Radar meteorológico

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Un radar meteorológico ó radar meteo es un tipo de radar usado en meteorología para localizar lluvias, calcular sus trayectorias y estimar sus tipo (lluvia, nieve, granizo, etc.). Además, los datos tridimencionales pueden reanalizarse para extraer la estructura de las tormentas y su potencial de daño. Finalmente, los ecos de precipitaciones y de atmósfera clara del radar meteo permiten estimar dirección y velocidad del viento en las partes bajas de la atmosfera.

El Radar Meteo suele usarse junto con detectores de rayos, para ubicar la actividad mayor de una tormenta.

Radar meteo en Norman, Oklahoma, con domo antilluvia (NOAA)

Tabla de contenidos

1 Historia
2 Principios del radar en meteorología
- 2.1 Microonda pulsada electromagnética (en el órder del microsegundo)
- 2.2 Ecuación para Radar con blancos meteorológicos
3 Fuente
4 Bibliografía
5 Enlaces externos

[editar] Historia

En la Segunda Guerra Mundial, los operadores de radar notaban ruido en ecos de retorno debido a elementos climáticos (lluvia, nieve, celisca, etc.)

Poco después del conflicto, los científicos militares volvían a la vida civil ó continuaban en las Fuerzas Armadas, investigando el desarrollo de uso de aquellos ecos:

En EE.UU.: David Atlas^[1], Fuerza Aérea de EE.UU., y el grupo que primero y más tarde lideró los primeros radares meteo MIT.
En Canada : J.S. Marshall y R.H. Douglas forman el «Grupo de Tiempo Tormentoso ^[2]» en Montreal. : Marshall y, el estudiante de doctorado, Walter Palmer son bien conocidos por su trabajo sobre el tamaño de gotas y su distribución en latitudes medias de la lluvia que fijan la relación lluvia - reflectividad del radar (relación Z-R)
En Gran Bretaña: continuaron los estudios de patrones de "ecos de radar y tiempo" (lluvias estratiformas, nubes convectivas, etc.) y experimentos evaluando el potencial de diferentes longituds de onda de 1 a 10 cm

Entre 1950 y 1980, los radares de reflectividad (que dan posición e intensidad de la lluvia) se construyeron por los Servicios Meteorológicos de países muy desarrollados. Los meteorólogos tenían que observar con tubo de rayos catódicos.

En los años 1970, los radares se estandarizan y se organizan en redes. Se desarrolla el primer artefacto para capturar imágenes de radar. El Nº de ángulos escaneados sube para obtener vistas tri-dimensionales de la lluvia, se mejoran los barridos horizontales (CAPPI) y verticales. Estudios de la organizactión de tormentas se hacen posible con el Proyecto Alberta Hail y el NSSL en EE.UU. El NSSL se crea en 1964, comenzando a experimentar sobre señales de polarización dual y en usos de Efecto Doppler (ver Radar Doppler.

Entre 1980 y 2000, las redes de radares meteo son norma en Norteamérica, Europa, Japón y otos países desarrollados. Los radares convencionales son reemplazados por los Doppler para añadir información sobre velocidad. En EE.UU., desde 1988, la red son radares de longitud de onda de 1 dm, los NEXRAD ó WSR-88D.

En Canadá, la Environment Canadá construye la estación King City^[3], con un radar Doppler de 5 cm, en 1985; y la Universidad McGill doppleriza ese radar (CWMN) en 1993. Así completa la Red Canadiense de Radares Meteo ^[4] entre 1998 y 2004. Francia y otros países europeos cambian a redes Doppler a fines de los años1990 y principios de los 2000. Se desarrollan computadoras para procesar los algoritmos de detección de signos de tiempo severo.

Después de 2000, la investigación de la polarización dual pasa al uso de información adicional para tipificar precipitaciones.

Los Radares se actualizan hacia fines de los años 1990 en EE.UU, Francia^[5], y Canadá.

Desde 2003, NOAA experimenta con radar de fase, reemplazando antenas convencionales parabólicas para dar más resolución temporal al ruido atmosférico. Esto podría ser muuy importante en tormentas severas, dando su evolución con mejor evaluación de los datos temporales.

