¿Cómo detecta el radar la turbulencia y la velocidad del viento?

En una respuesta a una pregunta sobre turbulencia, esta respuesta mencionó que los aviones usan radar para ayudar a detectar las áreas más turbulentas de una tormenta para que los pilotos puedan evitarlas.

¿Cómo hace esto el radar? ¿Tiene que ver con la lluvia dentro de la tormenta moviéndose arriba y abajo con el viento? Y si es así, ¿puede el radar detectar la velocidad del viento fuera de una tormenta?

¿Has leído las respuestas aquí ?
@fooot Tengo ahora, pero ninguna de esas respuestas realmente responde a mi pregunta. Dan una buena visión general del radar meteorológico, pero realmente no dan detalles sobre cómo ve la turbulencia del radar meteorológico.
Más información sobre la detección de CAT por lidar UV aerotransportado: el sistema DELICAT LIDAR alerta a los pilotos sobre turbulencias en el aire que se avecinan .
@mins Podría considerar convertir eso en una respuesta y ver cómo todos votan al respecto.
Más información sobre la detección de cizalladura del viento a bajo nivel en un aeropuerto de Japón mediante lidar y radar combinados. También esta presentación .
@JayCarr: Desearía poder proporcionar un resumen completo; sin embargo, no tengo buenos antecedentes sobre el tema, solo recuerdo algunas lecturas sobre lidar. Espero que alguien pueda incluir estos elementos en una respuesta completa.

Respuestas (2)

La respuesta a la que se refiere explica cómo se usa el radar para volar a través de una línea de turbonada mientras evita las áreas más turbulentas.

El radar meteorológico convencional no puede detectar la velocidad del viento o la turbulencia directamente, solo detecta objetos sólidos y líquidos por encima de un tamaño umbral.

Las áreas más turbulentas de las tormentas eléctricas son también aquellas áreas que contienen la mayor cantidad de agua y hielo. Esta precipitación refleja muy bien las ondas de radar, por lo que las áreas más turbulentas tienen los reflejos más fuertes y se muestran en color rojo/púrpura en el visor. El área a sotavento del núcleo también suele ser muy turbulenta.

Entonces, el radar meteorológico simplemente detecta la presencia de agua. Es el piloto que interpreta la imagen quien realmente detecta la turbulencia.

La turbulencia de aire claro (CAT) no tiene agua condensada y, por lo tanto, no es detectable por el radar convencional. Hay sistemas como LIDAR que pueden detectar CAT pero generalmente no están instalados en aviones.

Como señaló @reirab en un comentario, se puede usar un radar Doppler para detectar la velocidad relativa de las partículas de un avión. Esto no se usa para detectar de manera confiable la velocidad del viento, pero cuando hay grandes variaciones en la velocidad del viento (también conocida como turbulencia), el cambio Doppler en los reflejos de las partículas provoca una dispersión del espectro. Esta es una indicación de turbulencia. Los radares meteorológicos aerotransportados de banda S tradicionales no tienen esta capacidad, pero el radar de banda X más nuevo (por ejemplo, este radar Honeywell (PDF) ) puede detectar turbulencia húmeda a una distancia de hasta 40-60 millas náuticas utilizando esta técnica.

LIDAR (un acrónimo de Luz y RADAR) es una tecnología que utiliza luz en lugar de ondas de radio. LIDAR puede medir la posición y la velocidad relativa de los aerosoles y, por lo tanto, puede usarse para detectar turbulencias. Se ha utilizado con éxito para detectar cizalladuras del viento y cartografiar vórtices de estela en la aproximación final desde tierra ( PDF en papel ).

Actualmente se está llevando a cabo una investigación ( PDF en papel , PDF de presentación ) sobre el uso aéreo de LIDAR para detectar CAT. Una de las dificultades es detectar componentes verticales de la turbulencia. Esto causa muy poco desplazamiento Doppler pero al mismo tiempo tiene el mayor efecto en la aeronave (ya que la componente vertical de la turbulencia provoca cambios en el ángulo de ataque).

