1

HERRAMIENTAS PARA EL DESPACHO DE AERONAVES EL RADAR METEOROLOGICO Introducción: el uso de imágenes de radar está ampliamente extendido en el ámbito aeronáutico y más específicamente en el despacho técnico de vuelos, su relativa fácil interpretación hace muy amigable su utilización en la faz de planificación del vuelo pero hay que destacar que para obtener el máximo beneficio de esta herramienta hace falta profundizar en el conocimiento de su utilización y limitaciones, además debemos tener en cuenta que el SMN está implementando la cobertura de gran parte del País con radares meteorológicos de fabricación nacional (red SINARAME) y en un futuro estará disponible en muchas de las escalas del interior, se hace necesario entonces ampliar los conocimientos sobre dicho sistema. Por otra parte el uso de radares meteorológicos no solo es de utilidad en la planificación sino que tiende a ser muy importante en la faz de ejecución del vuelo si se logra un adecuado sistema de comunicación por el cual se les haga llegar a las tripulaciones, en tiempo real, asesoramiento que les sirva para ampliar su capacidad de decisión, por ejemplo, ante eventos severos que se aproximen a un determinado aeródromo de interés, se decanta que es el DAE un elemento clave que bien podría servir para canalizar ese asesoramiento (internamente en las aerolíneas), máxime si consideramos que no siempre los servicios ATC o MET pueden ejecutar esta tarea en forma personalizada y puntual para cada vuelo en particular, si se lograra esta capacidad de informar tendría no solo un correlato en la seguridad sino también y como siempre, en la economía de la operación. En la imagen siguiente como quedara el País cubierto por la red de radares del SMN. Ya están en funcionamiento el RMA0 en Bariloche, RMA1 en Córdoba en forma experimental y seguramente los tendremos disponibles en los próximos meses vía web. A continuación se presenta un somero trabajo de introducción al uso de radares Doppler, se intenta mostrar algunos ejemplos representativos de su utilización, está basado (en mayor medida), extractado y resumido de módulos del “The COMET Program” (reproducción autorizada). Importante: hay que destacar que no se pretende que con su sola lectura se esté en condiciones de obtener un nivel de excelencia en su utilización, solo se trata de una introducción o primera aproximación a la temática por medio de múltiples ejemplos.

RADAR METEOROLOGICO

2 El radar de pulso: en principio y en forma general las imágenes disponibles provienen de radares de “pulso”, estos funcionan enviando un pulso electromagnético con la antena en una determinada posición y de inmediato recibiendo el eco correspondiente de retorno que será presentado en la pantalla, para completar la exploración del espacio es que éste tipo de radares van aumentando el ángulo con el cual apuntan hacia la atmosfera por cada revolución de la antena que realiza hasta completar un ciclo de exploración total en aproximadamente 5 minutos, veamos la imagen que ilustra este sistema.

Gráficamente podemos observar cómo queda el corte vertical del barrido completo.

RADAR METEOROLOGICO

3 Tipos de productos Reflectividad: es el producto más común y usado de los radares, el pulso electromagnético emitido produce en los “blancos” una dispersión que puede ser captada por el mismo radar como energía reflejada, esa energía tiene un valor especifico pero para facilitar su interpretación es presentada en una escala logarítmica de DBL (decibelios), esta escala tiene su correlato según la intensidad con el fenómeno observado, por ejemplo lo que muestra nuestro SMN en su página web nos indica:      

10 a 30 dBl, lluvia débil. 30 a 38 dBL, lluvia ligera a moderada. 38 a 44 dBL, lluvia moderada a fuerte. 44 a 50 dBL, lluvia fuerte. 50 a 57 dBL, lluvia muy fuerte a probable granizo. Más de 57 dBL, lluvia fuerte y granizo.

El radar también puede revelar varias estructuras meteorológicas producidas por gradientes de temperatura y humedad que pueden ser precursores de los eventos de precipitación como así también otros fenómenos importantes, veremos algunos de ellos en esta sección.

