Wie erkennt Radar Turbulenzen und Windgeschwindigkeit?

In einer Antwort auf eine Frage zu Turbulenzen erwähnte diese Antwort , dass Flugzeuge Radar verwenden, um die turbulentesten Bereiche eines Sturms zu erkennen, damit Piloten sie vermeiden können.

Wie macht Radar das? Hat es mit Regen zu tun, der sich im Sturm mit dem Wind auf und ab bewegt? Und wenn ja, kann Radar Windgeschwindigkeiten außerhalb eines Sturms überhaupt erkennen?

@fooot Habe jetzt, aber keine dieser Antworten beantwortet meine Frage wirklich. Sie geben einen guten allgemeinen Überblick über das Wetterradar, geben aber nicht wirklich Details darüber, wie das Wetterradar Turbulenzen sieht.
Mehr zur CAT-Erkennung durch luftgestütztes UV-Lidar: Das DELICAT-LIDAR-System warnt Piloten vor vorausliegenden Luftturbulenzen .
@mins Sie könnten erwägen, das in eine Antwort zu verwandeln und zu sehen, wie alle darüber abstimmen.
Mehr zur Erkennung von Windscherungen auf niedrigem Niveau auf Flughäfen in Japan durch Kombination von Lidar und Radar. Auch diese Präsentation .
@JayCarr: Ich wünschte, ich könnte eine vollständige Zusammenfassung geben, aber ich habe keinen guten Hintergrund zu diesem Thema, ich erinnere mich nur an einige Lesungen über Lidar. Ich hoffe, jemand kann diese Elemente in eine vollständige Antwort aufnehmen.

Antworten (2)

Die Antwort , auf die Sie sich beziehen, erklärt, wie Radar verwendet wird, um durch eine Gewitterlinie zu fliegen und dabei die turbulentesten Bereiche zu vermeiden.

Herkömmliches Wetterradar kann Windgeschwindigkeit oder Turbulenzen nicht direkt erkennen, es erkennt nur feste und flüssige Objekte oberhalb einer Schwellengröße.

Die turbulentesten Bereiche von Gewittern sind auch die Bereiche, die am meisten Wasser und Eis enthalten. Dieser Niederschlag reflektiert Radarwellen sehr gut, sodass die turbulentesten Bereiche die stärksten Reflexionen haben und auf dem Zielfernrohr rot / violett erscheinen. Der Bereich in Windrichtung des Kerns ist normalerweise ebenfalls sehr turbulent.

Das Wetterradar erkennt also lediglich das Vorhandensein von Wasser. Es ist der Pilot, der das Bild interpretiert, der die Turbulenzen wirklich erkennt.

Clear Air Turbulence (CAT) enthält kein kondensiertes Wasser und ist daher mit herkömmlichem Radar nicht erkennbar. Es gibt Systeme wie LIDAR, die CAT erkennen können, aber im Allgemeinen nicht in Flugzeugen installiert sind.

Wie @reirab in einem Kommentar feststellte, kann ein Doppler-Radar verwendet werden, um die relative Geschwindigkeit der Partikel von einem Flugzeug aus zu ermitteln. Dies wird nicht verwendet, um die Windgeschwindigkeit zuverlässig zu erkennen, aber wenn es große Schwankungen der Windgeschwindigkeit (auch bekannt als Turbulenzen) gibt, verursacht die Doppler-Verschiebung in den Reflexionen von den Partikeln eine Spektrumsstreuung. Dies ist ein Hinweis auf Turbulenzen. Die traditionellen S-Band-Flugwetterradare haben diese Fähigkeit nicht, aber die neueren X-Band-Radare (z. B. dieses Honeywell-Radar (PDF) ) können mit dieser Technik nasse Turbulenzen bis zu einer Entfernung von 40-60 Seemeilen erkennen.

LIDAR (ein Portmanteau aus Light und RADAR) ist eine Technologie, die Licht anstelle von Funkwellen verwendet. LIDAR kann Position und Relativgeschwindigkeit von Aerosolen messen und kann daher zur Erkennung von Turbulenzen verwendet werden. Es wurde erfolgreich eingesetzt, um Windscherungen zu erkennen und Wirbelschleppen beim endgültigen Anflug vom Boden aus zu kartieren ( Papier - PDF ).

Derzeit wird die Verwendung von LIDAR in der Luft zur Erkennung von CAT untersucht ( Papier - PDF , Präsentations - PDF ). Eine der Schwierigkeiten besteht darin, vertikale Komponenten der Turbulenz zu erkennen. Dies verursacht eine sehr geringe Dopplerverschiebung, hat aber gleichzeitig die größte Wirkung auf das Flugzeug (da die vertikale Komponente der Turbulenz Änderungen des Anstellwinkels verursacht).

Soweit ich weiß, gibt es derzeit keine kommerziellen Anwendungen von LIDAR zur Detektion von Turbulenzen in der Luft.

