Perfilador de vento - Wind profiler
Um perfilador de vento é um tipo de equipamento de observação do tempo que usa radar ou ondas sonoras ( SODAR ) para detectar a velocidade e direção do vento em várias elevações acima do solo. As leituras são feitas a cada quilômetro acima do nível do mar, até a extensão da troposfera (ou seja, entre 8 e 17 km acima do nível médio do mar). Acima desse nível, há vapor de água inadequado para produzir um "salto" do radar. Os dados sintetizados da direção e velocidade do vento são muito úteis para a previsão meteorológica e relatórios oportunos para o planejamento de vôo. Um histórico de dados de doze horas está disponível nos sites da NOAA .
Princípio
Em uma implementação típica, o radar ou sodar pode amostrar ao longo de cada um dos cinco feixes: um é direcionado verticalmente para medir a velocidade vertical e quatro são inclinados na vertical e ortogonais orientados entre si para medir os componentes horizontais do movimento do ar. A capacidade de um perfilador de medir os ventos é baseada na suposição de que os redemoinhos turbulentos que induzem a dispersão são carregados pelo vento médio. A energia espalhada por esses redemoinhos e recebida pelo perfilador é ordens de magnitude menor do que a energia transmitida. No entanto, se amostras suficientes podem ser obtidas, então a amplitude da energia espalhada por esses redemoinhos pode ser claramente identificada acima do nível de ruído de fundo, então a velocidade média do vento e a direção dentro do volume sendo amostrado podem ser determinadas. Os componentes radiais medidos pelos feixes inclinados são a soma vetorial do movimento horizontal do ar na direção ou para longe do radar e qualquer movimento vertical presente no feixe. Usando a trigonometria apropriada, os componentes tridimensionais da velocidade meteorológica (u, v, w) e a velocidade e direção do vento são calculados a partir das velocidades radiais com correções para movimentos verticais.
Perfilador de radar de vento
Os perfis de vento por radar Doppler de pulso operam usando sinais eletromagnéticos (EM) para detectar remotamente os ventos no alto. O radar transmite um pulso eletromagnético ao longo de cada uma das direções de apontamento da antena . Um perfilador UHF inclui subsistemas para controlar o transmissor, receptor, processamento de sinal e Sistema de Sondagem Rádio Acústica (RASS), se fornecido, bem como telemetria de dados e controle remoto.
A duração da transmissão determina a duração do pulso emitido pela antena, que por sua vez corresponde ao volume de ar iluminado (em termos elétricos) pelo feixe do radar. Pequenas quantidades da energia transmitida são espalhadas de volta (referido como retroespalhamento ) em direção e recebidas pelo radar. Atrasos de intervalos fixos são incorporados ao sistema de processamento de dados para que o radar receba energia espalhada de altitudes discretas, conhecidas como portas de alcance. A mudança de frequência Doppler da energia retroespalhada é determinada e então usada para calcular a velocidade do ar em direção ou longe do radar ao longo de cada feixe em função da altitude. A fonte da energia retroespalhada (“alvos” de radar) são flutuações turbulentas em pequena escala que induzem irregularidades no índice de refração de rádio da atmosfera. O radar é mais sensível ao espalhamento por redemoinhos turbulentos cuja escala espacial é ½ do comprimento de onda do radar, ou aproximadamente 16 centímetros (cm) para um perfilador UHF.
Um perfilador de vento de radar de camada limite pode ser configurado para calcular perfis médios de vento por períodos que variam de alguns minutos a uma hora. Perfis de vento de radar de camada limite são frequentemente configurados para amostrar em mais de um modo. Por exemplo, em um "modo baixo", o pulso de energia transmitido pelo perfilador pode ter 60 m de comprimento. O comprimento do pulso determina a profundidade da coluna de ar sendo amostrada e, portanto, a resolução vertical dos dados. Em um “modo alto”, o comprimento do pulso é aumentado, geralmente para 100 m ou mais. O comprimento de pulso mais longo significa que mais energia está sendo transmitida para cada amostra, o que melhora a relação sinal-ruído (SNR) dos dados. Usar um comprimento de pulso mais longo aumenta a profundidade do volume da amostra e, portanto, diminui a resolução vertical nos dados. A maior produção de energia do modo alto aumenta a altitude máxima para a qual o perfilador de vento do radar pode amostrar, mas às custas de uma resolução vertical mais grosseira e um aumento na altitude em que os primeiros ventos são medidos. Quando os perfis de vento por radar são operados em vários modos, os dados são geralmente combinados em um único conjunto de dados sobrepostos para simplificar os procedimentos de pós-processamento e validação de dados.
Os perfis de vento por radar também podem ter usos adicionais, por exemplo, em um contexto biológico para complementar esquemas de monitoramento de pássaros em grande escala.
Perfilador de vento Sodar
Alternativamente, um perfilador de vento pode usar ondas sonoras para medir a velocidade do vento em várias alturas acima do solo e a estrutura termodinâmica da camada inferior da atmosfera . Esses sodars podem ser divididos em sistema monoestático usando a mesma antena para transmissão e recepção, e sistema biestático usando antenas separadas. A diferença entre os dois sistemas de antena determina se o espalhamento atmosférico é por flutuações de temperatura (em sistemas monoestáticos), ou por flutuações de temperatura e velocidade do vento (em sistemas biestáticos).
Os sistemas de antena monoestática podem ser divididos em duas categorias: aqueles que usam vários eixos, antenas individuais e aqueles que usam uma antena de matriz de fase única . Os sistemas de múltiplos eixos geralmente usam três antenas individuais direcionadas em direções específicas para direcionar o feixe acústico. Uma antena é geralmente apontada verticalmente, e as outras duas são ligeiramente inclinadas da vertical em um ângulo ortogonal. Cada uma das antenas individuais pode usar um único transdutor focado em um refletor parabólico para formar um alto-falante parabólico ou uma matriz de drivers de alto-falante e buzinas ( transdutores ), todos transmitindo em fase para formar um único feixe. Tanto o ângulo de inclinação da vertical quanto o ângulo de azimute de cada antena são fixos quando o sistema é configurado.
O alcance vertical dos sodars é de aproximadamente 0,2 a 2 quilômetros (km) e é uma função da frequência, potência, estabilidade atmosférica, turbulência e, o mais importante, do ambiente de ruído no qual um sodar é operado. As frequências operacionais variam de menos de 1000 Hz a mais de 4000 Hz, com níveis de potência de até várias centenas de watts. Devido às características de atenuação da atmosfera, sodars de alta potência e baixa frequência geralmente produzem maior cobertura de altura. Alguns sodars podem ser operados em modos diferentes para combinar melhor a resolução vertical e o alcance com a aplicação. Isso é realizado por meio de um relaxamento entre o comprimento do pulso e a altitude máxima.
Referências
Este artigo incorpora material de domínio público do documento do Governo dos Estados Unidos : " Orientação de Monitoramento Meteorológico para Aplicações de Modelagem Regulatória ".
links externos
- Página oficial de pesquisa do perfil de vento da NOAA Veja exibições gráficas em tempo real (e histórico de 12 horas) da direção e velocidade do vento do nível do solo até 17 km acima do nível do mar (em intervalos de 1 km). Clique em qualquer estrela ou ponto e, em seguida, clique em "obter plot" à esquerda.