سرفصل درس :

1. سرفصل درس : • آناليز، مدل‌سازي و پيش‌بيني سري‌هاي زماني هيدرومتئورولوژي • توليد داده‌هاي مصنوعي هيدرومتئورولوژي • الگوهاي زماني بارندگي • تحليل رگبار طرح • حداکثر بارش محتمل (PMP) • رواناب ذوب برف • تبخير و تعرق • خشکسالي • کاربرد رادار در مطالعات هيدرومتئورولوژي 

2. 9. کاربرد رادار در مطالعات هيدرومتئورولوژي 9-1. تاريخچه و کاربرد رادار در هيدرومتئورولوژي 9-2. اصول رادار 9-3. طبقه‌بندي رادارها 9-4. برآورد کمّي بارندگي با استفاده از تصاوير راداري 9-5. منابع خطاي راداري 9-6. روش‌هاي تعديل منطقه‌اي تصاوير راداري

3. 9-1. تاريخچه و کاربرد رادار در هيدرومتئورولوژي • تاريخچه • واتسون- وات (1936) : طراحي رادار براي مقاصد نظامي در جنگ جهاني دوم • در جريان جنگ جهاني دوم، کاربران رادارهاي نظامي دريافتند که پديده‌هاي هواشناسي روي آشکارسازي اهداف نظامي مشکل ايجاد مي‌کنند. اين مسئله موجب تحقيقات بيشتر توسط هواشناسان در زمينه‌هاي مختلف گرديد. • اولين ديدباني بارندگي به وسيله رادار احتمالاً در سال 1941 در بريتانيا صورت گرفته است. • ايالات متحده در سال 1949 رادارهايي به کاربرد خاص در هواشناسي طراحي نمود و در پروژه تندر استورم مورد استفاده قرار داد. • به تدريج طراحي، نصب و استفاده از رادار در ساير کشورها نظير کانادا، ژاپن، چين، هند آغاز گرديد. • در نيمه دهه 1960 يک پيشرفت عمده حاصل شد و توانستند از ديدباني باران به اندازه‌گيري باران برسند.

4. 9-1. تاريخچه و کاربرد رادار در هيدرومتئورولوژي • کاربردها • به کمک رادار قادر خواهيم بود: • نحوه توزيع مکاني بارندگي را تشخيص دهيم. • شدت بارندگي را تعيين کنيم. • مقدار تجمعي بارندگي را مشخص کنيم. • حرکت سيستم‌هاي جوي را رديابي کنيم. • ساختار توفان را شناسايي کنيم. • پيش‌بيني کمًي بارندگي با استفاده از تصاوير راداري داشته باشيم.

5. 9-2. اصول رادار • رادار مخفف RAdio Detection And Rangingاست. • رادار اولين تکنيک سنجش از دور است که در هواشناسي مورد استفاده قرار گرفته است. • رادار يک وسيله آشکارسازي هدف است. • رادار يک سيستم الکترومگنتيک است که آشکارسازي هدف را از دور دست به عهده دارد. • رادار يک پژواک راديويي است. • رادار يک سيستم فرستنده-گيرنده و منبع توليد کننده طيف الکترو مگنتيک با پالس ثابت است.

6. 9-2. اصول رادار • نحوه آشکارسازي هدف توسط رادار:

7. 9-2. اصول رادار • نحوه آشکارسازي هدف توسط رادار:

8. 9-2. اصول رادار • نحوه آشکارسازي هدف توسط رادار:

9. 9-2. اصول رادار • نحوه آشکارسازي هدف توسط رادار:

10. 9-2. اصول رادار • آناتومي سيستم رادار

11. 9-2. اصول رادار • اسکن وضع هوا به وسيله رادار • تنظميات راداري براي يافتن هدف: به طور کلي، رادار به سه نوع اطلاعات براي هدف‌گيري نياز دارد:

12. 9-2. اصول رادار • اسکن وضع هوا به وسيله رادار • تکنيک‌هاي اسکن وضع هوا: رادارهاي هواشناسي از دو تکنيک براي اسکن وضع هوا استفاده مي‌کنند:

13. 9-3. طبقه‌بندي رادارها • بر اساس طول موج

14. 9-3. طبقه‌بندي رادارها • بر اساس مکان سيستم فرستنده و گيرنده • رادارهاي Bistatic: فرستنده و گيرنده امواج راداري در دو مکان مجزا قرار مي‌گيرند. • رادارهاي Monostatic: فرستنده و گيرنده امواج راداري در مکان معيني قرار داشته و داراي آنتن مشترک هستند.