Herkömmliches Radar kann Wind nicht direkt erkennen, aber es kann die Bewegung von Partikeln (wie Wassertröpfchen) über den Doppler-Effekt erkennen (weshalb Wetterradare oft als „Doppler-Radare“ bezeichnet werden). mehr oder weniger gleich der lokalen Windgeschwindigkeit sein, können wir mithilfe dieses Effekts die Windgeschwindigkeit (zumindest die Komponente davon zum oder vom Radar weg) ermitteln. Sie haben jedoch Recht, dass dies für CAT aufgrund der geringeren Reflexionen von Partikeln schwieriger ist.
@reirab Sie können die Windkomponente von einem Wetterradar in der Luft nicht zuverlässig erkennen. Wenn die Doppler-Verschiebung ein Spread-Spektrum verursacht, können Sie Schwankungen der Windgeschwindigkeit bei nassen Turbulenzen erkennen. Dies wird bei den X-Band-Wetterradaren der neueren Generation verwendet. Viele Flugzeuge fliegen immer noch mit dem konventionelleren S-Band-Wetterradar herum, das diesen Turbulenzmodus nicht hat. Die X-Band-Typen können nasse Turbulenzen bis zu einem Bereich von etwa 40-60 NM erkennen.
@reirab Ich glaube jedoch nicht, dass typische Wetterradare diese Geschwindigkeiten messen, oder zumindest werden sie nicht angezeigt. Radardisplays zeigen normalerweise "Basisreflexionsgrad" in dBm an. Das hat nichts mit der Geschwindigkeit der reflektierenden Teilchen zu tun.
@JoelM. Bei Luftradaren bin ich mir nicht sicher, aber bei landgestützten Wetterradaren wird dies ständig durchgeführt. In den USA stellt der National Weather Service der Öffentlichkeit grafische Darstellungen der Winddaten aller seiner Nexrad-Radare zur Verfügung. Siehe zum Beispiel hier . Dies ist besonders nützlich, um starke Windscherungen zu erkennen, die auf eine Rotation (und damit auf die Bildung von Tornados) hinweisen können. Dies ist eines der wichtigsten Werkzeuge der NWS zur Ausgabe von Tornado-Warnungen.
@JoelM. Beachten Sie, dass das, was hier gemessen wird, anders ist. Für Windgeschwindigkeiten messen sie die Doppler-Verschiebung, dh die Frequenz des empfangenen Signals (und ihre Differenz von der ursprünglich gesendeten Frequenz). Es ist die Amplitude des empfangenen Signals, die in dBm angezeigt wird und Ihnen Informationen über Niederschlag gibt Intensität. Sowohl die Frequenz- als auch die Amplitudeninformationen werden jedoch von demselben empfangenen Signal abgeleitet.
Ich weiß, dass sie nicht in Flugzeugen zu finden sind, aber könnten Sie vielleicht ein bisschen erklären, was Lidar ist, wie es CAT erkennt und warum sie es nicht in Flugzeugen haben. Ich hoffe, es wird helfen, Caseys Antwort zu kontextualisieren, wenn Sie das in Ihre einfügen.
@reirab Ich verstehe die durchgeführten Messungen (ich arbeite am Radar), dachte nur nicht, dass sie irgendwelche der Doppler-Daten auf Websites wie NWS anzeigen. Es ist interessant zu sehen, dass sie es tun.
@JayCarr LIDAR ist normalerweise zu groß, komplex, schwer, teuer usw., um es auf etwas anderem als einem dedizierten Sensorflugzeug zu installieren. Die LIDARs, die sie zur Messung von CAT verwenden, sind meines Erachtens ebenfalls typischerweise bodengebunden. Ich kenne nicht viele Details darüber, wie sie CAT erkennen, aber es basiert auf Änderungen der Brechung in der Atmosphäre, die in Bereichen mit Turbulenzen vorhanden sind. Das wird von einer sich bewegenden Plattform aus sehr schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein.
@JoelM. Vielleicht könnten Sie das in der Antwort bearbeiten? Ich weiß, es ist nichts, was Ihnen direkt zugute kommt, aber es wäre schön, die eigentliche Antwort zu haben ... Ich bin mir auch immer noch nicht sicher, wie LIDAR funktioniert? Verwendet es eine andere Frequenz, damit es in seinen Messwerten granularer sein kann?
@JayCarr Ich werde morgen Lidar-Informationen hinzufügen, da ich derzeit zu beschäftigt mit anderen dringenden Geldautomatenangelegenheiten bin.
@DeltaLima Süß! Danke, ich freue mich darauf, es zu lesen :)
@JayCarr Es hat etwas länger gedauert als erwartet, aber LIDAR wird hinzugefügt.

Die kurze Antwort ist, dass Radar den Wind nicht direkt beobachten kann. Was Radar erkennen kann, sind die Geschwindigkeiten kleiner Partikel, die in die Luft geschleudert werden. Dies erfolgt durch Messen der Dopplerverschiebung der zum Radar zurückgeworfenen Energie. Das Radar kann nur die Geschwindigkeitskomponente auf das Radar zu oder von ihm weg erfassen.

