Temario
1. Motivación
2. Observaciones in-situ vs de precepción remota
3. Plataformas usadas comúnmente: fijas, móviles y de satélite
4. Funcionamiento del radar meteorológico
5. Relación entre reflectividad e intensidad de lluvia
6. Coordenadas, geometría y variaciones del haz de radar
7.
Productos de radar
8. Técnicas de análisis de datos
9. Usos comunes del radar: acumulación de lluvia y rastreo de sistemas
10. Dimensión vertical de reflectividad y velocidad radial: información microfísica y
dinámica
11. Fenómenos meteorológicos en radar
12. Usos especializados de los datos de radar
13. Usos del radar en modelos y predicciones
14. Ejercicio práctico de obtención, visualización e interpretación
5. Relación entre reflectividad e intensidad de lluvia
• Mediciones de la intensidad de
lluvia (R) y la reflectividad (z)
• R es medida por una estación de
superficie o por un distrómetro
• z es la reflectividad observada por
el radar lo mas cerca posible de el
lugar donde se mide R
• Los puntos indican mediciones
recolectadas cada 7 minutos
durante periodos de lluvia. Z se
promedio sobre un área de ~5x5
km2
R (mm h-1)
• Mediciones obtenidas durante 3
veranos en Toronto, Canadá
Richards y Crozier 1983
z (dBZ)
• Empíricamente se ha encontrado
que existe cierta relación entre Z y
R de la forma:
Z = a Rb
Donde Z = [mm6 m-3] y
R = [mm h-1]
• En el caso del ejemplo: a= 295 y
b = 1.43
• También se muestra la línea: a =
200 y b = 1.6, que fue reportada
por Marshall y Palmer en 1948 y
es una de las relaciones mas
usadas
• Este tipo de relaciones (llamadas
Z-R) han sido mediadas y
reportadas para difrentes lugares
y condiciones meteorológicas
R (mm h-1)
Estimación de intensidad de lluvia
Richards y Crozier 1983
z (dBZ)
Ejemplos de parámetros a y b (Z=aRb) en la literatura
Battan 1973
Ejemplo de lluvia acumulada
Periodo: 3 horas (11-14 UTC 1 mar 2009)
Radar de Beale, California (BBX) al norte de Sacramento, CA
Fuente: Java NEXRAD viewer
Uso de Z=aRb para calcular intensidad de lluvia
PROS
CONTRAS
•
•
•
•
Provee una primera aproximación
de la precipitación, que se puede
refinar si hay datos de estaciones
cerca
En ciertos lugares es la única
medición existente (e.g., donde es
difícil poner una estación: lagos,
crestas de montanas, etc)
Funciona mejor cuando se
consideran periodos largos de
tiempo, lo cual tiene aplicaciones
en hidrología
•
A grandes distancias del radar, el
haz está a muchos metros sobre
la superficie, de manera que no es
posible conocer Z cerca del suelo
Sobreestima (subestima) la
precipitación en situaciones con
contaminación por el terreno (con
atenuación)
6. Coordenadas, geometría y
variaciones del haz de radar
(plataforma fija)
Coordenadas y geometría
Por la forma en que opera un radar,
las coordenadas esféricas son un
marco de referencia natural:
r = distancia radial
θ = azimut
Φ = elevación
donde:
r = (x2+y2+z2)1/2
θ = tan-1 (y/x)
Φ = cos-1 (z/r)
Sin embargo…
Coordenadas y geometría
• … el azimut se mide
respecto a la dirección
norte
• y la elevación respecto al
plano z = 0
Además hay que considerar que la propagación
de la radiación no es en línea recta y hay que
considerar la curvatura de la tierra
Fuente: WW2010
Variación del haz debido a las variaciones
verticales del índice de refracción
• En el vacio, las ondas electromagnéticas se propagan a
la velocidad de la luz (c)
• En la atmosfera, la velocidad de propagación (v) es
cercana pero no exactamente c
• El índice de refracción (n) es la razón entre c y v: n = c/v
• n depende de la presión (p), la presión de vapor de agua
(e) y de la temperatura (T)
• En una atmosfera estándar n decrece con altura (dn/dz
