440 likes | 531 Views
A duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterek meteorológiai alkalmazása. Horváth Gyula , Nagy József. Meteorológiai Tudományos Napok 2004 november 18-19. Duál-polarimetrikus mérések alapelve Problémák, motiváció Duál-polarimetrikus radarmérések
E N D
A duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterekmeteorológiaialkalmazása Horváth Gyula, Nagy József Meteorológiai Tudományos Napok 2004 november 18-19.
Duál-polarimetrikus mérések alapelve Problémák, motiváció Duál-polarimetrikus radarmérések Dual-polarizációs paraméterek bemutatása A paraméterek alkalmazási lehetőségei A csapadékban való gyengülés korrekciója Csapadékintenzitás becslés Halmazállapot osztályozás Összefoglalás
Problémák, motiváció • Hagyományos radarmérés: adott irányban szűk, horizontálisan polarizált elektromágneses hullámot bocsátunk ki. (mikrohullámú tartományban az EH. sebessége: c = 300 000 km/s) .
Problémák, motiváció A kibocsátott keskeny hullámnyaláb valamilyen távoli tárgyra (meteorológiai cél, csapadékelem) esik: • - elnyelés • - áteresztés • - szórás -> visszaverődés, visszaszórás • = radar-echó • A radarral a visszaszórást, reflektivitást mérjük • Elektrodinamikai visszaverődés, szórás jellegű
Problémák, motiváció Problémák! • Sohasem egyetlen csapadékelemet vizsgálunk, hanem egy térfogatot • A vizsgált térfogatban nagy számú szóró részecske van: • - geometriai formája • - mérete • - halmazállapota • eltérő lehet változatos kombinációik alakulhatnak ki
Problémák, motiváció Általános radaregyenletet -> Kibocsátott és a vett jel teljesítménye közti összefüggés GM - az antenna erősítési tényező λ - a hullámhossz h -az impulzushossz θ - a nyalábszélesség B - konstans PV - a vett jel teljesítménye PK - a kibocsátott impulzus teljesítménye η - a reflektivitási tényező r - a radartól vett távolság Két változó paraméter
Problémák, motiváció Reflektivitás, amit a radarral mérünk C – konstans K – komplex törésmutatótól függő rész Di – cseppátmérő V – mérési térfogat • A reflektivitás -> függ a mérési térfogatban lévő cseppek átmérőjétől (méret, alak, halmazállapot) Ismernünk kellene a mérési térfogatban minden egyes csepp méretét, komplex törésmutatóját, ami lehetetlen
Problémák, motiváció A mérési térfogatot (V) alkotó Di átmérőjű csapadékelemek jellemzésére: -> méreteloszlás függvényeket használnak: Radarmeteorológiában Marshall-Palmer eloszlás A meteorológiai célok (csapadékelemek) bonyolult rendszerének leírására nem alkalmas -> bonyolultabb szórásmodellek szükségesek pl.: * Különböző fázisokra alkalmazható * Különböző részecskeformákra alkalmazható
A duál-polarimetrikus radarmérések • Egyszerűbb -> mérni tudjuk a méretbeli, alakbeli, halmazállapotbeli különbségeket -> méréssel adunk becslést a vizsgált térfogatban lévő csapadékelemek tulajdonságaira • Nem egy, hanem több, különböző irányban polarizált elektromágneses hullám -> duál-polarimetrikus technika • Elméleti alapok -> évtizedekkel ezelőtt megszületettek • Napjainkban már a technikai lehetőségek is adottak
A duál-polarimetrikus radarmérések Két különböző irányban polarizált (horizontális és vertikális) impulzust használunk Duál-polarizáció:
A duál-polarimetrikus radarmérések Duál-polarizációs mérés alapelve: -> a különböző szórási tulajdonsággal rendelkező részecskék a különböző irányban polarizált sugárzást másként verik vissza • A meteorológiai célok -> eltérő szórási tulajdonságok • A visszaverődés során • megváltozhat a polarizáció iránya • eltérő lehet a reflektivitás értéke • fázisszög különbségek léphetnek fel.
