Meteorološki radari

U meteorolgiji se radar ( akronim od RAdio Detecting And Ranging ) primjenjuje od 40 godina 20 stoljeća. Osnova rada radara je refleksija elektromagnetskog zračenja na predmetima, Nikola Tesla je početkom 20 stoljeća proučavajući radio valove uočio fizikalne mogućnosti rada radara. Elektromagnetsko zračenje se u kratkim impulsima emitira u prostor i osluškuje se povrat reflektiranog vala od cilja (u meteorologiji kapljice ili kristali leda). Da bi se odredio smjer i udaljenost predmeta od radara elektromagnetsko zračenje emitira se u obliku kratkog impulsa u uskom radarskom snopu, dolaskom do meteorološkog cilja dolazi do refleksije elektromagnetskog zračenja te se radarskim prijemnikom mjeri povratno zračenje - reflektirani signal. Određuje se smjer i vrijeme dolaska signala (maksimum snage). Kako se elektromagnetsko zračenje u atmosferi širi brzinom svjetlosti (konstanta 299792458 m/s), udaljenost od cilja određuje se na temelju vremena potrebnog elektromagnetskom impulsu od njegove emisije do povratka u prijemnik, udaljenost je proporcionalna polovini vremenskog intervala pomnožena s konstantnom brzinom svjetlosti.
U meteorološkoj primjeni za određivanje položaja meteoroloških ciljeva upotrebljavaju se radari valnog područja od 10 do 3 cm, širine snopa antene od 1 do 3 stupnja. Pod radarskim meteorološkim ciljem podrazumijeva se svaka nakupina kapljica, pahuljica ili ledenih kristala i zrna koja je dovoljno velika da reflektira radarsko zračenje iznad praga osjetljivosti radarskog prijemnika.

Meteorološki radari mjere ili se iz njihovih podataka računaju meteorološki parametri koji opisuju oborine:

• Vrsta
• Intenzitet
• Položaj i rasprostranjenost
• Brzina premještanja
• Visina oborinskih zona
• Doppler vjetar - brzina i smjer
• Izolirane oluje, linije nestabiliteta, fronte, tornada.
  
  

Radarska antena se okreće oko vertikalne osi (mijenja azimut) i horizontalne osi (mijenja elevaciju) te emitira zračenje u obliku radarskih zraka, ujedno i prima povratno reflektirano zračenje od meteoroloških ciljeva. Prikaz mjerenja radara je najčešće u polarnom koordinatnom sustavu s radarom u sredini, orijentacije gornji rub slike prema sjeveru (kao kompas). U meteorološkim službama koriste se i vertikalni presjeci pri kojim antena stoji na određenom azimutu i skenira po elevaciji. Radarski podaci prikupljeni u prostoru oko radara predstavljaju valjak polumjera jednakog radnom dometu radara (najčešće 230 km) a visine do 20 km. Programskim alatima moguće je iz prostora osmatranja radara dobiti sliku bilo kojeg vertikalnog ili horizontalnog presjeka oborinske zone, kao i prikaz 3D izgleda oborinske zone u prostoru

Princip rada

Radar je aktivni uređaj za daljinska mjerenja (emitira i prima zračenje). Sastoji se od odašiljača , antene, prijemnika i uređaja za prikaz mjerenja - ekrana. Određivanje udaljenosti radarom temelji se na mjerenju vremena koje je potrebno da se emitirani signal odbije od cilja i vrati do radara. Brzina širenja elektromagnetskih valova približno je jednaka brzini svjetlosti. Radari koriste elektromagnetske valove u području frekvencije radio uređaja, koje emitira u obliku paketa pulseva koji se odbijaju od cilja. Iz poznatog vremena odašiljanja pulsa i vremena njegova povratka izračunava se udaljenost cilja. Koristi se spektralno područje od 109 do 1010 Hz (od 1 do 10 GHz).
Mjeri se jačina reflektiranog signala od radarskog cilja. Jačina reflektiranog signala daje podatak o osobinama cilja od kojeg se zračenje reflektiralo. Smjer položaja cilja određuje se na temelju smjera iz kojeg je primljen reflektirani signal. Radar radi u polarnom sustavu i za prebacivanje u geografske koordinate potrebno je poznavanje točnog položaja radara i njegove orijentacije u prostoru. Brzina širenja radarskih valova jednaka je brzini širenja svjetlosti. Atmosfera djeluje na brzinu širenja svjetlosti i usporava ju u odnosu na brzinu svjetlosti u vakuumu. Brzina ovisi o tlaku, temperaturi i vlazi zraka. Smanjuje se porastom visine. Kada Zemlja ne bi imala atmosferu ili kad bi atmosfera bila homogena radarske zrake bile bi ravne linije koje se šire od antene predajnika radara. Zbog promjene indeksa loma radarske zrake nisu ravne linije nego su zakrivljene. Zbog zakrivljenosti Zemlje radarske zrake (da nema atmosfere) širile bi se tangencijalno na površinu Zemlje te bi udaljenošću od izvora bile sve više. Kombinacijom ova dva efekta dolazi se do pojave da se radarske zrake zakrivljene te da im visina raste udaljavanjem od izvora zračenja. Visina radarskog snopa na udaljenosti 230 km od radara je 4 km iznad tla.
Atmosfera gotovo nikad nije standardna te je zbog promjene indeksa loma nemoguće točno znati na kojoj visini je radarska zraka, u mjerenju se upotrebljava aproksimacija da je radarski snop pravocrtan te da je brzina širenja konstantna.