= -4x10-8 m-1)  v (=c/n) aumenta con la altura
Variación del haz debido a las variaciones
verticales del índice de refracción
• Consideremos rayos en lugar de ondas de radar
• Los rayos son las líneas a lo largo de las cuales viajan
las ondas
• La ley de Snell indica la relación entre el ángulo de
incidencia (Φi) y el ángulo de refracción (Φr) cuando se
pasa de un medio con índice de refracción ni a uno con
índice de refracción nr :
• ni sen Φi= nr sen Φr
y que la velocidad de propagación en el primer medio
(vi) y en el segundo medio (vr) están dadas por:
• vi sen Φr= vr sen Φi
NOTAS
•  Si no hubiera atmosfera los o si n fuera
constante, los haces de radar seguirían
trayectorias rectas
• Como este no es el caso, los haces se
refractan y lo hacen hacia abajo (debido a
que dn/dz < 0)
Ahora tenemos que considerar es
la curvatura de la tierra
•
Para un circulo de radio R, la curvatura
es C = 1/R (en este caso R = Radio de la tierra)
•
Como el haz de radar se curva hacia abajo, la curvatura efectiva de la tierra
va a ser:
•
C’ = 1/R + dn/dz
•
 R’ = 1/C’ = (1/R + dn/dz)-1
•
Substituyendo los valores dn/dz = -4 x10-8 m-1y R=6.37x106 m (NOTAS)
•
 R’ = 4/3 R
•
 Entonces los haces del radar son lineas rectas respecto a una esfera de
radio R’
Rosengaus (1995)
θ
L2
H
r
θ
L1
Radar
R’
R’
Consideremos el caso de un radar
a ras del suelo
r =distancia del punto de interés
al radar
R’ = 4/3 R
R = Radio de la Tierra
θ = elevación
H = altura del haz del radar
θ
L2
H
r
θ
L1
Radar
R’
R’
Consideremos el caso de un radar
a ras del suelo
r =distancia del punto de interés
al radar
R’ = 4/3 R
R = Radio de la Tierra
θ = elevación
H = altura del haz del radar
H = (r2 + R’2 + 2rR’ sin θ)1/2 – R’
 para un radar de altura H0 sobre el nivel del
mar:
H = (r2 + R’2 + 2rR’ sin θ)1/2 – R’ + H0
r =distancia del punto de interés al radar
R’ = 4/3 R
R = Radio de la Tierra
H0 = altura de la antena del radar sobre el nivel del mar
θ = elevación
Diagrama de altura y distancia del radar
para diferentes ángulos de elevación
Haz a una
elevación = 0.5º
Rinehart (1997)
7. Productos de radar
• Están íntimamente ligados con la manera en que
se mueve la antena para adquirir datos
• Se conocen como tipos de barridos (“scan” en
ingles)
• Los mas comunes se conocen como: PPI y RHI
• Otros comunes son: CAPPI y despliegue alturatiempo
PPI = Plan Position Indicator (Indicador
de posición de planta)
• El ángulo de elevación
se mantiene fijo,
mientras que la antena
se mueve en azimut
• El azimut se puede
variar de 0 a 360
grados o en un sector
mas pequeño
Rosengaus (1995)
PPI = Plan Position Indicator (Indicador
de posición de planta)
• En un PPI la altura
aumenta con la distancia
del radar
Z1 < Z2
Fuente: WW2010
360º
Ejemplo de PPI
(reflectividad)
• Radar de Portland Oregón
• Meteorología: Sistema de
latitudes medias (08 UTC 28 nov
2001)
• 100 (200) km de distancia ~ 1.5
(~4.0) km sobre el nivel del radar
•Un PPI indica variaciones en
azimut y en distancia radial (que
corresponde a diferentes alturas)
90º
270º
180º
• PPI a una elevación de 0.5º
Medina et al (2007)
RHI = Range Height Indicator
(Indicador de distancia y altura)
• El azimut se mantiene
fijo mientras que la
antena se mueve en
elevación (que es
proporcional a la altura)
• El ángulo de elevación
normalmente se varia
de 0 a ~30 grados
Rosengaus (1995)
Height above radar (km)
Ejemplo de RHI = 80º azimut (reflectividad)
Houze y Medina (2005)
0
2
4
6
8
10
12
Horizontal distance (km)
• Radar móvil (S-Pol), cerca de Portland Oregón
• Meteorología: Sistema de latitudes medias (22 UTC 13
dic 2001)
• Solo una parte del RHI se muestra para permitir distinguir
