Podstawy radaru i przesunięcie dopplerowskie

NEXRAD (Next Generation Radar) uzyskuje informacje o pogodzie (opady i wiatr) na podstawie zwróconej energii. Radar emituje impuls energii (zielony kolor na animowanym obrazku). Jeśli energia ta uderzy w obiekt (kropla deszczu, płatek śniegu, grad, robak, ptak, itp.), zostaje ona rozproszona we wszystkich kierunkach (kolor niebieski). Uwaga: niewielka część emitowanej energii jest rozpraszana bezpośrednio z powrotem w kierunku radaru.

Dowiedz się więcej o wiązce radarowej tutaj

Ten odbity sygnał jest następnie odbierany przez radar podczas okresu nasłuchu. Komputery analizują siłę zwróconego impulsu, czas, jaki zajęła podróż do obiektu i z powrotem, oraz fazę, czyli przesunięcie dopplerowskie impulsu. Ten proces emitowania sygnału, nasłuchiwania zwróconego sygnału, następnie emitowania następnego sygnału, odbywa się bardzo szybko, do około 1300 razy w każdej sekundzie!

NEXRAD spędza ogromną ilość czasu „nasłuchując” zwróconych sygnałów, które wysłał. Po zsumowaniu czasu wszystkich impulsów w każdej godzinie (czas, w którym radar faktycznie nadaje), radar jest „włączony” przez około 7 sekund w każdej godzinie. Pozostałe 59 minut i 53 sekundy są spędzone na nasłuchiwaniu jakichkolwiek zwróconych sygnałów.

Naucz się o różnych trybach skanowania radaru tutaj

Zdolność do wykrywania „przesunięcia w fazie” impulsu energii sprawia, że NEXRAD jest radarem dopplerowskim. Faza powracającego sygnału zazwyczaj zmienia się w oparciu o ruch kropel deszczu (lub robaków, kurzu, itp.). Ten efekt Dopplera został nazwany na cześć austriackiego fizyka, Christiana Dopplera, który go odkrył. Najprawdopodobniej doświadczyłeś „efektu Dopplera” wokół pociągów.

Jak pociąg mija twoją lokalizację, być może zauważyłeś, że wysokość dźwięku w gwizdku pociągu zmienia się z wysokiej na niską. W miarę zbliżania się pociągu, fale dźwiękowe tworzące gwizdek są ściskane, co powoduje, że wysokość dźwięku jest wyższa niż gdyby pociąg stał w miejscu. Analogicznie, gdy pociąg oddala się od Ciebie, fale dźwiękowe są rozciągane, obniżając wysokość dźwięku gwizdka. Im szybciej porusza się pociąg, tym większa jest zmiana wysokości dźwięku gwizdka, gdy mija on Twoją lokalizację.

Ten sam efekt ma miejsce w atmosferze, gdy impuls energii z NEXRAD uderza w obiekt i jest odbijany z powrotem w kierunku radaru. Komputery radaru mierzą zmianę fazy odbitego impulsu energii, a następnie przeliczają tę zmianę na prędkość obiektu, w kierunku lub od radaru. Informacja o ruchu obiektów w kierunku lub od radaru może być użyta do oszacowania prędkości wiatru. Ta zdolność do „widzenia” wiatru jest tym, co umożliwia Narodowemu Serwisowi Meteorologicznemu wykrywanie formowania się tornad, co z kolei pozwala nam wydawać ostrzeżenia przed tornadami z większym wyprzedzeniem.

Na powyższym obrazie szara linia to transmitowany sygnał. Można zobaczyć, jak
zwrócona energia zmienia charakterystykę długości fali, gdy trafia
na cel oddalający się lub zbliżający do radaru (odpowiednio czerwona i zielona linia)

A teraz spójrzmy na dane radaru

Są dwa główne typy danych, prędkość i odbicie.

Dane o odbiciowości pokazują nam siłę energii, która jest zwracana do radaru po odbiciu się od celów opadowych. Inne cele bez opadów też zwrócą energię, ale na razie zajmiemy się tylko opadami. Ogólnie rzecz biorąc, im silniejsza jest zwracana energia, tym cięższe są opady. Dowiedz się więcej o odbiciowości tutaj.

Dane o prędkości pochodzą z fazy, lub przesunięcia dopplerowskiego zwróconej energii. Komputery radaru obliczają to przesunięcie i określają, czy opad porusza się w kierunku radaru, czy z dala od niego, a także jak szybko, a następnie stosują odpowiedni kolor do tych kierunków i prędkości. Kolor czerwony jest typowy dla celów poruszających się z dala od radaru, podczas gdy kolor zielony jest stosowany do celów poruszających się w kierunku radaru. Intensywność tych kolorów określa jego szacunkową prędkość. Dowiedz się więcej o Velocity tutaj.

