a duál-polarimetrikus mérések alapelve, a paraméterek meteorológiai alkalmazása

A duál-polarimetrikus

mérések alapelve, a

paraméterek

meteorológiai

alkalmazása

Horváth Gyula, Nagy József

Meteorológiai Tudományos Napok 2004 november 18-19.

Az előadás vázlata

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

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

Hagyományos radarmérés: adott irányban szűk,

horizontálisan polarizáltelektromágneses hullámot

bocsátunk ki. (mikrohullámú tartományban az EH.

sebessége: c = 300 000 km/s) .

Problémák, motiváció

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

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

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

Problémák, motiváció

Problémák!

Sohasem egyetlen csapadékelemet vizsgálunk, hanem egy térfogatot

A vizsgált térfogatban nagy számú szóró részecske van:

- geometriai formája- geometriai formája

- mérete- mérete

- halmazállapota- halmazállapota

eltérő lehet változatos kombinációik

alakulhatnak ki

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

Problémák, motiváció

Általános radaregyenletet -> Kibocsátott és a vett jel teljesítménye közti összefüggés

GM - az antenna erősítési tényezőλ - a hullámhosszh - az impulzushosszθ - a nyalábszélességB - konstansPV - a vett jel teljesítménye

PK - a kibocsátott impulzus teljesítménye

ηBr

hθλGPP 2

222MK

V

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

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

Problémák, motiváció

V

DKCη

6i

V

6iD

V1

Z

C – konstans

K – komplex törésmutatótól függő rész

Di – cseppátmérő

V – mérési térfogat

Reflektivitás, amit a radarral mérünk

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

A mérési térfogatot (V) alkotó Di átmérőjű csapadékelemek jellemzésére:

-> méreteloszlás függvényeket használnak:

Radarmeteorológiában Marshall-Palmer eloszlás

Problémák, motiváció

A meteorológiai célok (csapadékelemek) bonyolult A meteorológiai célok (csapadékelemek) bonyolult rendszerének leírására nem alkalmas -> bonyolultabb 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 mérések alapelve

A duál-polarimetrikus radarmérések

Két különböző irányban polarizált Két különböző irányban polarizált (horizontális és vertikális) (horizontális és vertikális) impulzust használunkimpulzust használunk

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

A duál-polarimetrikus radarmérések

Duál-Duál-polarizáció:polarizáció:

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

Duál-polarizációs mérés alapelve:

-> a különbözőő szórási tulajdonsággal rendelkezőő

részecskék a különböző iránybanő irányban polarizált sugárzást

másként verik vissza

A meteorológiai célok -> eltérő szórási tulajdonságok

A visszaverődés során

megváltozhat a polarizáció iránya eltérő lehet a reflektivitás értékeő lehet a reflektivitás értéke fázisszög különbségek léphetnek fel.

A duál-polarimetrikus radarmérések

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

A duál-polarimetrikus radarmérések

Eltérő ő reflektivitás értékek a különböző polarizálási irányokban

A polarizáltság irányának megváltozása

A duál- polarimetrikus mérések alapelve

A duál-polarimetrikus radarmérések

Fázisszög megváltozás mértéke más lehet a különböző irányban polarizált nyaláb esetében

A duál- polarimetrikus paraméterek

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 Reflektivitás különbségen alapuló paraméterekparaméterek

Depolarizációs arány

ZZHHHH - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan - horizontálisan kibocsátott, horizontálisan

vett jelvett jel

ZZVVVV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan

vett jelvett jel

Az impulzusokat felváltva bocsátjuk ki, váltott üzemű Az impulzusokat felváltva bocsátjuk ki, váltott üzemű

radarral mérhető, nem szükséges a két csatorna együttes radarral mérhető, nem szükséges a két csatorna együttes

működéseműködése

A duál- polarimetrikus paraméterek

ZDP = 10log10(ZHH-ZVV)

A duál-polarimetrikus paraméterek

A duál- polarimetrikus paraméterek

A duál-polarimetrikus paraméterek

Differenciális reflektivitásDifferenciális reflektivitás

VV

HH10DR Z

Z10logZ

Reflektivitás különbségen alapuló paraméterekReflektivitás különbségen alapuló paraméterek

