Ilmaradar

Ilmaradar on radaritüüp, mida kasutatakse sajuala piiritlemiseks, selle levimise arvutamiseks ja sademete tüübi (vihm, lumi, rahe jne) määramiseks. Tänapäevased ilmaradarid on enamasti impulss-Doppleri radarid, mis lisaks sademete intensiivsusele on võimelised tuvastama ka vihmapiiskade liikumist. Mõlemat liiki andmetest saab infot tormide struktuuri ja nende võime kohta põhjustada ohtlikke ilmastikunähtusi.

Teise maailmasõja ajal märkasid radarioperaatorid, et ilmastik põhjustas radariekraanidel kajasid, varjates võimalikke vaenlase sihtmärke. Arendati välja metoodika kajade eemaldamiseks, aga samuti hakati uurima lähemalt nähtuse põhjusi. Varsti pärast Teist maailmasõda hakati üleliigseid radareid kasutama sademete määramiseks. Sellest ajast alates on ilmaradareid arendatud omaette radaritüübina ning tänapäeval kasutavad ilmaradareid riikide ilmateenistused, ülikoolide uurimisrühmad ja telejaamad. Toorpilte kasutatakse rutiinselt, aga eritarkvaraga saab radariandmetest koostada lühiajalisi ennustusi sajualade liikumisteede ja sajuintensiivsuse kohta. Ilmaradarite väljundit kasutatakse isegi numbrilistes ilmamudelites nende ennustustäpsuse parandamiseks.

Kuidas ilmaradar töötab

Radariimpulsside saatmine
Ilmaradarid saadavad välja suunatud mikrolainekiirguse impulsse, kasutades selleks magnetrone või klüstrontorusid, mis on paraboolantenniga ühendatud lainejuhi abil. Peamiselt kasutatakse lainepikkusi 1–10 cm, mis on umbes kümme korda suuremad huvipakkuvate veepiiskade või jääosakeste läbimõõtudest, kuna nendel lainepikkustel esineb Rayleigh' hajumine. Mis tähendab, et osa iga impulsi energiast põrkub nendelt väikestelt osakestelt radari suunas tagasi.

Väiksemate osakeste puhul oleks vaja lühemaid lainepikkusi, kuid need nõrgenevad kiiremini. Seetõttu eelistatakse 10 cm lainepikkust (S-riba) kasutavat radarit, kuid see on kallim kui 5 cm C-riba süsteem. 3 cm X-riba radarit kasutatakse vaid väga lühikeste distantside korral ja 1 cm Ka-riba ilmaradarit kasutatakse väga väikeste osakeste (näiteks uduvihma ja udu) uurimiseks.

Radariimpulsid levivad õhus, liikudes radarijaamast eemale. See tähendab, et piirkond, mille impulss läbib, on seda suurem, mida kaugemale radarist minna. Seetõttu langeb suurtel vahemaadel ka lahutusvõime. Näiteks on radari 150–200 km tööraadiuse piirile jõudnud üksiku impulsi poolt skaneeritud õhu ruumala suurusjärgus üks kuupkilomeeter. Seda nimetatakse impulsi ruumalaks.

Tagasipöörduvate signaalide vastuvõtt
Kahe impulsi saatmise vahel käitub radarijaam vastuvõtjana ja registreerib õhus olevatelt osakestelt tagasipeegeldunud signaale. Vastuvõtuperioodi pikkus on millisekundi suurusjärgus, mis on impulsi kestusest umbes tuhat korda pikem. Selle perioodi pikkus on määratud ajaga, mis kulub mikrolainete levimisele radarijaamast sihtmärgini (veepiisk, rahe jm) ja tagasi radarijaama, kõige rohkem võib see vahemaa olla paarsada kilomeetrit. Horisontaalne kaugus arvutatakse aja põhjal, mis kulub impulsi tekitamisest tagasipöördunud signaali registreerimiseni. Kui impulsse saadetakse välja liiga tihti, võib juhtuda, et tagasipöördunud impulss aetakse segamini eelmiste tagasipeegeldunud impulssidega. Tulemuseks on ebatäpsed vahemaade arvutused.

