Algunas consideraciones básicas sobre falsos ecos detectados por los radares meteorológicos

Francisco Martín León,meteorólogo 

Artículo de septiembre de 2005. Recuperado en diciembre de 2012

 

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Quien diría que un día sin lluvias en la península, como muestra la siguiente imagen de satélite, ciertos radares meteorológicos darían señales muy intensas asociadas a “presuntos” ecos de precipitación. Cuando trabajamos con el radar, podríamos decir algo así como “No todo son ecos de precipitación lo que reluce”, simulando la frase que hace referencia al oro. Ciertos ecos de precipitación pueden ser falsos y no estar ligados a blancos precipitantes

Mientras que las imágenes de satélite, en general, son más o menos fáciles de interpretar, las asociadas a los radares meteorológicos deben ser analizadas y utilizadas con cuidado, conociendo ciertas limitaciones que tienen estos sistemas activos de teledetección. Te proponemos que te adentres en este trabajo para que no caigas en errores de interpretación y, por lo tanto, puedas sacar conclusiones erróneas cuando utilizas imágenes de radares meteorológicos.

Ni que decir tiene que los radares deben estar calibrados y ajustados como cualquier otro instrumento de medida, aunque éste todavía más si cabe. Si no lo estuvieran, las señales detectadas serían ajenas a la realidad, respecto a las que se quiere analizar.

 

 

El satélite polar NOAA nos ofrecía está imagen del 24 de noviembre de 2004 a las 14:44 UTC a su paso por las cercanías por España. La presencia de nieblas y ausencia de convección en la península eran los elementos más característicos, bajo unas condiciones de estabilidad ligadas a un anticiclón invernal. Predominaban las nieblas en Castilla-León, Valle del Ebro y Portugal.

 

 

Imagen del PPI del radar de Palencia a las 13:20 UTC de ese mismo día con ecos muy intensos, supuestamente de precipitación en un día de alta estabilidad atmosférica en capas bajas. Fuente de la imagen, INM.

 


Introducción

Los radares son sistemas de teledetección activos capaces de detectar ciertas propiedades de los blancos iluminados a distancia, a partir de ondas electromagnéticas que ellos mismos emiten. La palabra radar viene del inglés “Radio Detection and Ranking” (detección y posicionamiento mediante ondas).

Las autoridades que regulan el tráfico aéreo utilizan intensivamente los datos de radares aeronáuticos con fines muy específicos: detección de aeronaves.

 

Según las características del radar empleado tendremos sistemas especialmente diseñados para detectar blancos asociados a aviones, barcos, ecos de precipitación, viento, aerosoles, polvo en suspensión, oleaje, etc. Un caso especial lo constituyen aquellos radares que son usados en meteorología en los centros de predicción, vigilancia e hidrología. Son los llamados radares meteorológicos.

Pero no es todo “oro/precipitación lo que reluce”, que traducido a la terminología radar sería algo así como: no son todos ecos de precipitación lo que vemos. Para interpretar imágenes de radar y, sobre todo, para identificar falso ecos hay que tener en cuenta algunas ideas básicas sobre el radar y propagación de ondas electromagnéticas en la atmósfera.

Antes de empezar: Qué debemos saber sobre los radares

Antes de comenzar este artículo repasemos algunas consideraciones básicas y elementales sobre los radares meteorológicos.

Un radar meteorológico emite señales electromagnéticas con unas longitudes de ondas específicas, propicias para detectar blancos ligados a precipitación. No son sensibles para detectar gotitas de nubes. Un radar meteorológico siempre (casi) explora a ángulos superiores a 0º. Incluso así y en determinadas condiciones el radar puede detectar ecos no ligados a precipitación como, por ejemplo, los asociados a obstáculos próximos (montañas, árboles, edificios, etc.).

 

 

La energía emitida por el radar viaja a la velocidad de la luz en haces muy estrechos y concentrados. El radar está más tiempo escuchando la energía devuelta por los blancos que emitiendo dicha energía.

 

Los radares meteorológicos suelen trabajar con longitudes de onda de 5cm (banda C) y 10cm (banda S). Muy pocos trabajan a 3cm (bandas X). Por ejemplo, los radares del INM son todos de banda C, los de la red de EEUU son de banda S.

