docRadar Polarimétrico
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Radar Polarimétrico
Projeto CHUVA Radar Polarimétrico (Dupla polarização) 6 Jojhy Sakuragi [email protected] Divisão de Satélite e Sistemas Ambientais INPE/CPTEC/DSA Radar Meteorológico Polarimétrico As gotas não são esféricas (gravidade + fricção) A propagação do sinal eletromagnético é diferente nas polarizações horizontal e vertical. Campo elétrico Radar Meteorológico Polarimétrico HH HH HH HH HH HH HH HH _|___|___|___|___|___|___|___| VV VV VV VV VV VV VV VV _|___|___|___|___|___|___|___| H e V são simultâneos na transmissão e na recepção H V H V H V H V _|___|___|___|___|___|___|___| H e V são alternados na transmissão e simultâneos na recepção Radar Meteorológico Polarimétrico Radar de dupla polarização (SHV) H V Propagação e retroespalhamento • Efeitos de retroespalhamento causados por partículas dentro do volume de resolução do radar • Efeitos de propagação causados por partículas entre o radar e o volume de resolução Obs: ambos efeitos dependem do estado da polarização Co-polarização x polarização cruzada Co-polarização recebe na mesma polarização a da emitida. Terminologia: Zvv or Zhh Polarização cruzada recebe na polarização oposta a da emitida. Terminologia: Zhv or Zvh Nota: nem todos os radares dual-pol são capazes de operarem com polarização cruzada Potencial da dupla polarização • Identificação dos tipos de espalhadores (i.e., hidrometeoros, biológico, superfície/mar, chaff, UFO) • Medidas quantitativas de chuva muito melhores • Detecção de tornados • Detecção de granizo • O conteúdo de hidrometeoros e suas propriedades que causam diferenças em suas assinaturas polarimétricas • Papel da precipitação na gênesis de tornado • Determinação do tamanho do granizo • Fornece parâmetros da precipitação para inclusão em Modelos de Previsão Numérica • Detecção de gelo Variáveis polarimétricas • Depende dos hidrometeoros na sua: – forma – Orientação – Constante dielétrica – Distribuição dos tamanhos – Comprimento de onda λ Precipitation Model Radar Observation ^ ^ Z, Z N(X) In Situ Observation DR Z, Z Scattering Model Measurand Model DR ,K DP ^ ,K DP ... ... Comparison Relacionando variáveis polarimétricas aos tipos de hidrometeoros Efeitos de retroespalhamento polarimetrico Refletividade diferencial • Zdr [dB] • Razão entre a refletividade horizontal e a vertical • Zdr = 10 log(Zhh/Zvv) Razão linear de despolarização • Ldr [dB] • Taxa entre a refletividade polar cruzada e a co-polarização horizontal • Ldr = 10 log(Zvh/Zhh) Correlação Co-polar • ρhv [ ] • Coeficiente de correlação entre energia refletida co-polar na horizontal e vertical • ρhv = corr { Zhh; Zvv} Obs: Zab a: polarização emitida b: polarização recebida Refletividade diferencial Zdr Para gotas: Zdr é (mais ou menos) proporcional ao tamanho das gotas Para granizo: • Zdr = 0 • granizo muda de posição durante a queda • Sem orientação preferencial Refletividade diferencial Zdr - Medida do diâmetro médio da gota - útil para a discriminar chuva, granizo e neve - Contem informações sobre a forma das partículas, orientação e índice de refração (densidade) Alto ZDR Baixo ZDR • gota grande • gotas pequenas • flocos de neve molhada, cristais de neve • graupel, granizo • insetos, pássaros e chaff • eco de terreno • neve agregada seca Refletividade diferencial Zdr Padrão do ZDR próximo à superfície em duas supercélulas May 8, 2003 May 10, 2003 Correlação Co-polar ρhv Para água pura e gelo puro: ρhv é muito alto (> 0,95) Para partículas misturadas: • camada de fusão: ρhv < 0,9 • insetos etc.: ρhv < 0,85 ρhv é sensível a: • mistura de partículas • distribuição dos ângulos de orientação • formas irregulares das partículas Correlação Co-polar ρhv ρhv(0) de formas esféricas ou fixas de pequenos hidrometeoros Correlação Co-polar ρhv para orientação aleatória de esferóides achatados ρhv Correlation co-polar < 0.95 em Correlação Co-polar ρhv Para espalhadores Rayleigh com protuberâncias Granizos enormes com protuberâncias Correlação