Kõrguse määramine

Eeldades, et Maa on kerakujuline ja võttes arvesse õhu murdumisnäitaja varieeruvust ning vahemaad objektini, saame leida sihtobjekti kõrguse maapinnast.

Iga ilmaradari võrgustik kasutab mitut tüüpilist antenni asendi nurka, mis määratakse vastavalt vajadusele. Peale iga skaneeritud täispööret muudetakse antenni kõrgusnurka järgmise skaneerimisringi jaoks. Nii tehakse mitu skaneerimisringi, et katta võimalikult suur õhu ruumala radari ümber. Sellise skaneerimise strateegia kasutamise korral võtab üks tsükkel tavaliselt aega 5–10 minutit, mille jooksul saadakse andmed maapinnast 15 km kõrge ja radarist horisontaalsuunaliselt 250 km kauguseni ulatuva kihi kohta.

Maa kumerusest ja kõrgusega õhu murdumisnäitaja muutumisest tingituna ei "näe" radar minimaalsest nurgast allapoole jäävat kõrgust (joonisel roheliselt) ega ka maksimaalsest nurgast lähemal olevat ala (joonisel punase koonusena keskel).

Andmete tüübid

Peegelduvus (detsibellid või dBZ)
Objektidelt tagasipeegeldunud kajade ja peegelduvuse intensiivsust analüüsitakse, et määrata sademete intensiivsust skaneeritud ruumalas. Kasutatavad lainepikkused (1–10 cm) tagavad, et tagasipöördunud kaja tugevus on proportsionaalne sademete esinemise intensiivsusega, kuna nad on Rayleigh' hajumise kehtivuspiirkonnas. Rayleigh' hajumine väidab, et osakesed peavad olema palju väiksemad skaneeriva laine lainepikkusest (kümnekordselt väiksemad).

Radari vastuvõetud peegelduvuse (Ze) leidmiseks läheb vaja vihmaosakese diameetrit (D), sihtobjekti dielektrilist konstanti (K) ja osakeste suurusjaotust (N). Saame lühendatud gammafunktsiooni kujul:
 |K|2  N0e  D   D6dD

Sademete intensiivsus (R) on võrdne osakeste arvuga, nende ruumalaga ja nende langemise kiirusega (v[D]) järgnevalt:
 R =  N0e<sup> D </sub> </sup> (D3/6) v(D)dD

Nii on Ze ja R sarnased funktsioonid, mida saab lahendada, andes nende omavahelise sõltuvuse:
 Z = aRb 
kus a ja b sõltuvad sademete tüübist (vihm, lumi, konvektiivne või stratiformne), millel on erinevad Λ, K, No ja v väärtused.
 Kui antenn atmosfääri skaneerib, jõuab selleni igal asimuudi nurgal kõikidelt ette jäänud osakestelt teatud arv tagasipeegeldunud impulsse. Peegelduvus on seejärel keskmistatud igale peegeldavale objektile, et saada paremaid andmeid.
 Kuna objektide diameetrite ja dielektriliste konstantide variatsioon võib põhjustada suuri erinevusi tagasipeegeldunud raadiolainete energias, väljendatakse peegelduvust näitajaga dBZ.

Liikuvus

Impulsipaar
Iga liikuv vihmapiisk või lumehelves mõjutab tagasipeegelduva radarikiire sagedust vastavalt Doppleri efektile. Ilmakajade puhul kiirustel alla 70 m/s ja radari lainepikkusel 10 cm on see mõju küll kõigest suurusjärgus 10−5%. See erinevus on liialt marginaalne, et elektrooniliste instrumentidega mõõta. Kuna vihmapiisad liiguvad veidi ka iga impulsi vahel, omab peegeldunud laine märgatavat erinevust faasis (faasinihe) iga saadetud impulsi vahel. Doppleri ilmaradarid kasutavad mainitud faasierinevust, et leida sajuala liikuvust.