[editar] Principios del radar en meteorología

[editar] Microonda pulsada electromagnética (en el órder del microsegundo)

Trayectoria del haz y volumen escaneado

Los radares meteo son radares de pulso. El generador de microonda es usualmente un magnetrón ó un klistrón con 1 a 10 cm de ancho de banda. La onda es transmitida por una guía de ondas a una antena parabólica, y hacia el blanco.

A diferencia del radar de vuelo, el radar meteo tiene un blanco numeroso en volumen, haz del radar: $\, {h r^2 \theta^2}$ (h ancho del pulso, r distancia al radar y $Θ$ ancho de haz).

Con un radar típico de pulso y su ancho de rayo, el volúmen escaneado varía grandemente, hasta 250 ó 300 km. Por ej., el retorno de una distancia dada será promedio de los ecos en un volumen del órden de 1 km³ de aire.

[editar] Ecuación para Radar con blancos meteorológicos

Debido a que los blancos varían en volumen, la Ecuación del Radar se desarrolla:

$P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 \sigma^0}\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \propto \frac {\sigma^0} {R^4}$

donde $\,P_r$ es potencia recibida, $\,P_t$ es potencia trasmitida, $\,G_t$ es la ganancia de la antena trasmisora, $\,\lambda$ es el ancho de banda del radar, $\,\sigma$ es la sección del blanco de radar, $\,R$ es la distancia del trasmisor al blanco.

En este caso, hay que agregar las secciones a todos los blancos:

$\sigma^0 = \bar \sigma^0 = V \sum \sigma^0_j = V \eta$

$\begin{cases} V\quad= escaneado\ volumen \\ \qquad= pulso\ longitud\ \ X\ haz\ ancho \\ \qquad= \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \end{cases}$

donde $\,c$ es la velocidad de la luz, $\,\tau$ es la duración del pulso y $\,\theta$ es el ancho del haz medido en radianes.

Combinando las dos ecuaciones:

$P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 }\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \eta = \left [P_t \tau G^2 \lambda^2 \theta^2 \right] \left[\frac {c}{512(\pi^2)} \right] \frac {\eta} {R^2}$

Donde lidera a:

$P_r \propto \frac {\eta} {R^2}$

Notar que el retorno ahora varía inversamente a $\, R^2$ en vez de $\,R^4$ .

Comparando los datos viniendo de diferentes distancias al radar, uno las ha normalizado con esta relación.

[editar] Fuente

[Wikipedia en inglés http://en.wikipedia.org/wiki/Weather_radar]

↑ David Atlas, "El Radar en Meteorología", editor Sociedad Americana de Meteorología
↑ Stormy Weather Group. McGill University ((2000)). Consultado el 2006-05-21.
↑ The King City Operational Doppler Radar: Development, All-Season Applications and Forecasting (PDF). Canadian Meteorological and Oceanographic Society (1990). Consultado el 2006-05-24.
↑ Information about Canadian radar network. The National Radar Program. Environment Canada (2002). Consultado el 2006-06-14.
↑ The PANTHERE project and the evolution of the French operational radar network and products: Rain estimation, Doppler winds, and dual polarization. Météo-France. 32nd Radar Conference of the AMS, Albuquerque, NM (2005). Consultado el 2006-06-24.

[editar] Bibliografía

Atlas, David. 1990. Radar en Meteorology: Battan y la Conferencia 40ª Aniversario del Radar Meteorológico, editor American Meteorological Society, Boston, 806 p., ISBN 0-933876-86-6, AMS Code RADMET.

Blanchard, Yves. 2004. Le radar, 1904-2004: histoire d'un siècle d'innovations techniques et opérationnelles , editor Ellipses, París, Francia, ISBN 2-7298-1802-2

Doviak, R. J. et D. S. Zrnic 1993. Doppler Radar and Weather Observations, Academic Press. Seconde Edition, San Diego Cal., p. 562.

Yau, M. K. y R. R. Rogers. 1989. Curso Corto en Física de Nubes, 3ª Edición, editor Butterworth-Heinemann, 1 enero de 1989, 304 p.. EAN 9780750632157 ISBN 0750632151

Wakimoto Roger M. y Ramesh Srivastava. 2003. Radar y Ciencia Atmosférica: una Colección de Ensayos en Honor de David Atlas, editor American Meteorological Society, Boston, agosto 2003. Series: Meteorological Monograph , Vol 30, Nº 52, 270 p. ISBN 1-878220-57-8; AMS Code MM52.