A duál-polarimetrikus radarmérések Eltérő reflektivitás értékek a különböző polarizálási irányokban A polarizáltság irányának megváltozása
A duál-polarimetrikus radarmérések Fázisszög megváltozás mértéke más lehet a különböző irányban polarizált nyaláb esetében
A duál-polarimetrikus radarmérések Eddigi radarparaméterek -> nem alkalmasak az ilyen típusú változások, különbségek leírására. Milyen módon mérjünk mit mérjünk? • Új elméleti úton meghatározott paraméterek bevezetése szükséges ! • Elvárások a paraméterekkel szemben: Mérhető mennyiségek (reflektivitás, fázisszög) Ezekből számíthatóak A gyakorlatban jól alkalmazhatóak legyenek, a felsorolt változásokat, különbségeket egyértelműen leírják
A duál-polarimetrikus paraméterek • Reflektivitás különbségen alapuló paraméterek Depolarizációs arány • ZHH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel • ZVV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel • Az impulzusokat felváltva bocsátjuk ki, váltott üzemű radarral mérhető, nem szükséges a két csatorna együttes működése ZDP = 10log10(ZHH-ZVV)
A duál-polarimetrikus paraméterek Reflektivitás különbségen alapuló paraméterek Differenciális reflektivitás ZHH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel ZVV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel
Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZVV
A duál-polarimetrikus paraméterek Polarizáció változáson alapuló paraméterek Lineáris depolarizációs arány ZHH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel ZHV - horizontálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel Az impulzusokat mindig azonos irányban polarizálva bocsátjuk ki, csak kapcsolt üzemű radarral mérhető, szükséges a két csatorna együttes működése (vétel közben)
A duál-polarimetrikus paraméterek Fázisszög változással kapcsolatos paraméterek • Differenciális visszaverődési fázis • φH,V (r) különbsége φDP (r) • Folyékony halmazállapotú csapadékelemek jellemzésére -> lapultság foka -> jó becslés • Előny -> nincs gyengülési effektus • Monoton növekvő folytonos függvény -> jól kezelhető φH,V (r) – Teljes fázisszög változás r távolság alatt horizontális/vertikális polarizációs irány esetén
A duál-polarimetrikus paraméterek • Fázisszög változással kapcsolatos paraméterek • Specifikus fázisszög változás • Fázisszög változás különbségének (DP(r)) távolságegységre (km) vett megváltozása • Származtatott paraméter -> közvetlenül nem mérjük
Országos Meteorológiai Szolgálat 1999 Budapest - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band) Z, ZDR – analóg jelfeldolgozás 2003 Napkor - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band) Z, ZDR, KDP, ΦDP, - digitális jelf. 2004 Pogányvár - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band) Z, ZDR, KDP, ΦDP - digitális jelf.
Duál-polarizációs technika az utóbbi években gyors fejlődésnek indult (technikai lehetőségek adottá váltak) Alkalmazás során -> empirikus összefüggések -> esettanulmányok alapján, konkrét területre, időszakra vonatkoznak Fontos! -> Az összefüggések adaptációja, helyi klimatikus, időjárási viszonyokhoz való igazítása Saját összefüggések kidolgozása
A csapadékban való gyengülés korrekciója A csapadékban való gyengülés korrekciója A kibocsátott impulzus a csapadékelemeken szóródva veszít energiájából, gyengülést szenved a csapadékzónán való áthaladáskor. (Mindez X-band és C-band radarok esetében jelentős) A reflektivitás értékeiben mindez hibát okoz Empirikus formula Csapadékintenzitás becslése során -> hiba Z- reflektivitás R- csapadék intenzitás a,b- konstansok (a=200, b=1,6)
A csapadékban való gyengülés korrekciója A gyengülés: Ah definíció szerint (b=0,991) Reflektivitás gyengülésének korrekciójára vonatkozó eljárások alapját képezi (ZDR szintén) KDP helyett -> gyakran ΦDP Zh – valós reflektivitás Zhm – mért reflektivitás
A csapadékintenzitás becslés A csapadékintenzitás becslés Felszíni csapadék mennyiség meghatározása -> radarmeteorológia egyik fő feladata. Esőcseppek -> lapított gömb alakú részecskék -> Lapítottság foka a cseppnagysággal összefüggésben ismert. Polarimetrikus paraméterek -> becslés a lapítottságra -> becslés a cseppméretre Empirikus formulák egy vagy több duál paraméterrel
A csapadékintenzitás becslés Duál paramétert használó empirikus formulák R(KDP,ZDR) = a*(KDP)b*10[c*ZDR] R(ZH,ZDR) = d*(ZH)e*10f*ZDR R(KDP) = g*(KDP)h R(ZH) = (i*ZH)j R(ZH,ZDR) = k* (ZH)l* (ZDR)m Mindehhez szükséges a duál paraméterek korrekciója
A csapadék-halmazállapot osztályozás A csapadék-halmazállapot osztályozás • Osztályozó táblázatokat alkotnak -> egy vagy több duál paraméter alapján • Értékpár (vektor) -- halmazállapot • Esettanulmányok alapján,tapasztalatti úton • OMSZ • Gyári EDGE osztályozó táblák => különböző időjárási helyzetekre előállítva ( használható három):
A csapadék-halmazállapot osztályozás Víz-tábla
A csapadék-halmazállapot osztályozás Jég-tábla
A csapadék-halmazállapot osztályozás Hó-tábla
Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km ZDR
Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km Halmazállapot Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem
Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km ZHH Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km ZDR
Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km Halmazállapot Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem
Országos Meteorológiai Szolgálat -> OTKA pályázat ( T 043010 OTKA ) Elméleti eloszlásmodellek, reflektivitás éspolarizációs paraméterek közti összefüggések vizsgálata Duál-polarizációs radartechnika gyakorlati alkalmazása szempontjából fontos kutatási terület
Összegzés Összegzés A duál-polarimetrikus radartechnika gyors fejlődésnek indult az utóbbi években A hagyományos radarmérések hibáinak kiküszöbölésére megoldás lehet a duál-polarizáció Még nem „bejáratott” módszerek, fontos megtalálni, adaptálni a megfelelő algoritmusokat Magyarország -> három duál-polarizációs radar -> rendszeres duál mérések
Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZVV