www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Radar Yankılarının Karşılaştırılması

Radar son yıllarda yağış miktarının ölçülmesinde ve tehlikeli hava koşullarının tespitinde önemli bir araç haline gelmiştir. Fırtınalar, kasırgalar yer yüzeyinden ya da ılık denizlerden ısı enerjisinin atmosfere taşınması sırasında meydana gelir. Ilık nemli hava kütleleri yükselirken su buharı yoğuşarak bulutları meydana getirir ve gizil ısıl enerjisini serbest bırakır.

Fırtına çok dinamik bir hava olayıdır: Artar, bir tepe noktaya ulaşır, daha sonra azalır ve sonunda ölür. Hiçbir şekilde bir kararlı nesne değildir, rüzgârla birlikte hareket eder. Bu nedenle bir meteoroloji radarının yeterli sıklıkta gökyüzünü taraması ve hava durumunun değişiminin temposuna uyum sağlaması gerekir.

Tehlikeli hava ihbarları için 5 dakikada bir ölçüm tercih edilir. Yağmur ölçümlerinin ise 15 dakika da bir güncellenmesi yeterlidir. Bu 24 saatlik bir süre bir veri yığılmasına yol açmaz.

Bir meteoroloji radarından yağış yoğunluğunu algılaması ve en önemlisi: ölçmesi beklenir! Bu radarlar çok hassas kalibre edilmiş olmalıdırlar ve hem uzak menzildeki hafif yağmurla hem de yakın bölgedeki kuvvetli yağmurla başa çıkabilmek için bir dinamik çalışma bandına (60 ila 100 dB ya da daha fazlasına) sahip olması gerekir. Meteorolojik olayların aksine uçaklardan, kuşlardan ya da yer yüzeyindeki sabit hedeflerden dönen yankı sinyalleri ekranda ya tek tek ya da gevşek gruplar halinde görüntülenme eğilimindedirler. Fakat yağışlar havada bir büyük bölgeye dağılmışlardır ve bu yağış parçacıkları su damlacıkları, buz kristalleri, dolu, kar ya da bütün bu biçimlerin karmaları gibi çok değişik biçimleri alabilirler.

Bu nedenle (ve su damlacıklarının boyutlarının dağılımındaki farklılıklar nedeniyle) yağış miktarı ile radar yankı genliği arasında bir nicel bir bağlantı kurulamaz.

Durum A

Bu yağış meydana getirmeyen hafif bir buluttur. Alınan sinyal nispeten zayıftır.

Durum A Durum A

Durum B

Bu durumda herhangi bir yağış (örneğin hafif ya da çiseleyen yağış) meydana getirebilen bir bulut oluşumu görülmektedir. Böyle bir yağış olduğunda hayli kuvvetli bir yankı beklenmelidir.

Durum B Durum B

Durum C

Bu durumda içinde yüklü miktarda yağmur tutan kuvvetli bulutlar görülmektedir. Bu örneğin kuvvetli bir fırtınada olabilir. Bu oluşumun yoğunluğu çok yüksektir ve buradan alınan yankıda hayli kuvvetli olacaktır.

Fall C Fall C

Çizelge 1: Alınan yankı sinyal kuvvetlerinin meteorolojik nesnelerle ilişkisi

Farklı gönderim frekanslarındaki deneyimlere ve araştırmalara dayanarak yankı sinyallerinin kuvvetine ve olası meteorolojik nesnelerin yansıtırlığına bir atama yapılmasına ve böylece alınan yankı sinyali kimliğinin tanınmasına imkân verebilen bir çizelge geliştirilebilir.

Bununla beraber değişik meteorolojik nesnelerden alınan yankı sinyalleri belirsiz olmayan, tam olarak tanımlanmış bir çizelgeye atanabilirler, bu çizelge daha ziyade kaba bir karar verilmesinde kullanılan yardımcı bir araçtır.