Polarisatsioon
Enamik vedelas olekus sademeid on õhutakistusteguri tõttu horisontaalsuunalises tasapinnas vertikaalsest pikemad (veepiisad). See põhjustab veemolekuli dipooli orienteerumist selles suunas ning seetõttu on ka radari kiired enamasti polariseeritud horisontaalselt, et saada maksimaalset tagastust.

Kui saata samaaegselt välja kaks impulssi ortogonaalse polarisatsiooniga: vertikaalse ja horisontaalsega, vastavalt ZV ja ZH, saab kaks andmekogumit. Ehk mõlema veepiisa telje kohta sõltumatult:
Peegelduvuse erinevus (ZV/ZH) – peegelduvuse erinevus on peegeldunud vertikaalse ja horisontaalse raadiolainete energia suhe (ZV/ZH). Muuhulgas on see väga hea piisa kuju indikaator ja piisa kuju on hea keskmise piisa suuruse hinnangu leidmisel.
Korrelatsiooni koefitsient (ρhv) – statistiline korrelatsioon peegeldunud horisontaalse ja vertikaalse energia vahel. Kõrged väärtused (ühe lähedal) viitavad homogeensetele sademetüüpidele, samas kui madalad väärtused osutavad segunenud sademetüüpidele (lörts, rahe).
Lineaarne depolarisatsiooni suhe – suhe, kus arvestatakse vertikaalse energia tagasipeegeldumisega horisontaalselt impulsilt või horisontaalse energia tagasipeegeldumisega vertikaalselt impulsilt. Selle abil saab samuti määrata piirkondi, kus esineb segunenud sademetüüpe.
Eri faasi muut (θdp) – eri faasi muut on horisontaalsete ja vertikaalsete impulsside tagasipeegeldunud faaside erinevuse võrdlus. See faasimuutus on tingitud horisontaalselt ja vertikaalselt polariseeritud raadiolainete levikuteel toimuva muutusega lainetsüklite arvus (või lainepikkustes). Seda ei tohi segi ajada Doppleri faasinihkega, mis on põhjustatud pilve ja sademeosakeste liikumisest. Erinevalt peegelduvuse erinevusest, korrelatsiooni koefitsiendist ja lineaarsest depolarisatsiooni suhtest, mis kõik sõltuvad tagasipeegeldunud energiast, on eri faasi muut "levikuefekt". See on väga hea saju intensiivsuse näitaja ja ei ole mõjutatud sumbumisest.

Põhilised radariväljundite tüübid
Mõõtmistsüklis kogutud andmetest koostatakse spetsiaalse tarkvara abil rida produkte, mis on mõeldud inimestele kasutamiseks. Reeglina saadakse ilmaradari andmete töötluse tulemusena tasapinnalised pildid (tavaliselt kettakujulised, sest selline on radari mõõdetava ala projektsioon maapinnale), mis on värvustega kodeeritud iseloomustama mingit huvipakkuvat parameetrit (mida radar sageli otseselt ei mõõda, kuid mida saab tema mõõtmistest tuletada), kuid võimalikud on ka muud tüüpi, näiteks ruumilised produktid.

Fikseeritud radari kiire tõusunurk (PPI – Plan Position Indicator)

Mõõtmistulemused, mis on saadud ühel fikseeritud radari kiire tõusunurgal ja on projitseeritud maapinnale. Iga mõõtmistsükkel toodab ühe PPI igal kiire tõusunurgal ja iga mõõdetud parameetri kohta.

Selle radaritüübi juures on saadavad andmed eri kaugustel ka eri kõrguselt pärit. See tähendab, et radari lähedal tuvastatud tugeva intensiivsusega sadu vastab üsna hästi sellele sajuhulgale, mis päriselt maapinnani jõuab. Kuid näiteks 160 km kaugusel näitab see maapinnast umbes 1,5 km kõrguselt saadavat infot, mis võib juba palju erineda päriselt esinevatest sajuhulkadest.

