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Projeto CHUVA
Jojhy Sakuragi
[email protected]ão de Satélite e Sistemas Ambientais
INPE/CPTEC/DSA
Radar Polarimétrico(Dupla polarização)
Radar Meteorológico Polarim étrico
As gotas não são esféricas (gravidade + fricção)
A propagação do sinal eletromagnético é diferente nas polarizações horizontal e vertical .
Campo elétrico
Radar Meteorológico Polarim étrico
HH HH HH HH HH HH HH HH
_|___|___|___|___|___|___|___|
VV VV VV VV VV VV VV VV_|___|___|___|___|___|___|___|
H V H V H V H V
_|___|___|___|___|___|___|___|
H e V são simultâneos natransmissão e na recepção
H e V são alternadosna transmissão e
simultâneos na recepção
Radar Meteorológico Polarim étrico
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.
Polarização cruzada � recebe na polarização oposta a da emitida.
Terminologia: Zvv or Zhh
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 polarim étricas
• Depende dos hidrometeoros na sua:– forma– Orientação– Constante dielétrica– Distribuição dos tamanhos– Comprimento de onda λ
Z, Z , K ...DR DP
N(X) Z, Z , K ...DR DP
^ ^ ^In Situ
ObservationIn Situ
Observation
PrecipitationModel
PrecipitationModel
ScatteringModel
ScatteringModel
MeasurandModel
MeasurandModel
RadarObservation
RadarObservation
ComparisonComparison
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 Z DR
• gota grande
• flocos de neve molhada, cristais de neve
• insetos, pássaros e chaff
Baixo Z DR
• gotas pequenas
• graupel, granizo
• neve agregada seca
• eco de terreno
May 8, 2003 May 10, 2003
Padrão do ZDR próximo à superfície em duas supercélulas
Refletividade diferencial Zdr
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
ρρρρhv 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
ρhv para orientação aleatóriade esferóides achatados
Correlação Co-polar ρhv
Correlation co-polar < 0.95 em
Correlação Co-polar ρhv
Para espalhadores Rayleigh com protuberâncias
Granizos enormescom protuberâncias
chuvachuva
insetosinsetosPrecipPrecip
Correlação Co-polar ρhv
Correlação Co-polar ρhv
Com filtro ρρρρhv > 0.6Banda X – Polarimétrico sem filtro
Eliminação de alvos não-meteorológicos
Efeitos de propagação polarim étricos
Eh Ev
Gotas de chuva têmformas obladas e são orientadas. Portanto, a onda H encontra mais massatornando-a maislenta na propagação, sofrendo atrasoprogressivamentedo que a onda V.
time
H
H
V
V
time
ΦDP
ΦDP
Diferencial de fase ΦDP (two way!)
0
=2 ( )
DP h v
r
h vk k dr
Φ Φ Φ
δ
= − =
− +∫
ΦDP não é afetado peladescalibração do radar, atenuação
e bloqueio parcial do feixe
δ2∫(kh – kv)dr
exp[ (2 )]h hH E j ftπ Φ= −exp[ (2 )]v vV E j ftπ Φ= −
Differential Phase
0
( ) 2r
DP DPr K drδΦ = + ∫ δ - backscatter differential phase
KDP – specific differential phase
Baixo δ
Todos hidrometeoros (excetogranizo e neve molhada)
Alto δ
Espalhadores não-meteorológicos
Alto K DP
• chuva forte• cristais de neve
Baixo K DP
• chuva fraca• granizo• neve seca agregada
Diferencial de fase ΦDP
Polarimetric Radar - Pol VariablesNorman, Aug/13/2011, KOUN, S band
ΦDP (deg)Z (dBZ)
Diferencial de fase ΦDP
Diferença de fase específica K DP
Derivada espacial de ΦDP
• Kdp [ º km-1]• Proporcional a intensidade da chuva!
( )( )
2DP
DP
d rK r
dr
Φ= ONE WAY!!
ΦDP, KDP, e Z vs Distância
Diferença de fase específica K DP
Diferença de fase específica em granizo/chuva
• Granizo é estatisticamenteisotrópico, portanto não afeta o KDP
(KDP=0)
• Gotas em mesclas geram
diferencial de fase (ΦDP)
• Portanto, o KDP capta a chuva namistura
• Para quantificar a quantidade de chuva, a relação entre R(KDP) deveser desenvolvida
Diferença de fase específica K DP
Relação entre R e K DP
Metodologia: Disdrômetro Parsival, modelo T-Matrix
Equação: R = b .(K DP)a
Refletividade Z (dBZ)
Diferença de fase específica K DP
Diferença de fase específica K DP
Diferença de fase específica KDP (o/km)
Variáveis polarim étricas para o modo simultâneo (SHV)
1. Fator de refletividade Z na polarização horizontal- medida do tamanho e concentrações dos espalhadores
2. Refletividade diferencial Z DR
- 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
RESUMORESUMO das variáveis polarim étricas
Observações defenômenos Meteorológicos
• Updrafts and Downdrafts• Granizo• Tornados• Relâmpagos• Insetos e pássaros• Chaff• Pluma de fumaça• Eco de mar
Exemplo de identificação de fenômenos meteorológicosutilizando as variáveis polarimétricas
ZDRReflectivity
Assinatura do Updraft no Z DR
ZDRReflectivity
Assinatura do Updraft no Z DR
Reflectivity ZDR
Assinatura do Updraft no Z DR
ZDR
Assinatura do Updraft no Z DR
Fountain, Colorado: Landspout
Detecção de Tornados
Canton Lake OK, Tornado (sobre a terra)
Z v
ZDRρhv
10 km Radar móvel (XERES) – λ = 3 cmElevation 1o
Z v
ZDRρhv
Tornado após 3 min (sobre o lago)
10 km Mobile radar (XERES) – λ = 3 cmElevation 1o
Z v
ZDRρhv
10 km Mobile radar (XERES) – λ = 3 cmElevation 1o
Tornado após 3 min (sobre a terra)
Tornado numa superc élula
Assinatura de Tornado em 0.75 km
ZDR
ρhv
May 10, 09KOUNS band
Assinatura de Tornado em 4.5 km
Assinatura de Tornado: Z
Tornado
Tornado
Assinatura de Tornado: Z DR
Tornado
Assinatura de Tornado: ρhv
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 estud ado)
ρhv 0.5 – 0.8
δ (deg) 0 to 40 0 to 120
KDP (deg/km) baixo e com muito ruído
• Todas as variáveis polarimétricas são altamente dependen tes daorientação (em termos de ângulo)
• Essas dependências do ângulo são diferentes para espalhad oresRayleigh - tamanho e resonância
Diagrama de dispersão para δ vs ZDR
Bac
ksca
tter
diffe
rent
ial p
hase
Differential reflectivity
Operational WSR-88DMoorhead City NC
AWIPS display
Exemplos:• Pássaros em revoada• Insetos• Eco de mar
6:08 am, July 8, 2011
Z
V
ZDR
ρhv
Nuvens e insetos e próximo a superfície (KOUN S band)
Diferença de fase grande: insetos Baixa correlação
Clouds
Φ
Pluma defumaça
Campos dasVariáveispolarimétricasKOUN S band
fumaça
fumaça
Pluma de fumaça
fumaça
Cloud
insetos
nuvemnuvem
fumaçafumaça
Z ρhv
nuvem
Eco de mar
Morehead, NC, WSR -88D
Biológico/Chaff?
Eco de mar
ZDR ΦDP
Eco de mar
Biológico/Chaff?
nuvem
Morehead, NC, WSR -88D
Eco de mar
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 atenuaçãono trajeto de Z para o correspondente diferençade fase ΦDP
• Zcor(r) = Zha(r) + ∆Zh(r)ΦDP(r)
∆Zh
Assume uma relação linear entre Ah e KDP
Ah(r) = αhKDP(r)
Portanto
∆Zh= 2αh∫KDPdr =αhΦDP(r0,r)Zha
Z
r0 r
r
Relação Linear Simples
Zhcorr = Za+ αh·ΦDP ααααh 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)
Correção de atenuação
JTECH=Jour. Atm. Oceanic Tech. 22, 1633-1655JAM (2007) = Jour. Appl. Met. 46, 306-317JAM (1995) = Jour. Appl. Met. 34, 2121-2134
Taxa de precipitação medida com radar banda C (Sidpol) e WSR-88D
CorreçãoLinear
∆Z=αhΦDP
Examplo de atenuação extrema na banda C (Valparaiso, Indiana) e correção assumindo relaçao linear
2008/08/05
0 DP∆Z α Φ=
Attenuation correction at X band (ZPHI), El=1.5o 22/06/2011
Cortesia:
University of Bonn
Zh
Correção
linear
Zv
ZPHI
Correção Av
Zh
antes da
correção por
atenuação
Correção usaZPHI, mas aplicaa Av, atenuaçãoespecífica dasondas V, i.e., precisa de αv
Bonn, El = 1.5
1126 UTC
Juelich, El = 0.5
1125 UTC
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.
A distância entre os radares de Bonn e Juelich é de 48 km.
Comparação de taxa de chuva obtidas de diferentes
radares de dupla polarização na banda X
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.
Lista das variáveis
1. Fator de refletividade Z
2. Refletividade diferencialZDR
3. Coeficiente de correlaçãoco-polar ρhv
4. Textura de Z (SD(Z))
5. Textura da diferença de fase SD(ΦDP)
6. Diferença específica de fase K DP
List of classes1. 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
Variáveis do radar e as classes geradas
Classificação de hidrometeoros
(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
Fields of Z, ZDR, ρhv, and Classes of Returns
Classificação de hidrometeoros
Agradecimentos
Prof. Marc Schneebeli – Universidade de Bern, Suíça
Agradecimentos
Prof. Dusan Zrnic, NOAA, EUA
Obrigado!!