www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Yansıtırlıklarının Karşılaştırılması

Radar son yıllarda yağış miktarının ölçülmesinde ve tehlikeli hava koşullarının tespitinde önemli bir araç haline gelmiştir. Fırtınalar, kasırgalar ve bunun gibi meteorolojik olaylar, 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 uyarıları için 5 dakikada bir ölçüm tercih edilir. Yağmur ölçümlerinde ise 15 dakikada bir güncellenme yeterlidir. Böylece 24 saatte biriken yönetilemez bir veri yığılması da meydana gelmez.

Bir meteoroloji radarının 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 çalışmaya yetecek 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 işaretleri, ekranda, 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 niceliksel bir ilişki yoktur.

Durum A

Bu, yağış meydana getirmeyen hafif bir buluttur. Alınan işaret 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 fırtına da olabilir. Bu oluşumun yoğunluğu çok yüksektir ve buradan alınan yankı da hayli kuvvetli olacaktır.

Fall C Fall C

Çizelge 1: Alınan yankı işaret kuvvetinin olası meteorolojik nesnelere atanması

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

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

Meteorolojik Oluşumların Yansıtırlıkları

Yansıtırlık büyüklükleri bazı hava türleri arasında bir güvenilir ve işe yarar bir kimlik elde edebilmek için 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 yöntemler de kullanılır.

Yağmur bulutlarının türü ve bileşimi de önemlidir. Damlacık büyüklüğünün zayıflama ve meteorolojik oluşumların yansıtırlık üzerinde önemli bir etkisi bulunmaktadır. Bunun yanında, bir buluta ait bir belirli damlacık büyüklüğü izgesi (spectrum) bulunabilirse yağış miktarını daha doğru kestirmek mümkün olur. Eğer, bu biliniyorsa bu damlacık türlerinin yansıtırlıkları kestirilebilinir ve bilinen durumlarla bir karşılaştırma yapılarak yağış miktarları belirlenebilir. Aşağıdaki çizelgede bu konuda açıklayıcı bilgiler bulunmaktadır:

Aşağıdaki çizelgede farklı yağış miktarları için belirli boyutlardaki su damlacıklarının beklenen yüzdesi gösterilmektedir:

Damlacık çapı
(D - cm)
Yağış miktarı (mm/saat)
0.251,252,512,5
Bazı su 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: Su damlacık boyutlarının istatistiksel dağılımı

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

Bu hesaba sıcaklığın da katılması gerektiği de dikkate alınmalıdır. 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 istasyonları en uygun duruma getirilerek (optimizing) bu parametrelerde artık daha kesin sonuçlar alabilmek mümkün olmaktadır (örneğin, yağış ölçümlerinde % 5 ila % 10 bir doğrulukla). İlave yüksek kaliteli ara değer bulma (interpolation) yöntemleri ile bu hatalar % 20 ila % 50 kadar daha azaltılabilmiştir. Bu, veri işleme kalitesine ve radar tesisinin bulunduğu yerin en uygun duruma getirilmesine de bağlıdır.

Dolu

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

Radar yankı kuvvetleri çizelgesi

Dikkat! Meteorolojik oluşumların yansıtırlık kuvvetleri sadece birbirleri ile kıyaslanabilir. Çünkü yankı frekansa kuvvetle bağlıdır ve ilaveten iki farklı coğrafi konumdaki radardan alınan veriler de büyük bir olasılıkla aynı büyüklükte olmayacaktır!

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

Yansıtırlık Meteorolojik oluşum/ nesne
En büyük yansıtırlık





En küçük yansıtırlık

yerden yansımalar
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 nedenle antenden alınan değişik yankıların kuvvetinden ve şekliden hareket ederek hava olaylarının doğası ve ciddiyeti hakkında bir yorum yapmak mümkün olabilir.

Ayar: Yansıtırlığın sadece kabaca tahmin edilebilen bir büyüklük olduğunu vurgulamamız gerekir. Bir meteoroloji radarının en iyi başarımını garantilemek için sistemlerin eniyileştirilmesi genellikle diğer sensörlerden (radar kullanmayan klasik meteoroloji istasyonları gibi) elde edilen hava durumu verileri yardımıyla gerçekleştirilir! (Ancak bu, her zaman bu radarın konumuyla ilişkilidir.)

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 işaretlerini üretirler.

Bu çizelgede yağışla ilgili olarak radar yankıları 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 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 (yağış yoğunluğu) arasında tam bir ilişki kurmak zordur. (Bunun nedeni büyük damlacık sayısının az ya da küçük damlacıklar çok sayıda olması mı?). Örneğin 65 mg kütleye sahip 5 mm çapındaki bir damlacığının yansıtırlığı, 1 mm çapında toplam kütlesi 8180 mg olan 15625 adet damlacığın yansıtırlığına denk düşmektedir.

Katman biçimli yağmur Z = 200·R1,6
Yükselti (orographic) yağmuru Z = 31·R1,71
Taşınımlı (convective) sağanak yağmur Z = 286·R1,37
Kar Z = 2000·R2

Çizelge 3: Farklı yağış türlerine ait tipik değerler

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

  • Yağmur (ya da sağanak), alınan yankı işaretlerinin genliklerine bağlı olarak 6 farklı şiddette sınıflandırılır (hafif, orta, kuvvetli, çok kuvvetli, yoğun ve aşırı). Örneğin, FAA (Federal Aviation Administration) kurumu bir yağmur sınıflama ölçeği yayınlamıştır.
  • Yağışa yol açmayan bulutlar (su veya buz kristalinden).
  • Sis ve buz sisi verileri; bazen görüş mesafesi hakkında fikir edinebiliriz.
  • Açık-hava burgaçları (clear-air turbulence); (sadece belirli frekans izgeleri (spectrum) için mümkündür ve en iyi L-bandında çalışan radarlarla tanınabilir!)

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