Meteorolojik Oluşumların Yansıtırlıkları

Bazı hava türleri arasında bir güvenilir ve işe yarar kimlik elde edebilmek için yansıtırlık büyüklükleri normal olarak tek başına yeterli değildir (aksi takdirde hiçte doğru olmayan sonuçlarda çıkabilir). Burada sıkça Doppler frekansı ölçümü ya da farklı polarizasyon düzlemlerinde ölçüm gibi ilave yöntemlerde kullanılır.

Yağmur bulutlarının türü ve bileşimi keza önemlidir. Damlacık büyüklüğünün zayıflama ve meteorolojik oluşumların yansıtırlığı üzerinde önemli bir etkisi bulunmaktadır. Bunun yanında eğer bir buluta ait bir belirli damlacık büyüklüğü izgesi (spectrum) bulunabildiği takdirde yağış miktarını daha doğru kestirmek mümkün olur. Eğer bu biliniyorsa bu damlacık türlerinin yansıtırlıkları kestirilebilinir ve bilinen oranlarla bir kıyaslama yapılarak yağış miktarları belirlenebilir. Aşağıdaki çizelgede bu konuda açıklayıcı bilgiler bulunmaktadır.

Değişik yağış miktarlarına göre beklenen su damlacığı boyutlarının yüzdesi aşağıdaki çizelgede gösterilmiştir:

Damlacık çapı
(D - cm)
Yağış miktarı (mm/saat)
0.251,252,512,5
Belli bir yağış hacmi içinde yer alan damlacık boyutlarının yüzdesel dağılımı
0,0528,010,97,32,6
0,1050,137,127,811,5
0,1518,231,332,824,5
0,203,013,519,025,4
0,250,74,97,917,3
0,30-1,53,310,1
0,35-0,61,14,3

Çizelge 1 : Damlacık boyutlarının istatistiksel dağılımı

Bu bilgilere dayanarak diğer yağış miktarlarının yansıtırlıklarını değerlendirmek mümkündür. Bu bulutların bileşim bilgileri sayesinde keza bulutların daha ayrıntılı modellemesini yapmak ve tanımak mümkündür.

Bu hesaba keza sıcaklığında katılması gerekeceğine dikkat etmek gerekir. Elektromanyetik dalgaların zayıflaması sıcaklığa bağlıdır.

Kestirim hataları

Alınan radar yankılarına dayanarak değişik meteorolojik oluşumların tayininde çok kesin sonuçlar alınamayacağını gözden uzak tutmamak gerekir. Bir kaynağa göre (MIT laboratuvarı, ABD) önceden belirlenmiş ölçeklerin kullanılması halinde % 50 ila % 100 oranında hatalar olabilecektir! Bununla beraber fiziksel ölçüm yöntemleri kullanan meteoroloji istasyonlarının eniyileştirilmesi sayesinde bu parametrelerde artık daha kesin sonuçlar alabilmek mümkündür (örneğin, yağış miktarlarında % 5 ila % 10 doğrulukla). İlave üstün nitelikli aradeğerbulma (interpolation) yöntemleri ile bu hatalar % 20 ila % 50 kadar daha azaltılabilmiştir. Bu yine veri işleme kalitesine ve radar tesisinin bulunduğu yerin eniyileştirmesine bağlıdır.

Dolu

Dolu yağış bölgelerinin tespiti bir meteoroloji radarının önemli işlevlerinden birisidir. Bu bölgelerin belirlenmesi için bazı yöntemler günümüzde sadece araştırma enstitülerinde kullanılan daha karmaşık radar istasyonlarını gerektirir.

Radar yankı kuvvetleri çizelgesi

Dikkat! Meteorolojik oluşumların yansıtırlık kuvvetleri yankının frekansa kuvvetle bağlı olması nedeniyle sadece birbirleri ile kıyaslanabilir ve iki farklı coğrafi konumda bulunan radarların verileri büyük bir olasılıkla aynı büyüklükte olmayacaktır!