Algunos radares con capacidad Doppler son capaces de determinar la velocidad radial del movimiento de los blancos iluminados.

Los radares con capacidad Doppler pueden, además, detectar la velocidad radial respecto al radar de los blancos iluminados, indicándonos si se alejan o se acercan al radar. Imagen del S.M. de Canadá.

 

La antena del radar explora, para una elevación o ángulo de exploración dado, 360 º en azimut alrededor del eje de la antena. Posteriormente, modifica su ángulo de elevación y realiza otra nueva exploración. De esta forma se consigue iluminar un volumen tridimensional en pocos minutos. A las imágenes radar asociadas a la exploración para un ángulo de elevación dado y girando 360 º en azimut sobre el eje de la antena se les denominan PPI (Plan Position Indicador).

Los radares meteorológicos raramente exploran a 0º o ángulos negativos de elevación (algunos radares suizos situados en lugares muy altos sí lo hacen). En esas condiciones el haz del radar rápidamente interceptaría tierra e invalidaría sus medidas. Es muy común que la exploración más baja se realice a 0.5º de elevación y subir sucesivamente a otras exploraciones más altas para así determinar los ecos de precipitación en un volumen lo más amplio posible.

El radar meteorológico puede detectar y dar información de varios tipos de ecos: los meteorológicos y los no meteorológicos. Los primeros están asociados a blancos formados por gotitas de agua, hielo o granizo. Los segundos suelen estar asociados a obstáculos próximos al radar (árboles, edificios, terreno circundante), pájaros, insectos que queden iluminados por el radar, etc., otro radar e, incluso, el Sol.

La energía reflejada por los blancos se presenta en una imagen mediante una escala de reflectividades que representa una medida del poder reflector de los blancos iluminados. La dirección de la antena y el tiempo transcurrido desde que se emitió la señal de salida del radar, determina la posición del blanco detectado en el espacio.

La distribución de las reflectividades, se puede mostrar en las imágenes llamadas en modo PPI, que nos da la distribución de ecos a una elevación determinada; decimos entonces que estamos viendo el PPI a 0.5º de elevación. También podemos analizar datos a una altura o nivel constante respecto al radar; son las imágenes llamadas CAPPI (Constant Altutude Plan Position Indicator), decimos entonces que estamos analizando, por ejemplo el CAPPI a 2.5 Km.

La antena del radar fija una elevación dada, digamos 0.5º, sobre su horizonte y realiza una exploración de 360º a su alrededor para analizar los ecos de precipitación, si los hubiera. En este caso tendríamos una imagen PPI.

 

 

 

 

Las imágenes que se sirven en Internet de muchos radares están a asociadas al PPI bajo o a un CAPPI. Para la imagen PPI tendremos la distribución de ecos de precipitación para dicha elevación (amarilla, para la figura anterior). En una imagen tipo CAPPI veremos la distribución de ecos a una altitud o nivel dado sobre el radar (1, 2, 3, .10, .. Km de altura). En la imagen superior tendremos el CAPPI 3 Km en rojo. En el caso de las imágenes de Internet del INM, nivel regional se sirve el PPI bajo, primera exploración a 0.5º y el CAPPI nacional compuesto o imagen mosaico a 2. 5Km de altura sobre el nivel del mar.

En condiciones normales, el haz del radar se propaga en la atmósfera de tal manera que se curva hacia abajo pero menos rápidamente que la curvatura de la superficie de la tierra. Por este motivo NO llega a interceptarla y quedando el haz por ENCIMA del horizonte. Podemos decir que, a medida que nos alejamos del radar, el haz, en condiciones normales atmosféricas, se eleva con la distancia, explorando niveles más altos y, que en algunas condiciones, los ecos detectados poco tienen que ver con lo que acontece en superficie cuando estamos muy lejos de la antena.

La señal radar en la escala decibélica está relacionada con la capacidad reflectora de los blancos e, indirectamente y si los ecos son de precipitación, con la intensidad de precipitación en el nivel o altura en que se detecte el blanco. No existe una relación directa y única entre el campo de reflectividad, Z, en intensidad de precipitación, R. Por lo tanto, el radar NO MIDE intensidades de precipitación.

