A duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterek meteorológiai alkalmazása Horváth Gyula, Nagy József Meteorológiai Tudományos Napok 2004 november

 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

 Hagyományos radarmérés: adott irányban szűk, horizontálisan polarizáltelektromágneses hullámot bocsátunk ki. (mikrohullámú tartományban az EH. sebessége: c = 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 G M - az antenna erősítési tényező λ- a hullámhossz h- az impulzushossz θ- a nyalábszélesség B- konstans P V - a vett jel teljesítménye P K - a kibocsátott impulzus teljesítménye η - a reflektivitási tényező r - a radartól vett távolság  Két változó paraméter

 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 C – konstans K – komplex törésmutatótól függő rész D i – cseppátmérő V – mérési térfogat Reflektivitás, amit a radarral mérünk

 A mérési térfogatot (V) alkotó D i átmérőjű csapadékelemek jellemzésére: -> méreteloszlás függvényeket használnak: Radarmeteorológiában Marshall-Palmer eloszlás Problémák, motiváció A meteorológiai célok (csapadékelemek) bonyolult rendszerének leírására nem alkalmas -> bonyolultabb  A meteorológiai célok (csapadékelemek) bonyolult rendszerének leírására nem alkalmas -> bonyolultabb szórásmodellek szükségesek pl.: * Különböző fázisokra alkalmazható * Különböző részecskeformákra alkalmazható

 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 A duál-polarimetrikus radarmérések Duál-polarizáció:

 Duál-polarizációs mérés alapelve: őő ő irányban -> 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 ő lehet a reflektivitás értéke  eltérő lehet a reflektivitás értéke  fázisszög különbségek léphetnek fel. A duál-polarimetrikus radarmérések

ő  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

 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 radarmérések

Reflektivitás különbségen alapuló paraméterek  Depolarizációs arány Z HH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel Z VV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel Az impulzusokat felváltva bocsátjuk ki, váltott üzemű radarral mérhető, nem szükséges a két csatorna együttes működése Z DP = 10log 10 (Z HH -Z VV ) A duál-polarimetrikus paraméterek

Differenciális reflektivitás  Differenciális reflektivitás Reflektivitás különbségen alapuló paraméterek Z HH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel Z VV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan vett jel

Napkor : km Z VV Napkor : km Z HH

Napkor : km Z DR

A duál-polarimetrikus paraméterek Lineáris depolarizációs arány  Lineáris depolarizációs arány Polarizáció változáson alapuló paraméterek Z HH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan vett jel Z HV - 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)

 Differenciális visszaverődési fázis  φ H,V (r) különbsége φ DP (r)  Folyékony halmazállapotú csapadékelemek jellemzésére -> lapultság foka -> jó becslés  Előny -> nincs gyengülési effektus  Monoton növekvő folytonos függvény -> jól kezelhető A duál-polarimetrikus paraméterek Fázisszög változással kapcsolatos paraméterek φ H,V (r) – Teljes fázisszög változás r távolság alatt horizontális/vertikális polarizációs irány esetén

Napkor : km Z H

Napkor : km φ DP

Fázisszög változással kapcsolatos paraméterek  Specifikus fázisszög változás  Fázisszög változás különbségének (  távolságegységre (km) vett  Fázisszög változás különbségének (  DP (r)) távolságegységre (km) vett megváltozása  Származtatott paraméter -> közvetlenül nem mérjük A duál-polarimetrikus paraméterek

Országos Meteorológiai Szolgálat 1999 Budapest - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band) Z, Z DR – analóg jelfeldolgozás 2003 Napkor - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band), K DP, Φ DP Z, Z DR, K DP, Φ DP, - digitális jelf Pogányvár - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band), K DP, Φ DP Z, Z DR, K DP, Φ DP - 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 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: A h definíció szerint (b=0,99  1)  Reflektivitás gyengülésének korrekciójára vonatkozó eljárások alapját képezi (Z DR szintén) K DP Φ DP  K DP helyett -> gyakran Φ DP Z h – valós reflektivitás Z hm – mért reflektivitás

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(K DP,Z DR ) = a*(K DP )b* 10 [c*Z DR ] R(Z H,Z DR ) = d*(Z H ) e *10 f*Z DR R(K DP ) = g*(K DP ) h R(Z H ) = (i*Z H ) j R(Z H,Z DR ) = k* (Z H ) l * (Z DR ) m Mindehhez szükséges a duál paraméterek korrekciója

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 : km Z DR Napkor : km Z HH

Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem Napkor : km Halmazállapot

Napkor : km Z DR Napkor : km Z HH

Ismeretlen Sűrű hó Szitálás Eső Nagy jégszem Napkor : km Halmazállapot

 Országos Meteorológiai Szolgálat -> OTKA pályázat ( T OTKA )  Elméleti eloszlásmodellek, reflektivitás és polarizációs 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

Köszönöm a figyelmet!

Napkor : km Z VV Napkor : km Z HH