Her bir radar istasyonunda anten tarafından alınan yankı sinyallerinin kuvvetlerine dayanarak, meteorolojik oluşumların farklı türleri hakkında sonuçların çıkarılmasında ve diğer meteorolojik nesnelerin verileri ile karşılaştırılmasına ve böylece ekrandaki radar resminin yorumlanmasına imkân sağlayan bir çizelge bulunur.

Yansıtırlık Meteorolojik nesne
En büyük yansıtırlık





En küçük yansıtırlık

yerden yansımaları
uçak gövdeleri
sulu dolu
yağmur
sulu kar
kuru dolu
kuru kar
çiseleme

Çizelge 2: Meteorolojik nesnelere bağlı olarak yansıtırlıklar

Bütün nesneler bir belirli büyüklükte yansıtırlığa sahiptir. Bu yüzden bir meteorolojik oluşumunun türü ve tehlike seviyesi hakkında bir tahmin kuvvette ve biçimde değişik yankılar yorumlanarak yapılır.

Ayar: Yansıtırlığın sadece kabaca tahmin edilebilen bir büyüklük olduğunu vurgulamamız gerekir. Bir meteoroloji radarının en iyi başarımını garantilemek için sistemlerin eniyileştirilmesinde genellikle diğer sensörlerden (radar kullanmayan klasik meteoroloji istasyonları gibi) elde edilen veriler işin içine katılır.

Meteorolojik oluşumların tüm türleri ve nesneler bir belirli büyüklükte yansıma enerjisi meydana getirirler. Yer yüzeyi, keza yer yüzeyinde bulunan sabit ve hareketli nesneler en kuvvetli yankı sinyallerini üretirler.

Bu çizelgede yağışla ilgili olarak radar yansımaları karşılaştırılmaktadır. Şüphesiz bu çizelgede yer almayan başka yağış türleri de bulunmaktadır.

Yağmur sıkça yansıtırlık (Z [mm6/m-3]) ve yağış yoğunluğu (R [mm / h-1]) arasındaki bir ilişki ile ölçülür. Çizelgedeki bulunan önceden tanımlanmış olan yansıtırlıklar her bir meteoroloji radar istasyonunda ön yorumlar ve hesaplamalar için kullanılır.

Yağış şiddeti R, Z yansıtırlığıdan deneysel olarak bulunmuş Z = aRb formülü ile hesaplanır. Formüldeki a ve b birer sabit katsayı ve R ise [mm/saat] cinsiden yağış şiddetidir (a ve b katsayıları belirli yağış türleri için deneysel yollarla bulunmuş değerlerdir.) Bununla beraber yansıtırlık ile yağış miktarı arasında tam bir ilişki kurmak zordur (az sayıda büyük ya da çok sayıda küçük damlacıklar olduğu için mi?). Örneğin 65 mg kütleye sahip 5 mm çapındaki bir damlanın yansıtırlığı, 1 mm çapında toplam kütlesi 8180 mg olan 15625 adet damlacığın yansıtırlığına denk düşmektedir.

Katman biçimli yağmurZ = 200·R1,6
Yükselti yağmuruZ = 31·R1,71
Taşınımlı sağanak yağmurZ = 286·R1,37
KarZ = 2000·R2

Çizelge 3: Farklı yağış türlerine ait tipik değerler

Meteoroloji radarları tarafından aradeğerlendirmesi (enterpolation) yapılabilen hava durumunun adlandırılabilir başka biçimleri de mümkündür. (Bu, frekans bandına, görev amacına ve radar istasyonu sistem yazılımına bağlıdır ve bütün cihazlarda bulunmamaktadır.)
Bu türler arasında şunlar sayılabilir:

İlave bilgilerin olmaması durumunda dünyanın ılıman iklim bölgelerinde (yani orta enlemlerde) Z = 200·R1,6 olarak alınabilir. Normal olarak Z değeri logaritmik olarak ifade edilir: ZdB = 10 log Z.