En condiciones de fuerte estabilidad, con la presencia de inversiones térmicas o de humedad, el haz del radar se puede curvar más rápidamente que la superficie de la tierra. En última instancia, el haz del radar puede interceptar la superficie de la tierra y la señal devuelta y analizada puede dar ecos no meteorológicos que pueden inducir a error. Un caso especial ocurre cuando dicho haz se queda confinado o atrapado por las condiciones de estabilidad en una especie de guía conductora que intersecta con la superficie terrestre en multitud de ocasiones.
Los blancos que más reflejan son los formados por grandes partículas de granizo húmedo, gran cantidad de gotitas de agua. Los que menos reflejan son los blancos formados por cristalitos de hielo y la nieve.
A modo de resumen

– Los radares meteorológicos están diseñados para la identificación de ecos meteorológicos y son estos: lluvia, granizo o nieve, ligados a blancos asociados a precipitación. Dependiendo de las características del radar considerado (resolución, sensibilidad, longitud de onda empleada, potencia emitida, etc..) se podrán determinar las propiedades básicas de ciertos blancos iluminados y no de otros.

– Los radares meteorológicos operativos no detectan blancos formados por gotitas de nubes (este trabajo ya lo realizan los satélites meteorológicos y medioambientales). Están diseñados para detectar blancos formados mayoritariamente o por gotas o partículas mucho más grandes asociada a la precipitación propiamente dicha que son gigantes si la comparamos con las gotitas que conforman a la nube.

– En condiciones normales, las imágenes de radar nos proporcional la distribución espacial de los ecos de precipitación (¡¡obsérvese que se evita expresamente de hablar de INTENSIDAD DE PRECIPITACIÓN, TIPO DE PRECIPITACIÓN, NIVEL DE SUPERFICIE TERRESTRE!!), allí por donde el haz del radar ilumina la zona.

 

– El radar puede detectar ecos no meteorológicos ligados a una variedad de agentes y causas que vamos a discutir en el siguiente apartado. Más sobre propagación el haz del radarLa propagación de ondas electromagnéticas en la atmósfera está fuertemente condicionada por las condiciones meteorológicas del medio en que se propaga dichas ondas, sobre todo en capas bajas. En terminología radar se dice que, en “condiciones normales atmosféricas” el haz del radar se curva menos que la superficie de la tierra. Véase la figura adjunta.

 


 

 

 


En condiciones normales, el haz del radar se curva menos que a superficie de la Tierra. A medida que nos alejamos del radar la zona iluminada se eleva, pudiendo quedar zonas de precipitación por debajo del haz, como ocurre con la tormenta B.

En estas condiciones, vale muy bien un modelo conceptual muy útil: considerar la tierra como si fuese plana en las cercanías del radar y suponer que la trayectoria del haz se curva hacia arriba con la distancia (para mayor detalle consultar el modelo ideal de la Tierra de los 4/3 de radio). Hacemos referencia a condiciones normales, a aquellas en las que la atmósfera local está alejada de fuertes e intensas inestabilidades y estabilidades.

Ángulos de elevación y trayectorias ideales del haz medio del radar, en azul, para un radar que explore a diferentes elevaciones, considerando el modelo de la tierra de los 4/3 de radio. Nótese como queda de manifiesto la sobre elevación del haz del radar a medida que nos alejamos de él. Por ejemplo, a una elevación de 0.5 º, como se realiza en los radares del INM, a 210 Km el haz del radar se encuentra a más de 5 Km de altura. El radar “no puede detectar lo que acontece en superficie a esas distancias.


 

 

Estrictamente hablando la propagación de las ondas del radar dependen del índice de refracción atmosférica que, a su vez, depende de la temperatura, humedad y, en menor medida de la presión.

 

 

La sobre elevación del haz del radar con la distancia hace que el radar no pueda ver ecos de precipitación de poco espesor a ciertas distancias, como ocurre en este ejemplo. Los ecos cercanos a superficie no tienen presencia en los niveles explorados por el radar. Imagen del S.M. de Canadá.

Propagación anómala: ecos de tierra

En condiciones de fuerte estabilidad (térmica y de humedad, con inversiones asociadas por encima del radar) el haz se curva hacia abajo muy rápidamente e intercepta la tierra dando lugar a ecos en condiciones de propagación anómala, PA. Estos ecos aparecen en las imágenes radar como si fueran ecos meteorológicos de precipitación cuando realmente no lo son.