RADAR METEOROLOGICO

4 Frente de rachas que se adelantan a la tormenta principal.

La mayoría de las células de tormentas contienen una región central llamada núcleo que produce altos valores de reflectividad, alrededor de la cual se observan valores de reflectividad más bajos. Normalmente, cuanto más fuerte sea el gradiente (diferencia) de reflectividad entre el borde de una célula y su núcleo, tanto más intensa será la tormenta.

La presencia de un fuerte gradiente indica una separación brusca entre la zona que contiene granizo grande o lluvia intensa y la corriente ascendente en niveles bajos, que es la fuente de energía de la tormenta.

RADAR METEOROLOGICO

5 Por ejemplo, las líneas de tormentas visibles en el panel de la izquierda no son tan intensas como la línea de tormentas captada en el panel de la derecha, donde se ve un cambio muy brusco de una región casi exenta de ecos a zonas donde la reflectividad supera 60 los dBZ, en el núcleo de las células grandes

Esta información nos sirve de guía para evaluar la intensidad de una tormenta en general en las primeras etapas de su desarrollo. Para el caso del granizo tenga presente que el tamaño del mismo detectado en el volumen muestreado disminuirá por fusión o sublimación a medida que desciende, y que no existe una relación directa entre el tamaño del granizo y los valores de reflectividad. Cierta información de apoyo, como el nivel de congelación y las observaciones locales, puede ayudarnos a determinar el tamaño real del granizo que llega al suelo. Una señal característica que puede ayudar a identificar la presencia de granizo es el «pico de granizo». El pico de granizo suele manifestarse como un eco en forma de punta o pico de 10 a 30 km de longitud y reflectividad baja (< 20 dBZ) en los niveles medios que se extiende a lo largo de un haz que atraviesa un núcleo de alta reflectividad, alejándose del radar.

RADAR METEOROLOGICO

6

Este pico se forma cuando el radar interpreta como más distante la posición de los pulsos dispersados por el granizo hacia el suelo, que los reflejó de vuelta hacia el núcleo de granizo.

El pico de granizo es una indicación casi infalible de la presencia de granizo grande, ya que suele ocurrir cuando el tamaño del blanco se aproxima a la longitud de onda del pulso radar. Típicamente ocurre sólo dentro de la intensa convección de las tormentas súper celulares.

RADAR METEOROLOGICO

7 Ejemplo de súper celdas.

Arco de tormentas.

RADAR METEOROLOGICO

8 La causa del arco suele ser una intensa corriente descendente local o, a veces, un chorro de aire más organizado que atraviesa el sistema desde la parte posterior de la tormenta, hasta la delantera. Esencialmente, estas fuerzas «empujan» la convección principal por delante del resto de la tormenta, formando el segmento arqueado. Los ecos en arco pueden ocurrir a escalas más pequeñas y pueden formarse varios de ellos en la misma línea de convección.

A veces encontramos segmentos arqueados en líneas de convección ordinarias y en relación con algunas súper células. Es aconsejable prestar particular atención a los sistemas convectivos de mesoescala (más grandes que las tormentas individuales) y cualquier segmento de otro tipo de tormenta que exhiba las características de un eco en arco. Es posible también detectar el paso de un frente en el radar incluso en ausencia de precipitación. Los mecanismos principales responsables de este efecto son la concentración de insectos y partículas como resultado de la convergencia y turbulencia a lo largo del frente, y cierto grado de desviación del haz causado por los gradientes de densidad a lo largo de la frontera entre las masas de aire. Los frentes cálidos y fríos, las líneas secas, los flujos de salida producidos por las corrientes descendentes de las tormentas y las brisas de mar y de lago son algunos de los fenómenos que pueden detectarse en el radar incluso cuando no hay precipitación en las inmediaciones.