Que yo sepa, actualmente no hay aplicaciones comerciales de LIDAR para la detección de turbulencias en el aire.

El radar convencional no puede detectar el viento directamente, pero puede detectar el movimiento de partículas (como gotas de agua) a través del efecto Doppler (razón por la cual los radares meteorológicos a menudo se denominan "radares Doppler"). Dado que la velocidad de las gotas de agua generalmente ser más o menos igual a la velocidad del viento local, podemos calcular la velocidad del viento (al menos su componente hacia o desde el radar) usando este efecto. Sin embargo, tiene razón en que esto es más difícil para CAT, debido a los reflejos de partículas de menor magnitud.
@reirab No se puede distinguir de manera confiable el componente del viento de un radar meteorológico aéreo. Cuando el desplazamiento Doppler provoca un espectro ensanchado, puede detectar la variación en la velocidad del viento cuando hay turbulencia húmeda. Esto se utiliza en los radares meteorológicos de banda X de nueva generación. Muchos aviones todavía vuelan con el radar meteorológico de banda S más convencional, que no tiene este modo de turbulencia. Los tipos de banda X pueden detectar turbulencia húmeda hasta un rango de aproximadamente 40-60 NM.
@reirab No creo que los radares meteorológicos típicos hagan algo para medir estas velocidades, o al menos no se muestran. Las pantallas de radar normalmente muestran la "reflectividad base" en dBm. Esto no tiene nada que ver con la velocidad de las partículas que reflejan.
@JoelM. No estoy seguro acerca de los radares aerotransportados, pero se hace todo el tiempo en los radares meteorológicos terrestres. En los EE. UU., el Servicio Meteorológico Nacional pone a disposición del público visualizaciones gráficas de los datos del viento de todos sus radares Nexrad. Ver aquí , por ejemplo. Esto es especialmente útil para detectar altos niveles de cizalladura del viento, que pueden indicar rotación (y, por lo tanto, formación de tornados). Esta es una de las principales herramientas del NWS para emitir advertencias de tornados.
@JoelM. Tenga en cuenta que lo que se mide aquí es diferente. Para las velocidades del viento, están midiendo el desplazamiento Doppler, es decir, la frecuencia de la señal recibida (y su diferencia con la frecuencia que se transmitió originalmente). Es la amplitud de la señal recibida la que se muestra en dBm, lo que le brinda información sobre la precipitación. intensidad. Sin embargo, tanto la información de frecuencia como la de amplitud se derivan de la misma señal recibida.
Sé que no se encuentran en los aviones, pero tal vez podría explicarnos un poco qué es lidar, cómo detecta CAT y por qué no lo tienen en los aviones. Espero que ayude a contextualizar la respuesta de Casey si pones eso en la tuya.
@reirab Entiendo las mediciones realizadas (trabajo en el radar), simplemente no pensé que mostraran ninguno de los datos Doppler en sitios como NWS. Es interesante ver que lo hacen.
@JayCarr LIDAR suele ser demasiado grande, complejo, pesado, costoso, etc. para instalarlo en cualquier cosa que no sea un avión con sensor dedicado. Los LIDAR que usan para medir CAT también suelen estar basados ​​en tierra, creo. No conozco muchos detalles sobre cómo detectan CAT, pero se basan en cambios en la refracción en la atmósfera que están presentes en áreas de turbulencia. Eso va a ser muy difícil de hacer desde una plataforma móvil, si no imposible.
@JoelM. ¿Quizás podrías editar eso en la respuesta? Sé que no es algo que lo beneficie directamente, pero sería bueno tenerlo en la respuesta real... ¿Aún no estoy seguro de cómo funciona LIDAR? ¿Utiliza una frecuencia diferente para que pueda ser más granular en sus lecturas?
@JayCarr Agregaré información LIDAR mañana, actualmente demasiado ocupado con otros asuntos urgentes de cajeros automáticos.
@DeltaLima Dulce! Gracias, deseando leerlo :)
@JayCarr Tomó un poco más de lo previsto, pero se agregó LIDAR.