En condiciones de fuerte inestabilidad el haz del radar se curva hacia arriba muy rápidamente. En estos casos no aparecen ecos de propagación anómala o, al menos, tantos como en condiciones de fuerte estabilidad.

En condiciones de estabilidad la trayectoria del haz del radar se curva hacia abajo interceptando la tierra (caso de superrefracción). El radar sitúa estos ecos de tierra en la posición que supuestamente debería ocupar en la vertical asociado a dicha elevación. Un caso especial de alta estabilidad lo constituye cuando el haz queda atrapado en un conductor o guía, generando múltiples intersecciones e impactos con la tierra (Trapping).

 

 

Clasificación de los falsos ecos meteorológicos

La PA y los ecos falsos son uno de “los enemigos” más importantes del radar meteorológico. Su no eliminación por alguna técnica puede invalidar el uso de los datos radar. Existen varías técnicas para eliminar, parcial o totalmente, los ecos asociados a PA. Los radares que tienen capacidad Doppler sí pueden eliminar dichos ecos de tierra ya que su velocidad de desplazamiento (radial) es cero. Esta es la técnica empleada en dichos radares.

Los que no poseen dicha capacidad deberán usar otras técnicas que nunca son perfectas. En muchas ocasiones, estos ecos son parcialmente eliminados por algún método más o menos elaborado pero otras veces seguirán existiendo ecos de PA no meteorológicos.

Podemos clasificar y agrupar a los ecos no meteorológicos, o falsos ecos, en 4 grandes tipos (en paréntesis su terminología en inglés):


a. Ecos de tierra (ground clutter). Son los ecos falsos más comunes y se suelen dar en las proximidades del radar con las elevaciones más bajas, e incluso en condiciones de propagación normal o estándar. Están generados por obstáculos del terreno, árboles, torretas, edificios y algunas zonas altas cercanas al radar. Son fáciles de identificar cuando se conoce la zona próxima al radar o se posee cierta familiaridad a la hora de interpretar imágenes radar.

Los radares se suelen situar en sitios específicos y muy estudiados para evitar apantallamientos y ecos indeseados de elementos próximos. Este hecho es casi imposible de evitar y en muchas ocasiones aparecen ecos no meteorológicos debido a obstáculos del terreno muy próximos al radar. Imagen del S.M. de Canadá.

 

 

A mayor distancia, las montañas y picos elevados pueden dar también ecos de tierra en condiciones normales.

 

 

 b. Ecos asociados a propagación anómala, PA, en condiciones de super refracción. Se asocian a los ecos más o menos intensos que se dan en condiciones de fuerte estabilidad, inversiones térmicas y de humedad. Cuando esto ocurre, el haz del radar se curva más rápidamente que la tierra y las imágenes muestran ecos terrestres, marinos, de montañas y obstáculos alejados a distancias superiores a los ecos que se observan en condiciones normales. Estos ecos se suelen dar en invierno, en situaciones anticiclónicas y de gran estabilidad, preferentemente por las mañanas cuando en la zona de cobertura radar aparecen inversiones térmicas o de humedad.

 

Sus movimientos son erráticos, sus intensidades varían de una exploración a otra y sin sentido meteorológico. A medida que pasan las horas y las inversiones se van debilitando, estos ecos de PA van desapareciendo.

Masiva presencia de ecos de tierra según el radar de Palencia para el día 25 de noviembre de 2004 a las 05:20 UTC, debido a propagación anómala. Fuente de la imagen INM.

 

 

En alguna ocasión la inversión sobre el radar es tan intensa que el haz queda atrapado entre el nivel de la inversión y superficie. La señal rebota sucesivamente sobre estas dos capas que la limitan y las señales son devueltas incluso por objetos situados a muy grandes distancias, más allá del rango de cobertura nominal del radar, apareciendo ecos suaves en la radial del radar y, lógicamente, sin sentido meteorológico.

