Curso Radar 4

Radar meteorológico: fundamentos

 



Fondo histórico

  • La capacidad de los radares meteorológicos para detectar la lluvia ya era conocida en los años 40 (ver Figura 1.0). Su desarrollo inicial se produjo durante la segunda guerra mundial tras la invención del magnetrón de resonancia, con el que fue posible emitir una cantidad considerable de potencia a unas longitudes de onda de varios centímetros.

  • Una de las consecuencias no buscadas fue que la lluvia y la nieve se hicieron claramente visibles. Esa nueva habilidad para detectar la lluvia de forma remota, observar su patrón en el espacio y su evolución en el tiempo fue la impulsora del desarrollo de los radares meteorológicos.

 

Figura 1.0 Imágenes recogidas en el MIT, en Cambrige Massachusetts, en 1942 por un radar de banda S. Figura extraída de Radar in Meteorology, (Battan memorial and 40th anniversary of the radar meteorology,Ed. AMS).



Funcionamiento básico

  • El principio de funcionamiento del radar meteorológico es el de emitir a través de una antena un pulso de energía electromagnética de duración t (del orden de los ms) y de longitud de onda l (del orden de los centímetros, ya que el blanco deseado son las gotas de agua) (Figura 1.1).

 


Figura 1.1 Idealización de la emisión de un pulso de duración t y de longitud de onda l. Ese pulso al ser emitido a la velocidad de la luz, c, se extenderá por un intervalo ct.

  • Esa energía se concentra en un haz que al emitirse al exterior y por efecto de la difracción toma una forma cónica. En el interior de ese cono la energía no se distribuye de forma uniforme sino en forma de lóbulo: es mucho mayor en el centro y decrece rápidamente al alejarse de éste.

 

  • Debido a que es imposible confinar toda la energía en dicho cono parte de ésta escapa fuera de él. Como resultado la energía emitida se distribuye en forma de un lóbulo central (que es el que contiene la mayor parte de la energía) y una serie de lóbulos secundarios de menor energía (ver Figura 1.2).

     

 



Figura 1.2 Idealización de la distribución de la energía emitida por el radar en un lóbulo central y una serie de lóbulos secundarios.



Captación de la energía por una gota de lluvia

  • Cuando esa energía es interceptada por un 'blanco' (por ejemplo, una gota de agua) se dispersa en todas direcciones (ver Figura 1.3), de forma que una fracción es devuelta en dirección al radar y captada por el receptor (normalmente localizado en la misma antena).

 

  • La distancia al 'blanco' se determina registrando el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción de la energía y sabiendo que dicha energía se trasmite a la velocidad de la luz.

 



Figura 1.3 Esquema de la energía captada y reflejada por una gota. Sabiendo que la energía se transmite a la velocidad de la luz, c, y registrando el tiempo t entre la emisión y recepción de la señal, la distancia a la gota se puede expresar como d = ct/2.



Ecuación del radar

 

  • En realidad lo que registra el radar es la energía devuelta en su dirección por las gotas de agua situadas en el interior de un cierto volumen Vres (ver Figura 1.4).

 

 

  • Esa energía, que se mide en forma de potencia, se puede expresar como,

 

 

 

Donde P es la potencia media devuelta por las gotas situadas en el interior del Vres situado a una distancia r0 del radar. La potencia se expresa como media debido a que el radar usualmente emite un tren de n pulsos; así para un volumen situado a una distancia r0 se miden n valores de potencia que luego se promedian.

  • El motivo de tomar n medidas de un volumen es que de esta forma la medida final es mas robusta (ya que la potencia varía en el tiempo debido al movimiento de las gotas en el interior del volumen).

 

  • Por otro lado la constante C agrupa toda una serie de características relacionadas con el radar, es lo que se conoce como la constante del radar.

 

  • Finalmente la reflectividad, Z, es la variable relacionada con las gotas que se puede derivar una vez medida la potencia P. Posteriormente veremos como se define dicha variable y que como es posible relacionarla con la intensidad de lluvia.

 


Figura 1.4 Volumen de tamaño radial c t/2 que se corresponde con la energía medida en un instante determinado y asociada a un distancia dada.



Principio de la medida de lluvia por radar

  • La reflectividad Z se define como la suma de los diámentros a la sexta potencia de las gotas contenidas en el interior de un volumen, es decir,

 

 

 

Donde N(D) es función de distribución de las gotas de agua.

  • Por su parte la intensidad de lluvia se puede expresar como, el flujo de agua através de una superficie, y también se puede formular en función de N(D) como,

 

 

 

  • A partir de datos experimentales de Z y R se ha comprobado que las relacion entre ambas variables suele responder a una función potencial del tipo,

 

 

 

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