Terug naar de index

Introductie in Radar techniek

Iwan Holleman

Radar in Den Helder


Inhoud:



Introductie:

Het KNMI heeft twee operationele Doppler radars van Gematronik , een in De Bilt en een in Den Helder, die worden gebruikt voor het meten van neerslag boven Nederland en omstreken. Deze C-band radars zenden en ontvangen radio-straling met een frequentie van ongeveer 6 GHz en een golflengte van rond de 5 cm. De Doppler radars kunnen op twee manieren gebruikt worden, namelijk als conventionele radar waarbij de intensiteit van de terugkomende, verstrooide radiofrequente straling wordt gemeten en als echte Doppler radar waarbij de snelheidsverdeling van de deeltjes, waaraan de radiogolven verstrooid zijn, gemeten wordt. Bij conventionele radarmetingen wordt het terugkomende, verstrooide signaal, na onder andere een calibratie en een afstandscorrectie, omgezet in een grootheid Z, de zogenaamde radarreflectiviteit. Er van uitgaande dat de diameters (D_i) van de neerslagdeeltjes waaraan verstrooid wordt (veel) kleiner zijn dan de golflengte van de radar, zodat het dominante proces Rayleigh-verstrooiing is, geldt voor de radarreflectiviteit:

Z = SUM(n_i . D_i^6)

Waarbij n_i staat voor het aantal deeltjes per volume-eenheid met diameter D_i. De radarreflectiviteit is dus de som over het product van het aantal deeltjes met de diameters tot de zesde-macht van alle (neerslag)deeltjes in een volume, en is daarmee uitermate gevoelig voor de diameter van de deeltjes. Wanneer de diameters van de neerslagdeeltjes groter of gelijk zijn aan de golflengte van de radar, is de radarreflectiviteit evenredig met het kwadraat van de diameters van de deeltjes. Door de grote spreiding in Z-waarden is een decibelschaal gebruikelijk:

Z[dBZ] = 10 . 10log(Z[mm^6/m^3])

Onder de aanname van een diameter-distributie van neerslagdruppeltjes en een afhankelijkheid van de valsnelheid van druppeltjes met hun diameter, kan de radarreflectiviteit worden omgerekend naar een hoeveel neerslag per tijdseenheid (R). De volgende formule wordt op het KNMI gebruikt om radarreflectiviteit om te rekenen naar neerslag per tijdseenheid:

Z[mm^6/m^3] = 200 . R[mm/h]^1.6

Er is nog steeds redelijk veel discussie in de radargemeenschap over welk verband nu het beste is: de meest voorkomende voorfactor ligt tussen de 150 en 300 en de meest voorkomende exponent tussen de 1.4 en 2. De uiteindelijke verschillen zijn echter klein, en andere fouten overheersen over het algemeen. De formule kan ook worden geschreven in termen van de decibel-schaal dBZ:

Z[dBZ] = 23 + 16 . 10log(R[mm/h])

In de onderstaande tabel is het resulterende verband voor een aantal waarden weergegeven:

Z [dBZ] 7 15 23 31 39 47
R [mm/h] 0.1 0.3 1 3 10 30

De reflectiviteit wordt tot op grote afstand van de radar (0-320 km) en op enige hoogte (0.8-3 km) boven het aardoppervlak gemeten, en daardoor kunnen er discrepanties optreden tussen de bepaling van de neerslag per tijdseenheid met de radar en die door de neerlagwaarnemers aan de grond. Dit kan bijvoorbeeld worden veroorzaakt door verdamping of vorming van neerslag vlak boven het aardoppervlak of door een vreemde propagatie van de radarbundel. Het is echter gebleken uit een interne studie door Rudolf van Westrhenen dat de radars van het KNMI over het algemeen tot op een afstand van 150 km een goed kwantitatief beeld produceren van de neerslag boven Nederland.