RADAR METEOROLOGICO

9

La mayoría de los frentes y otras fronteras sin precipitación tienen estas características en el radar: Una línea muy fina de reflectividad baja (menor o igual que 15 dBZ). Dicha línea puede verse como una franja delgada de reflectividad más alta si el entorno contiene muchos ecos parásitos. La línea fina puede verse como un arco que se aleja de una tormenta reciente y marca la posición del límite de la corriente de salida. Si hay suficientes dispersores a ambos lados del frente, se observa una marcada diferencia en la dirección del viento delante y detrás del frente.

Existe una muy diversa gama de tipos de ecos mostrados por el radar, imposibles de ser presentados en este espacio por lo cual la experiencia será una fuente muy importante de conocimientos sobre la reflectividad, muy útil también son las secuencias de imágenes que nos permitirán una estimación del movimiento y del tiempo de afectación en un determinado aeródromo.

RADAR METEOROLOGICO

10 Topes de nubes: estas imágenes muestra los topes de nubes dentro de la cobertura del radar, se deberá tener muy en cuenta el efecto del “cono de silencio” sobre la vertical ya que sobre la misma estación no se mostraran nubes.

Arriba en color rojo ecos con topes cercanos a los 12000mts, abajo topes de hasta 15000mts.

RADAR METEOROLOGICO

11 Vientos en capas bajas: con la información de desplazamiento que se logra al comparar sucesivas imágenes de radar se puede establecer el campo de vientos a una altura de 1500mts (en promedio) y para una distancia cercana dentro de la cobertura, la información es presentada para ecos (viento) que se “acercan” al radar y para ecos que se “alejan”. Si bien no es una herramienta muy utilizada en la preparación del vuelo es interesante su conocimiento.

Consideremos un ejemplo sencillo en el cual el viento sopla del oeste a la misma velocidad en todos los sitios, cuando el haz del radar está orientado directamente hacia el este, el radar mide la componente del viento paralela al haz. En este caso, la velocidad radial coincide con la del viento ambiental, que se presenta en tonos rojos y anaranjados para indicar el movimiento alejándose de la posición del radar.

De forma análoga, cuando el haz del radar apunta directamente hacia el oeste, la velocidad radial coincide con la del viento ambiental, pero se presentará en tonos verdes y azules para indicar que el movimiento es hacia el radar.

RADAR METEOROLOGICO

12

Conforme el haz del radar se desplaza, sólo medirá la componente del viento paralela al haz. En este caso, a un ángulo de 45° medirá aproximadamente el 71% del viento total, de modo que la velocidad radial indicada será menor que la verdadera velocidad del viento ambiental.

Cuando el haz es perpendicular a la dirección del viento, la velocidad radial es cero, ya que no hay ninguna componente paralela.

RADAR METEOROLOGICO

13 Observe que en este ejemplo la velocidad real del viento no cambió nunca en ningún lugar, lo único que cambió es el ángulo de observación del viento desde el radar. Por eso puede parecer que la velocidad del viento varía tanto en las imágenes de velocidad radial de la zona observada.

Aunque este esquema de colores es común a otros sistemas de radar, algunos emplean colores diferentes. Por ejemplo, la imagen de abajo a la izquierda incluye tonos amarillos en el rango positivo y azules en el negativo. Sin embargo, podemos siempre calcular que los colores «fríos» indican movimiento hacia el radar y los «cálidos» indican movimiento alejándose del radar. En la imagen de la derecha el sector “A” indica vientos aproximándose, el “B” alejándose y el “C” perpendiculares al haz del radar.

RADAR METEOROLOGICO

14 En esta imagen conceptual de velocidad en la primera elevación, los vientos a la izquierda se desplazan hacia el radar, es decir, se trata de vientos «entrantes». Los vientos en el lado derecho de la imagen son todos vientos «salientes», es decir, que se alejan del radar. Ya se habrá dado cuenta de que en este caso el viento tiene una componente del oeste, ¿pero es que el viento realmente sopla exactamente del oeste? ¿Qué velocidad alcanza en la superficie? ¿Y a mayor altura?

