Imágenes radar con estructuras de ecos singulares: Efectos de los lóbulos secundarios y apantallamientos

Introducción

El radar meteorológico es la mejor herramienta disponible para detectar ecos de precipitación cubriendo grandes zonas, analizando su extensión, evolución espacio-temporal con una muy buena resolución en periodos relativamente cortos.

Pero todo ello con las limitaciones inherentes asociadas a la toma de medidas de radar. De hecho “no es oro todo lo que reluce”, como dice el viejo refrán. Se vio en la RAM 35 de septiembre de 2005 los llamados ecos de tierra no meteorológicos que se generan en condiciones de fuerte estabilidad, presencia de inversiones térmicas e incluso de humedad, y que no eran más que señales de ecos de tierra resultante de la energía devuelta por el propio suelo, montañas, obstáculos cercanos al radar, etc., que interceptan las ondas electromagnéticas emitidas.

Otras veces el radar puede detectar señales de bandadas de pájaros, murciélagos, etc. Los radares del tiempo que son muy sensibles y de alta resolución, como los americanos, detectaron la caída de los restos de la nave espacial Columbia (ver RAM10). Hasta el sol puede ser detectado y presentado en las imágenes de los radares meteorológicos. Pero aún más, cuando se analizan imágenes radar nos podemos encontrar con otras singularidades llamativas. Veamos los casos de imágenes singulares de los radares de Valencia y La Coruña para dos situaciones concretas. Tomaremos como base las imágenes del PPI, Plan Position Indicador, de cada radar y el CAPPI (Constant Altitude PPI) mosaico nacional a 2.5 km de altura, ambos productos generados por el INM y disponibles en su página web.

Ecos no meteorológicos debido a lóbulos laterales o secundarios

El radar meteorológico ideal sería aquel que, entre sus cualidades, emitiera toda su energía en su haz central o lóbulo principal: zona muy estrecha donde está concentrada la energía utilizada para detectar blancos por ondas electromagnéticas.

Desgraciadamente ese radar ideal no existe, o en otras palabras, las antenas de los radares reales emiten energía mayoritariamente en una región llamada lóbulo principal a una exploración dada. Pero no toda es emitida en ese haz principal: una parte de dicha energía se radia y se pierde en otras direcciones no deseadas, dando lugar a los llamados lóbulos laterales o secundarios de emisión. En la imagen adjunta, figura 1, podemos ver el diagrama conceptual de emisión de un radar.

Se observa en el dibujo que existe un lóbulo principal de emisión donde se concentra casi toda la energía emitida, pero que en otras direcciones también se emite y se escapa energía desde la antena. Los lóbulos laterales de emisión de energía no deseada deberían ser los mínimos posibles y los fabricantes de antena tratan enconadamente de eliminarlos, pero la tecnología tiene sus limitaciones y siempre existirán en mayor o menor medida. Los mejores radares meteorológicos serán aquellos que prácticamente no posean lóbulos laterales.

Figura 1. Diagrama conceptual de emisión de una antena que emite energía electromagnética mayoritariamente el haz principal. El tamaño de los lóbulos representaría la proporción de energía emitida para un pulso de emisión dado. Imagen original de Sánchez-Diezma, ver referencias finales.

Interpretar los efectos de los lóbulos laterales es bien sencillo. El radar explora a una elevación dada, digamos a 0,5 ó 1º, para fijar ideas. Mientras el radar “explora hacia arriba”, parte de la energía que emite la antena escapa por uno o más lóbulos laterales que explorarán hacia otras direcciones, interceptando algún blanco, por ejemplo el suelo, el mar u obstáculos cercanos al radar. A la antena del radar le llega la energía devuelta por blancos y el sistema los sitúa de forma adecuada según la altura explorada de 0,5 ó 1º por el lóbulo principal y en función del tiempo que ha tardado en enviar y recibir la energía. Pero además, parte de la señal proviene de ecos detectados por la señales de los lóbulos laterales, que están situados en las proximidades del radar. El sistema lo interpreta erróneamente presentándolos en pantalla o imagen a analizar, como se verá más adelante, y situándolos en la imagen generada por los ecos del haz principal, ver figura 2.