Neerslag product (pCAPPI):

Tijdens een scan maakt de antenne van de radar bij een aantal elevaties (kanteling ten opzichte van horizontaal) een volledige omwenteling om zijn verticale as (azimuth). Om preciezer te zijn, is de azimuth de hoek van de radarantenne met de wijzers van de klok mee ten opzichte van het noorden. Bij iedere stand van de antenne wordt de radarreflectiviteit als functie van de afstand opgemeten. Uiteindelijk levert dit een beeld op van de drie-dimensionale reflectiviteitsverdeling in de atmosfeer. De radars van het KNMI maken elke 5 minuten een kleine scan over 4 lage elevaties en elke 15 minuten een grote scan over in totaal 14 elevaties tot een maximum van 12~graden. De bekende radar neerslagplaatjes zijn niets anders als een horizontale doorsnede door de drie-dimensionele data van de kleine scan. Deze neerslagplaatjes worden ookwel pCAPPI's genoemd wat staat voor: pseudo-Constant-Altitude Plan-Position Indicator. Een voorbeeld van zo'n pCAPPI product is hieronder weergegeven:

Radar pCAPPI product

Recente pCAPPI plaatjes kunnen worden bekeken op het KNMI intranet. Door alle 288 pCAPPI-plaatjes van een dag, lopend van 8 tot 8 UTC, op te tellen, kan de geaccumuleerde neerslag worden berekend. Een archief van deze zogenaamde "Neerslagsommen" is te vinden op het intranet.

Echotop product:

Met behulp van de grote, 14-elevatie radarscans kan een completer beeld van de drie-dimensionale verdeling van de neerslagdeeltjes in de atmosfeer worden verkregen. Deze drie-dimensionale verdeling kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de hoogte van de Radar echotoppen te berekenen. De echotoppen zijn gedefinieerd als de maximale hoogte waarop nog een Radar reflectiesterkte overeenkomend met een heoveelheid neerslag per uur van 0.1 mm/h wordt waargenomen. Het echotop product, welke onlangs op het meteorologisch werkstation (MWS) is geintroduceerd, is een belangrijk product voor de luchtvaart meteorologen. Een voorbeeld van zo'n echotop product is hieronder afgebeeld:

Radar echotop product

Verticaal-geintegreerd-vloeistof product (VIL):

Een andere grootheid die uit de grote, 14-elevatie radarscans kan worden berekend is het zogenaamde Verticaal-geintegreerd-vloeistof (Vertically-Integrated-Liquid, VIL). De waarde van VIL op een bepaalde locatie is de som van alle waargenomen radar reflecties (geconverteerd naar vloeibaar waterinhoud) in een verticale kolom boven deze locatie. De eenheid van VIL is kg/m2 of mm, en het kan beschouwd worden als een maat voor de potentiele neerslaghoeveelheid. De snelheid waarmee neerslagdeeltjes worden gevormd is evenredig met de opwaartse snelheid (updraft), en daarom is VIL zowel een maat voor de opwaartse snelheid als de dikte/hoogte van de wolken. Anderen hebben reeds geconstateerd dat hoge waarden van VIL vaak samen gaan met de aanwezigheid van zware onweersbuien. Een voorbeeld van de twee-dimensionale verdeling van VIL voor dezelfde situatie als waarvoor de pCAPPI en Echotop producten zijn weergegeven is hieronder afgebeeld:

Radar VIL afbeelding

In stratiforme bewolking wordt zelden een VIL-waarde van 10 kg/m2 bereikt. I gebieden met sterke convectie, daarentegen, worden VIL-waarden van 10 kg/m2 met gemak overschreden en waarden van 25 kg/m2 of hoger zijn dan geen uitzondering. In het radar gevaarlijkweerproduct, dat op dit moment in ontwikkeling is, zal VIL waarschijnlijk een belangrijke rol gaan spelen bij het identificeren van gebieden met een sterke opwaartse beweging.

Doppler Radar:

Naast deze nieuwe Radar producten, die alleen gebaseerd zijn op metingen van de reflectie-intensiteit, hebben de Radars van het KNMI ook de mogelijkheid om Doppler metingen te doen. Bij een Doppler meting wordt de snelheidscomponent van de neerslagdeeltjes in de richting van de Radar gemeten. Er zit bij Doppler metingen alleen een addertje onder het gras: de waarde van het product van de maximum detecteerbare snelheid en de maximale afstand is een constante, die alleen afhangt van de golflengte van de Radarstraling. Het is hierdoor relatief eenvoudig om een Doppler Radar te gebruiken op korte afstanden, maar het gebruik boven een gebied zo groot als Nederland is zeer complex. Er zijn manieren om deze "snelheids * afstands" limiet te omzeilen, bijvoorbeeld met een aangepaste pulse-programma (dual PRF). Op dit moment, introduceren deze technieken veel (extra) fouten in het Doppler signaal. Zorgvuldige analyse van de oorzaken van deze fouten, optimalisering van het pulse -programma, en ontwikkeling van correctiemethodes zullen moeten worden toegepast voor er betrouwbare Doppler producten beschikbaar zullen komen.

Terug naar de index

Hans Beekhuis