Introduzione
Prima di parlare riguardo le limitazioni del segnale radar è opportuno fare una premessa. La corretta interpretazione dei dati radar dipende da numerose ipotesi riguardanti sia l’atmosfera sia i bersagli meteorologici intercettati, in particolare:
- Atmosfera internazionale standard, ovvero un modello statico dell’atmosfera che descrive le variazioni di pressione, temperatura, densità e viscosità su un ampio intervallo di altitudini considerate.
- Target meteorologici piccoli abbastanza da obbedire allo scattering di Rayleigh e restituire un segnale di ritorno proporzionale al precipitation rate, ovvero al tasso della precipitazione.
- Volume scansionato dal fascio radar pieno di bersagli meteorologici, della stessa varietà e in concentrazione uniforme.
- Niente attenuazione.
- Niente amplificazione.
- Segnale di ritorno trascurabile in prossimità dei lobi laterali del fascio.
- Distribuzione del fascio radar molto vicina ad una curva gaussiana con potenza decrescente da metà a metà ampiezza.
- Onde emesse e riflesse con simile polarità.
- Nessun segnale di ritorno per riflessioni multiple.
Tuttavia queste assunzioni non sono sempre vere, perciò è necessaria una certa abilità per interprettare correttamente i vari prodotti radar trascurando echi di dubbia provenienza. [3]
Propagazione anomala
Atmosfera non standard
Il segnale radar attraversa aria che si raffredda gradualmente all’aumentare della quota, ovvero con un certo gradiente termico verticale. Ovviamente, in questa circostanza bisogna fare attenzione ad eventuali echi anomali, tuttavia in atmosfera standard la variazione delle grandezze fisiche sopra menzionate varia di gran lunga rispetto ad un’atmosfera non standard. [3]
Sovrarifrazione
Spesso, in prossimità del suolo e in concomitanza delle ore notturne, è possibile la formazione di uno strato d’inversione termica. Poichè l’indice di rifrazione atmosferica decresce più velocemente della norma, con la quota, il fascio radar tende a piegarsi verso il suolo piuttosto che puntare verso l’alto.
Sarà quindi riflesso nuovamente verso il radar e sulla scansione ottenuta si potranno visionare degli echi anomali, sia in termini di posizione sia di quota.
Nonostante essi siano estremamente facili da intercettare in quanto concomitanti con l’inversione termica notturna, lo stesso non può dirsi nel caso di un fronte caldo. In questa circostanza, infatti, vi è sempre uno strato d’inversione termica nella parte anteriore del fronte e può capitare che i falsi echi siano mascherati dalla pioggia.
Un caso estremo riguarda la presenza di uno strato di inversione termica, sottile in termini di spessore e molto forte, in tal caso il segnale radar si riflette svariate volte verso il suolo fino a formare quasi un sentiero di linee guida, wavelines path.
Tutto ciò si verifica o nel caso di forte inversione termica in quota, o con una rapida diminuzione dell’umidità con la quota. Qualora ci trovassimo nel primo caso sarebbe estremamente difficile riconoscere l’eco anomalo. [5]
Sottorifrazione
Per contro, se l’aria fosse estremamente instabile da raffreddarsi molto più velocemente con la quota rispetto ad un’atmosfera standard, il fascio radar piegherebbe più in alto del dovuto.
Questo indica che la precipitazione si sta verificando ad una quota più alta della norma. Tuttavia, senza dati precisi sul gradiente termico verticale della zona in esame, è difficile rintracciare l’eco anomalo. [5]
Target no – Rayleigh
Se si volesse stimare precisamente il precipitation rate, la grandezza dei target meteorologici dovrebbe essere di 10 volte maggiore rispetto alla lunghezza d’onda del fascio radar, in accordo con la teoria di Rayleigh. Questo è vero perchè la molecola d’acqua deve essere in qualche modo eccitata dalla radiazione incidente. [3]
Questo è relativamente vero per neve e pioggia, ben intercettate nell’intervallo di lunghezze d’onda da 5 a 10 cm.
Tuttavia, per idrometeore di dimensioni maggiori, il segnale di ritorno risponde alla teoria dello scattering di Mye. Ad esempio, un valore di riflettività molto maggiore di 55 dBz potrebbe tranquillamente essere associato ad un chicco di grandine. Per contro, target estremamente piccoli come le goccioline presenti all’interno della nube, non restituiscono un segnale di ritorno apprezzabile e consistente. [4]
Risoluzione radar e volume scansionato
Poichè il fascio radar ha una propria dimensione fisica e i dati sono campionati non in continuo oltre che per angoli discreti e a differenti altezze, ne scaturisce una media dei valori di riflettività, velocità e polarizzazione sull’intero volume scansionato.
