Radaros alapismeretek 1

1. Mi az időjárási radar?

Az időjárási radar olyan berendezés, ami egy rögzített vagy mozgó felszíni pontból nagyenergiájú elektromágneses mikrohullámokat (centiméteres hullámhosszú) bocsát ki a légkör egy meghatározott tartományába, majd pedig megméri az onnan visszaverődött hullámok intenzitását. Radarokat elsőként a katonaságnál rendszeresítették az ellenséges objektumok (repülőgépek, hajók) felderítésére, a  meteorológiában a 40-es évek végén alkalmazták először, azóta pedig légkörünk valós idejű feltérképezésének elengedhetetlen eszköze. Magyarországon az első időjárási radar 1967-ben kezdte meg működését Ferihegyen. Jelenleg három korszerű, amerikai gyártmányú radar üzemel hazánkban (Budapest - Pestlőrinc, Nyíregyháza - Napkor illetve Pogányvár a Balatontól délnyugatra), amelyek mérései az egész országot lefedik. További egy orosz gyártású, MRL-5 típusú radart alkalmaz a NEFELA a jégesőelhárítás kiszolgálására (Hármashegy - Mecsek). 

2. Hogyan épül fel egy radarberendezés?

A radar alapvető egységeinek sematikus felépítését az alsó ábrán figyelhetjük meg. 
Mint ahogy említettük, a radar nagyenergiájú mikrohullámokat bocsát ki, és fogadja is a visszaérkező jeleket. A kibocsátás meghatározott hosszúságú energiacsomagokban, ún. impulzusokban történik, amit az adó berendezés állít elő egy elektromágneses vákuumcső, az ún. magnetron segítségével.  Az impulzus hosszát és a kibocsátás gyakoriságát a modulátor szabályozza, tulajdonképpen ez a részegység kapcsolja ki és be az adó berendezést. Az impulzus a magnetronból a csőtápvezeték mentén az antennához jut el, ami az impulzust kisugározza a tér egy meghatározott irányába. A visszaérkező, gyenge elektromágneses impulzust - az antenna tányérja által egy pontba fókuszálva - a nagy érzékenységű vevő berendezés fogadja, ami ezt követően felerősíti a jelet, majd pedig továbbítja a megjelenítő berendezések számára. További fontos egység a duplexer, ami kibocsátás ideje alatt kikapcsolja a vevő egységet, mivel azt az adó által kilőtt nagyenergiájú sugárzás azonnal tönkretenné. Mindezeket a műveleteket ma már mindenhol számítógép vezérli és hangolja össze. 