Para determinar la dirección del viento en la estación radar sólo necesitamos encontrar las medidas más cercanas de velocidad radial entrante y saliente y conectarlas con una línea.

Para determinar la velocidad y dirección del viento a cierta altura del radar utilizamos la isocero de velocidad Doppler. Dicha isolínea es particularmente útil, porque sabemos que allí el viento es perpendicular al haz del radar en cualquier punto a lo largo de ella. Aunque también puede significar que los blancos son estacionarios, esta eventualidad es poco probable, si consideramos los vientos intensos que se observan a sus lados.

RADAR METEOROLOGICO

15

Para comenzar, trazamos una flecha desde la estación de radar hasta el lugar de intersección de la isocero de velocidad Doppler con la altura (es decir, la distancia) específica que deseamos examinar. En este caso, calcularemos la dirección del viento en el primer anillo de distancia desde el radar. Trazamos una flecha entre la estación radar y el lugar de intersección de la isocero de velocidad Doppler con el anillo de distancia.

A continuación, trazamos una flecha perpendicular a la primera, apuntando desde las velocidades entrantes hacia las salientes. Esto nos da la dirección del viento en ese lugar.

RADAR METEOROLOGICO

16 ¿Cuál es la velocidad máxima allí? La forma más fácil de estimar la velocidad del viento en un lugar consiste en encontrar los valores máximo y mínimo registrados en cualquier lugar a lo largo del mismo anillo de distancia del radar. En este caso podemos apreciar que hay una velocidad radial máxima de 20 a 25 m s-1 y una mínima de -20 a -25 m s-1 en el lado opuesto. Este método implica la suposición inherente de que los vientos soplan a la misma velocidad en todos lados a determinada altura.

Podemos volver a ejecutar estos procesos para estimar la velocidad y dirección del viento en el límite del alcance radar. Trazamos una recta entre la estación radar y el lugar de intersección de la isocero de velocidad Doppler con esa distancia. Luego trazamos la flecha perpendicular que representa la dirección del viento, que en este caso proviene del oeste. Aquí también podemos determinar la velocidad del viento buscando los valores máximo y mínimo a lo largo de esa distancia. En este caso también los valores máximos y mínimos son de 20 a 25 m s-1.

Por ejemplo, si trazamos las radiales desde el radar de modo que se intersequen con la isocero de velocidad Doppler en los lugares y luego trazamos una línea perpendicular para indicar la dirección, veremos que el viento sopla del este en la superficie, del sudeste en el primer anillo de dirección y del sur en el segundo anillo de dirección.

RADAR METEOROLOGICO

17

En la imagen siguiente se muestra un complejo de tormentas que contiene vientos muy fuertes. Es probable que algunos de los vientos entrantes superen los 70 nudos. Este efecto se observa en forma de píxeles rojos en la amplia región de intensos tonos verdes.

En la siguiente imagen vemos que un flujo del noroeste asociado con un frente frío exhibe un máximo cerca del nivel del primer anillo de distancia y está alcanzando el flujo del sudoeste, que también presenta un máximo en el nivel del primer anillo de distancia.

RADAR METEOROLOGICO

18

En algunas circunstancias, la velocidad radial puede verse más bien así. Podemos observar que en la mitad de la imagen delimitada en blanco la dirección del viento cambia hacia la izquierda con la altura, mientras que en la mitad al sudeste (delimitada en verde) la dirección del viento parece cambiar hacia la derecha con la altura.

