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