Radar de temps

Un radar de temps de est un type de radar utilisé pour localiser la précipitation , calculent son mouvement, estiment son type (pluie , neige , grêle , etc.), et prévision sa future position et intensité. Les radars de temps modernes sont la plupart du temps les radars Doppler De capables de détecter le mouvement des gouttelettes de pluie en plus de l'intensité de la précipitation. Les deux types de données peuvent être analysés pour déterminer la structure des orages et leur potentiel de causer à le temps grave .

Histoire

Pendant la deuxième guerre mondiale , les opérateurs de radar militaires ont noté le bruit dans des échos retournés dus aux éléments de temps comme la pluie, neigent, et le verglas . Juste après la guerre, scientifiques militaires retournés à la vie civile ou continus dans les forces armées et poursuivis leur travail en développant une utilisation pour ces échos. Aux Etats-Unis, à l'atlas de David, pour le groupe de l'Armée de l'Air au début, et plus tard pour le MIT , a développé les premiers radars de temps opérationnels. Marshall et droit Douglas ont formé le " ; Temps orageux Group" ; à Montréal. Marshall et son étudiant doctoral Walter Palmer sont bien connus pour leur travail sur la distribution de grandeurs de baisse sous la pluie de latitude moyenne que cela a menée à l'arrangement de la relation de ZR, qui corrèle une réflectivité donnée de radar avec le taux auquel l'eau tombe au sol. Dans le Royaume-Uni , la recherche continue pour étudier les modèles d'écho de radar et les éléments de temps tels que la pluie stratiforme et les nuages convecteurs du , et les expériences ont été faites pour évaluer le potentiel des longueurs d'onde différentes de 1 à 10 centimètres En 1953, Donald Staggs, un ingénieur électrique travaillant pour l'enquête de l'eau d'état de l'Illinois, a fait la première observation enregistrée de radar d'un " ; " de l'écho de crochet de ; lié à un orage tornadic. Entre 1950 et 1980, radars de réflectivité, que la position de mesure et l'intensité de la précipitation, ont été construits par des services de temps autour du monde. Les premiers météorologistes ont dû observer un tube cathodique . Pendant les années 70, des radars ont commencé à être normalisés et organisés en réseaux. Les premiers dispositifs pour saisir des images de radar ont été développés. Le nombre d'angles balayés a été augmenté pour obtenir une vue tridimensionnelle de la précipitation, de sorte que des sections transversales horizontales ( CAPPI ) et la verticale ceux aient pu être exécutées. Les études de l'organisation des orages étaient alors possibles avec le projet de grêle d'Alberta au Canada et le NSSL aux USA en particulier. NSSL, créé en 1964, a commencé l'expérimentation sur les signaux duels de la polarisation et sur des utilisations d'effet de Doppler .

Entre 1980 et 2000, les réseaux de radar de temps sont devenus la norme en Amérique du Nord, l'Europe, au Japon et d'autres pays développés. Des radars conventionnels ont été remplacés par les radars Doppler, Qu'en plus de la position et de l'intensité du du pouvoir dépister la vitesse relative des particules dans le ciel. Aux Etats-Unis, un réseau se composant de 10 radars de longueur d'onde de cm, appelés NEXRAD ou WSR-88D (radar de service de temps Doppler 1988), a été commencé en 1988. Au Canada, l'environnement Canada a construit la station du Roi City , avec un radar Doppler De recherches de cinq centimètres, d'ici 1985 ; L'université de McGill dopplerized son radar (observatoire de radar de J. Ceci a mené à un réseau canadien de Doppler de complet entre 1998 et 2004. La France et d'autres pays européens ont commuté au réseau de Doppler vers la fin des années 90 à 2000s tôt. En attendant, les avances de rapid en informatique ont mené aux algorithmes pour détecter des signes de temps grave et d'une pléthore de " ; products" ; pour des moyens de communication et des chercheurs.

