Radarbeginselen en de dopplerverschuiving

NEXRAD (Next Generation Radar) verkrijgt weerinformatie (neerslag en wind) op basis van teruggezonden energie. De radar zendt een energiestoot uit (groen in het geanimeerde beeld). Als de energie een voorwerp raakt (regendruppel, sneeuwvlok, hagel, insect, vogel, enz.), wordt de energie in alle richtingen verstrooid (blauw). Opmerking: een klein deel van de uitgezonden energie wordt direct terug naar de radar verstrooid.

Lees hier meer over de radarbundel

Dit teruggekaatste signaal wordt vervolgens door de radar ontvangen tijdens zijn luisterperiode. Computers analyseren de sterkte van de teruggekaatste puls, de tijd die nodig was om naar het object en terug te reizen, en de fase, of dopplerverschuiving van de puls. Dit proces van het uitzenden van een signaal, het luisteren naar een teruggezonden signaal, en dan het uitzenden van het volgende signaal, vindt zeer snel plaats, tot ongeveer 1300 keer per seconde!

NEXRAD besteedt de grootste hoeveelheid tijd aan het “luisteren” naar teruggezonden signalen. Wanneer de tijd van alle pulsen per uur wordt opgeteld (de tijd dat de radar daadwerkelijk zendt), staat de radar elk uur ongeveer 7 seconden “aan”. De resterende 59 minuten en 53 seconden worden besteed aan het luisteren naar eventuele teruggezonden signalen.

Lees hier over de verschillende scanmodi van de radar

Het vermogen om de “verschuiving in de fase” van de energiepuls te detecteren maakt NEXRAD tot een dopplerradar. De fase van het terugkerende signaal verandert gewoonlijk op basis van de beweging van de regendruppels (of insecten, stof, enz.). Dit Doppler effect is genoemd naar de Oostenrijkse natuurkundige Christian Doppler, die het ontdekte. U hebt het “Doppler effect” rond treinen waarschijnlijk wel eens ervaren.

Als een trein uw locatie passeert, hebt u misschien gemerkt dat de toonhoogte van de fluit van de trein verandert van hoog naar laag. Als de trein nadert, worden de geluidsgolven waaruit de fluit bestaat samengedrukt, waardoor de toonhoogte hoger wordt dan wanneer de trein stilstaat. Als de trein zich van je verwijdert, worden de geluidsgolven uitgerekt, waardoor de toonhoogte van het fluitje daalt. Hoe sneller de trein rijdt, hoe groter de verandering in de toonhoogte van de fluit als hij uw locatie passeert.

Hetzelfde effect vindt plaats in de atmosfeer als een puls energie van NEXRAD een object raakt en wordt teruggekaatst naar de radar. De computers van de radar meten de faseverandering van de teruggekaatste energiepuls en zetten die verandering vervolgens om in een snelheid van het voorwerp, hetzij in de richting van de radar, hetzij in de richting ervan. Informatie over de beweging van objecten naar of van de radar toe kan worden gebruikt om de snelheid van de wind te schatten. Dit vermogen om de wind te “zien” stelt de nationale weerdienst in staat de vorming van tornado’s te detecteren, waardoor we tornadowaarschuwingen vroeger kunnen uitgeven.

In de bovenstaande afbeelding is de grijze lijn het uitgezonden signaal. U kunt zien hoe
de teruggestuurde energie van golflengte verandert wanneer het een
doelwit raakt dat van de radar weg of naar de radar toe beweegt (respectievelijk rode en groene lijn)

Laten we nu eens kijken naar de radargegevens

Er zijn twee hoofdtypen gegevens: snelheid en reflectievermogen.

Reflectiviteitsgegevens tonen ons de sterkte van de energie die naar de radar wordt teruggezonden nadat deze is afgeketst op neerslagdoelen. Andere doelen dan neerslag zullen ook energie terugzenden, maar voor nu zullen we ons alleen met de neerslag bezighouden. In het algemeen geldt: hoe sterker de teruggekaatste energie, hoe zwaarder de neerslag. Meer informatie over reflectiviteit vindt u hier.

Snelheidsgegevens worden afgeleid uit de fase, of dopplerverschuiving van de teruggestuurde energie. De computers van de radar berekenen de verschuiving en bepalen of de neerslag zich naar de radar toe of van de radar af beweegt, en hoe snel, en passen dan een overeenkomstige kleur toe op die richtingen en snelheden. Rood is typisch een doel dat van de radar weg beweegt, terwijl groen wordt toegepast op doelen die naar de radar toe bewegen. De intensiteit van deze kleuren bepaalt de geschatte snelheid. Leer hier meer over Velocity.