15. 9-4. برآورد کمّي بارندگي با استفاده از تصاوير راداري • قبلاً بيان شد که فاکتور بازگشت (Reflectivity factor) (Z) با اندازه ذرات بارندگي مرتبط است. • با فرض يکنواختي توزيع ذرات بارندگي،(1948)Marshal & Palmer در کانادا فرمول عمومي زير را ارايه نمودند: که در آن Z فاکتور بازگشت، R شدت بارندگي و a و b ثابت‌هاي معادله‌اند. رابطه فوق، رابطه Z-R نيز ناميده مي‌شود. هدف در اينجا، محاسبه مقدار R است زيرا Z توسط رادار اندازه‌گيري مي‌شود. رابطه فوق براي کانادا به صورت زير بدست آمده است: • براي تعيين ثابت‌هاي a و b لازم است مقدار R از ايستگاههاي باران‌سنجي گردآوري و مقدار Z در مکان ايستگاههاي باران‌سنجي از روي تصاوير راداري استخراج شود. لازم به ذکر است که R و Z به ترتيب حسب dBR وdBZ بيان مي‌شوند. • مشکل اصلي در رابطه فوق تعيين a و b است زيرا مقدار آنها براي باران‌هاي مختلف، مکانهاي مختلف و در دل يک باران خاص تغيير مي‌کند.

16. 9-4. برآورد کمّي بارندگي با استفاده از تصاوير راداري • نمونه مطالعه انجام شده: Kamil S. Ali and Medhat H. Said, 2009: Determination of Radar Z-R Relationship For Libya – Tripoli City. Proceedings of the World Congress on Engineering 2009 Vol I, WCE 2009, July 1 - 3, 2009, London, U.K.

17. 9-5. منابع خطاي راداري منابع خطا مشکلات ناشي از خصوصيات رادار مشکلات ناشي از خصوصيات هواشناسي و توپوگرافي • Beam attenuation • Permanent Echo • Anomalous propagation • Bright band • Earth curvature effect • Unrepresentative Z-R relationship • Dynamic Range • Radar wavelength • Beam width • Beam infilling

18. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات هواشناسي و توپوگرافي • Beam attenuation • عبارت است از جذب بخشي از طيف راداري توسط مايعات، جامدات و گازها و حتي بارندگي‌هاي شديد. • BA رابطه معکوس با طول موج رادار دارد. يعني در طول موج‌هاي بزرگتر تضعيف کمتر است. بنابراين، رادارهاي گرانقيمت‌تر که قطر آنتن بزرگتري دارند خطاي کمتري دارند. مثلاً استفاده از رادارهاي باند S سبب مي‌شود که پديده BA در بارندگي‌هاي شديد اتفاق نيفتد. • خطاي BA قابل حذف نيست. • Permanent Echo • در اثر برخورد Beam راداري با موانع از قبيل کوهستانها به وجود مي‌آيد. • براي رفع اين مشکل مي‌توانيم ارتفاع Beam راداري را افزايش دهيم ولي اين کار سبب مي‌شوند بارندگي‌هاي ارتفاع پايين را نتوانيم اندازه‌گيري کنيم. • روش دوم اين است که در يک روز کاملاً آفتابي رادار را راه اندازي کنيم. مقاديري که بازگشت مي‌يابد توان بازگشتي حاصل از پژواک دايمي است. در روز باراني اين پژواک دايمي از توان بازگشتي کسر مي‌شود. اين روش، روش خوبي نيست زيرا پژواک دايمي در روز صاف و باراني يکسان نيست.

19. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات هواشناسي و توپوگرافي • Anomalous Propagation • عبارت است از عبور طيف راداري در شرايط غير استاندارد (غيرمعمول) مانند لايه اينورژن يا لايه مرطوب که باعث مي‌شود طيف در مسير رفت و برگشت انحناء يابد. • اگر اينورژن زير ارتفاع 1200 متر اتفاق افتد تاثير آن قابل ملاحظه است و مي‌توان با روشهاي محاسباتي اثر آن را حذف کرد. • Bright Band • مي‌دانيم با افزايش ارتفاع تحت شرايط عادي از دماي هوا کاسته مي‌شود. در اين وضعيت اگر ابري وجود داشته باشد که مرتفع باشد ممکن است در قسمت‌هاي پايين ابر ذرات مايع، در قسمت فوقاني ذرات يخ و در قسمت وسط مخلوط يخ و مايع وجود داشته باشد. بررسي‌ها نشان داده است که اگر طيف راداري به مخلوط يخ و مايع برخورد نمايد انعکاس راداري تا 5 برابر حالت مايع گزارش مي‌شود که BB ناميده مي‌شود.

20. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات هواشناسي و توپوگرافي • Bright Band • روش حذف BB: • با استفاده از رادارهاي با نشانه روي قائم (VPR) مي‌توان BB را تشخيص داد و حذف نمود. اين رادارها پروفيل قائم Z را در اختيار قرار مي‌دهند. در اثر عبور بيم قائم از ضخامت ابر مقادير Z متفاوتي از قسمت‌هاي مختلف ابر دريافت مي‌شود. چنانچه تغييرات Z با زمان رسم شود هر جا که Z افزايش نامتعارفي نشان داد مبين وجود باند درخشان است. عيب اين روش اين است که صرفا به صورت نقطه‌اي مقدار Z را مي‌دهد که مي‌توان آن را به محدوده کمي در اطراف نقطه تعميم داد. البته با استفاده همزمان از چند رادار با نشانه روي قائم مي‌توان تاثير باند درخشان را حذف نمود. باند درخشان بيشترين اثر را در ايجاد خطاها دارد.

21. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات هواشناسي و توپوگرافي • Earth curvature effect • تحت شرايط استاندارد و معمول آب و هوا تاثير انحناي زمين روي بيم راداري از رابطه زير بدست مي‌آيد: • که: r : دامنه عمل رادار (فاصله اي که به خوبي توسط رادار هدف‌گيري مي‌شود)، ө : زاويه تابش ، E: شعاع زمين، (өh(r, : عرض بيم رادار • Unrepresentative Z-R relationship • چون اندازه و توزيع ذرات در يک حجم معين از پالس راداري چه از نظر زماني و چه از نظر مکاني به طور قابل ملاحظه‌اي تغيير مي‌کند در نتيجه ثابت‌هاي a و b مي‌توانند در زمان و مان تغيير کنند به ويژه شديداً به نوع بارندگي بستگي داشته باشند. به کارگيري غلط a و b مي‌تواند تا 10 برابر خطا ايجاد کند.

22. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات رادار • Dynamic Range • عبارت است از دامنه درستي عمل رادار. هر چه فاصله رادار تا هدف بيشتر باشد خطا نيز بيشتر است. فرض کنيد دو رادار با قدرت هدفيابي 300 و 30 کيلومتر در اختيار داريم و مي‌خواهيم هدفي که در فاصله 60 کيلومتري قرار دارد نشانه‌روي کنيم. بايد از رادار نوع اول استفاده کنيم زيرا دقت آن زياد و شدت را متناسب برآورد مي‌کند. برد مفيد رادار بسته به منطقه فرق مي‌کند. • Radar wavelength • هر چه طول موج رادار بيشتر باشد يا رادار گرانقيمت‌تري را استفاده کنيم تضعيف کمتر خواهد شد. براي مقاصد هواشناسي بهتر است از رادارهاي S و C باند استفاده کنيم. • Beam width • بين عرض بيم (يعني زاويه تابش) ، طول موج و قطر آنتن رابطه زير برقرار است: • مقدار عرض بيم در مورد رادارهاي هواشناسي يک درجه است. • در صورتي که عرض بيم درست تنظيم نشود ممکن است در مسير رفت و برگشت امواج مانع قرار بگيرد و خطا ايجاد کند.

23. 9-5. منابع خطاي راداريمشکلات ناشي از خصوصيات رادار • Beam infilling • يعني با نشانه‌روي به طرف هدف بخشي از عرض بيم خالي بماند. با کم کردن عرض بيم مي‌توان اين مشکل را بر طرف نمود. • سئوال: آيا مي‌توان به صورت انفرادي خطاهاي راداري را حذف نمود؟ • جواب: خير. نمي‌توان گفت که مثلا 3 ميلي‌متر خطا به خاطر باند درخشان، 7 ميليمتر خطا به دليل پژواک دائمي و ... است. خوشبختانه روش‌هاي ولو تجربي وجود دارد که مي‌توان تاثير کلي خطاها را پيدا نمود.

24. 9-6. روش‌هاي تعديل منطقه‌اي تصاوير راداري • به منظور تعديل منطقه‌اي تصاوير راداري از فاکتور ارزيابي (Assessment factor) استفاده مي‌شود که به صورت زير تعريف شده است: • که در آن، صورت کسر بارندگي بدست آمده از تصاوير راداري و مخرج کسر بارندگي اندازه‌گيري شده توسط باران‌سنج است. • با محاسبه AF در نقاط ايستگاههاي بارانسنجي مي‌توان به دو روش تصاوير راداري را تعديل نمود: • روش Domain : اين روش در انگلستان استفاده مي‌شود. در اين روش مناطق را بر اساس ميانگين و واريانس AF ها در گروههاي مختلف بارندگي دسته‌بندي مي‌نمايند. مثلاً در انگلستان، از نظر نوع بارش، مناطق در يکي از 4 گروه: بارش جبهه‌اي، باند درخشان، رگباري، و کوهستاني قرار مي‌گيرند. در هر يک از اين بارش‌ها و براي مناطق مختلف توصيه‌ها و روابطي ارائه مي‌شوند که کمک زيادي در افزايش دقت برآورد بارندگي مي‌نمايند. • روش رسم نقشه هم AF : در اين روش پس از محاسبه AF در محل ايستگاههاي بارانسنجي، نقشه هم AF منطقه را ترسيم مي‌کنيم.