La respuesta corta es que el radar no puede observar directamente el viento. Lo que el radar puede detectar son las velocidades de las pequeñas partículas que se elevan en el aire. Esto se hace midiendo el desplazamiento Doppler de la energía devuelta al radar. El radar solo puede detectar el componente de velocidad hacia o desde el radar.

El radar no tiene que diagnosticar turbulencia dentro de la convección, ya que se supone que ya existe y es parte de la naturaleza de la convección. Es mucho más valioso detectar turbulencia en aire claro que no tiene las indicaciones visuales que tiene el crecimiento de cúmulos en ebullición.

Afortunadamente, el aire claro generalmente no es exactamente claro. Si hay aerosoles o insectos que son lo suficientemente grandes como para dispersar la energía del radar, el radar puede inferir su movimiento como el movimiento del viento. Para cosas pequeñas como el polvo y los insectos, esta no es una mala aproximación. La energía de retorno de estos dispersores es muy pequeña y generalmente está por debajo del umbral que marcará la pantalla del radar (a diferencia de las aves o los murciélagos), pero las computadoras pueden interpretar los datos.

La detección de turbulencia es algorítmica, y aunque no tengo conocimiento de los algoritmos específicos utilizados, mi conjetura de primer orden es que observan la variación en la velocidad doppler con la distancia desde el avión y observan la serie temporal de velocidades doppler en cada ubicación muestreada en exploraciones posteriores. Si la variación cumple con algunos criterios, podría clasificarse como "turbulencia" y alertar a los pilotos. La capacidad de dicho sistema también depende de las capacidades físicas del radar, incluida la longitud de onda a la que opera el radar, su resolución de muestreo y la frecuencia de muestreo.

El radar en realidad detecta la turbulencia del aire claro usando cambios en la refractividad causados ​​por la turbulencia, no por el movimiento de las partículas. Ningún radar que yo conozca puede ver y medir el movimiento de objetos tan pequeños como insectos, son efectivamente invisibles para los radares de cualquier longitud de onda lo suficientemente grande como para propagarse en la atmósfera. Sin embargo, la medición de la refractividad es muy difícil de hacer y, que yo sepa, hay muy pocos radares que estén realmente diseñados para hacerlo. Ver: journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/…
Efectivamente, lo que estoy diciendo es que la CAT (turbulencia en aire despejado) normalmente no se mide con radar. Se infiere de cosas como el clima convectivo y la precipitación, pero no se mide.
@JoelM. Doy la bienvenida a una edición de mi publicación si desea contribuir con su conocimiento. En cuanto a los errores, no puedo dar fe del radar aerotransportado, pero creo que encontrará muchos ejemplos en la banda S, por ejemplo, la red WSR88D. También he visto un uso similar de insectos elevados que causan líneas finas de radar en los límites de convergencia tanto en WSR-88D como en las diversas encarnaciones de los vehículos DOW. Incluso ha habido algunas investigaciones recientes sobre las firmas dual-pol de los insectos, por ejemplo, journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-13-00247.1
Parece que su experiencia en esta área es mayor que la mía, por lo que solo puedo formular hipótesis, pero sé que el radar solo podrá detectar cosas como insectos y partículas en cantidades grandes y densas. Entonces, aunque supongo que es posible detectar turbulencias de esa manera, no parece un método muy confiable.
¿Conoce algún sistema de radar que se utilice habitualmente para detectar directamente turbulencias? Los únicos que he oído que usan el método de refractividad son los construidos para otros fines y luego se usan para detectar CAT para la investigación.
@JoelM. Desafortunadamente, no lo sé, pero no me sorprendería que algunos de los radares de investigación que he visto sean capaces. Podría ser una buena pregunta sobre Ciencias de la Tierra .
Entonces... ¿Es este un sistema que se encuentra actualmente en los aviones? ¿Y esta respuesta es correcta? Me cuesta entenderlo después de leer los comentarios.
¿Cómo detecta el radar la turbulencia y la velocidad del viento?
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