Radar-meteo: la scienza dietro le immagini “colorate” che vediamo ogni giorno
Radar-meteo: la scienza dietro le immagini “colorate” che vediamo ogni giorno
tratto da Windy
Il radar meteorologico è uno degli strumenti più potenti della meteorologia moderna. Ci permette di guardare all’interno dei sistemi nuvolosi che generano precipitazioni e misurarne l’intensità, la struttura, il movimento e lo sviluppo, dettagli che i satelliti e le stazioni di terra, da soli, non possono fornire. Questo articolo spiega come funziona il radar meteorologico, cosa misura, cos’è la riflettività radar e come interpretare i dati.
Da dove viene RADAR?
RADAR è l’acronimo di RAdio Detection And Ranging, che significa “rilevamento radio e misurazione della distanza”. La parola “radio” si riferisce alle onde radio trasmesse e ricevute dal radar.
Proprio come molte grandi invenzioni, il radar è nato da scoperte casuali. Nel 1922, il piroscafo Dorchester sul fiume Potomac interruppe un esperimento radio della Marina, suggerendo che le onde radio potevano essere utilizzate per rilevare le navi con la copertura dell’oscurità. L’idea fu dimenticata, ma nel 1934 un aereo di passaggio disturbò ancora una volta un segnale radio, questa volta innescando il concetto rivoluzionario di utilizzare impulsi di energia a onde corte per localizzare i bersagli (R. E. Rinehart, Radar for Meteorologists, 2004).
Nuvole con precipitazione associate su un display radar (a sinistra); Grafico di routine dell’intensità oraria delle precipitazioni (al centro) e della riflettività radar (a destra), 1986;CHMI tramite radice
I primi principi della tecnologia radar iniziarono a prendere forma già negli anni ’30. Inizialmente, lo sviluppo si concentrò principalmente sulle applicazioni militari, in particolare sul rilevamento di aerei e navi. Durante la seconda guerra mondiale, tuttavia, gli operatori notarono che gli schermi radar spesso mostravano anche bande di precipitazioni, il che rendeva più difficile tracciare i bersagli previsti. Questo “effetto collaterale” divenne in seguito l’impulso per l’uso scientifico del radar in meteorologia nel dopoguerra.
Negli anni ’50 e ’60 furono sviluppati i primi radar progettati specificamente per il monitoraggio meteorologico, in grado di visualizzare la posizione e l’intensità delle precipitazioni. Negli anni ’70 entrarono in uso i radar Doppler, in grado di misurare la velocità delle particelle di precipitazione in movimento. Un altro importante progresso è arrivato negli anni ’90 con l’introduzione della doppia polarizzazione, che ha permesso di distinguere la forma e il tipo di particelle rilevate (pioggia × neve × grandine).
Oggi i radar meteorologici sono parte integrante delle reti nazionali e internazionali. Consentono di monitorare il meteo con un’elevata risoluzione spaziale e temporale e di fornire avvisi tempestivi di fenomeni pericolosi, dalle forti piogge e grandine ai tornado.
Come misura il radar
Il principio di funzionamento di base di un radar meteorologico può essere illustrato utilizzando un radar Doppler a impulsi. Questo tipo di radar è oggi ampiamente utilizzato e impiegato dai servizi meteorologici nazionali di tutto il mondo.
Un radar è costituito da diversi componenti principali: un trasmettitore che genera un segnale ad alta frequenza; un’antenna che trasmette questo segnale nello spazio e contemporaneamente ne riceve gli echi; un ricevitore che amplifica il segnale restituito; e un sistema di visualizzazione che consente di interpretare in modo chiaro i risultati.
Il radar trasmette un impulso e ascolta un segnale di ritorno da un bersaglio; NOAA
I primi radar meteorologici trasmettevano un segnale continuo e quindi richiedevano due antenne separate: una per la trasmissione e una per la ricezione. I radar moderni, tuttavia, funzionano in modo diverso. Utilizzano una singola antenna ed emettono brevi impulsi di energia invece di un raggio continuo. Dopo ogni impulso, il radar attende il ritorno dell’eco prima di inviare il successivo. Poiché le onde radio viaggiano alla velocità della luce, gli echi ritornano in frazioni di secondo, anche da bersagli a centinaia di chilometri di distanza. In ogni ora, il radar trascorre poco più di 7 secondi trasmettendo impulsi. I restanti 59 minuti e 53 secondi sono dedicati all’ascolto degli echi.