Figura 2. Lóbulos secundarios y efectos. Cuando el radar apunta hacia arriba, según una exploración dada, los lóbulos laterales o secundarios están apuntando a blancos más bajos y cercanos. El sistema radar re sitúa la señal de estos blancos como si viniera de niveles más altos. Este hecho ocurre con obstáculos terrestres próximos al radar, montañas y grandes zonas de agua, sobre todo cuando el radar está muy cerca de la costa. Imagen original de Sánchez-Diezma, ver referencias.

Los efectos de los lóbulos laterales se ven claramente en un radar ideal que explorará a 0º de elevación, figura 3. Mientras que la antena apunta horizontalmente con su lóbulo principal, puede haber un lóbulo secundario, o más de uno, que emiten energía hacia abajo, como el A. La señal devuelta por dicho lóbulo lateral puede ser debida a la presencia de obstáculos próximos, tierra o mar. El sistema radar no sabe nada de lóbulos secundarios y supone que le llega del haz principal. En sus cálculos internos, reposiciona la señal de A en A’, dando un eco cuando realmente no debería haber nada en dicha posición. Los efectos de los lóbulos laterales solamente se dan por elementos terrestres o marinos próximos al radar.

Figura 3. Efectos de los lóbulos laterales o secundarios por obstáculos o elementos próximos al radar. Ver texto para más detalles.

Veamos un ejemplo con algunos radares de EEUU y México. La aureola de ecos alrededor de algunos radares americanos y mexicanos en aire claro sin nubes y precipitación se debe en muchos casos por los efectos de los lóbulos laterales de los ecos cercanos al radar, como muestra estos ejemplos de las figuras 4 y 5.

Figura 4. Imagen radar del NWS americano mostrando ecos de aire claro alrededor del radar, muchos ligados a ecos de lóbulos secundarios o laterales. Imagen de la NOAA-NWS.

Figura 5. Radar de Los Cabos del SMN mexicano, mostrando los efectos cercanos al radar posiblemente generados por lóbulos laterales. El radar se encuentra en el centro de la imagen. Fuente SMN de México.

Efectos de los lóbulos secundarios en el radar de Valencia y en otros radares

Los radares de España no están exentos de estos efectos. Un buen ejemplo lo tenemos en el radar de Valencia. Este radar está a unos 234 m de altura sobre el nivel del mar, muy cerca de la costa y su exploración más baja se realiza a 0.5º de elevación, rotando 360º para realizar un barrido completo, antes de iniciar otra exploración a un ángulo mayor. En cualquier momento es posible que un lóbulo secundario esté apuntando hacia el mar, sobre todo en las explotaciones más bajas, cuando el haz principal está a 0.5º de elevación, por poner un ejemplo. El mar refleja mucha energía, aunque sea pequeña, y el resultado es que en determinadas ocasiones aparezcan estructuras de ecos no ligados a precipitación cerca del radar debido a los lóbulos “indeseados”. Radares más altos y retirados de la costa no darán esta señal, como la que vamos a analizar aquí.

La señal de los lóbulos secundarios queda enmarcada en rojo en la siguiente figura y puesta de manifiesto en las dos siguientes, figuras 6 y 7.

Figura 6. Efectos asociados a los lóbulos laterales o secundarios en el radar de Valencia en las imágenes del PPI del 2 de noviembre de 2006: zona encuadrada en rojo en la imagen superior. Fuente INM.

La presencia de una zona en forma de sector circular cercana al radar de Valencia es causada por la presencia de los efectos de los lóbulos secundarios generados por el radar. Este radar puede generar este tipo de señal en determinadas condiciones. Este hecho se aprecia en la imagen mosaico nacional del CAPPI 2.5 km, figura 7.

Figura 7. Ídem que en el caso anterior pero para el CAPPI 2.5 km. La misma estructura concéntrica al radar y en la zona marítima es presentada en esta imagen. Fuente INM.

Al igual que el radar de Valencia, el radar americano de la base de Rota presenta efectos parecidos, como se puede apreciar en esta imagen, figura 8.

Figura 8. Imágenes del radar de Rota: a) Imagen superior de reflectividad máxima en la columna y b ) PPI con ecos de precipitación cercanos al radar. Los efectos de los lóbulos secundarios se aprecian alrededor del radar en forma de anillos concéntricos en las fechas señaladas. Fuente NAVY-NEMOC.