Valori di riflettività di una supercella, intercettata da due radar diversi: TDWR in alto e NEXRAD in basso
Nell’immagine superiori si possono apprezzare i valori di riflettività rilevati da due radar aventi la stessa collocazione ma caratteristiche diverse. In alto, la riflettività rilevata dal TDWR, avente metà ampiezza del fascio rispetto al NEXRAD, in basso. Si può facilmente intuire come la scansione inferiore sia molto più dettagliata.
Come è possibile migliorare la risoluzione di un vecchio apparato? Semplicemente installandone uno avente risoluzione maggiore. Tuttavia, all’aumentare della distanza aumentano non solo il volume scansionato ma anche la possibilità di un suo possibile riempimento parziale, partially filled scanned volume. Questo porta ad un’ovvia sottostima del precipitation rate.
Geometria del fascio
La distribuzione del fascio radar ha un pattern molto simile a quello di diffrazione della luce attraverso una fessura. Infatti, nel radar, l’onda viene trasmessa all’antenna tramite la guida d’onda proprio attraverso una fessura.
Ne scaturisce che l’energia si concentra maggiormente al centro e decresce lungo i lobi laterali secondo una curva gaussiana. Nonostante questo accorgimento possono verificarsi dei picchi secondari di emissione provenienti dalla porzione centrale del fascio.
Nonostante i progettisti di radar meteorologici provino sempre a minimizzare l’energia trasmessa ai lobi, si tratta di un problema sempre presente.
Quando un lobo secondario impatta un target come ad esempio un rilievo montuoso o un forte temporale, una porzione del fascio viene riflessa verso il radar. Nonostante si tratti di una quanti di energia molto piccola, essa arriva nello stesso momento in cui il picco centrale sta illuminando ad azimuth diverso. In poche parole, questo eco può portare ad una eventuale sovrastima riguardo l’estensione degli echi reali. [4]
Echi anomali di ritorno verso il picco centrale del radar: in giallo e rosso, pixel rossi relativi a rilievi intercettati dal fascio radar. L’agglomerato di pixel verdi e gialli rappresenta il segnale di ritorno sui lobi della scansione. [13]
Pattern di distribuzione energetica del fascio radar.
Target non meteorologici
Poichè il cielo non è popolato soltanto da idrometeore, può capitare che il radar restituisca falsi echi nell’intercettazione di volatili, soliti seguire i venti dominanti, artropodi ed insetti, soliti sfuggire da essi.
Se nel radar visionassimo una scansione con dei profili di vento convergenti, molto probabilmente si tratterà di insetti. [1] Gli uccelli, invece, sono soliti volare entro i 2.000 m di quota e possono contaminare i profili di vento generati dai radar meteorologici incrementandoli nell’ordine di 30-60 km/h.
Possono esservi, tuttavia, anche altri oggetti in grado di contaminare le immagini:
- Piccole strisce metalliche lanciate dai velivoli militari per ingannare i nemici.
- Costruzioni, aerei, rilievi montuosi.
- Artefatti di vario genere provenienti dal suolo e dal mare, ground & sea clutter.
- Riflessioni in prossimità delle zone urbane, urban spikes.
La loro influenza sulla scansione radar è notevole, possono tuttavia essere eliminati con un post-processing dei dati radar utilizzando polarizzazione, effetto Doppler o velocità. [3,10]
Una panoramica dei possibili artefatti presenti in una scansione radar: ground clutter, urban spike, alcuni echi denominati 2nd trip, e una propagazione anomala, in bianco. Infine un segnale di ritorno veritiero, proveniente da un rovescio di pioggia, in fucsia.
Parchi eolici
Le lame rotanti delle pale eoliche possono influenzare pesantemente il fascio radar. Quando sono in movimento, l’eco da esse generato sarà “visto” dal radar con una certa velocità e frainteso come un’eventuale precipitazione. Maggiore è la vicinanza del parco eolico al radar, più forte sarà il segnale di ritorno al radar.
In alcuni casi questo falso positivo può essere così rilevante da essere frainteso addirittura per una TVS, Tornado Vortex Signature.