3. Mit mérnek az időjárási radarok és hogyan történik a mérés? 

3.1 A radarmérések általános technikai és fizikai jellemzői

Az időjárási radarokat elsősorban csapadékmérésre használjuk, mivel a kisugárzott mikrohullám elsődlegesen a felhőben található csapadékelemekről verődik vissza. A visszaverődött jel erősségéből következtethetünk a felhőben található csapadékelemek nagyságára és ezzel összefüggésben a csapadék intenzitására is. A kibocsátás és visszaérkezés közötti időkülönbségből pedig a csapadékelemek távolsága határozható meg. Az ún. Doppler-féle radarok ezen felül képesek megmérni az adott térrész részecskéinek elmozdulását is, amiből következtethetünk a visszaverő objektum (radarhoz képesti) sebességére. A polarizációs radarok két, egymásra merőleges - vízszintes és függőleges - síkban rezgő elektromágneses hullámot bocsátanak ki, ezzel lehetőség nyílik a "hagyományos" radarmérések javítására (lásd 3.5 pont). 
A leggyakrabban alkalmazott hullámhosszak a 10 cm (S-sáv), az 5 cm (C-sáv) illetve a 3,2 cm (X-sáv). A Magyarországon korábban használt, orosz típusú MRL-5-ös radarok S- illetve X-sávban is mértek, a jelenleg rendszeresített három amerikai gyártmányú, polarizációs Doppler-féle radar a C-sávban végez méréseket. 
Mint ahogy a radar felépítésénél már említettük, az antenna az elektromágneses hullámot egy meghatározott (jellemzően néhány milliszekundomos, azaz nagyjából a másodperc ezredrészének megfelelő) hosszúságú impulzus formájában bocsátja ki egy keskeny nyalábba fókuszálva, ami egy, a radarból nyíló kúpban terjed. A nyaláb szélessége (azaz az a szög, ahol a nyalábban kisugárzott energia a maximális érték felére csökken) az antenna méreteitől és a hullámhossztól függően 0.5 és 2 fok közé esik. Két impulzus kibocsátása közötti időben a radar vevőként működik, azaz fogadja az előző impulzus visszavert részét. Ez az időtartam határozza meg a radar maximális hatótávolságát, mivel az onnan visszavert, fénysebességgel haladó sugárzás még éppen beérkezik a vevő berendezéshez, mielőtt a radar egy újabb impulzust bocsátana ki. Ezek alapján annál nagyobb a mérés hatótávolsága, minél hosszabb a két egymást követő kibocsátás közt eltelt idő, másképpen mondva minél kevesebb kibocsátás történik egy másodperc alatt, azaz minél kisebb az ún.impulzusismétlési frekvencia. A hazánkban alkalmazott hatósugarak 30 km, 120 km illetve 240 km. A mérés sugár irányú felbontását az impulzus hosszával tudjuk szabályozni: rövidebb impulzus esetén jobb, hosszabb impulzus esetén rosszabb a felbontás. Az érintő irányú felbontást a nyalábszélesség befolyásolja: minél kisebb a nyalábszélesség, annál részletesebb a mérés. A felbontás egyébként érthető okokból sugárnyaláb szélesedése miatt a radartól távolodva egyre romlik, 100 km-es távolságban már nem jobb 1,5-2,0 km-nél.

3.2 A reflektivitás mérése

1) A radarhoz visszaérkező sugárzás teljesítménye függ:

a) a felhőben található (a hullámhosszhoz képest elhanyagolható méretű) csapadékelemek visszaverőképességétől, a reflektivitástól. A reflektivitás arányos az impulzus által letapogatott térfogatban található visszaverő részecskék koncentrációjával és méretük hatodik hatványával. Ez az arányosság akkor teljesül, ha a részecskék gömb alakúak.
A reflektivitás függ továbbá a részecskék halmazállapotától is: a jégszemek gyengébben vernek vissza, mint az esőcseppek. Nagyobb jégszemekre (amelyek mérete összemérhető a hullámhosszal) már nem érvényes a hatodik hatványos arányosság, ebben ez esetben a kapcsolatot a jégméret és a visszavert sugárzás teljesítménye között egy jóval bonyolultabb összefüggés adja meg. Ezt általában úgy kezelik, hogy a nagy jégszemek koncentrációját kellően alacsonynak feltételezik a felhőkben, így a róluk történő visszaverődést elhanyagolják. Hasonlóan nem érvényes az összefüggés a hókristályokra, mivel ezek bonyolultabb alakúak, és így a visszaverőképességük attól függ, épp milyen állásban esnek a sugárnyaláb keresztmetszetébe.

b) a felhőben található csapadékelemek radartól vett távolságától (négyzetesen): minél távolabb van egy adott részecske, a visszaverődött jel annál többet gyengül, mire visszaérkezik a vevőbe. 

c) a radar tulajdonságai által meghatározott paraméterektől.

Tehát a radarhoz visszaérkező sugárzás teljesítményét a következő módon írhatjuk fel:

ahol Z a már említett csapadékelemek visszaverőképessége, más néven reflektivitása, r² a távolságfüggést leíró tag, C pedig a radar paramétereitől függő mennyiség. 

Mivel a P_r mennyiség igen széles, több mint 10 nagyságrendnyi tartományban változik, ezért célszerű a 10-es alapú logaritmusát venni, és szorozni 10-zel, ekkor könnyebben kezelhető mennyiségeket kapunk. Ezek alapján a fenti összefüggés a következőképpen módosul:

Az összefüggést célszerű kifejezni a 10logZ-re, mivel ez az a mennyiség, ami közvetlenül arányos a vizsgált régióban található csapadékelemek méreteloszlásával és független a radar tulajdonságaitól, és így alkalmas eltérő radarok méréseinek összehasonlítására. 