Après 2000, la recherche sur la technologie duelle de polarisation est entrée dans l'efficacité opérationnelle, augmentant la quantité des informations disponibles sur le type de précipitation (par exemple pluie contre la neige). " ; Polarization" duel ; signifie que ce rayonnement de micro-onde qui est polarisé par horizontalement et verticalement (en ce qui concerne la terre) est émis. Le déploiement répandu est prévu vers la fin de la décennie dans certains pays tels que les Etats-Unis, la France, et le Canada.

Depuis 2003, l'administration océanique de des États-Unis et atmosphérique nationale avait expérimenté avec le radar à balayage électronique comme un remplacement pour l'antenne parabolique conventionnelle afin de fournir plus de résolution temporelle dans le sondage de l'atmosphère . Ce serait très important dans des orages graves comme leur évolution peut mieux être évaluée avec des données plus opportunes.

Comment le radar de temps fonctionne

Envoi des impulsions de radar

Les radars de temps envoient des impulsions directionnelles de rayonnement de la micro-onde , sur l'ordre d'une micro-seconde longtemps, using un magnétron à ondes progressives ou le tube de klystron de relié à un guide d'ondes à une antenne parabolique . Les longueurs d'onde de 1 à 10 cm sont approximativement dix fois le diamètre des gouttelettes ou des particules de glace d'intérêt, parce que la diffusion de Rayleigh se produit à ces fréquences. Ceci signifie qu'une partie de l'énergie de chaque impulsion rebondira outre de ces petites particules, en arrière dans la direction de la station radar.

Des longueurs d'onde plus courtes sont utiles pour de plus petites particules, mais le signal plus rapidement est atténué. Ainsi le radar de 10 cm (S-bande ) est preferred à mais est plus cher que 5 un système de la C-bande de cm. 3 le radar de la bande x de cm est utilisé seulement pour la distance très courte, et 1 radar de temps de la Ka-bande de cm est utilisé seulement pour la recherche sur des phénomènes de petit-particule tels que la bruine et le brouillard de la forme : $Z_e de = \ ^ d'int_ {0} {Dmax}$ |K| $- de$ ² N₀e^{\ Lambda D} D⁶dD

Le taux de précipitation (r), d'une part, est égal au nombre des particules, de leur volume et de leur vitesse de chute (v) comme :

0} ^ de R = de $\ int_ {{Dmax}$ N₀e^{$- \ Lambda$ D} ( $\ pi$ D³/6) densité double de v (D)

Ainsi Z_e et R ont des fonctions semblables qui peuvent être resolved donnant une relation entre les deux de la forme :

Z = aR^b

Là où a et b dépendent du type de precipitations (neige, pluie, convecteur ou stratiforme) qui ont le $différent \ Lambda$ , K, N₀ et V.

comme balayage d'antenne l'atmosphère, sur chaque angle d'azimut il obtient un certain nombre de retour de chaque des cibles produites. La réflectivité est alors ramenée à une moyenne pour cette cible afin d'avoir un meilleur ensemble de données.

puisque la variation du diamètre et la constante diélectrique des cibles mettent en boîte mène à la grande variabilité dans le retour de puissance au radar, réflectivité est exprimé en dBZ (10 fois le logarithme du rapport de l'écho à une norme baisse de 1 millimètre de diamètre remplissant même volume balayé).

Comment lire la réflectivité sur un affichage de radar

Des échos du radar sont habituellement décrits par couleur ou niveau. Les couleurs dans une image de radar s'étendent normalement de bleu ou de vert pour des retours faibles, à rouge ou au magenta pour des retours très forts. Les nombres dans un rapport verbal augmentent avec la sévérité des retours.