Prikaz radarskih mjerenja

Prikaz radarskih mjerenja u analognom obliku povijesno je vezan uz katodne cijevi, na prvim radarima slika meteoroloških odraza izgledala je kao bijela mrlja, danas digitalizacijom signala uz primjenu računala i računalnih ekrana prikaz mjerenja je u boji. Podloga na kojoj se prikazuju oborine mjerene radarom najčešće je zemljopisna karta s označenim granicama, rijekama, gradovima, prometnicama itd. Radar prikuplja podatke iz prostora te je računalom omogućen prikaz podataka na bilo kojoj horizontalnoj ili vertikalnoj ravnini i visini, u upotrebi se zadržao klasični polarni koordinatni prikaz s radarom u sredini ekrana i krugovima koji prikazuju udaljenosti od radara, tako zvani Plan Position Indikator ili PPI ekran.

Plan Position Indicator - (kratica PPI), prikazuje razmještaj i intenzitet oborine u horizontalnoj ravnini. Prikaz na ekranu je koncipiran tako da je radar u sredini (polarni koordinatni sustav) ekrana. Na ekranu su prikazane udaljenosti od radara krugovima jednakog razmaka (10, 20 ili do 50 km ), orijentacija ekrana je kao kod kompasa - sjever prema gore. Položaj oborine definiran je udaljenošću i kutom azimuta Kut radarskog snopa u odnosu na horizontalnu ravninu naziva se elevacijom,Iz podatka elevacije i udaljenosti određuje se visina oborine. Uobičajen je prikaz intenziteta skalom boja. Kod meteoroloških radara na brodicama zbog svojstva antene i radarskog snopa prikaz meteoroloških ciljeva izrađuje se za standardnu elevaciju antene. Kod meteoroloških radara prikaz PPI ekrana radi se za pojedine konstantne elevacije antene, pri tome valja imati na umu de je udaljavanjem od radara oborina na večoj visini od tla, zbog osobina radarskog snopa i zakrivljenosti Zemlje. Kao podloga upotrebljava se zemljopisna karta tako da se sa slike jednostavno očitava položaj oborinske zone.

Mjerenje rasporeda oborine po visini prikazuje se vertikalnim presjecima na RHI indikatoru (Range High Indicator). Prikaz je na fiksnom azimutu uz promjenu elevacije antene te se dobiva vertikalni presjek zone oborine. Na ekranu su linijama prikazane udaljenosti od radara i visine te intenzitet primljenog signala. Kod PPI ekrana često je na gornjem i desnom rubu ekrana prikazana suma svih vertikalnih maksimalnih intenzitet u smjeru sjever jug i u smjeru istok zapad.

Za usporedbu podataka među različitim radarima, kao i za formiranje kompozitne radarske slike više radara koristi se tehnika prikaza oborine na istoj visini, tzv CAPPI prikaz (Constant Altitude Plan Position Indicator). CAPPI je kompozitna slika horizontalnog prikaza intenziteta oborine na odabranoj visini iznad tla, najčešće na visini 1000 ili 2000 m. CAPPI prikaz zahtjeva prikupljanje kompletne volumne slike prostora te digitalnu obradu signala, slika se formira posebnim računalnim programom (integracija po azimutima i elevacijama uz svođenje na jednu zadanu visinu). Maksimalni domet CAPPI prikaza reduciran je u odnosu na PPI prikaz zbog definirane visine na kojoj se prikazuju ciljevi – (zakrivljenost Zemlje i geometrija snopa).

Za potrebe meteorologije podaci se obrađuju i prikazuju u obliku karata trenutačne količine oborine, akumulirane količine oborine za razdoblje od jednog, šest ili dvanaest sati, maksimalne visine radarskih odraza,- maksimalne visine na kojima još imamo radarom mjerljive meteorološke ciljeve.

