Radar voor neerslagdetectie
Afbeelding 1: Neerslagdetectieradar van de Duitse weerdienst Essen-Bredenay (51°24'20,5" N 6°58'01,6"E)
Afbeelding 1: Neerslagdetectieradar van de Duitse weerdienst Essen-Bredenay
(51°24'20,5" N 6°58'01,6" W)
Hoe werkt de neerslagradar?
Radar voor neerslagdetectie
Een neerslagdetectieradar (of kortweg: neerslagradar) is een weerradar die werkt in de S-, C- of (minder vaak) X-band. De radar heeft een parabolische antenne op een roterend toestel. In de X-band kan ook een golfgeleider slotantenne-array worden gebruikt. In tegenstelling tot wat amateurs denken, meet zo'n zoeker geen wolken. Het meet het reflectiviteit, dat vervolgens wordt gebruikt als maatstaf voor de hoeveelheid water in de wolken. Deze radar wordt gebruikt om gebieden met neerslag op te sporen en de hoeveelheid neerslag in een gebied te bepalen. Tegelijkertijd kan de verdeling van de windsnelheid worden bepaald door de Doppler-frequenties te schatten.
De neerslagdetectieradar is altijd een driedimensionaale radar. De hoek van de antennepositie (helling van de antenne) verandert na elke omwenteling en zo wordt een hoekscan van de ruimte uitgevoerd. Dit resulteert in een zogenaamde volumescan (veel langzamer dan de updatefrequentie van luchtverkeersleidingsradar). De updatefrequentie van de neerslagdetectieradar kan variëren van 5 tot 15 minuten.
reflector
Transducer
Pedestal
Afbeelding 2. Schematische afbeelding van weerradar met radom
Technische gegevens
Radars voor neerslagdetectie maken gewoonlijk alleen gebruik van smalbandige korte pulsen die worden gegenereerd door krachtige vacuümbuizen (magnetron of klystron). Halfgeleiderzenders kunnen ook worden gebruikt, maar zij hebben een laag pulsvermogen door de beperkte elektrische persistentie van halfgeleiders. Daarom moeten breedbandsignalen met intrapuls modulatie worden gebruikt, hetgeen op zijn beurt leidt tot een verslechtering van de meetnauwkeurigheid als gevolg van de temporele zijlobben die het gevolg zijn van de pulscompressieprocedure. Bovendien is de gevoeligheid van de ontvanger beperkt omdat de breedbandontvanger meer ruis in zijn bandbreedte oppikt.
Afbeelding 3: Door de divergentie van de elektromagnetische golf is het resolutievolume van de radar groter bij grotere afstanden, daarom is een radar met een kleinere afstand nauwkeuriger.
Afbeelding 3: Door de divergentie van de elektromagnetische golf is het resolutievolume van de radar groter bij grotere afstanden, daarom is een radar met een kleinere afstand nauwkeuriger.
Het maximale bereik van een radar voor neerslagdetectie bepaalt het aantal van deze toestellen dat in een bepaald gebied nodig is. De nauwkeurigheid van dergelijke radars neemt af naarmate de afstand tot de radar toeneemt (vergelijk de blauwe en rode resolutievolumes in afbeelding 3).
In regio's met een slecht ontwikkeld weerradarnetwerk (tropen en subtropen) wordt voornamelijk gebruik gemaakt van S-band radars die op afstanden tot 800 km werken. In Europa (gematigd klimaat), waar het weerradarnetwerk goed ontwikkeld is, worden C-band radars gebruikt. Werking in dit frequentiegebied biedt een hogere meetnauwkeurigheid. Het bereik van deze radars is beperkt tot 250 km, waarbij intervallen tot 150 … 180 km worden gebruikt voor een grotere nauwkeurigheid. In de X-band werkende radars worden alleen voor korte afstanden gebruikt wegens de zeer grote door regen veroorzaakte verzwakking in dit frequentiebereik. De vervorming van de aarde heeft ook een nadelig effect op grotere afstanden, zodat diepere meteorologische verschijnselen onder de horizon verborgen blijven.
Om het vereiste dynamische bereik van de ontvanger (tot 110 dB) te bereiken, worden meerdere ontvangers met verschillende gevoeligheden parallel geschakeld. De software selecteert de ontvanger die niet overbelast is en waarvan de signaal/ruisverhouding het best is.
Moderne neerslagdetectieradars hebben een dynamisch veranderende antennesnelheid en pulsherhalingsfrequentie. Aangezien weersverschijnselen zich in de tropopauze voordoen, is het bereik van de absolute hoogten beperkt tot ongeveer 18 km. Daarom is het niet nodig om op maximaal bereik te werken bij grote elevatiehoeken. Een hogere pulsherhalingsfrequentie en een hogere rotatiesnelheid van de antenne kunnen worden gebruikt dan bij lage elevatiehoeken.
Afbeelding 4: Radar scanning strategie voor neerslagdetectie
(De hoogteschaal is verhoogd met 1:5)
Afbeelding 4: Radar scanning strategie voor neerslagdetectie
(De hoogteschaal is verhoogd met 1:5)
Scanningstrategie
Deze scanningstrategie wordt toegelicht in afbeelding 4. De herhalingsfrequentie van de radarimpulsen is 600 Hz, hetgeen overeenkomt met een maximaal ondubbelzinnig bereik van 250 km, waarvan slechts 150 km wordt gebruikt. De antenne draait 12 graden per seconde. De scan begint met een elevatiehoek van 5,5 graden en neemt na elke omwenteling met 1 graad af. Bij deze scans wordt een herhalingsfrequentie van 600 Hz of 800 Hz gebruikt. De rotatiesnelheid wordt iets verhoogd (tot 18 graden/seconde) en alleen bij de minimale elevatiehoek teruggebracht tot 12 graden/seconde (om passieve interferentie van stationaire objecten beter te onderdrukken). Bij de achtste omwenteling wordt de kantelhoek van de antenne 8 graden en de pulsherhalingsfrequentie 800 Hz of 1200 Hz. Elevatiehoeken van 12, 17 en 25 graden hebben een pulsherhalingsfrequentie van 2410 Hz en een antennedraaisnelheid van 30 graden per seconde. Tenslotte wordt een verticale opwaartse scan uitgevoerd die wordt gebruikt voor interne kalibratie. De antenne wordt dan naar het noorden gedraaid en wacht op het begin van de volgende scancyclus. De rotatie van alle radarantennes in het neerslagdetectienetwerk wordt gesynchroniseerd om te voorkomen dat de straling van de ene radar in de antenne van een andere terechtkomt. Dit ondersteunt de mogelijkheid van radarbeeldvorming met gegevens van meerdere radars, aangezien het weer langzaam verandert en gegevens van verschillende radars die door de tijd verbonden zijn, bijvoorbeeld in dezelfde minuut, kunnen worden gebruikt.
Radar stationering
De Duitse meteorologische dienst (Deutscher Wetterdienst) wordt verzorgd door een netwerk van 17 neerslagradars die zijn opgesteld om het gehele grondgebied van de Bondsrepubliek Duitsland te bestrijken. Hun dekkingsgebied overlapt elkaar, zodat bij uitval van één radar de gegevens van de naburige radar worden gebruikt. Een van deze radars is transporteerbaar. Hij kan naar een geschikte plaats worden overgebracht wanneer een van de vaste radars volgens de planning voor langere tijd buiten dienst zal zijn.
Een overzicht van de hier gepresenteerde weerradars.