Par exemple, les emplacements nationaux de radar Doppler des États-Unis Emploient la balance suivante pour différents niveaux de la réflectivité :
magenta de

: dBZ 65 (précipitation extrêmement lourde)
rouge : dBZ 52
jaune : dBZ 36
vert : dBZ 20 (précipitation légère)

Les retours forts (rouges ou magenta) peuvent indiquer non seulement la forte pluie mais également les orages, la grêle, les vents violents, ou les tornades, mais eux doivent être interprétés soigneusement, parce que des raisons décrites plus tard en cet article.

Conventions d'aviation

Quand décrivant des échos du radar de temps, les pilotes, les expéditeurs, et les contrôleurs de la navigation aérienne se référeront typiquement à trois niveaux de retour :
le niveau 1 de

correspond à un écho du radar vert, indiquant la précipitation habituellement légère et peu à aucune turbulence, menant à une possibilité de visibilité réduite.
le niveau 2 correspond à un écho du radar jaune, indiquant la précipitation modérée, menant à la possibilité de visibilité très basse, de turbulence modérée et d'un tour inconfortable pour des passagers d'avions.
le niveau 3 correspond à un écho du radar rouge, indiquant la précipitation lourde, menant à la possibilité d'orages et aux dommages structurels de turbulence et sérieux graves aux avions.

Les avions essayeront d'éviter des retours du niveau 2 si possible, et éviteront toujours le niveau 3 à moins qu'ils soient les aéronefs expérimentaux spécial-conçus.

Vitesse

Voir également : radar d'Impulsion-Doppler de et radar Doppler De

Paires d'impulsion

N'importe quelle pluie se laisse tomber ou les flocons de neige dans le mouvement affectent la fréquence du rayon de radar retourné selon l'effet de Doppler . Avec des vitesses de plus moins de 70 m/s (150 miles/h) pour des échos de temps et la longueur d'onde de radar de 10 cm, elle s'élève seulement à 10^-5%. Cette différence est trop petite pour être notée par les instruments électroniques. Cependant, pendant que les cibles se déplacent légèrement entre chaque impulsion, la vague retournée a une différence de la phase ou un déphasage apparente de de l'impulsion à l'impulsion.

Les radars de temps de Doppler emploient cette différence de phase (différence de paires d'impulsion) pour calculer le mouvement de la précipitation. L'intensité de l'impulsion successivement de renvoi du même volume balayé où les cibles se sont légèrement déplacées est

le * réflectivité différentielle ( Z_dr ) - la réflectivité différentielle est un rapport des retours horizontaux et verticaux reflétés de puissance. Entre autres, c'est un bon indicateur de forme de baisse et la forme de baisse est une bonne évaluation de la taille moyenne de baisse. Le
* coefficient de corrélation ( ρ_hv ) - une corrélation statistique entre la puissance horizontale et verticale reflétée retourne. Les valeurs élevées, près d'une, indiquent les types homogènes de précipitation, alors que des valeurs plus basses indiquent des régions des types mélangés de précipitation, tels que la pluie et la neige, ou grêlent. Le
* rapport linéaire de dépolarisation (LDR de ) - ceci est un rapport d'un retour vertical de puissance d'une impulsion horizontale ou d'un retour horizontal de puissance d'une impulsion verticale. Il peut également indiquer des régions où il y a un mélange des types de précipitation. Le
* phase différentielle spécifique ( θ_pd ) - la phase différentielle spécifique est une comparaison de la différence de phase retournée entre les impulsions horizontales et verticales. Ce changement de phase est provoqué par la différence dans le nombre de cycles de vague (ou de longueurs d'onde) le long du chemin de propagation pour les vagues horizontales et verticalement polarisées. Il ne devrait pas être confondu avec le déplacement Doppler-Fizeau, Qui est provoqué par le mouvement des particules de nuage et de précipitation. À la différence de la réflectivité différentielle, du coefficient de corrélation et du rapport linéaire de dépolarisation, qui dépendent tous de la puissance reflétée, la phase différentielle spécifique est un " ; propagation effect." ; C'est un estimateur très bon du taux de pluie et n'est pas affecté par l'atténuation .

