Radarns grunder och dopplerförskjutningen

NEXRAD (Next Generation Radar) erhåller väderinformation (nederbörd och vind) baserat på returnerad energi. Radarn sänder ut en energistöt (grönt i den animerade bilden). Om energin träffar ett objekt (regndroppe, snöflinga, hagel, insekt, fågel osv.) sprids energin i alla riktningar (blått). Observera: det är en liten del av den utsända energin som sprids direkt tillbaka mot radarn.

Lär dig mer om radarstrålen här

Denna reflekterade signal tas sedan emot av radarn under dess lyssningsperiod. Datorer analyserar styrkan i den returnerade pulsen, tiden som den tog för att färdas till objektet och tillbaka samt fas, eller dopplerförskjutning av pulsen. Denna process med att sända ut en signal, lyssna på en eventuell returnerad signal och sedan sända ut nästa signal sker mycket snabbt, upp till cirka 1300 gånger per sekund!

NEXRAD tillbringar den stora tiden med att ”lyssna” på returnerade signaler som den skickat. När tiden för alla pulser varje timme summeras (den tid som radarn faktiskt sänder) är radarn ”på” i ungefär 7 sekunder varje timme. De återstående 59 minuterna och 53 sekunderna går åt till att lyssna efter eventuella returnerade signaler.

Lär dig mer om radarns olika skanningslägen här

Förmågan att detektera ”fasförskjutningen” av energipulsen gör NEXRAD till en dopplerradar. Fasen hos den återkommande signalen förändras vanligtvis baserat på regndropparnas (eller insekternas, dammets etc.) rörelse. Dopplereffekten har fått sitt namn efter den österrikiske fysikern Christian Doppler som upptäckte den. Du har troligen upplevt ”Dopplereffekten” i närheten av tåg.

När ett tåg passerar din plats har du kanske lagt märke till att tonhöjden i tågets visselpipa ändras från hög till låg. När tåget närmar sig komprimeras ljudvågorna som utgör visselpipan vilket gör att tonhöjden blir högre än om tåget stod stilla. På samma sätt sträcks ljudvågorna ut när tåget rör sig bort från dig, vilket sänker visselpipans tonhöjd. Ju snabbare tåget rör sig, desto större är förändringen i visselpipans tonhöjd när det passerar din position.

Samma effekt sker i atmosfären när en energipuls från NEXRAD träffar ett objekt och reflekteras tillbaka mot radarn. Radarns datorer mäter fasförändringen av den reflekterade energipulsen som sedan omvandlar denna förändring till en hastighet för objektet, antingen mot eller från radarn. Information om objektens rörelse antingen mot eller från radarn kan användas för att uppskatta vindhastigheten. Denna förmåga att ”se” vinden är det som gör det möjligt för National Weather Service att upptäcka bildandet av tornados, vilket i sin tur gör det möjligt för oss att utfärda tornadovarningar med mer tidig förvarning.

I bilden ovan är den grå linjen den överförda signalen. Du kan se hur
den returnerade energin ändrar sina våglängdsegenskaper när den träffar
ett mål som rör sig bort från eller mot radarn (röd respektive grön linje)

Nu ska vi titta på radardata

Det finns två huvudtyper av data, hastighet och reflektivitet.

Reflektivitetsdata visar oss styrkan hos den energi som återkommer till radarn efter att den studsat mot nederbördsmål. Andra mål som inte är nederbördsmål kommer att returnera energi, men för tillfället kommer vi bara att behandla nederbörden. I allmänhet gäller att ju starkare energi som returneras, desto kraftigare är nederbörden. Läs mer om reflektivitet här.

Velocity data härleds från fasen, eller dopplerförskjutningen av den returnerade energin. Radarns datorer beräknar skiftet och bestämmer om nederbörden rör sig mot eller bort från radarn, och hur snabbt, och tillämpar sedan en motsvarande färg för dessa riktningar och hastigheter. Rött är vanligtvis ett mål som rör sig bort från radarn, medan grönt tillämpas på mål som rör sig mot radarn. Intensiteten av dessa färger bestämmer dess uppskattade hastighet. Lär dig mer om Velocity här.