Das Radar muss keine Turbulenz innerhalb der Konvektion diagnostizieren, da davon ausgegangen wird, dass sie bereits vorhanden ist und Teil der Natur der Konvektion ist. Es ist viel wertvoller, klare Luftturbulenzen zu erkennen, die nicht die visuellen Anzeichen haben, die das Wachstum von kochenden Cumulus hat.

Zum Glück ist klare Luft im Allgemeinen nicht gerade klar. Wenn es Aerosole oder Käfer gibt, die groß genug sind, um Radarenergie zu streuen, kann das Radar auf ihre Bewegung als Windbewegung schließen. Für kleine Dinge wie Staub und Insekten ist dies keine schlechte Annäherung. Die Rückstrahlenergie dieser Streuer ist sehr gering und liegt im Allgemeinen unter der Schwelle, die das Radardisplay anzeigt (im Gegensatz zu Vögeln oder Fledermäusen), aber die Computer können die Daten interpretieren.

Die Erkennung von Turbulenzen ist algorithmisch, und obwohl ich keine Kenntnisse über bestimmte verwendete Algorithmen habe, ist meine Vermutung erster Ordnung, dass sie die Änderung der Dopplergeschwindigkeit mit der Entfernung vom Flugzeug betrachten und sich die Zeitreihen der Dopplergeschwindigkeiten ansehen jede abgetastete Stelle in nachfolgenden Scans. Wenn die Variation einige Kriterien erfüllt, könnte dies als "Turbulenz" eingestuft werden und den Piloten einen Alarm geben. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems hängt auch von den physikalischen Fähigkeiten des Radars ab, einschließlich der Wellenlänge, bei der das Radar arbeitet, seiner Abtastauflösung und der Abtastrate.

Radar erkennt tatsächlich klare Luftturbulenzen anhand von Änderungen der Brechkraft, die durch Turbulenzen verursacht werden, nicht durch die Bewegung von Partikeln. Kein Radar, das ich kenne, kann die Bewegung von Objekten sehen und messen, die so klein wie Käfer sind, sie sind praktisch unsichtbar für Radare jeder Wellenlänge, die groß genug ist, um sich in der Atmosphäre auszubreiten. Die Messung des Brechungsvermögens ist jedoch sehr schwierig durchzuführen, und soweit ich weiß, gibt es nur sehr wenige Radargeräte, die dafür ausgelegt sind. Siehe: journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/…
Was ich effektiv sagen möchte, ist, dass CAT (Clear Air Turbulence) normalerweise nicht mit Radar gemessen wird. Es wird aus Dingen wie Konvektionswetter und Niederschlag abgeleitet, aber nicht gemessen.
@JoelM. Ich freue mich über eine Bearbeitung meines Beitrags, wenn Sie Ihr Wissen einbringen möchten. Was Fehler angeht, kann ich Luftradar nicht bestätigen, aber ich denke, Sie finden viele Beispiele im S-Band, z. B. im WSR88D-Netzwerk. Ich habe auch eine ähnliche Verwendung von gelofteten Insekten gesehen, die sowohl bei WSR-88D als auch bei den verschiedenen Inkarnationen der DOW-Fahrzeuge feine Radarlinien an Konvergenzgrenzen verursachten. Es gab sogar einige neuere Forschungen zu den Dual-Pol-Signaturen von Insekten, z. B. journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/JTECH-D-13-00247.1
Es hört sich so an, als ob Ihre Erfahrung in diesem Bereich größer ist als meine, daher kann ich nur Hypothesen aufstellen, aber ich weiß, dass Radar Dinge wie Insekten und Partikel nur in großen, dichten Mengen erkennen kann. Obwohl ich annehme, dass es möglich ist, Turbulenzen auf diese Weise zu erkennen, scheint es keine sehr zuverlässige Methode zu sein.
Kennen Sie ein Radarsystem, das regelmäßig zur direkten Erkennung von Turbulenzen eingesetzt wird? Die einzigen, von denen ich gehört habe, dass sie die Refraktionsmethode verwenden, sind solche, die für andere Zwecke gebaut wurden und dann zum Nachweis von CAT für Forschungszwecke verwendet wurden.
@JoelM. Tue ich leider nicht, aber es würde mich nicht überraschen, wenn einige der Forschungsradare, die ich gesehen habe, dazu in der Lage sind. Es könnte eine gute Frage sein, sie zu Earth Science zu stellen .
Also ... Ist das ein System, das sich derzeit in Flugzeugen befindet? Und ist diese Antwort richtig? Es fällt mir schwer, das herauszufinden, nachdem ich die Kommentare gelesen habe.
Wie erkennt Radar Turbulenzen und Windgeschwindigkeit?
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