In de afbeelding hierboven ziet u de snelheidsgegevens die horen bij een sterke storm afgebeeld in de reflectiviteitsgegevens. Dit is een goed voorbeeld van hoe een tornado er in de snelheidsweergave uitziet. Klik op de afbeelding voor betere details. De radar bevindt zich in het zuidoosten, of rechtsonder op het computerscherm. Let op de helderrode, of sterke uitgaande snelheden vlak naast de heldergroene, of inkomende snelheden. Dit wijst op een sterk roterende luchtkolom. Wanneer dit gepaard gaat met een reflectie patroon dat een haak signatuur vertoont, zoals in dit geval, is er vaak een tornado aan de gang of op het punt van gebeuren.

Soms ziet de WSR-88D Doppler Radar niet-precipitatie doelen

Als er een “doel” is en het reflecteert radarenergie terug naar de radar, dan zal de radar het weergeven alsof het neerslag is. De radar heeft enige logica ingebouwd om te helpen onderscheid te maken tussen neerslag en niet-neerslag doelen. Maar, soms zien we merkwaardige dingen op ons radarscherm. Hier zijn er een paar:

Vogelnestringen. Deze komen het meest voor in de herfst rond watermassa’s waar het ’s nachts warmer is dan op het omringende land. Het is ook de tijd dat vogels zich verzamelen voor de seizoenstrek. s Nachts rusten/nesten de vogels in en rond de meren. Vlak voor zonsopgang is er vaak een gecoördineerd opstijgen en verspreiden van de vogels zich in de omliggende velden om overdag te foerageren. Klik op het plaatje links voor een snelle animatie van de vogelringen.

Anomalous Propagation

Terrein

AP & Terrein

Anomalous Propagation. Gebaseerd op ons begrip van de eigenschappen van radarstralen, verwachten we dat de radarbundel de radar verlaat en zich op een standaard manier door de atmosfeer voortplant. Soms zal de atmosfeer er echter voor zorgen dat de straal superrefracteert of door de atmosfeer wordt geleid. Wanneer dit gebeurt, zal de straal soms naar beneden buigen waardoor een deel van de radarenergie de grond raakt en energie terugstuurt naar de radar, waardoor Anomalous Propagation (AP) ontstaat. De drie beelden hierboven tonen een interessant geval. In het eerste beeld links toont het omcirkelde gebied geïsoleerde AP. Het middelste beeld is een terrein kaart van zuid Wisconsin. De afbeelding rechts toont het AP over de terrein-kaart. Merk op hoe het hoge terrein van de Baraboo heuvels wordt gemarkeerd door de radar. We weten dat dit AP is omdat we via satelliet- en andere waarnemingen hebben bevestigd dat de lucht helder was.

Storing door windmolenpark. Windmolenparken kunnen Doppler-radars op drie manieren beïnvloeden als de turbinebladen bewegen en ze zich binnen de gezichtslijn van de radar bevinden. Als ze dichtbij genoeg zijn (binnen enkele kilometers) kunnen ze een aanzienlijk percentage van de straal gedeeltelijk blokkeren en de gegevens beneden het bereik van het windmolenpark verzwakken. Ze kunnen ook energie terugkaatsen naar de radar en als clutter (AP) op het radarbeeld verschijnen en de basisgegevens van het reflectievermogen vervuilen. De reflectiviteitsgegevens worden door de radaralgoritmen gebruikt om de neerslag te schatten en bepaalde stormkenmerken te detecteren. Tenslotte kunnen ze invloed hebben op de snelheidsgegevens, die ook worden gebruikt door radaroperatoren en door een verscheidenheid aan algoritmen in de dataprocessoren van de radar om bepaalde stormkenmerken te detecteren, zoals mesocyclonen, relatieve stormbeweging, turbulentie, enz. Meer informatie vindt u hier.

Zon-interferentie. Twee keer per dag, bij zonsopgang en zonsondergang, ondervindt de radar interferentie van de elektromagnetische energie die door de zon wordt uitgezonden. Bij zonsopgang en zonsondergang is er een punt waarop de radarschotel recht op de zon is gericht en door deze energie wordt getroffen. Dit wordt dan op ons scherm weergegeven als een piek van teruggekaatste energie. Het is kortstondig, meestal slechts gedurende één volume-scan. Op het plaatje links is te zien dat de zonsondergang iets ten zuiden van het westen is. De datum is 11 maart 2009. Over minder dan twee weken is het de lente-equinox. De zon gaat dan onder precies ten westen van de radar.

Rookpluimen. Tijdens droge periodes, wanneer er gecontroleerde branden of ongecontroleerde bosbranden aan de gang zijn, zal onze radar rookpluimen waarnemen die met de branden gepaard gaan. Veel van de grote rookpluimen zijn afkomstig van voorgeschreven of gecontroleerde branden. Dit zijn branden die opzettelijk worden aangestoken door federale/staats/lokale ambtenaren voor landbeheer. Andere branden kunnen op privé-terreinen zijn. De twee rookpluimen in dit voorbeeld (klik op de afbeelding voor een animatie) waren voorgeschreven branden door de Wisconsin DNR.