Avec ces nouvelles connaissances s'est ajouté à la réflectivité, vitesse, et la largeur de spectre produite par des radars de temps de Doppler, chercheurs avaient travaillé sur des algorithmes se développants pour différencier des types de précipitation, cibles non-météorologiques, et pour produire de meilleures évaluations d'accumulation de précipitations. Aux États-Unis, le NCAR et le NSSL ont été des leaders mondiaux dans ce domaine.

Le NOAA a installé un banc d'essai pour le radar duel-polametric au NSSL et aux plans pour équiper tous ses 10 radars du NEXRAD de longueur d'onde de cm de la duel-polarisation vers la fin de la décennie. L'observatoire de radar de l'université J. Marshall de McGill à Montréal, Canada a converti leur instrument (1999) et les données sont employées du point de vue fonctionnement par Environment Canada dans le Montréal . Un autre radar environnemental du Canada dans le Roi City (nord de Toronto ) duel-a été polarisé en 2005, celui-ci travaille à une longueur d'onde de 5 cm qui donne de nouveaux défis, une atténuation spécifiquement plus grande . Le Canada environnemental travaille à convertir tous ses radars en duel-polarisation. En conclusion, la Météo-France travaille au sujet et aux espoirs d'installer leurs premiers radars polarisés en 2008.

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espace libre : tous les deux ; " ; > Pour plus de détails :

Développement de polarisation des USA

Rendement opérationnel d'université de McGill

Types principaux de sorties de radar

Toutes les données des balayages de radar sont montrées selon le besoin des utilisateurs. Différentes sorties ont été développées par l'heure d'atteindre ceci. Voici une liste de terrain communal et de sorties spécialisées disponibles.

Indicateur panoramique

voient également :

l'indicateur panoramique

des données sont obtenues un angle à la fois, la première manière de les montrer en tant qu'été l'indicateur panoramique (PPI) qui est seulement la disposition de l'écho du radar sur une image bidimensionnelle. On doit se rappeler que les données venant de différentes distances au radar sont à différentes tailles au-dessus de la terre.

C'est très tout important qu'un taux élevé de pluie vu près du radar est relativement près de quelle portée la terre mais ce qui est vue de 160 kilomètres (100 milles) loin est environ 1.5 kilomètre au-dessus de la terre et pourrait être loin différente de la quantité atteignant la surface. Il est ainsi difficile de comparer des échos de temps à la distance différente du radar.

PPIs sont affligés avec les échos au sol près du radar comme problème supplémentaire. Ceux-ci peuvent être mal interprétés en tant que vrais échos. De tellement autres produits et autres traitements des données ont été développés pour compléter ses points faibles.

UTILISATION : La réflectivité, le Doppler et les données polarimétriques peuvent employer PPI.

NOTA: : Dans le cas des données de Doppler, deux points de vue sont possibles : relativement à la surface ou à l'orage. En regardant le mouvement général de la pluie pour extraire le vent à différentes altitudes, il vaut mieux d'employer des données relativement au radar. Mais en recherchant la rotation ou le cisaillement du vent sous un orage, il vaut mieux d'employer les images relatives d'orage qui soustraient le mouvement général de la précipitation partant de l'utilisateur pour regarder le mouvement d'air comme si il s'assiérait sur le nuage. Voici l'exemple en temps réel : Le radar de NWS Burlington, un peut comparer la BASE et DONNER L'ASSAUT À des produits de Doppler

Indicateur panoramique constant d'altitude

voient également :

constant de l'indicateur panoramique d'altitude

Pour éviter certains des problèmes sur PPIs, le CAPPI ou l'indicateur panoramique constant d'altitude a été développé par des chercheurs au Canada. C'est fondamentalement une section transversale horizontale par des données de radar. De cette façon, une peut comparer la précipitation sur une pose égale à la distance de différence du radar et éviter les échos au sol. Bien que des données soient prises à une certaine taille au-dessus de la terre, une relation peut être impliquée entre les rapports de stations au sol et les données de radar.