 

c. Ecos “biológicos”. Pájaros, insectos, polen, murciélagos, etc. Radares muy sensibles pueden detectar y presentar en pantallas este tipo de ecos. Algunas migraciones de pájaros y murciélagos son seguidas en EEUU mediante radares de la red norteamericana.

d. Otros ecos no meteorológicos. El sol es una fuente importante de energía electromagnética. Los radares meteorológicos pueden tener al sol en su campo de visión durante los atardeceres y amaneceres, mostrando la señal del lejano astro rey en sus imágenes. Estas señales aparecen como segmentos radiales con centro en el radar, preferentemente cuando está a una altura baja de nuestro horizonte. Cuando el sol está más alto, estos ecos no asociados a precipitación desaparecen.

Atardece en EEUU y los radares americanos detectan señales del sol: son lo segmentos de líneas azules centrados en cada radar, para esta imagen compuesta nacional sobre EEUU. Los ecos de precipitación de nieve (snow) muestran estructuras “meteorológicamente lógicas” con la situación de dicho día. Ecos de tierra alrededor de los radares 3 y 4 son visibles en esta imagen. Fuente NOAA/SPC.

 

¿Cómo identificar los falsos ecos?

Tenga en cuenta las limitaciones inherentes a la toma de medidas del radar meteorológico que hemos comentado con anterioridad.

 

Tenga en cuenta la situación meteorológica local en su zona y las características del radar a considerar, preferentemente, la altura a la que está situado, los obstáculos próximos, montañas cercanas, etc. Analice la posibilidad de la existencia de inversiones térmicas o de humedad mediante los datos de un radio sondeo cercano o los mapas del tiempo. Por ejemplo, las situaciones de alta estabilidad e inversiones térmicas se dan en situaciones anticiclónicas y en los pasos de frentes fríos.

Muchos ecos de tierra están asociados a accidentes orográficos, cadenas de montañas, picos,.. e incluso a las zonas costeras. Ciertos radares “ven la costa” circundante y la reproducen de forma llamativa. Estos radares suelen estar bajos y, a veces, quedan por debajo de la inversión costera ( p.e. los radares de Almería y País Vasco).

Analice la presencia de nubes o no en su zona. En muchas ocasiones existen ecos anómalos o falsos de precipitación y estos no llevan asociadas nubes en las imágenes de satélite.

Si dispone de información de otro radar de la zona que quiera analizar, vea la imagen correspondiente al otro radar. En muchas ocasiones otros radares no estarán afectados por las condiciones de PA y no detectarán ecos anómalos allí donde usted lo esté viendo con otro radar.

Si dispone de la posibilidad de realizar una secuencia de imágenes, verá como lo ecos anómalos se propagan sin sentido meteorológico, de forma errática, apareciendo en un lado y otro sin ninguna regla fija. Algunos sistemas asociados al radar eliminan parte de los ecos no meteorológicos mediante métodos y procedimientos físicos o electrónicos, pero aún así, algunos ecos no meteorológicos pueden pasar los filtros y tests a los que están sometidos y ser presentados en pantalla como tal. Un caso analizadoTomaremos como referencia el 28 mayo 2005 a primeras horas de la mañana. Este día estuvo dominado por una situación anticiclónica. Bandas de nubes altas penetraban por el SW peninsular y la sequía pertinaz nos atenazaba desde hacia varios meses.

El sondeo de Madrid del mismo día a las 00 UTC nos muestra dos inversiones muy significativas. Una en capas bajas, posiblemente ligada al enfriamiento nocturno, y otra en niveles superiores, a 600 hPa. El perfil vertical de humedad en muy seco en casi todo el sondeo. Los vientos eran débiles del SW y W, preferentemente, en los diferentes niveles.


Sondeo de Madrid a las 00 UTC del día citado. Fuente Universidad de Wyoming.

El radar de Cáceres nos muestra en la imagen del PPI ecos muy intensos al NW a las 05:20 UTC. En esos momentos la imagen IR del Meteosat no mostraba la presencia de nubes convectivas en la zona.

PPI del radar de Cáceres a las 05:20 UTC. Imagen del INM.

Ídem que el caso anterior pero para las 07:20 UTC. Fuente INM.

 

Los ecos a las 07:20 UTC se han intensificado y extendido en diversas zonas del norte y sur del área de cobertura del radar extremeño. A la misma hora, el radar de Madrid no detecta ningún ecos significativo en las zonas comunes y allí donde supuestamente debería haber ecos intensos. Este hecho nos delata la presencia de ecos de tierra en la zona del Sistema Central sólo detectados por el radar de Cáceres.