Co-polar chuva Precip insetos ρhv Correlação Co-polar Banda X – Polarimétrico sem filtro ρhv Com filtro ρhv > 0.6 Eliminação de alvos não-meteorológicos Efeitos de propagação polarimétricos Gotas de chuva têm formas obladas e são orientadas. Portanto, a onda H encontra mais massa tornando-a mais lenta na propagação, sofrendo atraso progressivamente do que a onda V. Eh Ev Diferencial de fase ΦDP (two way!) δ 2∫(kh – kv)dr H = Eh exp[ j (2π ft − Φ h )] V = Ev exp[ j (2π ft − Φ v )] H Φ DP = Φ h − Φ v = V r time H 0 ΦDP V time ΦDP =2∫ ( k h − kv ) dr + δ ΦDP não é afetado pela descalibração do radar, atenuação e bloqueio parcial do feixe Differential Phase Diferencial de fase ΦDP r Φ DP ( r ) = δ + 2 ∫ K DP dr 0 Baixo δ Todos hidrometeoros (exceto granizo e neve molhada) Alto KDP • chuva forte • cristais de neve δ - backscatter differential phase KDP – specific differential phase Alto δ Espalhadores não-meteorológicos Baixo KDP • chuva fraca • granizo • neve seca agregada Diferencial de fase ΦDP Polarimetric Radar - Pol Variables Norman, Aug/13/2011, KOUN, S band Z (dBZ) ΦDP (deg) Diferença de fase específica KDP Derivada espacial de ΦDP • Kdp [ º km-1] • Proporcional a intensidade da chuva! d Φ DP ( r ) K DP ( r ) = 2dr ONE WAY!! Diferença de fase específica KDP ΦDP, KDP, e Z vs Distância Diferença de fase específica KDP Diferença de fase específica em granizo/chuva • Granizo é estatisticamente isotrópico, portanto não afeta o KDP (KDP=0) • Gotas em mesclas geram diferencial de fase (ΦDP) • Portanto, o KDP capta a chuva na mistura • Para quantificar a quantidade de chuva, a relação entre R(KDP) deve ser desenvolvida Relação entre R e KDP Metodologia: Disdrômetro Parsival, modelo T-Matrix Equação: R = b .(KDP)a Diferença de fase específica KDP Refletividade Z (dBZ) Diferença de fase específica KDP Diferença de fase específica KDP (o/km) RESUMO das variáveis polarimétricas Variáveis polarimétricas para o modo simultâneo (SHV) 1. Fator de refletividade Z na polarização horizontal - medida do tamanho e concentrações dos espalhadores 2. Refletividade diferencial ZDR - measure of median drop diameter - útil para a discriminação entre chuva/granizo/neve 3. Diferencial de fase ΦDP - útil para a estimativa de chuva (forte) - imune a descalibração do radar, atenuação e bloqueio parcial do feixe 4. Coeficiente de correlaçao ou co-polar ρhv - indicador de precipitações misturadas - eficiente na identificação de espalhadores não-meteorológicos Observações de fenômenos Meteorológicos Exemplo de identificação de fenômenos meteorológicos utilizando as variáveis polarimétricas • • • • • • • • Updrafts and Downdrafts Granizo Tornados Relâmpagos Insetos e pássaros Chaff Pluma de fumaça Eco de mar Assinatura do Updraft no ZDR Reflectivity ZDR Assinatura do Updraft no ZDR Reflectivity ZDR Assinatura do Updraft no ZDR Reflectivity ZDR Assinatura do Updraft no ZDR ZDR Detecção de Tornados Fountain, Colorado: Landspout Canton Lake OK, Tornado (sobre a terra) v Z ρhv ZDR 10 km Radar móvel (XERES) – λ = 3 cm Elevation 1o Tornado após 3 min (sobre o lago) v Z ρhv ZDR 10 km Mobile radar (XERES) – λ = 3 cm Elevation 1o Tornado após 3 min (sobre a terra) v Z ρhv ZDR 10 km Mobile radar (XERES) – λ = 3 cm Elevation 1o Tornado numa supercélula Assinatura de Tornado em 0.75 km ZDR ρhv May 10, 09 KOUN S band Assinatura de Tornado em 4.5 km Assinatura de Tornado: Z Tornado Assinatura de Tornado: ZDR Tornado Assinatura de Tornado: ρhv Tornado Fenômenos não meteorológicos • Espalhadores bilógicos – Insetos – Pássaros • Chaff • Pluma de fumaça • Eco de mar Espalhadores biológicos Insetos Pássaros Z (dBZ) 5 to 20 5 to 30 ZDR(dB) 0 to 12 -2 to 3 LDR (dB) maior do que espalhadores meteorológicos (não muito estudado) ρhv 0.5 – 0.8 δ (deg) KDP (deg/km) 0 to 40 0 to 120 baixo e com muito ruído • Todas as variáveis polarimétricas são altamente dependentes da orientação (em termos de ângulo) • Essas dependências do ângulo são diferentes para espalhadores Rayleigh - tamanho e resonância Backscatter differential