los volúmenes de muestreo (conocidos como pixeles)
individuales
• Un RHI indica variaciones en altura y en distancia
14
16
18
dBZ
CAPPI
• Constant Altitude PPI = Constant Altitude Plan
Position Indicator (Indicador de posición de
planta a altitud constante)
• La idea es usar barridos tipo PPI recolectados
a diferentes elevaciones para reconstruir la
reflectividad a una altitud constante
CAPPI
Battan (1973)
Rosengaus (1995)
Despliegue de altura y tiempo
• Se obtiene apuntando el radar hacia arriba
(elevación = 90º) o bien
• Usando un radar que esta diseñado para
apuntar hacia arriba únicamente (verticallypointing radar). E.g., los radares de banda S de
NOAA
Altura (km)
Ejemplo de despliegue de altura contra tiempo usando
un radar que apunta en la vertical
7
Reflectividad
6
5
4
3
2
1
0
29-Nov
29-Nov
28-Nov
1200
0000
1200
Tiempo (UTC)
Medina et al. 2007
28-Nov
0000
dBZ
36
28
20
12
4
-4
-12
-20
-28
K
• Radar móvil al sur de Portland
Oregón (X)
• Meteorología: Sistema de latitudes
medias (28-29 nov 2001)
• Permite observar con mucho de
detalle los cambios temporales en la
estructura vertical de un sistema que
se mueve sobre el radar
305
295
285
275
265
255
245
0800 UTC 28 Nov 2001
235
225
215
8. Técnicas de análisis de datos
•
Exanimación visual
o
•
•
Cortes verticales y horizontales
Animaciones
Análisis estadístico:
o
o
o
Promedios
CFADS
Distribución geográfica de sistemas de
precipitación
Volúmenes en coordenadas Cartesianas: Se obtienen mediante la interpolación de
varios barridos de tipo PPI (o de tipo RHI) a un sistema Cartesiano
• Ejemplo: datos del radar de Monte
Lema (Suiza) ~10 UTC 21 oct 1999
•Estos volúmenes permiten analizar los
datos en cualquier corte horizontal o
vertical
Corte horizontal a una altura
de 2 km sobre el nivel del mar
Corte vertical a lo
largo de la línea negra
Animaciones
Imágen de satélite
(infrarojo)
• Ejemplo: datos del radar de Kansas City (EU) (~2345 UTC 26 feb 2009)
• Pueden mostrar creación, destrucción y fusión de sistemas y dar indicación de la
dirección y velocidad de su movimiento
Promedios
Reflectividad promediada durante 3 horas
Corte horizontal a una altura
de 3.5 km sobre el nivel del mar
Corte vertical a lo
largo de la línea negra
• Ejemplo: datos del radar de S-Pol de NCAR (colocado en el norte de Italia)
• Reflectividad promediada para el periodo ~00-03 UTC 26 sep 1999
• Los promedios no son muy susceptible a los efectos transientes y pueden mostrar
los patrones estacionarios
CFAD = Contoured Frequency by Altitude Diagram
Diagrama de los contornos de frecuencia en altura
Yuter y Houze (1995)
• En un solo grafico provee mucha información sobre la distribución tridimensional
de un volumen de datos de radar
Distribución geográfica de un
tipo de sistema determinado
Zipser et al. (2006)
• Ejemplo: datos del radar espacial TRMM PR
• Los símbolos de color indican la existencia de un eco de precipitación profundo,
donde el color indica la altura máxima del contorno de reflectividad = 40 dBZ
9. Usos comunes:
Acumulación de lluvia y rastreo
de sistemas
Rastreo
Ejemplo Radar de Kansas City (EAX) ~2345 UTC 26 Feb 2009
Imágen de satélite
(infrarojo)
• Si el tiempo entre barridos es suficiente mente pequeño, es posible “etiquetar” un
eco meteorológico y seguir su trayectoria
•Implicaciones para evaluar daños y potencial para hacer predicción a corto plazo
Lluvia acumulada
Ejemplo: acumulación en 3 horas (1-14 UTC 1 mar 2009)
Radar de Beale, California (BBX),
al norte de Sacramento
Fuente: Java NEXRAD viewer
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Motivacion - UW Atmospheric Sciences