Lisaks on PPI-de puhul probleemiks maapinna kajad radarilähedastelt aladelt, mida võidakse tõlgendada päris kajadena. PPI puuduste kõrvaldamiseks on välja arendatud veel teisigi väljundeid ja täiendavat töötlust.

Konstantse kõrguse PPI

Selle töötasid välja Kanada teadlased, et vältida mõnesid PPI-ga esinenud probleeme. Konstantse kõrguse PPI ehk CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) kasutab ühel fikseeritud kõrgusel saadud mõõtmistulemusi. Iga kiir satub sellele kõrgusele vaid korra, sest kiired on kaldu (välja arvatud siis, kui kõrgus on radari antenni kõrgus ja kiire välja saatmise nurk on 0 kraadi). CAPPI on seega põhimõtteliselt ristlõige radari andmetest. CAPPI sobib kõige paremini peegelduvuse määramiseks (ehk sademete intensiivsuse leidmiseks), kuid mitte nii hästi sajuala liikumise leidmiseks, kuna sademeosakeste liikumise kiirus võib kõrguse muutudes palju erineda.

CAPPI jaoks on vaja palju mitme nurga all välja saadetud radarikiiri, alates peaaegu horisontaalsest kuni peaaegu vertikaalseni, et saada võimalikult lühikesi lõikeid igal kaugusel uuritava konstantse kõrguse kohta. Kuid isegi siis, kui on välja saadetud palju kiiri eri nurkade all, ei ole teatud kaugusest alates enam ühtegi nurka saadaval ja seetõttu on CAPPI madalaima kasutatava kiirenurga jaoks põhimõtteliselt PPI.

EMHI kasutuses olevate radarite, mis asuvad Sürgaveres ja Harkus, kõigile kättesaadavaks väljundiks on samuti CAPPI. Täpsemalt kasutatakse pseudo CAPPI meetodit (PCAPPI), mis tähendab, et kasutatavad mõõtmistulemused on ikka ühel fikseeritud kõrgusel, aga kui vastavas punktis mõõtmist ei toimunud, siis interpoleeritakse kasutades lähimaid mõõtmistulemusi.

Sademete akumulatsioon
Hüdroloogilisest seisukohast on üks olulisi radarirakendusi määrata sademete hulgad teatud perioodi kohta suurtel maa-aladel. Näiteks jõgede üleujutusohu hindamine, kanalisatsioonisüsteemide haldamine ning planeerimine ja tammide konstrueerimine on alad, kus läheb vaja sademete akumulatsiooniandmeid. See täiendaks väga hästi maapealsetes jaamades kogutud andmeid, mida on võimalik kasutada kalibreerimiseks.

Radarivõrgustikud
Viimastel aastakümnetel on radarivõrgustikud laienenud, andes võimaluse koostada suuri alasid katvaid liitvaateid. Enamik arenenud riike (näiteks USA, Kanada, suurem osa Euroopast) koostavad pilte, mis hõlmavad kõiki nende radareid. See ei ole iseenesest kerge ülesanne.

Taoline võrgustik võib koosneda eri tüüpi radaritest, millel on erinevad omadused (erinev laineala laius, lainepikkus ja kalibratsioon). Kõiki neid erinevusi tuleb andmeid võrgustiku raames ühitades arvesse võtta, eriti kui on vaja otsustada, milliseid andmeid kasutada, kui kahe radari tööala mingis piirkonnas kattub. Võrgustikus olevate radarite andmete põhjal sademekaartide liitpilte koostades on kõiki neid asjaolusid arvesse võetud.

Mõned radarivõrgustikud:
 Kanada: Environment Canada
 USA: National Weather Service in United States
 Tšehhi Vabariik: Czech Republic
 Lõuna-Aafrika Vabariik: South African Republic
 Saksamaa: Deutscher Wetterdienst in Germany
 Austraalia: Bureau of Meteorology, Australia
 Skandinaavia ja Läänemeri: Smhi, Scandinavia and Baltic sea
 Poola: POLRAD – Poland

Vaata ka
Radar

Viited

Allikas

Meteoroloogiainstrumendid
Meteoroloogia
Radar