ZZHHHH - horizontálisan kibocsátott, - horizontálisan kibocsátott,

horizontálisan horizontálisan vett jelvett jel

ZZVVVV - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan - vertikálisan kibocsátott, vertikálisan

vett jelvett jel

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

Napkor 2004.11.13. 14:49 120 km ZDR

A duál- polarimetrikus paraméterek

A duál-polarimetrikus paraméterek

Lineáris depolarizációs arányLineáris depolarizációs arány

HH

HV10DR Z

Z10logL

Polarizáció változáson alapuló paraméterekPolarizáció változáson alapuló paraméterek

ZZHHHH - horizontálisan kibocsátott, - horizontálisan kibocsátott,

horizontálisan horizontálisan vett jelvett jel

ZZHVHV - horizontálisan kibocsátott, vertikálisan - horizontálisan kibocsátott, vertikálisan

vett jelvett jel

Az impulzusokat mindig azonos irányban polarizálva Az impulzusokat mindig azonos irányban polarizálva

bocsátjuk ki, csak kapcsolt üzemű radarral mérhető, bocsátjuk ki, csak kapcsolt üzemű radarral mérhető,

szükséges a két csatorna együttes működése (vétel közben)szükséges a két csatorna együttes működése (vétel közben)

Differenciális visszaverődési fázisDifferenciális 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

A duál- polarimetrikus paraméterek

A duál-polarimetrikus paraméterek

Fázisszög változással kapcsolatos paraméterekFázisszög változással kapcsolatos paraméterek

rr VHDP φφrφ

φH,V (r) – Teljes fázisszög változás r távolság alatt horizontális/vertikális polarizációs irány esetén

Napkor 2004.11.13. 13:49 120 km ZH

Napkor 2004.11.13. 13:49 120 km φDP

Fázisszög változással kapcsolatos Fázisszög változással kapcsolatos paraméterekparaméterek

Specifikus fázisszög változás Specifikus fázisszög változás

Fázisszög változás különbségének (Fázisszög változás különbségének (DP(r)) távolságegységre (km) vett távolságegységre (km) vett megváltozása

Származtatott paraméter -> közvetlenül nem mérjük

A duál- polarimetrikus paraméterek

A duál-polarimetrikus paraméterek

DPDP Φdrd

21

K =

A duál- polarimetrikus paraméterek

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, K, KDPDP, Φ, ΦDPDP, - digitális jelf.

2004 Pogányvár - Dual-polarizációs Doppler-radar (C-band)

Z, ZDR, K, KDPDP, Φ, ΦDP DP - digitális jelf.

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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 duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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

bRaZ Z- reflektivitás

R- csapadék intenzitás

a,b- konstansok (a=200, b=1,6)

A csapadékban való gyengülés korrekciója

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

A csapadékban való gyengülés korrekciója

A gyengülés: Ah definíció szerint

(b=0,991)

Reflektivitás gyengülésének korrekciójára vonatkozó eljárások alapját képezi (ZDR szintén)

KKDPDP helyett -> gyakran Φ ΦDPDP

dssA2rZrZr

0hhmh

bDPh αKA =

Zh – valós reflektivitás

Zhm – mért reflektivitás

dBZ

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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 duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

A csapadék-halmazállapot osztályozás

Víz-tábla

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

A csapadék-halmazállapot osztályozás

Jég-tábla

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

A csapadék-halmazállapot osztályozás

Hó-tábla

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

Ismeretlen

Sűrű hó

Szitálás

Eső

Nagy jégszem

Napkor 2004.11.13. 13:19 120 km Halmazállapot

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

Ismeretlen

Sűrű hó

Szitálás

Eső

Nagy jégszem

Napkor 2004.07.26. 15:20 120 km Halmazállapot

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

Országos Meteorológiai Szolgálat ->OTKA pályázat ( T 043010 OTKA )

Elméleti eloszlásmodellek, reflektivitás és polarizációs paraméterek közti összefüggések vizsgálata

Duál-polarizációs radartechnika gyakorlati alkalmazása szempontjából fontos kutatási terület

A duál paraméterek alkalmazási lehetőségei

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