Come altre strutture che si trovino in prossimità del fascio, anche per le pale eoliche il segnale di ritorno può condurre a una sottostima. [6,8]
Pattern di riflettività, a sinistra, e velocità radiale, a destra. Entrambi rilevati a Sud Est di un radar della rete NEXRAD. Nel cerchio giallo, il falso eco generato da un parco eolico. [14]
Attenuazione
A seconda della lunghezza d’onda utilizzata dai radar meteorologici può verificarsi o meno l’assorbimento a causa della pioggia. [4]
Per lunghezze d’onda di 10 cm, utilizzate ad esempio dalla rete radar statunitense NEXRAD, l’assorbimento è pressoche trascurabile. Per lunghezze d’onda di 5 cm iniziano a registrarsi dei problemi, che si manifestano principalmente con la comparsa di attenuazione nella scansione radar. [2] Per ovviare al problema, in una determinata zona d’esame, si pianifica la copertura della rete radar prescelta installando due dispositivi in modo da sovrapporre le scansioni. [9,11]
Evidente attenuazione, area bianca, in una linea di temporali, squall line, in traslazione verso Est. [14]
Bright band
La riflettività radar dipende dal diametro del target e dalla sua capacità di riflessione. I fiocchi di neve sono più grandi ma molto meno riflettenti rispetto alle gocce di pioggia. Quando la neve inizia a cadere in uno strato al di sopra della temperatura di congelamento, inizia a sciogliersi. [4]
Ricordando l’equazione della riflettività radar si può notare come, considerando la costante dielettrica dell’aria non vi siano sostanziali differenze tra piogge e neve per quanto concerne il segnale riflesso. Infatti è proprio non appena la neve inizia a sciogliersi che il radar inizia a “vederla”. [4]
Tuttavia, anche in questo caso si è di fronte ad un falso eco. Utilizzando il PPI, si vedrebbe un anello di precipitazioni ad una quota dove il fascio incrocia la quota di scioglimento del fiocco. Con il CAPPI invece si noterebbero da subito gli echi più forti e quindi anche più consistenti. [3]
Esempio di CAPPI per contrastare il falso eco appena descritto. [12]
Riflessioni multiple
Il fascio radar colpisce direttamente il target meteorologico e l’energia viene riflessa, verso il radar, in tutte le direzioni. [4]
Tuttavia, mentre nella maggior parte dei casi la riflessione diminuisce all’aumentare della distanza, ci sono circostanze particolari che inducono a riflettere. Per esempio, quando il fascio impatta contro un chicco di grandine l’energia non solo viene riflessa verso il suolo, ma anche verso il radar e il chicco di grandine stesso. [7]
Ne risulta un falso eco, debole ma al tempo stesso degno di considerazione. A causa di ciò il radar “vede” il chicco di grandine più lontano di quanto effettivamente non appaia. Questo si traduce con un pattern di riflessione triangolare posizionato radialmente dietro al chicco di grandine. [3]
Pattern di riflessione causato dalla grandine. [15]
Bibliografia e sitografia:
[1] Bart Geerts and Dave Leon (2003). P5A.6 Fine-Scale Vertical Structure of a Cold Front As Revealed By Airborne 95 GHZ Radar. University of Wyoming.
[2] Carey, L. D.; Rutledge, S. A.; Ahijevych, D. A.; Keenan, T. D. (2000). “Correcting propagation effects in C-band polarimetric radar observations of tropical convection using differential propagation phase”. J. Appl. Meteorol. 39 (9): 1405–1433
[3] “Commons errors in interpreting radar”. Environment Canada.
[4] Doviak, R. J.; Zrnic, D. S. (1993). Doppler Radar and Weather Observations (2nd ed.). San Diego CA: Academic Press.
[5] Herbster, Chris (3 September 2008). “Anomalous Propagation (AP)”. Introduction to NEXRAD Anomalies. Embry-Riddle Aeronautical University.
[6] Lammers, Dirk (29 August 2009). “Wind farms can appear sinister to weather forecasters”. Houston Chronicle. Associated Press. Archived from the original on 31 August 2009
[7] Lemon, Leslie R. (June 1998). “The Radar “Three-Body Scatter Spike”: An Operational Large-Hail Signature”. Weather and Forecasting. 13 (2): 327–340.
[8] National Weather Service Office, Buffalo NY (8 June 2009). “Wind Farm Interference Showing Up on Doppler Radar”. National Oceanic and Atmospheric Administration
[9] Testud, J.; Le Bouar, E.; Obligis, E.; Ali-Mehenni, M. (2000). “The rain profiling algorithm applied to polarimetric weather radar”. J. Atmos. Oceanic Technol. 17 (3): 332–356
[10] Thomas A. Niziol (1998). Contamination of WSR-88D VAD Winds Due to Bird Migration: A Case Study. Eastern Region WSR-88D Operations Note No. 12, August 1998
[11] Vulpiani, G.; Tabary, P.; Parent-du-Chatelet, J.; Marzano, F. S. (2008). “Comparison of advanced radar polarimetric techniques for operational attenuation correction at C band”. J. Atmos. Oceanic Technol. 25 (7): 1118–1135
[13] https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/radar-data/tdwr/tdwr-products
[14] http://www.erh.noaa.gov/buf/windfarm.html
[15] Pierre_Cb Wikipedia contributor