 

Ídem que el caso anterior, pero para el radar de Madrid. Fuente INM.

Las primeras imágenes visibles del satélite MET8 nos muestran nubes altas y medias muy tenues sobrevolando la zona y generando algunas sombras sobre tierra.

Imagen HRVIS del Meteosat-8, MET8, de las 06:00 UTC. Fuente, Eumetsat/Nemoc.

No cabe la menor duda que estamos frente a una situación de ecos de tierra en el radar de Cáceres debido a las condiciones locales que generan propagación anómala, no compartidas por las asociadas al radar de Madrid.¿Y también en verano?Sí. Los ecos de tierra no se dan exclusivamente en los meses fríos del año, siempre que existan inversiones en las cercanías del radar podemos tener ecos de PA. En las siguientes imágenes podemos ver los ecos de tierra y mar generados por propagación anómala para el radar de Murcia y A Coruña el 5 de agosto de 2005 a primeras horas de la mañana.

El día amanecía con ausencia absoluta de nubes en la zona, las temperaturas eran ya altas y la imagen del PPI nos daba estas señales tan significativas. Otros radares limítrofes no daban señal en las zonas de ecos intensos dados por el de Murcia.

Imagen del PPI del radar de Murcia a las 08:20 UTC (10:20 horas de la mañana) para el 5 de agosto de 2005. Los ecos por propagación anómala eran evidentes en este día de verano con ausencia absoluta de nubes. Crédito de la imagen, INM.

Imagen VIS realzada del MET7 a las 10 de la mañana del día 5 de agosto de 2005. Obsérvese la ausencia de nubes sobre la zona de Murcia y A Coruña; radares que nos sirven de referencia en este ejemplo. Fuente Eumetsat.

PPI del radar de A Coruña a las 09:20 UTC (11:20 locales). Obsérvese las estructuras radiales de los ecos del mar, posiblemente ligados a ecos lejanos que se ven atrapados en la capa estable de niveles bajos. Existen también ecos asociados a PA en tierra. Imagen del INM.


 

Conclusiones

El radar meteorológico es una potente herramienta que nos permite observar, seguir y analizar señales de blancos ligados a ecos de precipitación. Sus características, localización y la servidumbre que tiene el sistema radar a las condiciones cercanas a la superficie terrestre (condiciones de propagación atmosféricas dependientes de la estabilidad o inestabilidad ambiental, la cercanía o no de obstáculos, etc.,) hacen que en algunas ocasiones aparezcan falsos ecos o ecos no meteorológicos indeseados. Las condiciones de fuerte estabilidad tienden a generar el ambiente idóneo para que el haz del radar intercepte blancos terrestres (montañas, zonas marítimas, ..) cuya señal puede inducirnos a error a la hora de interpretarlos como ecos de precipitación.

 

La persona que interprete datos de radares meteorológicos debe estar atenta a estas limitaciones, ya que las técnicas de eliminación de ecos de tierra o falsos ecos nunca son perfectas.

Use otras fuentes de información (por ejemplo, las imágenes de satélite) para evaluar si estamos frente a falsos ecos que no están ligados a precipitación ni a las condiciones sinópticas y meteorológicas dadas.


Referencias y figuras

– Ecos del sol

http://www.spc.noaa.gov/coolimg/radssets.htm

– Interpretación de productos. Página INM/AEMET. Radares

http://www.aemet.es/es/eltiempo/observacion/radar

– Pinchar en Interpretación Radar meteorológico. On line remote sensing guide. Universidad de Ilinois

http://ww2010.atmos.uiuc.edu/(Gh)/guides/rs/rad/home.rxml

– Servicio Met. de Canadá. Weather radar

http://www.msc-smc.ec.gc.ca/cd/factsheets/weather_radar/index_e.cfm

 

4 pensamientos en “Algunas consideraciones básicas sobre falsos ecos detectados por los radares meteorológicos

  1. Miraida Serrano Cortina

    Para mí que estoy empezando a trabajar con radar meteorológico, está super buena.

  2. pedro clapet cutiño

    esta pagina esta super buena ,de mucha ayuda a operadores meteorologicos y aficionados a la meteorologia y en general a todos gracias.

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