Na powyższym obrazku można zobaczyć dane prędkości, które są związane z silną burzą przedstawioną w danych odbiciowości. Jest to świetny przykład tego, jak wygląda tornado na wykresie prędkości. Kliknij na obraz aby zobaczyć więcej szczegółów. Radar znajduje się na południowym wschodzie, czyli w prawym dolnym rogu ekranu komputera. Zwróć uwagę na jasnoczerwony kolor, czyli silną prędkość wychodzącą, tuż obok jasno zielonego koloru, czyli prędkości wchodzącej. Wskazuje to na silnie rotującą kolumnę powietrza. W połączeniu z wzorem odbicia, który wykazuje sygnaturę haka, tak jak w tym przypadku, często mamy do czynienia z tornadem lub jego bliskim wystąpieniem.

Czasami radar dopplerowski WSR-88D widzi cele nie będące opadami

Jeśli istnieje tam „cel” i odbija on energię radaru z powrotem do radaru, radar wyświetli go tak, jakby był to opad. Radar ma wbudowaną pewną logikę, która pomaga mu rozróżniać cele opadowe i nieopadowe. Ale czasami widzimy ciekawe rzeczy na wyświetlaczu radaru. Oto kilka z nich:

Bird Roost Rings. Są one najbardziej powszechne jesienią wokół zbiorników wodnych, które zazwyczaj mają temperatury cieplejsze niż otaczający je ląd w nocy. Jest to również czas, kiedy ptaki zbierają się do sezonowej migracji. W nocy ptaki odpoczywają/ gnieżdżą się w jeziorach i wokół nich. Tuż przed wschodem słońca, jest często skoordynowane podniesienie i rozproszenie ptaków na okoliczne pola do karmienia w ciągu dnia. Kliknij na obrazek po lewej stronie, aby zobaczyć szybką animację ptasich obrączek.

Rozprzestrzenianie anomalne

Teren

AP &Teren

Propagacja anomalna. Na podstawie naszej wiedzy o charakterystyce wiązki radarowej oczekujemy, że wiązka radarowa opuści radar i rozejdzie się w atmosferze w standardowy sposób. Czasami jednak atmosfera powoduje, że wiązka ulega superrefrakcji lub kanalikuje się przez atmosferę. Kiedy tak się dzieje, wiązka czasami wygina się w dół powodując, że część energii radaru uderza w ziemię i zwraca energię z powrotem do radaru, generując Anomalną Propagację (AP). Trzy powyższe zdjęcia pokazują ciekawy przypadek. Na pierwszym obrazie po lewej stronie, zakreślony obszar pokazuje izolowaną AP. Środkowe zdjęcie to mapa terenu południowego Wisconsin. Zdjęcie po prawej pokazuje AP nałożone na mapę terenu. Zwróć uwagę na to, jak radar zaznacza wysoki teren wzgórz Baraboo. Wiemy, że to jest AP, ponieważ potwierdziliśmy przez satelitę i inne obserwacje, że niebo było czyste.

Zakłócenia farm wiatrowych. Farmy wiatrowe mogą wpływać na radary dopplerowskie na trzy sposoby, jeśli łopaty turbin są w ruchu i znajdują się w linii widzenia radaru. Jeśli znajdują się wystarczająco blisko (w promieniu kilku kilometrów), mogą częściowo blokować znaczny procent wiązki i tłumić dane w dół zasięgu farmy wiatrowej. Mogą one również odbijać energię z powrotem do radaru i pojawiać się na obrazie radarowym jako clutter (AP) oraz zanieczyszczać bazowe dane o odbiciu. Dane o odbiciu są wykorzystywane przez algorytmy radarowe do szacowania opadów i wykrywania pewnych cech burzy. Wreszcie, mogą one wpływać na dane prędkości, które są również wykorzystywane przez operatorów radaru oraz przez różne algorytmy w procesorach danych radaru w celu wykrycia pewnych cech burzy, takich jak mezocyklony, względny ruch burzowy, turbulencja, itp. Learn more here.

Sun Interference. Dwa razy dziennie, o wschodzie i zachodzie słońca, radar doświadcza zakłóceń od energii elektromagnetycznej emitowanej przez słońce. Istnieje punkt na wschód i zachód słońca, gdzie anteny radaru wskazuje bezpośrednio na słońce i jest uderzony z tej energii. Jest to następnie wyświetlane jako pik energii zwrotnej na naszym wyświetlaczu. Jest to krótkotrwałe, zazwyczaj występuje tylko podczas jednego skanowania objętości. Zauważ na obrazku po lewej stronie, że zachód słońca jest nieco na południe od zachodu. Data to 11 marca 2009 roku. W mniej niż 2 tygodnie, my być przy the Wiosna Równonoc. The słońce ustawiać należny zachód the radar.

Smugi dymu. W suchych okresach, kiedy trwa kontrolowane wypalanie lub niekontrolowane pożary, nasz radar wykryje smugi dymu związane z pożarami. Wiele z dużych smug dymu pochodzi z nakazanych lub kontrolowanych pożarów. Są to pożary celowo wzniecane przez urzędników federalnych/państwowych/lokalnych w celu zarządzania gruntami. Inne pożary mogą znajdować się na terenach prywatnych. Dwa pióropusze w tym przykładzie (kliknij na obrazek, aby zobaczyć animację) pochodzą z pożarów nakazanych przez Wisconsin DNR.