A fenti 10logZ mennyiség az általánosan ismert reflektivitás, amiket a radarképeken is megjelenítenek, mértékegysége dBZ. A letapogatott térrész reflektivitását tehát úgy kapjuk meg, hogy az onnan visszaérkező sugárzás (ez az amit mérünk) teljesítményét korrigáljuk a térrész illetve a radar távolságával (magyarán a hozzáadással felerősítjük a távolabbi jelet, így válik a távolságtól függetlenné a reflektivitás) illetve a radar tulajdonságaitól függő paraméterekkel. 

2) Jellemző reflektivitási értékek a légkörben:

- -30 és 0 dBZ között: nagyon kicsi, maximum néhányszor 10 μm-es nagyságú vízcseppeket tartalmazó, réteges vagy gomolyfelhő esetén
- 0 és 10 dBZ között: már 50 μm-es átmérőjű vízcseppek is jelen vannak a felhőben, továbbá az esőt vagy havat adó csapadék intenzitás nagyon gyenge
- 10 és 30 dBZ között: közepes intenzitású esőre vagy erős havazás
- 30 és 55 dBZ között: közepes vagy erős intenzitású eső, 40 dBZ felett már zivatartevékenység is társulhat a csapadékhulláshoz
- 55 dBZ felett: a felhőben illetve csapadékzónában már jégszemek is találhatók, amihez zivatartevékenység társul

A reflektivitási értékek felső határa általában gyakorlatilag a radar kalibrációjától függ, jelenleg a magyar radarok esetében ez 70 dBZ körül van. 

3.3 Csapadékintenzitás mérés 

Ez tulajdonképpen nem közvetlenül mért mennyiség, hanem a mérésből származtatott érték. Ha ismerjük az adott térrész reflektivitását, akkor gömb alakú részecskéket és szabályos méreteloszlást feltételezve meghatározhatjuk, hogy adott kihullási sebesség esetén egységnyi idő alatt mekkora térfogatú víz érkezik a felszínre a térrészből. További feltétel, hogy a felhő csak esőcseppeket tartalmazzon. Ekkor a Z-R kapcsolat viszonylag egyszerűen felírható. Ez alapján lássunk néhány jellemző csapadékintenzitáshoz tartozó reflektivitási értéket:

A legkisebb, még mérhető csapadékintenzitás nagysága 0,1 mm/h. A Z-R kapcsolatot általában elég sok olyan feltétel kikötésével határozzák meg, amelyek sokszor nem reálisak, ezért az intenzitás számolása sokszor igen rossz eredményeket ad. Bonyolítja a helyzetet, ha a vízcseppek mellett jégszemek is találhatók a felhőben (ami zivataroknál gyakori eset), ekkor egyértelmű Z-R kapcsolat nem is határozható meg. Különösen konvektív csapadék esetében emiatt a csapadékintenzitás radaros becslése igen sok hibával terhelt. Ez a pontatlanság ugyanakkor polarizációs radarok alkalmazásával számottevően javítható (lásd 3.5 pont). 