La maggior parte dei radar utilizzati nella meteorologia moderna, opera in una modalità di scansione del volume, in cui sia l’azimut che l’angolo di elevazione del sistema di antenne possono essere variati. L’antenna ripete scansioni circolari a 10-20 diversi livelli di elevazione, solitamente compresi tra 0,3° e 20°. L’intero processo dura circa 4-6 minuti e fornisce un’immagine tridimensionale dell’atmosfera.
Una volta che il radar riceve il segnale riflesso, il ricevitore deve prima amplificarlo. Per esempio: il radar WSR-88D utilizzato nella rete NEXRAD degli Stati Uniti trasmette un impulso con una potenza di 750.000 watt, ma solo una piccola frazione di questo ritorna. Solo allora il sistema di visualizzazione prende il sopravvento, elaborando ulteriormente i dati e convertendoli in forma visiva.
Come un raggio radar si propaga nell’atmosfera
Per semplicità, possiamo immaginare un raggio radar come un cono di luce proveniente da una torcia. Il segnale più forte è al centro, mentre si indebolisce e si diffonde gradualmente verso i bordi. Vicino al radar si possono vedere anche i dettagli più fini, ma a distanze maggiori svaniscono e la risoluzione del radar diminuisce.
All’aumentare della distanza dal radar, il suo raggio sale gradualmente sopra la superficie a causa della curvatura della Terra. A distanze maggiori, il radar non è più in grado di catturare le condizioni vicine al suolo, che sono le più importanti dal punto di vista meteorologico.
Nel vuoto, un raggio radar si propagherebbe in linea retta, ma nell’atmosfera si piega leggermente a causa dei cambiamenti nella densità dell’aria e nell’indice di rifrazione. In condizioni normali, curva dolcemente verso la Terra. Tuttavia, se il profilo verticale di temperatura e umidità si discosta significativamente dalla norma (ad esempio durante un’inversione di temperatura), può verificarsi una propagazione anomala, causando una flessione più forte del raggio verso la Terra o lontano da essa.
Cosa vede un radar meteorologico?
Un radar meteorologico misura la potenza del segnale elettromagnetico riflesso dalle particelle nell’atmosfera. Questa potenza è influenzata sia dai parametri tecnici del radar (ad esempio, potenza trasmessa, lunghezza d’onda, lunghezza dell’impulso, guadagno dell’antenna o larghezza del fascio) sia dallariflettività del bersaglio, e diminuisce rapidamente con la distanza. Questa relazione è descritta dalla cosiddetta equazione radar.
I radar meteorologici sono sintonizzati per catturare al meglio la retrodiffusione delle particelle di precipitazione, come le gocce di pioggia (dalla pioggerellina alle grandi gocce in caso di forti piogge), i fiocchi di neve o la grandine.
I radar in banda S operano a lunghezze d’onda intorno ai 10 cm. Queste onde penetrano bene anche le precipitazioni intense, motivo per cui vengono spesso utilizzate in regioni con forti temporali, acquazzoni tropicali e uragani.
I radar in banda C operano a lunghezze d’onda di circa 5 cm e sono adatti per le aree in cui le piogge intense sono meno frequenti, quindi l’attenuazione del segnale non è così significativa.
I radar in banda X operano a lunghezze d’onda di circa 3 cm. Sono in grado di rilevare particelle di nuvole più piccole e precipitazioni leggere, ma il loro segnale si indebolisce rapidamente in caso di forti piogge.
Oltre alle particelle di precipitazione, e talvolta alle nuvole, i radar registrano anche i cosiddetti echi non meteorologici, come quelli provenienti da uccelli, insetti, aerei, navi o dalla superficie terrestre.
Quanto lontano dai radar piove?
La distanza da cui il segnale riflesso viene restituito può essere determinata facilmente: misurare il tempo tra la trasmissione e la ricezione, moltiplicarlo per la velocità della luce e dividerlo per due, perché l’impulso ha percorso il percorso due volte, andata e ritorno.