Apantallamiento por obstáculos próximos al radar

La elección de la ubicación de los radares meteorológicos es una tarea crítica y debe ser tenida en cuenta con sumo cuidado, analizando los pros y contras, en especial es un país tan montañoso como el nuestro. Por una parte deben estar lo más próximo al nivel del suelo, lejos de grades altitudes, para que las zonas exploradas reflejen los ecos de precipitación próximo a la superficie de la tierra. Pero esto puede ser un inconveniente en zonas de compleja orografía. Pensemos un radar situado en la costa asturiana o valenciana, por poner dos ejemplos, cuando hay zonas de montaña próximos al radar, éstas actuarán como verdaderos obstáculos e impedirán ver detrás de ellos cuando el radar los ilumine en sus exploraciones. El resultado es la ausencia de ecos de precipitación por apantallamiento o bloqueo de la señal. Estas zonas oscuras no iluminadas pueden ser totales o parciales, ver figura 9.

Figura 9. El apantallamiento o bloqueo de la señal radar por obstáculos próximos (montañas, edificios, árboles, etc.) oculta zonas de precipitación que pueden quedar detrás del obstáculo. Imagen del Curso de radar de Rafael Sánchez Diezma, Grupo GRPHI.

Uno de los radares que tienen una zona muy amplia de apantallamiento orográfico es el radar de Valencia situado en Cullera. Como se indicó anteriormente, este radar está a unos 234 m de altura sobre el nivel del mar, detecta muy bien los sistemas precipitantes que le llegan de la zona del mar Mediterráneo pues no tiene obstáculos hacia el mar pero las lluvias que le llegan por su suroeste no son detectadas adecuadamente por estar bloqueada su visión por las sierras próximas al radar en dicha dirección.

Aprovechando las precipitaciones amplias y generalizadas acaecidas durante el 3 de noviembre de 2006 en la Comunidad Valenciana, se muestran cómo el radar de Valencia detectó dichas zonas de precipitación de tipo estratiforme según la imagen PPI regional en dos momentos diferentes, figura 10.

Figura 10. Imágenes PPI, Plan Position Indicador, del radar de Valencia en modo reflectividad normal, dBZ, donde se muestran los ecos de precipitación durante el día 3 de noviembre a las 13:20 y 14:20 UTC. En la imagen superior se ha remarcado la amplia zona donde se produce un fuerte apantallamiento por los obstáculos orográficos próximos al radar. Fuente de las imágenes INM.

Para resolver la duda si llueve en una zona apantallada o no basta analizar la señal de otro radar próximo, en este caso sería el de Murcia, o visualizar una imagen compuesta del mosaico nacional, como se muestra más abajo, pero con la salvedad que no es el PPI regional sino una composición del CAPPI a 2.5 km de altura, figura 11.

Figura 11. CAPPI a 2.5 km en modo reflectividad, dBZ de las 13:50 UTC del 3 de noviembre de 2006. La zona de precipitación oculta al suroeste del radar de Valencia es rellenada en esta composición por los datos del radar de Murcia. Imagen del INM.

El radar de Valencia no es el único radar peninsular e insular que posee grandes zonas apantalladas por obstáculos orográficos.

Otras zonas oscuras al radar se pueden generar por obstáculos próximos al radar, como es el caso del radar de La Coruña, figura 12 y 13.

Figura 12. Ídem que la figura 11 pero para el 25 de octubre de 2006 a las 03:20 UTC. Fuente INM.

Figura 13. Ídem que la figura 10 pero para el 25 de octubre de 2006 a las 03:20 UTC (arriba) y para el 24 de noviembre de 2006 (abajo). Fuente INM.

Conclusiones

Se han analizado algunos detalles interpretativos de imágenes radar que tiene en cuenta los efectos de los lóbulos secundarios y apantallamientos generados por obstáculos, aplicados a los radares peninsulares. Estos efectos no deben pasar desapercibidos a aquellas personas que usen de forma intensiva los datos de radar en situaciones potencialmente significativas y adversas.

Referencias

Algunas consideraciones básicas sobre falsos ecos detectados por los radares meteorológicos

La caída de la nave espacial Columbia según los radares meteorológicos operativos americanos del estado de Luisiana.

Curso radar meteorológico. GrupoGRAPHI. Rafael Sánchez-Diezma Carles Corral.