I bilden ovan kan du se de hastighetsdata som är förknippade med en stark storm som avbildas i reflektivitetsdata. Detta är ett bra exempel på hur en tornado ser ut i hastighetsvisningen. Klicka på bilden för bättre detaljer. Radarn är belägen i sydost, eller längst ner till höger på datorskärmen. Lägg märke till den ljusröda hastigheten, dvs. den kraftiga utåtriktade hastigheten, precis bredvid den ljusgröna hastigheten, dvs. den inåtriktade hastigheten. Detta tyder på en starkt roterande luftpelare. När detta kombineras med ett reflektionsmönster som uppvisar en kroksignatur, som i det här fallet, är det ofta en tornado som pågår eller är på väg att inträffa.

Undertiden ser WSR-88D Dopplerradaren icke-utfällningsmål

Om det finns ett ”mål” där ute och det reflekterar radarenergi tillbaka till radarn, kommer radarn att visa det som om det vore nederbörd. Radarn har en viss logik inbyggd för att hjälpa den att skilja mellan nederbördsmål och icke-nederbördsmål. Men ibland ser vi märkliga saker på radardisplayen. Här är några:

Bird Roost Rings. Dessa är vanligast på hösten runt vattenförekomster som vanligtvis har en varmare temperatur än det omgivande landområdet på natten. Det är också den tid då fåglarna samlas inför säsongsflyttningen. På natten vilar/nästar fåglarna i och runt sjöarna. Strax före soluppgången sker ofta en samordnad uppstigning och spridning av fåglarna ut på de omgivande fälten för matning under dagen. Klicka på bilden till vänster för en snabb animation av fågelringarna.

Anomal utbredning

Terrängen

AP & Terrängen

Anomal utbredning. Baserat på vår förståelse av radarstrålens egenskaper förväntar vi oss att radarstrålen lämnar radarn och sprider sig genom atmosfären på ett standardiserat sätt. Ibland kommer dock atmosfären att leda till att strålen superrefrakteras eller kanaliseras genom atmosfären. När detta sker kommer strålen ibland att böjas nedåt, vilket gör att en del av radarns energi träffar marken och återvänder energi tillbaka till radarn, vilket ger upphov till avvikande spridning (AP). De tre bilderna ovan visar ett intressant fall. I den första bilden till vänster visar det inringade området isolerad AP. Den mellersta bilden är en terrängkarta över södra Wisconsin. Bilden till höger visar AP överlagrat på terrängkartan. Observera hur den höga terrängen i Baraboo-bergen framhävs av radarn. Vi vet att detta är AP eftersom vi med hjälp av satellit och andra observationer har bekräftat att himlen var klar.

Störningar från vindkraftverk. Vindkraftverk kan påverka dopplerradarn på tre sätt om turbinbladen rör sig och de befinner sig inom radarns siktlinje. Om de är tillräckligt nära (inom några kilometer) kan de delvis blockera en betydande del av strålen och dämpa data inom vindparkens räckvidd. De kan också reflektera energi tillbaka till radarn och visas som skräp (AP) på radarbilden och förvanska basreflektivitetsdata. Reflektivitetsdata används av radaralgoritmer för att uppskatta nederbörd och för att upptäcka vissa stormegenskaper. Slutligen kan de påverka hastighetsdata, som också används av radaroperatörer och av en rad olika algoritmer i radarns dataprocessorer för att upptäcka vissa stormegenskaper, t.ex. mesocykloner, relativ stormrörelse, turbulens osv. Läs mer här.

Solinterferens. Två gånger om dagen, vid soluppgång och solnedgång, upplever radarn störningar från den elektromagnetiska energi som solen avger. Det finns en punkt vid soluppgång och solnedgång där radarantennen pekar direkt mot solen och träffas av denna energi. Detta visas sedan som en spik av returnerad energi på vår bildskärm. Den är kortvarig och uppträder vanligtvis bara under en volymskanning. Observera på bilden till vänster att solnedgången är något söder om rakt västerut. Datumet är den 11 mars 2009. Om mindre än två veckor kommer vi att vara vid vårdagjämningen. Solen kommer att gå ner rakt väster om radarn.

Rökplymer. Under torra perioder, när det pågår kontrollerad bränning eller okontrollerade skogsbränder, kommer vår radar att upptäcka rökplymer i samband med bränderna. Många av de stora rökplymerna kommer från föreskrivna eller kontrollerade bränningar. Det är bränder som avsiktligt sätts igång av federala/statliga/lokala myndigheter för att förvalta marken. Andra bränder kan vara på privat mark. De två rökplymerna i det här exemplet (klicka på bilden för att se en animation) var föreskrivna bränningar som utfördes av Wisconsins DNR.