A duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterek meteorológiai alkalmazása

1. A duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterekmeteorológiaialkalmazása Horváth Gyula, Nagy József Meteorológiai Tudományos Napok 2004 november 18-19.

2.  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

3. Problémák, motiváció • Hagyományos radarmérés: adott irányban szűk, horizontálisan polarizált elektromágneses hullámot bocsátunk ki. (mikrohullámú tartományban az EH. sebessége: c = 300 000 km/s) .

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. A duál-polarimetrikus radarmérések Két különböző irányban polarizált (horizontális és vertikális) impulzust használunk Duál-polarizáció:

11. 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.

12. A duál-polarimetrikus radarmérések  Eltérő reflektivitás értékek a különböző polarizálási irányokban  A polarizáltság irányának megváltozása

13. A duál-polarimetrikus radarmérések Fázisszög megváltozás mértéke más lehet a különböző irányban polarizált nyaláb esetében

14. 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

15. 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)

16. A duál-polarimetrikus paraméterek Reflektivitás különbségen alapuló paraméterek  Differenciális reflektivitás ZHH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel ZVV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel

17. Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZVV

18. Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZDR

19. 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)

20. 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

21. Napkor 2004.11.13. 13:49 120 km ZH

22. Napkor 2004.11.13. 13:49 120 km φDP

23. 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

24. 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.

25.  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

26. 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)

27. A csapadékban való gyengülés korrekciója A gyengülés: Ah definíció szerint (b=0,991)  Reflektivitás gyengülésének korrekciójára vonatkozó eljárások alapját képezi (ZDR szintén)  KDP helyett -> gyakran ΦDP Zh – valós reflektivitás Zhm – mért reflektivitás

28. 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

29. 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

30. 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):

31. A csapadék-halmazállapot osztályozás Víz-tábla

32. A csapadék-halmazállapot osztályozás Jég-tábla

33. A csapadék-halmazállapot osztályozás Hó-tábla

37. Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km ZDR

38. Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km Halmazállapot Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem

39. Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km ZHH Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km ZDR

40. Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km Halmazállapot Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem

41.  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

42. 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

43. Köszönöm a figyelmet!

44. Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZHH Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZVV