsin DNR.