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Radar

Il radar meteorologico è uno strumento per l'osservazione delle nubi e delle precipitazioni (http://en.wikipedia.org/wiki/Weather_radar). L'onda elettromagnetica emessa dal radar sotto forma di impulsi viene retrodiffusa dalle nubi, che costituiscono il bersaglio meteorologico. La misura della potenza e della fase (radar Doppler) della radiazione ricevuta dal radar permette di caratterizzare la natura del bersaglio meteorologico. In particolare la misura di potenza, che viene quantificata per mezzo dell'unità logaritmica dBZ (riflettività radar), risulta legata alla quantità d'acqua presente nella nube, mentre la misura della fase permette di ricavare un'informazione legata alla velocità di spostamento della nube.


Il radar non effettua una misura diretta di parametri meteorologici, per ottenere quindi delle informazioni di maggiore utilità in ambito idro-meteorologico è necessaria l'applicazione di opportuni algoritmi: per questa ragione si parla ad esempio di stima radar (e non misura) della precipitazione.

 

  

 

  Fig. 1 - Stima dell’intensità della precipitazione al suolo Fig.2 - Precipitazione cumulata per un dato periodo

 

Il campo elettromagnetico generato dal radar è normalmente polarizzato sul piano orizzontale. A par

tire dagli anni novanta sono stati realizzati e resi commercialmente disponibili sistemi che permettono di variare il piano di polarizzazione dell'onda trasmessa (radar polarimetrici). In particolare la trasmissione alternata di impulsi polarizzati orizzontalmente e verticalmente consente di ricavare informazioni riguardanti la forma delle idrometeore (gocce d’acqua, cristalli di ghiaccio,…), rendendone così possibile l'identificazione. Infatti le gocce d'acqua, caratterizzate da una forma schiacciata dovuta al moto di caduta, retrodiffondono la radiazione radar maggiormente nel piano orizzontale, mentre la neve e la grandine, mediamente di forma sferica, retrodiffondono in modo simile nelle due polarizzazioni.

 

Arpa Piemonte gestisce il radar di Bric della Croce (TO) e, in collaborazione con Regione Liguria, il radar di Monte Settepani (SV). Entrambi i sistemi sono di tipo Doppler e polarimetrici. I radar effettuano una scansione di tipo volumetrico ogni 5 minuti, acquisendo i dati su superfici coniche corrispondenti a predeterminate elevazioni, tra circa 0 e 30 gradi. Il volume risultante in formato polare (distanza, azimuth, elevazione) viene inviato al Centro Funzionale per le successive elaborazioni. Le tabelle 1 e 2 mostrano le principali caratteristiche tecniche dei due strumenti.

Tabella 1. Caratteristiche del radar di Bric della Croce

 

Località

Pecetto T.se (TO)

Altezza

736 m

Latitudine

45.03

Longitudine

7.73

Tipo di polarizzazione

Lineare H e V

   

Diametro antenna

4.2 m

Ampiezza fascio

1.0 deg max.

Massimo livello lobi secondari

-28 dB

Guadagno antenna

44.5 dB

   

Trasmettitore

Magnetron

Frequenza

5450 ¸ 5825 MHz

Potenza di picco

³ 250 kW

Durata dell’impulso

0.5, 2.0 ms

PRF (Pulse Repetition Frequency)

250 ¸ 1200 Hz

Range dinamico del ricevitore

95 dB

 

 

Tabella 2. Caratteristiche del radar di Monte Settepani


Località

Calizzano (SV)

Altezza

1390 m

Latitudine

44.25

Longitudine

8.20

Tipo di polarizzazione

Lineare H e V

   

Diametro antenna

4.2 m

Ampiezza fascio

1.0 deg max.

Massimo livello lobi secondari

-28 dB

Guadagno antenna

44.5 dB

   

Trasmettitore

Klystron

Frequenza

5600 ¸ 5650 MHz

Potenza di picco

³ 250 kW

Durata dell’impulso

0.5, 1.5, 3.0 ms

PRF (Pulse Repetition Frequency)

300 ¸ 1200 Hz

Range dinamico del ricevitore

95 dB

 

 

I principali prodotti per attività di monitoraggio meteorologico sono i campi di stima dell’intensità della precipitazione al suolo ed il tipo di precipitazione (pioggia, neve, pioggia mista a neve). I dati rilevati dal radar comprendono gli echi dovuti ai bersagli meteorologici (nubi), ma anche a bersagli non meteorologici (es. edifici, montagne, aerei,…), indicati in generale con il termine clutter. Il primo step dell’elaborazione in tempo reale dei dati consiste quindi nel riconoscere ed isolare i dati riconducibili a clutter nel volume polare. I dati vengono successivamente corretti per l’attenuazione del segnale dovuta a nubi e precipitazioni, per mezzo di algoritmi che sfruttano le capacità polarimetriche del radar, in particolare la variazione differenziale di fase (Hubbert and Bringi, 1995). Per l’elaborazione dei prodotti bi-dimensionali vengono considerati i dati più bassi liberi da blocco orografico (sulla base di modelli digitali del terreno ad alta risoluzione), successivamente convertiti in formato cartesiano (coordinate UTM, Universal Transverse Mercator).

La stima dell’intensità della precipitazione al suolo (fig. 1) è effettuata a partire dalla riflettività radar, secondo la relazione (Marshall and Palmer, 1948):

Z = A·RB

dove Z è la riflettività espressa in mm6m-3 e R l’intensità di precipitazione in mm/h. I coefficienti A e B attualmente usati sono A=300, B=1.5. Assumendo costante l’intensità di precipitazione per il tempo pari all’intervallo tra due successive scansioni radar (5 minuti) è possibile integrare le misure istantanee e calcolare la precipitazione cumulata su un dato periodo, ottenendo così un prodotto di precipitazione cumulata (fig. 2).

La disponibilità dei campi di temperatura (ed in particolar modo la temperatura di bulbo bagnato) derivanti dai modelli numerici ad area limitata, permette di associare il tipo di precipitazione al dato radar (Cremonini et al., 2008). In questo modo viene elaborata una mappa di tipo di precipitazione al suolo, che permette di identificare le regioni interessate da neve piuttosto che da pioggia o pioggia mista a neve. Ovviamente tale distinzione è soggetta ad un’incertezza, principalmente legata al variare delle condizioni locali (temperatura e umidità) rispetto alle previsioni del modello numerico.

 

Bibliografia

Cremonini R., R. Bechini, V. Campana, L. Tomassone, 2008: Combined use of weather radar and limited area model for wintertime precipitation type discrimination. Precipitation: Advances in Measurement, Estimation and Prediction, 2008, pp 475-491.

Hubbert, J. C., and V. N. Bringi, 1995: An iterative filtering technique for the analysis of copolar differential phase and dual-frequency radar measurements. J. Atmos. Oceanic Technol., 12, 643-648.

Marshall, J. and W. Palmer, 1948: The distribution of raindrops with size. Journal of Meteorology 5, 165-166.