Radar Doppler Meteorologico
Il RADAR meteoteorologico è uno strumento che misura la quantità di idrometeore (pioggia, neve, ghiaccio)
presenti nell'atmosfera, il suo principale vantaggio è la possibilità di acquisire dati
in tre dimensioni relativi ad aree estese, ad esempio possiamo monitorare un volume fino a 200 km di distanza e 10
km di altezza dal suolo in pochi minuti.
RADAR è l'acronimo di RAdio Detection And RAnging,
nacque per scopi militari durante la seconda guerra mondiale, successivamente
fu utilizzato anche in altri campi, tra cui quello della meteorologia. Comunque fino a poco tempo non
esistevano radar meteorologici il cui compito fosse quello di acquisire dati
finalizzati all'analisi operativa delle perturbazioni
atmosferiche. I soli radar meteorologici funzionanti erano nati per scopi
prettamente di ricerca e non erano gestiti tramite calcolatori.
Ai giorni nostri
i sistemi di nuova generazione permettono un controllo automatico del sensore, l'ottimizzazione e la facilità
d'impostazione delle modalità operative, nonché la gestione
e la memorizzazione di grandi quantità di dati e di una serie di
prodotti di complessità crescente, integrati nello spazio e nel tempo. Il suo principio di funzionamento può
essere così schematizzato: vengono emessi brevi impulsi di onde elettromagnetiche di
elevata potenza nellatmosfera lungo la direzione di puntamento dell'antenna che
può variare sia in azimut che in elevazione. I pacchetti di onde così emessi
vengono assorbiti dalle idrometeore presenti nell'atmosfera e re-irradiati in tutte le
direzioni tra cui quella del RADAR. L'analisi del segnale di ritorno, che prende il
nome di riflettività, è effettuata nellapparato ricevente del RADAR stesso e permette
di ottenere l'intensità della precipitazione, mentre la direzione di puntamento
dell'antenna e il tempo impiegato dal segnale nel percorso andata-ritorno consentono di
localizzare le idrometeore in termini di direzione e distanza. Inoltre
piccole variazioni nella frequenza dell'eco di ritorno permettono, attraverso l'effetto
Doppler, di misurare la velocità radiale e quindi di stimare la
direzione di spostamento dell'evento meteorologico.
I RADAR meteorologici operano nell'intervallo di frequenze delle microonde
e questo ne consente l'impiego per l'indagine delle precipitazioni dato che
la lunghezza d'onda a cui lavorano è confrontabile con la dimensione delle idrometeore stesse,
di solito si utilizzano le bande S e C
L'attenuazione aumenta al diminuire della
lunghezza d'onda ed è per questo motivo che la banda S è
la più indicata per le regioni tropicali e per quelle aree dove
uragani, tornado e cicloni sono più probabili. I radar in banda S
tuttavia, comportano notevoli problemi strutturali; infatti, poiché
le dimensioni dell'antenna sono proporzionali alla lunghezza d'onda, ne
segue che per un fascio di 1 grado a 10 cm è necessario un riflettore
di 7,3 m di diametro, sconsigliabile sia per l'alto costo che per la notevole
instabilità meccanica.
A 5 cm un fascio della stessa apertura
è invece ottenibile con un'antenna di soli 3,7 m; la banda C offre
proprio il miglior compromesso tra problematiche ingegneristiche e prestazioni
meteorologiche ed è oggigiorno utilizzata dalla maggior parte dei
nuovi impianti installati in regioni non tropicali.
Esistono, inoltre, radar che utilizzano valori
inferiori e precisamente:
Si tratta, però, di impianti nella
maggior parte dei casi nati per altre attività e solo in un secondo
tempo "ereditati" dalla meteorologia. Il loro uso è problematico,
poiché a queste lunghezze d'onda il fascio radar è soggetto
ad un notevole assorbimento atmosferico. Buoni risultati nell'avvistamento delle nubi
potrebbero essere raggiunti lavorando in banda K dove i radar convenzionali non possono
vedere le microscopiche goccioline che le compongono.