phase Diagrama de dispersão para δ vs ZDR Differential reflectivity Operational WSR-88D Moorhead City NC AWIPS display Exemplos: • Pássaros em revoada • Insetos • Eco de mar 6:08 am, July 8, 2011 Z ZDR V ρhv Nuvens e insetos e próximo a superfície (KOUN S band) Φ Clouds Diferença de fase grande: insetos Baixa correlação Pluma de fumaça Campos das Variáveis polarimétricas fumaça KOUN S band fumaça Pluma de fumaça nuvem nuvem fumaça fumaça Cloud insetos fumaça Eco de mar Morehead, NC, WSR-88D ρhv Z Eco de mar Biológico/ Chaff? nuvem Eco de mar Morehead, NC, WSR-88D ZDR ΦDP Eco de mar Biológico/ Chaff? nuvem Correção de atenuação Efeitos de propagação • Atenuação – Extrai energia a partir da propagação da onda • Deslocamento de fase – Deslocamento de fase da onda • Ambos os efeitos depende da polarização da onda propagada Atenuação da radiação EM • Atenuação, também chamado de extinção, é um decaimento da energia do sinal na transmissão de um ponto ao outro • Atenuação é causada pela absorção e espalhamento Esquema de correção da atenuação • Correções relacionam a integração da atenuação no trajeto de Z para o correspondente diferença de fase ΦDP ΦDP(r) r r0 Assume uma relação linear entre Ah e KDP Ah(r) = αhKDP(r) Z Zha • Zcor(r) = Zha(r) + ∆Zh(r) ∆Zh r Portanto ∆Zh= 2αh∫KDPdr =αhΦDP(r0,r) Correção de atenuação Relação Linear Simples Zhcorr = Za+ αh·ΦDP αh in dB/deg ZDRcorr=ZDRa+β·ΦDP β in dB/deg X-band: αh=0.25 and β=0.033 (Park et al. JTECH 2005) C-band : αh=0.08 and β=0.02 (Gourley,Tabary, ..JAM 2007) S-band : αh=0.04 and β=0.004 (Ryzhkov and Zrnic, JAM 1995) JTECH=Jour. Atm. Oceanic Tech. 22, 1633-1655 JAM (2007) = Jour. Appl. Met. 46, 306-317 JAM (1995) = Jour. Appl. Met. 34, 2121-2134 Taxa de precipitação medida com radar banda C (Sidpol) e WSR-88D Correção Linear ∆Z=αhΦDP Examplo de atenuação extrema na banda C (Valparaiso, Indiana) e correção assumindo relaçao linear 2008/08/05 ∆Z = α 0 ΦDP Attenuation correction at X band (ZPHI), El=1.5o Zh antes da correção por atenuação Correção usa ZPHI, mas aplica a Av, atenuação específica das ondas V, i.e., precisa de αv Cortesia: University of Bonn Zh Correção linear Zv ZPHI Correção Av 22/06/2011 Comparação de taxa de chuva obtidas de diferentes radares de dupla polarização na banda X Bonn, El = 1.5 1126 UTC Juelich, El = 0.5 1125 UTC A distância entre os radares de Bonn e Juelich é de 48 km. Ambos radares não estão calibrados e o radar de Bonn tem um bloqueio de feixe parcial significativo. Apesar disso, os campos de taxa de precipitação obtidos a partir de Av são surpreendentemente similares e não são afetados pela descalibração do radar, bloqueio de feixe e atenuação. Cortesia: University of Bonn Classificação de hidrometeoros • • • • Usa a técnica da lógica “fuzzy” Variáveis polarimétricas de uma série de localizações Distribuições de tamanhos de gotas também são utilizados Funções membros (P), funções peso (W), e índices de qualidade (Q) são atribuídos às variáveis • Valores agregados (soma, ou outros) são calculados para comparação • Fatiamento é aplicado para gerar a saída final do algoritmo. Classificação de hidrometeoros Variáveis do radar e as classes geradas List of classes Lista das variáveis 1. Fator de refletividade Z 2. Refletividade diferencial ZDR 3. Coeficiente de correlação co-polar ρhv 4. Textura de Z (SD(Z)) 5. Textura da diferença de fase SD(ΦDP) 6. Diferença específica de fase KDP 1. GC/AP – eco de solo / propagação anômala 2. BS – espalhadores biológicos 3. BD – “gotas grandes” 4. RA – chuva moderada 5. HR – chuva forte 6. RH – mistura chuva/granizo 7. DS – neve seca 8. WS – neve molhada 9. GR – graupel 10. CR – cristais Fields of Z, ZDR, ρhv, and Classes of Returns (05/13/2005) RH – rain / hail HR – heavy rain RA – rain BD – “big drops” GR – graupel CR – crystals WS – wet snow DS – dry snow BS – bio scatterers GC – ground clutter/AP Classificação de hidrometeoros Agradecimentos Prof. Marc Schneebeli – Universidade de Bern, Suíça Agradecimentos Prof. Dusan Zrnic, NOAA, EUA Obrigado!!