L'appel de CAPPIs pour un grand nombre d'angles de près de l'horizontal pour s'approcher de la verticale du radar afin d'avoir une coupe qui est aussi étroitement comme possible à toute la distance à la taille a eu besoin. Mais même puis, après une certaine distance, il n'y a pas aucun angle disponible et le CAPPI devient le PPI de l'angle faible. La ligne de zigzag sur les angles diagram des expositions ci-dessus les données employées pour produire des 1.5 et 4 kilomètres de taille CAPPIs. Noter que la section après 120 kilomètres emploie les mêmes données.

UTILISATION : La plupart du temps pour des données de réflectivité. L'université de McGill produit Doppler CAPPIs mais la nature de la vitesse font pour produire un peu bruyant pendant que les vitesses peuvent changer rapidement dans la direction avec la taille contraire en un modèle relativement doux dans la réflectivité.

Exemples en temps réel :
Université de McGill
Environnement Canada

Composé vertical

Une autre solution aux problèmes de PPI est de produire des images de la réflectivité maximum dans une couche au-dessus de la terre. Cette solution est habituellement prise quand le nombre d'angles disponibles est petit ou variable. Le Service Météorologique National américain emploie un tel composé que leur arrangement de balayage peut varier de 4 à 14 angles, selon leur besoin, qui ferait CAPPIs très brut. Le composé s'assurent qu'aucun écho fort n'est manqué dans la couche et un traitement using des vitesses Doppler Éliminent les échos au sol.

Exemple en temps réel : Le radar de NWS Burlington, un peut comparer la BASE et les produits COMPOSÉS

Accumulations

Un de l'utilisation principale du radar est de pouvoir évaluer la quantité de precipitations tombés au-dessus de grands bassins pour le but hydrologique du . Par exemple, la lutte contre les inondations de fleuve, la gestion d'égout et la construction de barrage sont tous les secteurs où les planificateurs veulent des données d'accumulation. Elle remplit idéalement les données extérieures de stations qu'elles peuvent employer pour le calibrage.

Pour produire des accumulations de radar, nous devons estimer le taux de pluie au-dessus d'un point par la valeur moyenne au-dessus de ce point entre un PPI, ou CAPPI, et le prochain ; se multiplier alors avant qu'entre ces images. Si on veut pendant une plus longue période, on doit ajouter toutes les accumulations des images pendant ce temps.

Echotops

L'aviation est un utilisateur lourd des données de radar. Une carte particulièrement importante dans ce domaine est l'Echotops pour la planification de vol et l'action d'éviter du temps dangereux. La plupart des radars de temps de pays sont balayage assez d'angles pour avoir un ensemble 3D de données au-dessus de la zone de l'assurance. Il est relativement facile d'estimer l'altitude maximum à laquelle la précipitation est trouvée dans le volume. Cependant, tels ne sont pas les dessus des nuages comme elles se sont prolongées à des altitudes plus élevées que la précipitation.

Sections transversales verticales

Pour connaître la structure verticale des nuages, en particulier les orages ou le niveau de la couche de fonte, un produit vertical de sections transversales des données de radar est à la disposition du météorologiste.

Réseaux de radar

Pendant les dernières décennies, des réseaux de radar ont été prolongés pour permettre la production des vues composées couvrant des vastes zones. Par exemple, tous les pays importants (par exemple, Etats-Unis, Canada, beaucoup de l'Europe) produisent les images qui incluent tous leurs radars. Ce n'est pas en tant qu'insignifiant une tâche.