Con lunghezze d'onda superiori a 3 cm e
nell'ipotesi che le particelle abbiano un diametro inferiore ai 5 mm, la
teoria permette di legare, in un'unica relazione nota come equazione
del radar, la riflettività di un volume di atmosfera con l'intensità
dell'eco, le caratteristiche del radar e quelle del mezzo in cui avviene
la propagazione dell'onda elettromagnetica. In particolare, risulta che
il fascio può subire una notevole attenuazione per la presenza di
precipitazioni poste tra l'antenna ed il volume in osservazione.
Altri fattori possono poi concorrere a
modificare il fascio radar durante la sua propagazione; essi sono di natura
sia geometrica che fisica (legati a variazioni dell'indice di rifrazione
atmosferico) o dovuti alla presenza di ostacoli naturali o artificiali.
Se tralasciati conducono ad un'errata valutazione della situazione meteorologica;
le correzioni possono intervenire a livello analogico, al momento della
misura, o a livello digitale, in fase di riduzione dei dati. Uno di questi
effetti, più propriamente meteorologico, è quello detto di
bright band, che si presenta quando una particella di ghiaccio,
attraversando il livello dell'isoterma 0°C, comincia a fondersi, ricoprendosi
di una sottile pellicola d'acqua. Poiché i più alti valori
di riflettività sono associati alla neve bagnata, questo fenomeno,
particolarmente evidente nel caso di nubi stratiformi, provoca un notevole
aumento di riflettività rispetto agli strati circostanti; per la
sua eliminazione si fa ricorso ad un'interpolazione tra due strati orizzontali.
Una volta ottenuto un valore di riflettività
il più possibile corretto, esso può essere convertito in
quantità di pioggia tramite una relazione di questo tipo:
Z = a Rb
dove R è la precipitazione
in mm/h, Z la riflettività ed a e b sono costanti il cui valore dipende dal
tipo di precipitazione.
Il problema della determinazione delle
costanti è uno dei più discussi in radar-meteorologia; in
letteratura esistono moltissime coppie di coefficienti calcolate per diversi
tipi di precipitazione e verificate sperimentalmente mediante confronto
con una rete di sensori pluviometrici posti nella zona spazzata dal radar.
E' evidente, tuttavia, come questa relazione
sia puramente empirica e soggetta ad incertezze dipendenti soprattutto
dalla distribuzione delle dimensioni delle gocce nel volume in esame e
dalla durata temporale della misura. Per migliorare il grado di precisione
vengono usati i cosiddetti sistemi a doppia polarizzazione, dove
la riflettività viene valutata su due piani tra loro ortogonali.
Infatti, tanto più le gocce sono grandi, tanto più assumono,
durante la caduta, una forma schiacciata e tanto più la riflettività
orizzontale differisce da quella verticale, fornendo così un'indicazione
della distribuzione delle dimensioni. In questo caso esistono delle relazioni diverse da
quella citata dato che entrano in gioco altri parametri come la riflettività differenziale, la fase differenziale etc.
Inoltre, la polarizzazione duale
permette di distinguere le gocce di pioggia dalle particelle di ghiaccio,
che durante la caduta conservano una forma pressoché sferica.
In conclusione, si deve sottolineare che,
per quanto un radar possa essere impreciso, rispetto al satellite meteorologico,
che vede essenzialmente la cima delle nubi , ed i sensori di punto, che
rilevano dati su di un punto dello spazio, esso fornisce una misura delle
grandezze osservabili su tutto lo spazio e rileva in maniera completa la
struttura dei fenomeni meteorologici. Un suo utilizzo operativo è
particolarmente utile nel Nowcasting, soprattutto riguardo all'individuazione
di fenomeni violenti (temporali, grandine, wind shear). Un ulteriore miglioramento
si avrà non appena entreranno in funzione le reti radar nazionali
ed internazionali. L'integrazione con altri sensori, come quelli puntuali
al suolo o in quota (palloni sonda), con i satelliti meteorologici, renderà
possibile una visione sempre più completa delle osservabili meteorologiche.
BANDA S BANDA C
Lunghezza d'onda 15-7.5 cm 7.5-3.75 cm Frequenza
2-4 GHz
4-8 GHz
BANDA X BANDA K
Lunghezza
d'onda 3.75-2.5 cm 2.5-0.75 cm Frequenza
8-12 GHz
12-40 GHz