Il radar emette impulsi di energia elettromagnetica, parte della quale viene dispersa verso il radar; UCAR MetEd COMET
Il tempo di attesa prima che il radar invii l’impulso successivo determina la sua portata massima, cioè la distanza entro la quale il segnale riflesso può essere assegnato in modo univoco all’impulso trasmesso. Un ritardo più lungo tra gli impulsi consente al radar di rilevare bersagli più distanti, ma riduce anche la risoluzione temporale e spaziale. Inoltre, il raggio si indebolisce mentre viaggia attraverso l’atmosfera e sale più in alto rispetto alla superficie terrestre con la distanza. L’impostazione del ritardo è quindi sempre un compromesso tra portata e qualità della misurazione.
Riflettività radar
La riflettività radar, derivata dalla potenza ricevuta, è uno dei principali prodotti radar meteorologici ed è probabilmente il più familiare al pubblico. Rappresenta l’intensità del segnale retrodiffuso. La riflettività dipende principalmente dalla dimensione delle particelle di precipitazione (è fortemente ponderata verso gocce più grandi) e, in misura minore, dalla loro concentrazione.
L’unità di base della riflettività è mm⁶/m³, come dato dall’equazione radar. I valori grezzi coprono molti ordini di grandezza: minuscole goccioline d’acqua sono circa 0,001 mm⁶/m³, mentre la grandine in caso di forti tempeste può raggiungere i 36 milioni di mm⁶/m³. Per praticità, la riflettività è espressa su una scala logaritmica come decibel di riflettività (dBZ). I valori misurati tipici della riflettività radar vanno da –35 dBZ a +85 dBZ; in generale, un dBZ più elevato corrisponde a precipitazioni più intense.
Riflettività della base
La riflettività di base mostra l’intensità della pioggia o della neve vista dal radar con un angolo basso sopra l’orizzonte (circa 0,5°). Fornisce un quadro chiaro di dove stanno cadendo le precipitazioni e quanto sono forti.
Questo prodotto è particolarmente utile per individuare dettagli all’interno di tempeste, come echi ad uncino, raffiche lineari nei fronti o nuove celle che si formano vicino al suolo. Il suo limite è che mostra solo la fetta più bassa dell’atmosfera, quindi la struttura verticale completa delle tempeste può essere persa. Vicino al radar, l’immagine può anche essere distorta dagli echi del terreno o degli edifici.
Riflettività composita
La riflettività composita è uno dei prodotti radar più comunemente usati. Visualizza il valore di riflettività più alto sopra una determinata posizione. È utile per una rapida panoramica della forza e della distribuzione della convezione e per rilevare i primi segni di sviluppo di temporali. Consente inoltre il monitoraggio di sistemi su larga scala, come le linee di burrasca o le tempeste multicella.
Per un’analisi dettagliata delle tempeste, tuttavia, è meno adatta, poiché i valori massimi di riflettività non possono essere assegnati a un’altitudine specifica e le caratteristiche più particolari della tempesta (ad esempio, gli echi dei ganci) sono spesso oscurate.
Intensità istantanea delle precipitazioni
La riflettività radar può essere convertita in intensità di precipitazione istantanea (mm/h, in/h) utilizzando relazioni derivate empiricamente tra la distribuzione delle dimensioni delle gocce e il tasso di precipitazioni. Queste formule di conversione sono note come relazioni Z-I.
Perché le immagini radar possono essere fuorvianti
Le immagini radar sono uno strumento prezioso per il monitoraggio delle precipitazioni e delle tempeste. La loro interpretazione, tuttavia, non è semplice, poiché il segnale catturato può essere influenzato da una varietà di fattori interferenti. Alcuni di questi effetti possono essere parzialmente filtrati. I problemi più comuni includono:
Echi del terreno e degli oggetti
Oltre alle precipitazioni, il radar può anche catturare echi indesiderati da bersagli terrestri come edifici, colline o alberi. Questi possono verificarsi quando si verifica una propagazione anomala del raggio radar a causa di una stratificazione atmosferica molto stabile. Tali echi di “disordine del terreno” possono essere parzialmente filtrati. Il radar può anche rilevare echi provenienti da altri bersagli non meteorologici.
