Radari peegelduvus

Radaripildi tagasipeegeldus näitab radari sihtmärgi efektiivsust raadiolainete kinnipüüdmisel ja tagasipeegeldamisel. See sõltub peegeldavast sihtmärgist, selle kujust ja omadustest, ilmaradarite puhul peegeldavate osakeste mõõdust ja osakeste arvust, aga ka osakeste dielektrilistest omadustest. Varem kasutusel olnud asjaomane näitaja η arvutati kui ruumalaühikus leiduvate osakeste pindalade summa järgmise valemiga:

$\eta =\sum \sigma _{i}$

Sellise arvutusviisi eelduseks on, et on teada osakeste mõõde uuritavas ruumalaühikus.

Abisuurusena kasutatakse radari ekvivalentset peegeldustegurit z, mis arvutatakse valemiga:

$z=\sum N_{i}D_{i}^{6}$

Sellele vastav logaritmiline mõõduta suurus on dbZ, mis arvutatakse järgmiselt:

$Z=10\log _{10}\left({\frac {z}{1mm^{6}/m^{3}}}\right)$

Radaripildi tagasipeegeldus z ei sõltu tormise ilma puhul mõõtmiste tegemisel radari lainepikkusest, mis on selle suureks eeliseks.

Radari peegelduvus η nimetati varem radari peegelduvuseks. Tänapäeval on radaripildi tagasipeegelduvuse näitajana kasutusel näitaja z.

Radaripildi tagasipeegeldus

Radar saab oma ilmateabe tagasipeegeldunud energiast. Radarist kiirgub energia, see põrkab vastu objekti (vihmapiisk, lumehelves jne), hajub igasse suunda laiali ning osa sellest peegeldub tagasi radari poole. Radar tuvastab peegeldunud signaali kuulamise perioodil. Siis analüüsib arvuti peegeldunud signaali tagasi tulemise aja ning edastab järgmise signaali. Seda tehakse umbes 1300 korda sekundis.

Valemite tuletamine

Radaripildi tagasipeegelduse näitaja η tuletamine

Radari varajases ajaloos võeti kasutusele näitaja, mis iseloomustab kindla läbilõikega ala hajutavust ja leitakse kui summa ∑δ. Sellele näitaja tähis on η j ühikuks on tavaliselt cm⁻¹.

Enamik kliimaradareid kasutab lainepikkuseid, mis on suured võrreldes vihmapiiskade suurusega, ning seetõttu kehtib neile Rayleigh' hajumine:

$\sigma _{i}={\frac {\pi ^{5}\left\vert K\right\vert ^{2}D_{i}^{6}}{\lambda ^{4}}}$ (1)

Kus σ on tagasihajuvus, λ on lainepikkus, D on läbimõõt ning |K| on kiirte murdumise koefitsient.

Asendades σ_i radari võrrandisse,

$p_{r}={\frac {p_{t}g^{2}\lambda ^{2}\theta \phi h\sum \sigma _{i}}{1024\ln(2)\pi ^{2}r^{2}}}$ (2)

saame valemi:

$p_{r}={\frac {\pi ^{3}p_{t}g^{2}\theta \phi h\left\vert K\right\vert ^{2}\sum D_{i}^{6}}{1024\ln(2)\lambda ^{2}r^{2}}}$ (3)

Selle valemiga on võimalik arvutada vihmapiiskadelt saadav tagasipeegeldus, kui on teada vihmapiiskade läbimõõdud ruumalaühikus, kuid seda tavaliselt ei teata.

Radaripildi tagasipeegelduse näitaja z tuletamine

Kui lisada valemisse (3) radari peegeldustegur z = ∑D⁶, saab valem kuju:

$p_{r}={\frac {\pi ^{3}p_{t}g^{2}\theta \phi h\left\vert K\right\vert z}{1024\ln(2)\lambda ^{2}r^{2}}}$ (4)

See valem on üsna üldine, kuid on rakendatav igale radarile, eeldades, et osakesed vastavad Rayleigh' eeldusele.

Kahe peegelduvust näitava parameetri puuduseks on see, et lihtsamat nime kasutati varem. Tänapäeval mõeldakse radari peegelduvuse all radari peegelduvus z-i. Probleem lahendati radari peegelduvus η-i ignoreerimisega. Samuti tuleb aru saada, et kui räägitakse radari peegelduvusest, mõeldakse täpsemat terminit: radari peegelduvuse tegur.

Tavalise töötava radari puhul on võimalik radari valemit oluliselt lühendada. Kõik parameetrid, mis on seotud radari spetsiifikaga, saab lugeda konstandiks (p_t, g, θ, ϕ, h ja λ). Samuti on võimalik kombineerida arvulised konstandid (1024, ln(2) ja π). Tänu sellele on võimalik saada lihtsustatud valem:

$p_{r}={\frac {c_{1}\left\vert K\right\vert ^{2}z}{r^{2}}}$ (5)

Kuna z-il võib olla väga suure vahemikuga väärtusi, on lihtsam kasutada logaritmilist skaalat lineaarse asemel. Logaritmiline radari peegelduvus Z on defineeritud kui:

$Z=10\log _{10}\left({\frac {z}{1mm^{6}/m^{3}}}\right)$ (6)

Selles valemis on Z logaritmiline radari peegelduvuse tegur (ühik dBZ, detsibell vastavuses peegelduvusega 1 mm⁶/m³) ja z on lineaarne radari peegelduvuse tegur (ühik mm⁶/m³).