Intenzitet reflektiranog signala mjeri se u dB, a radarska jednadžba povezuje intenzitet povratnog signala i količinu oborine dBZ. Prikaz količine oborine na radarskim ekranima je upotrebom skale boja koje prikazuju pojedine klase intenziteta signala u dB, ili količine oborina u mm/sat. Hladne boje označavaju manje vrijednosti, tople boje veče vrijednosti.
Uzastopnim mjerenjem iste oborinske zone i bilježenjem njezinog položaja i promjene položaja u vremenu definira se smjer i brzina njezinog premještanja. Višegodišnja radarska mjerenja brzine premještanja oborinskih zona povezanih uz hladnu frontu ukazuju na vrlo brzo premještanje fronte, zabilježene su brzine od 70 do 90 km/h. U izuzetnim situacijama jakog ciklonalnog razvoja brzina premještanja oborinske zone može biti i veća od 120 km/h. Važnost radarskog mjerenja za nautičare je upravo u ranoj detekciji i praćenju oblačnih sustava hladne fronte te izdavanju pravovremenih upozorenja o nailasku nevremena. Oblaci vertikalnog razvoja Cumulonimbusi karakteristični su po vrlo jakom gradijentu gustoće s izraženom jezgrom oblaka, često u obliku polumjeseca. Kada rub odraza poprimi oblik koji podsjeća na kuku ili udicu radi se o zoni jakog vrtložnog ciklonalnog strujanja koje se na tlu manifestira u obliku tornada ili trombe.

Raspoznavanje vrste oborina / oblaka

Oborina koju mjerimo radarima pojednostavljeno može biti u obliku pljuskova ili kontinuirane kiše. Tip oborine povezan je i vrstom oblaka tako da su pljuskovite intenzivne oborine karakteristične za oblake vertikalnog razvoja, a dugotrajne kontinuirane kiše uz slojevite stratiforne oborine. Prikaz oborine na radarskom ekranu otkriva tip vremena odnosno vrstu oblaka s kojim je oborina povezana. Oblik odraza, intenzitet i oblik rubova (radar mjeri kapljice kiše, kristale snijega i leda) na radarskom ekranu različiti su za pljusak kiše i dugotrajnu stratiformnu oborinu. Pljuskovita oborina i jaka frontalna kiša karakteristična je po izraženim rubovima odraza oblika mahune graška, polumjeseca ili krumpira s izraženim porastom intenziteta u središnjem dijelu odraza koja je povezana s jačom kišom ili pljuskovima.
Stratiformna oborina koja je povezana uz tople fronte na radarskom ekranu ima izgled kompaktne mase s nepravilnim rubovima. Unutar kompaktne mase često ima linija većeg intenziteta koje su okomite na smjer premještanja fronte, i predstavljaju jaču oborinu na tlu. Rubovi oborinske zone su nepravilnog oblika.
Na primjeru radarske slike tropske ciklone (hurrican ili tajfun) jasno se vidi zona bez oborine - oko ciklone i spiralno položene linije nestabilnosti koje su građene od Cb oblaka iz kojih padaju pljuskovi kiše.

Frontalna oborina hladne fronte podsjeća na perle ogrlice ili niz krumpira a predstavlja kumulusne oblake u različitim stupnjevima razvoja. Između oborinskih zona često su praznine bez radarskog odraza a odrazi se premještaju u istom smjeru koji se podudara sa smjerom visinskog strujanja i napredovanja fronte hladnog zraka.
Pljuskovi su povezani uz Cumulonimbus i Cumuluscongestus, ukoliko je intenzitet mjerenog signala veći od 50 dBZ može se očekivati pljusak tuče. Posebnu pažnju treba posvetiti super ćelijskim Cumulonimbusima - oblacima koji "žive" nekoliko sati promjer im je do 50 km,a intnzitet signala u jezgri može biti i veći od 60 dBZ a u fazi najjačeg razvoja mogu doseći visine iznad 18 km, praćeni su grmljavinom, udarima vjetra, intenzivnim oborinama i tučom. Područje najjačeg radarskog odraza - "jezgra" ćelije ima oblik slova V ili Y. Ako se na desnom stražnjem rubu oblaka u odnosu na smjer gibanja uoči oblik kuke ili udice za pretpostaviti je da se radi o pojavi tornada. Vertikalni presjek i prikaz na RHI ekranu karakterističan je po obliku svoda ili ručke kišobrana koji predstavlja mjesto gdje je uzlazno strujanje u oblaku najjače.
Radarska mjerenja povezana su s problemom otkrivanja i mjerenja ciljeva koji nisu meteorološke prirode. često se na radarskim slikama uočavaju obrisi planina i predstavljaju stalne odraze. Smetnje nastale refleksijom na tlu, površini mora - valovima, vjetroelektranama, jatima ptica, zrakoplovima i brodovima.filtriraju se i odstranjuju s radarskih slike primjenom programskih alata tako da je slika koju korisnik dobiva očišćena od smetnji.