3.4 Doppler-féle sebességmérés

A Doppler-féle radarok olyan berendezések, amelyek két impulzust bocsátanak ki ugyanabba a térrészbe (természetesen a második kibocsátása előtt megvárják az előző visszaérkezését), ezt követően megmérik a visszaérkező elektromágneses hullámok közötti fáziskülönbséget. Ez a különbség a Doppler-elmélet alapján arányos a visszaverő objektum radarhoz képesti sebességével (mivel az objektum a két visszasugárzás között elmozdult). Problémaként jelentkezik a mérésnél, hogy ha a visszaverő test túl nagy sebességgel mozog, akkor a kapott fáziskülönbség túllépi a 2π-t, azaz nem lehet eldönteni, hogy a mért fáziskülönbség szimplán veendő vagy meghaladja a teljes periódus valamely egész számú többszörösét. Ezt a határozatlanságot úgy lehet kiküszöbölni, hogy csökkentjük a két impulzus közötti kibocsátási időt (azaz növeljük az impulzusismétlési frekvenciát), mivel ekkor a nagyobb sebességgel mozgó objektumról is a visszaérkező sugárzások fáziskülönbsége garantáltan 2π alá fog esni. A maximális detektálható sebesség és az impulzusismétlési frekvencia között egyértelmű kapcsolat, egyenes arányosság áll fenn: minél kisebb ez a frekvencia, annál nagyobb sebességeket képes detektálni a radar. Ugyanakkor mint láttuk a 3.1-es pontban, minél kisebb az impulzusismétlés gyakorisága, annál nagyobb a mérés hatósugara. A két ellentétes hatású feltétel egyidejű figyelembevétele (minél nagyobb hatósugár és maximálisan mérhető sebesség) a frekvencia kompromisszumos megválasztását teszi szükségessé. A fentiek miatt egy C-sávban operáló radar esetében, mint a hazaiak is, elvileg ez azt jelenti, hogy 150 km-es hatótávolságban a maximális érzékelhető sebesség már csak 12 m/s körüli (lásd alsó ábra!) lenne. Ugyanakkor megfelelő mérési eljárással (kettős  impulzus ismétlési frekvencia) egy 120 km-es sugarú körben a hazai radarok +-48 m/s maximális szélsebességeket képesek detektálni.

         A hatótávolság illetve maximálisan detektálható radiális sebesség alakulása az impulzus ismétlési frekvencia függvényében (C-sávú radar esetében) 

Ha a reflexió csapadékelemekről történik, akkor az így kapott sebességinformáció alkalmas lehet a csapadékot produkáló képződmény (pl. zivatar) áramlási rendszerének feltérképezésére, vagy a szupercellák mezociklonjának az azonosítására.  Ugyanakkor a 3-10 cm-es hullámhosszú sugárzás egyes esetekben a tiszta levegőről is visszaverődhet, főként olyankor, amikor a turbulens levegő reflexiós mutatója hirtelen változik, ez leginkább a felszín feletti, kb. 1500 m vastag határrétegben teljesül. Tiszta időben továbbá a kisugárzott jel visszaérkezhet a levegőben lévő (és azzal együtt mozgó) rovarokról. Ezáltal lehetőség nyílik pl. a zivatar környezetét jellemző szélprofil előállítására, ennek az ultrarövidtávú előrejelzésben és a kutatásban igen nagy szerepe van. 

3.5 Polarizációs mérések

A polarizációs radarok két, egymásra merőleges - vízszintes és függőleges - síkban rezgő (azaz polarizált) elektromágneses hullámot bocsátanak ki. Ekkor a radar tulajdonképpen két mennyiséget mér: az egyes síkokban a csapadékelemek reflektivitását, amelyek eltéréséből következtethetünk a részecskék alakjára. A polarizációs mérésekkel jelentősen javítható a csapadékintenzitás becslése, mivel

1) a csapadékelemek okozta hullámgyengülés (azaz reflektivitás alábecslése) korrigálható

2) lehetőség nyílik a radar abszolút kalibrációjára 

3) a túlságosan leegyszerűsített Z-R kapcsolat (lásd 3.3 pont) helyett a polarizációs adatok bevonásával a valóságot jobban megközelítő formulákat írhatunk fel a csapadékintenzitás meghatározására: pl. a jégszemek okozta számítási hiba csökkenthető, reálisabb cseppméreteloszlást alkalmazhatunk az összmennyiség kalkulációjára stb. 

A polarizációs mérésekkel elviekben lehetőség nyílik a csapadék halmazállapotának megállapítására, bár ez alkalmazási terület jelenleg még a kutatási fázisban tart. 

A szakmai észrevételekért köszönettel tartozom Németh Péternek, az OMSZ radaros szakemberének.