Logaritmilise peegelduvuse skaala kasutamise eeliseks on väiksemad väärtuste vahemikud.

Efektiivne radaripildi tagasipeegelduse näitaja z_e

Eelnevate valemite puhul on tehtud eeldus, et sademed on kerakujulised ning väiksemad kui radari lainepikkus. Tormide puhul ei saa selles alati kindel olla. Selle võimalusega arvestamiseks kasutatakse efektiivset radari peegelduvuse tegurit z_e või Z_e. Iga kord radarit kasutades võiks mõelda radari efektiivse peegelduvuse kasutamisele z-i või Z-i asemel.

Ilmaradari puhul on z_e leidmiseks vaja vihmaosakese diameetrit (D), sihtobjekti dielektrilist konstanti (K) ja osakeste suurusjaotust (N). Nende näitajate abil saab leida peegelduvuse teguri z_e, kasutades valemit:

$Z_{e}=\int _{0}^{Dmax}$ |K|² N₀e ^{$-\Lambda$ D} D⁶dD

Tagasipeegelduse arvutus piiskade suuruse spektri kaudu

Tegurit Z on võimalik arvutada ka vihmapiiskade jaotuse kaudu. See näitab, mitu piiska igas suurusvahemikuses on teatud ruumalas olemas. Seda on võimalik teha, kasutades filterpaberit. Filterpaber on kaetud kemikaaliga, mis muudab vees lahustudes värvi. Filterpaber tuleb jätta vihma kätte ning vihmapiisad moodustavad värvilaigud, mille diameetrit on võimalik mõõta. Teades aega, kui kaua on filterpaber vihma käes ning eri suurusega vihmapiiskade langemise kiirust, on võimalik välja arvutada diameeter. See meetod ei ole küll väga täpne, kuid annab arvutusteks vajalikud mõõtmed. Saades kätte vihmapiiskade suuruste spektri, on võimalik kasutada radari peegelduvuse arvutamiseks valemit:

$z=\sum N_{i}D_{i}^{6}$

Sellisel puhul N_i näitab eri diameetritega piiskade arvu, D näitab diameetrit ning ∑ näitab, kuidas kalibreerida ning kasutada filterpaberi meetodit vihmapiiskade suurusvahemike mõõtmiseks.

Tagasipeegeldus radaripiltidel

Radaripiltide värviskaala

Värvid näitavad eri kajade intensiivsust ehk peegelduvust mõõdetuna ühikuga dBZ. Peegelduvus näitab, kui suur osa energiast peegeldus tagasi radari vastuvõtjani. Peegelduvuse väärtused sõltuvad saju intensiivsusest. Mida suurem dBZ-i ühik, seda tugevam vihmasadu. Need väärtused hindavad vihmasadu tunni kohta. Rahe on väga hea peegeldaja ning peegeldab väga suuri dBZ-i väärtusi tagasi. Kuna rahe põhjustab suuremaid dBZ-i väärtusi, siis tuleb tugevate sadude puhul arvestada rahe võimalusega ning vaadata, et seda sademetega segamini ei arvestata.

NOAA dBZ-i skaala kliimaradaril

dBZ-i suhe vihmavee tasemega

dBZ	tase (mm/h)	saju tugevus
5	0,07	Vaevu märgatav
10	0,15	Kerge udu
15	0,3	Udu
20	0,6	Väga kerge
25	1,3	Kerge
30	2,7	Kerge kuni mõõdukas
35	5,6	Mõõdukas
40	11,53	Mõõdukas
45	23,7	Mõõdukas kuni tugev
50	48,6	Tugev
55	100	Väga tugev/kerge rahe
60	205	Ekstreemne/keskmine rahe
65	421	Ekstreemne/suur rahe

Aluspeegelduvus

Näitab radaripildi tagasipeegeldust ühikutes dBZ (detsibelli Z-i kohta, kus Z näitab, palju energiat radari vastuvõtjasse tagasi peegeldus). Aluspeegelduvuse pilte saab teha mitmetel radari tõusunurkadel ning kasutatakse selleks, et tuvastada sademeid, hinnata tormi struktuuri, tuvastada atmosfääri piire ning hinnata rahe sadenemise tõenäosust.

Komposiitpeegelduvus

Komposiitpeegelduvus näitab kõikidel skaneerimiste kõrgustel maksimaalset dBZ-i taset. Ehk kui väiksema sajuga pilvede kohal paiknevad suurema sajuga pilved, siis komposiitpeegelduvusega on võimalik seda tuvastada. Enamasti leiab see aset tormide ajal.