A volte nell’immagine compaiono i cosiddetti “echi di secondo viaggio” o “ripiegamento di gamma”. Si tratta di riflessioni che ritornano solo dopo l’impulso successivo e vengono quindi visualizzate nella posizione sbagliata.
Attenuazione del raggio radar
Quando un raggio radar viaggia attraverso l’atmosfera, la sua intensità diminuisce a causa dell’assorbimento e della dispersione da parte di gas, vapore acqueo, nuvole e precipitazioni. Passando attraverso forti piogge o grandine, parte dell’energia del segnale viene persa, il che può causare la sottostima delle precipitazioni dietro il nucleo della tempesta.
Interferenza da segnali esterni
Il radar può anche essere influenzato da altre sorgenti che operano a frequenze simili, come i trasmettitori di telecomunicazione o persino il Sole. In questi casi, sulle immagini radar possono apparire strane linee o striature.
Conversione della riflettività in precipitazioni
Gli errori nella stima dell’intensità delle precipitazioni derivano già dall’uso della relazione Z-I stessa. Si basa su una presunta distribuzione delle dimensioni delle gocce delle particelle di precipitazione. In realtà, tuttavia, queste distribuzioni sono molto variabili e specifiche per le nuvole, il che rende impossibile convertire con precisione la riflettività radar in intensità delle precipitazioni.
Presenza di grandine
Nelle misure radar, si presume che il radar rilevi solo particelle molto più piccole della lunghezza d’onda del segnale, quindi gli echi seguono lo scattering di Rayleigh. I chicchi di grandine, tuttavia, sono molto più grandi e diffondono il segnale in modo diverso. Un’altra ipotesi è che tutte le particelle abbiano la stessa composizione, ma in realtà la riflettività dipende da ciò di cui sono fatte e dal fatto che siano liquide o congelate. Per questo motivo, la grandine appare spesso sul radar con valori di riflettività insolitamente elevati.
Maggiore riflettività al livello di congelamento (banda luminosa):
nello strato di fusione delle precipitazioni solide al di sotto del livello di congelamento, si osserva spesso una maggiore riflettività radar, che in genere aumenta da 5 a 15 dBZ. Questo effetto deriva da cambiamenti nella composizione delle particelle di precipitazione. Una maggiore riflettività è principalmente associata alle precipitazioni stratiformi. Al contrario, forti correnti ascensionali all’interno delle nubi convettive tendono a interrompere la stratificazione orizzontale che è essenziale per la formazione di questa banda.
Processi al di sotto del raggio radar:
Evaporazione delle precipitazioni al di sotto del raggio (virga) – Se l’aria vicino alla superficie è secca, le gocce di pioggia o i fiocchi di neve possono evaporare (o sublimare) prima di raggiungere il suolo. In questi casi, il radar mostra precipitazioni che non raggiungono mai la superficie.
Aumento dell’intensità delle precipitazioni – Sui pendii sopravento delle colline, le precipitazioni possono intensificarsi a causa degli effetti orografici, inducendo il radar a sottostimare le quantità effettive.
Virga; OMM
Radar di Windy.com
Windy.com ora fornisce dati radar da circa 1.000 radar meteorologici in tutto il mondo e il numero continua a crescere. Per mantenere i dati il più accurati possibile, gli errori di misurazione rimovibili vengono automaticamente filtrati.
Nel livello Radar, troverai il prodotto Riflettività composita, che puoi visualizzare sia in dBZ che come intensità di precipitazione attuale (mm/h o in/h).
Nel livello Radar+, i dati compositi di riflettività radar sono combinati con le osservazioni satellitari, fornendo una visione chiara e dettagliata della formazione e dell’evoluzione delle nuvole e delle precipitazioni e consentendo un’identificazione più affidabile dei falsi echi confrontando il campo di riflettività radar con le immagini satellitari.
Dagli echi radar, Windy genera anche un avviso a breve termine del movimento delle precipitazioni per i prossimi 60 minuti utilizzando l’interpolazione, in modo da poter vedere non solo dove sta piovendo o nevicando in questo momento, ma anche cosa sta arrivando.