En fait, un tel réseau peut se composer de différents types de radar avec différentes caractéristiques comme la largeur, la longueur d'onde et le calibrage de faisceau. Ces différences doivent être tenues compte en assortissant des données à travers le réseau, pour décider en particulier quelles données pour employer quand deux radars couvrent le même point. Si on emploie l'écho plus fort mais il vient du radar le plus éloigné, on emploie les retours qui sont d'une altitude plus élevée venant de la pluie ou de la neige qui pourraient s'évaporer avant d'atteindre la terre ( Virga ). Si on emploie des données du radar le plus étroit, il pourrait être dépassement atténué par un orage. Des images composées des precipitations using un réseau des radars sont faites avec toutes ces limitations à l'esprit.

Voici quelques réseaux nationaux de radar :
Environnement Canada de

Service Météorologique National aux Etats-Unis
République Tchèque
République sud-africaine
Deutscher Wetterdienst en Allemagne
Bureau de la météorologie, Australie

Algorithmes automatiques

Pour aider des météorologistes à repérer le temps dangereux, des algorithmes mathématiques ont été présentés dans les programmes de traitement de radar de temps. Ce sont particulièrement importants dans l'analyse des données de vitesse Doppler Car elles sont plus complexes. Les données de polarisation auront besoin même de plus d'algorithmes.

Algorithmes principaux pour la réflectivité :
L'atmosphère de norme internationale .
Cible assez petite ils obéissent la diffusion de Rayleigh ainsi le retour est proportionnel au taux de précipitation.
Le volume balayé par le faisceau est plein des cibles météorologiques du de (pluie, neige, etc…), de toute les même variété et dans une concentration uniforme.
Aucune atténuation
Aucune amplification
Le retour des lobes latéraux du faisceau sont négligeable.
Le faisceau est proche d'une courbe gaussienne de la fonction avec la puissance diminuant à la moitié à la moitié de la largeur.
Les vagues sortantes et le renvoi d'un sont toutes deux polarisés pareillement.
Il n'y a aucun retour des réflexions multiples.

On doit maintenir dans l'esprit que ces hypothèses ne sont pas nécessairement rencontrées dans beaucoup de circonstances et pouvoir reconnaître quand la vérité des échos faux.

Propagation anormale (l'atmosphère non standard)

La première prétention est que le rayon de radar se déplace par l'air qui refroidit à un certain taux avec la taille. La position des échos dépendent largement de cette hypothèse. Cependant, la vraie atmosphère peut varier considérablement de la norme.

Réfraction superbe

Il est très commun pour avoir des inversions de la température former près de la terre, par exemple refroidissement à l'air la nuit tandis que restant chauffent en haut. Ce n'est pas ce qui est prévu pendant que l'indice de réfraction d'augmentation d'air et le rayon de radar se plient vers la terre au lieu de monter. Par la suite, il frappera la terre et sera reflété en arrière vers le radar. Le programme de traitement placera alors incorrectement les échos de retour à la taille et la distancer aurait été dans des objectifs de conditions normales pour compléter NEXRAD régulier using des beaucoup radar de temps de la bande x de coût bas (3 cm) monté sur des tours de téléphone cellulaire. Ces radars subdiviseront les vastes zones du NEXRAD en plus petits domaines pour regarder des altitudes au-dessous de son angle faible. Ceux-ci fourniront des détails non actuellement disponibles.

L'opportunité est également un point ayant besoin d'amélioration. Avec du temps de 5 à 10 minutes entre les balayages complets du radar de temps, beaucoup de choses peuvent être manquées dans le développement d'un orage. Un radar à balayage électronique est examiné au laboratoire national d'orages graves de dans le Normand, l'Oklahoma, pour accélérer le rassemblement des données.

Applications spécialisées

Radar de temps de l'avionique

L'application d'avions des systèmes de radar incluent le radar de temps, l'évitement anticollision, la poursuite des cibles, la proximité au sol, et d'autres systèmes. Pour les systèmes de radar de temps commerciaux, le ARINC 708 est le système de radar de temps primaire using un radar Doppler Aéroporté d'impulsion.

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