Un perfilador de viento es un tipo de equipo de observación meteorológica que utiliza radar u ondas sonoras ( SODAR ) para detectar la velocidad y dirección del viento a distintas elevaciones sobre el suelo. Las lecturas se realizan a cada kilómetro sobre el nivel del mar, hasta la extensión de la troposfera (es decir, entre 8 y 17 km sobre el nivel medio del mar). Por encima de este nivel, la cantidad de vapor de agua presente es insuficiente para producir un "rebote" del radar. Los datos sintetizados a partir de la dirección y velocidad del viento son muy útiles para la previsión meteorológica y la presentación oportuna de informes para la planificación de vuelos. Un historial de datos de doce horas está disponible a través de los sitios web de la NOAA .
En una implementación típica, el radar o el sodar pueden tomar muestras a lo largo de cada uno de los cinco haces: uno apunta verticalmente para medir la velocidad vertical y cuatro están inclinados fuera de la vertical y orientados ortogonalmente entre sí para medir los componentes horizontales del movimiento del aire. La capacidad de un perfilador para medir los vientos se basa en la suposición de que los remolinos turbulentos que inducen la dispersión son arrastrados por el viento medio. La energía dispersada por estos remolinos y recibida por el perfilador es órdenes de magnitud menor que la energía transmitida. Sin embargo, si se pueden obtener suficientes muestras, entonces la amplitud de la energía dispersada por estos remolinos se puede identificar claramente por encima del nivel de ruido de fondo, entonces se puede determinar la velocidad y dirección media del viento dentro del volumen que se está muestreando. Los componentes radiales medidos por los haces inclinados son la suma vectorial del movimiento horizontal del aire hacia o alejándose del radar y cualquier movimiento vertical presente en el haz. Usando trigonometría apropiada, los componentes tridimensionales de la velocidad meteorológica (u,v,w) y la velocidad y dirección del viento se calculan a partir de las velocidades radiales con correcciones para los movimientos verticales.
Los perfiladores de viento por radar Pulse-Doppler funcionan utilizando señales electromagnéticas (EM) para detectar de forma remota los vientos en altura. El radar transmite un pulso electromagnético a lo largo de cada una de las direcciones de orientación de la antena . Un perfilador UHF incluye subsistemas para controlar el transmisor, el receptor, el procesamiento de señales y el sistema de sonido radioacústico (RASS) del radar, si se proporciona, así como telemetría de datos y control remoto.
La duración de la transmisión determina la duración del impulso emitido por la antena, que a su vez corresponde al volumen de aire iluminado (en términos eléctricos) por el haz del radar. Pequeñas cantidades de la energía transmitida se dispersan (lo que se conoce como retrodispersión ) hacia el radar y son recibidas por él. Se incorporan retrasos de intervalos fijos en el sistema de procesamiento de datos para que el radar reciba energía dispersa desde altitudes discretas, denominadas puertas de alcance. Se determina el desplazamiento de frecuencia Doppler de la energía retrodispersada y luego se utiliza para calcular la velocidad del aire hacia o desde el radar a lo largo de cada haz en función de la altitud. La fuente de la energía retrodispersada (“objetivos” del radar) son fluctuaciones turbulentas a pequeña escala que inducen irregularidades en el índice de refracción radioeléctrica de la atmósfera. El radar es más sensible a la dispersión producida por remolinos turbulentos cuya escala espacial es la mitad de la longitud de onda del radar, o aproximadamente 16 centímetros (cm) para un perfilador UHF.
Se puede configurar un perfilador de viento por radar de capa límite para calcular perfiles de viento promediados durante períodos que van desde unos pocos minutos hasta una hora. Los perfiladores de viento de radar de capa límite a menudo se configuran para tomar muestras en más de un modo. Por ejemplo, en un "modo bajo", el pulso de energía transmitido por el perfilador puede tener una longitud de 60 m. La longitud del pulso determina la profundidad de la columna de aire que se está muestreando y, por tanto, la resolución vertical de los datos. En un "modo alto", la longitud del pulso aumenta, generalmente a 100 mo más. La longitud de pulso más larga significa que se transmite más energía para cada muestra, lo que mejora la relación señal-ruido (SNR) de los datos. El uso de una longitud de pulso más larga aumenta la profundidad del volumen de muestra y, por lo tanto, disminuye la resolución vertical de los datos. La mayor producción de energía del modo alto aumenta la altitud máxima a la que el perfilador de viento del radar puede muestrear, pero a expensas de una resolución vertical más gruesa y un aumento en la altitud a la que se miden los primeros vientos. Cuando los perfiladores de viento por radar funcionan en múltiples modos, los datos a menudo se combinan en un único conjunto de datos superpuestos para simplificar los procedimientos de posprocesamiento y validación de datos. [1]
Los perfiladores de viento por radar también pueden tener usos adicionales, por ejemplo en un contexto biológico para complementar programas de seguimiento de aves a gran escala. [2]
Un caso especial de perfilador de viento por radar es el perfilador de precipitación vertical. Tiene un único eje vertical de configuración unestática o biestática. Se utiliza únicamente para medir la precipitación. Se puede utilizar para identificar la altura de fusión de la precipitación. [3] Este tipo de radares se han utilizado para estudiar las interacciones de diferentes niveles de congelación y ríos atmosféricos en las inundaciones en las montañas de tierras bajas del oeste de Estados Unidos. [4] [5]
Alternativamente, un perfilador de viento puede usar ondas sonoras para medir la velocidad del viento a varias alturas sobre el suelo y la estructura termodinámica de la capa inferior de la atmósfera . Estos sodars se pueden dividir en sistema monoestático que utiliza la misma antena para transmitir y recibir, y sistema biestático que utiliza antenas separadas. La diferencia entre los dos sistemas de antena determina si la dispersión atmosférica se debe a fluctuaciones de temperatura (en sistemas monoestáticos) o a fluctuaciones de temperatura y velocidad del viento (en sistemas biestáticos).
Los sistemas de antenas monoestáticas se pueden dividir en dos categorías: los que utilizan antenas individuales de múltiples ejes y los que utilizan una antena monofásica . Los sistemas de ejes múltiples generalmente utilizan tres antenas individuales dirigidas en direcciones específicas para dirigir el haz acústico. Una antena generalmente apunta verticalmente y las otras dos están ligeramente inclinadas desde la vertical en un ángulo ortogonal. Cada una de las antenas individuales puede utilizar un único transductor enfocado en un reflector parabólico para formar un altavoz parabólico , o una serie de controladores de altavoz y bocinas ( transductores ), todos transmitiendo en fase para formar un solo haz. Tanto el ángulo de inclinación desde la vertical como el ángulo de acimut de cada antena se fijan cuando se configura el sistema.
El alcance vertical de los sodars es de aproximadamente 0,2 a 2 kilómetros (km) y es función de la frecuencia, la potencia de salida, la estabilidad atmosférica, la turbulencia y, lo más importante, el entorno ruidoso en el que se opera un sodar. Las frecuencias de funcionamiento varían desde menos de 1000 Hz hasta más de 4000 Hz, con niveles de potencia de hasta varios cientos de vatios. Debido a las características de atenuación de la atmósfera, los sodares de alta potencia y menor frecuencia generalmente producirán una mayor cobertura de altura. Algunos sodars pueden funcionar en diferentes modos para adaptar mejor la resolución vertical y el alcance a la aplicación. Esto se logra mediante una relajación entre la duración del pulso y la altitud máxima. [1]
Este artículo incorpora material de dominio público de Guía de monitoreo meteorológico para aplicaciones de modelado regulatorio (PDF) . Gobierno de Estados Unidos .
