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 alturas 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 no hay suficiente vapor de agua presente para producir un "rebote" en el radar. Los datos sintetizados a partir de la dirección y velocidad del viento son muy útiles para la previsión meteorológica y la presentación de informes oportunos para la planificación de vuelos. Un historial de datos de doce horas está disponible en los sitios web de la NOAA .
En una implementación típica, el radar o sodar puede tomar muestras a lo largo de cada uno de los cinco haces: uno apunta verticalmente para medir la velocidad vertical y cuatro están inclinados respecto de la vertical y orientados ortogonalmente entre sí para medir los componentes horizontales del movimiento del aire. La capacidad de un perfilador para medir vientos se basa en el supuesto de que los remolinos turbulentos que inducen la dispersión son transportados 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, luego se puede determinar la velocidad media del viento y la dirección 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 desde el radar y cualquier movimiento vertical presente en el haz. Utilizando 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 radares perfiladores de viento Doppler de pulso 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 sondeo acústico por radio (RASS) del radar, si se proporciona, así como telemetría de datos y control remoto.
La duración de la transmisión determina la longitud del pulso 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 de nuevo (lo que se conoce como retrodispersión ) hacia el radar y son recibidas por éste. Se incorporan retardos de intervalos fijos en el sistema de procesamiento de datos para que el radar reciba energía dispersada desde altitudes discretas, denominadas puertas de rango. 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 (los “objetivos” del radar) son fluctuaciones turbulentas de pequeña escala que inducen irregularidades en el índice de refracción de radio de la atmósfera. El radar es más sensible a la dispersión 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.
Un perfilador de viento de radar de capa límite se puede configurar para calcular perfiles de viento promediados para períodos que van desde unos pocos minutos hasta una hora. Los perfiladores de viento de radar de capa límite a menudo se configuran para muestrear 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 lo tanto, la resolución vertical de los datos. En un “modo alto”, la longitud del pulso se aumenta, generalmente a 100 m o más. La longitud de pulso más larga significa que se está transmitiendo 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 salida de energía del modo alto aumenta la altitud máxima a la que el perfilador de viento de 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 de 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 esquemas de monitoreo de aves a gran escala. [2]
Un caso especial de un perfilador de viento por radar es un perfilador de precipitación vertical. Tiene un solo eje vertical de configuración unistática o biestática. Se utiliza para medir únicamente 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 sobre las inundaciones en las montañas de tierras bajas del oeste de los EE. UU. [4] [5]
Alternativamente, un perfilador de viento puede utilizar ondas sonoras para medir la velocidad del viento a distintas alturas sobre el suelo y la estructura termodinámica de la capa inferior de la atmósfera . Estos sodars se pueden dividir en sistemas monoestáticos que utilizan la misma antena para transmitir y recibir, y sistemas biestáticos que utilizan antenas separadas. La diferencia entre los dos sistemas de antena determina si la dispersión atmosférica se produce por fluctuaciones de temperatura (en sistemas monoestáticos) o por fluctuaciones tanto de temperatura como de velocidad del viento (en sistemas biestáticos).
Los sistemas de antena monoestáticos se pueden dividir en dos categorías: los que utilizan antenas individuales de varios ejes y los que utilizan una sola antena de matriz en fase . Los sistemas de varios ejes generalmente utilizan tres antenas individuales dirigidas en direcciones específicas para dirigir el haz acústico. Una antena generalmente está dirigida verticalmente y las otras dos están inclinadas ligeramente con respecto a la vertical en un ángulo ortogonal. Cada una de las antenas individuales puede utilizar un solo transductor enfocado en un reflector parabólico para formar un altavoz parabólico , o una matriz de controladores de altavoces y bocinas ( transductores ) que transmiten todos en fase para formar un solo haz. Tanto el ángulo de inclinación con respecto a la vertical como el ángulo acimutal 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 una función de la frecuencia, la potencia de salida, la estabilidad atmosférica, la turbulencia y, lo más importante, el entorno de ruido en el que se opera un sodar. Las frecuencias de operación varían de menos de 1000 Hz a más de 4000 Hz, con niveles de potencia de hasta varios cientos de vatios. Debido a las características de atenuación de la atmósfera, los sodars de alta potencia y frecuencia más baja generalmente producirán una mayor cobertura de altura. Algunos sodars pueden operar en diferentes modos para adaptar mejor la resolución vertical y el alcance a la aplicación. Esto se logra a través de una relajación entre la longitud del pulso y la altitud máxima. [1]
Este artículo incorpora material de dominio público de la Guía de monitoreo meteorológico para aplicaciones de modelado regulatorio (PDF) . Gobierno de los Estados Unidos .