El cambio en la dirección del viento hacia la izquierda con la altura indica advección de aire frío, mientras el cambio en la dirección del viento hacia la derecha es una indicación de advección de aire cálido. Este patrón indica que un frente frío está invadiendo una zona de flujo cálido con una componente sur y podemos observar una clara discontinuidad que marca la posición del frente. Hasta ahora hemos examinado el uso de la velocidad radial para interpretar el viento ambiental a gran escala. Pasemos ahora a considerar algunas de las circulaciones de escala más pequeña que se pueden diagnosticar con el radar. En este ejemplo se nota claramente hay una pareja bien definida al norte del radar. Una vez trazada la radial podemos ver que las velocidades entrantes máximas se encuentran a la izquierda y las velocidades salientes máximas a la derecha. En este caso no hay una isocero de velocidad Doppler entre los dos máximos, algo común en el entorno de las tormentas. A menudo, la circulación no es estrictamente rotacional, sino que se exhibe además cierto grado de convergencia u otro tipo de cizalladura en el ambiente tormentoso circundante.

RADAR METEOROLOGICO

19

Limitaciones Apantallamiento físico: claramente un obstáculo originara un apantallamiento que impedirá que sobre un determinado sector, las imágenes sean utilizables.

RADAR METEOROLOGICO

20 En la pantalla se presentara de esta manera.

Limitaciones según el tipo de nubosidad y precipitación: los distintos tipos de nubosidad tienden imponer distintas limitaciones a su visualización, en el siguiente esquema podemos observar que tan bien se desempeña el sistema según el caso.

RADAR METEOROLOGICO

21 Resolución: debido a la geometría del haz, cierta variación en la resolución es inherente a las imágenes radar, un factor que depende de la distancia del instrumento. Conforme se alejan de su origen, los pulsos radar se ensanchan y muestrean un volumen cada vez más grande sobre el cual se ejecutan los cálculos, por ejemplo, para determinar la reflectividad. Este efecto es evidente en todas las imágenes radar, algo que se puede comprobar fácilmente observando el tamaño relativamente pequeño de los píxeles cerca de la posición del radar (a la izquierda de la imagen) en comparación con los que se encuentran cerca del límite del alcance del radar, que son más grandes.

Angulo: la primera suposición es que el haz de radar sigue el ángulo de inclinación original a medida que atraviesa la atmósfera. Como ya vimos, la mayoría de los sistemas de radar meteorológico emiten pulsos a diferentes ángulos de elevación que van desde el más bajo de 0,5° hasta el más alto de 19,5°. En condiciones atmosféricas normales (es decir, la temperatura y humedad disminuyen con la altura en la troposfera), los haces siguen las trayectorias que se ilustran en esta gráfica.

RADAR METEOROLOGICO

22

Observe que, debido a la curvatura terrestre, la altura del haz aumenta conforme se aleja del radar, independientemente del ángulo de la trayectoria. El haz puede desviarse de estas trayectorias dependiendo del índice de refracción del aire, que determina si las ondas electromagnéticas se refractarán o cambiarán de dirección al pasar de un medio a otro. Cuando en la troposfera inferior existe una inversión térmica o un fuerte gradiente vertical de humedad, el índice de refracción puede cambiar con la altura, lo cual esencialmente desvía el haz de radar de su trayectoria. En condiciones atmosféricas normales, la curvatura del haz de radar es levemente menor que la curvatura terrestre.

Cuando el haz de radar se refracta (desvía) menos de lo que sería el caso en condiciones atmosféricas normales, hablamos de «sub refracción».

RADAR METEOROLOGICO

23 En estas condiciones, es más probable que el haz de radar pase por encima de un área de interés y que salga más rápidamente por la parte superior de una zona de precipitación. Cuando el haz se refracta más de lo normal, hablamos de «súper refracción». En algunos casos, el efecto de súper refracción puede ser tan severo que los pulsos radar alcancen el suelo o queden «atrapados» en lo que se conoce como «canalización».

El efecto de súper refracción afecta a las imágenes radar con mayor frecuencia que el de sub refracción. En casos de súper refracción, el haz de radar se curva hacia el suelo y permanece más tiempo en una zona de precipitación. Esto puede aumentar la utilidad del radar para examinar la precipitación en zonas más alejadas, pero también puede hacer que se exceda la distancia máxima no ambigua. Además, el haz puede interceptar blancos en el suelo y crear ecos parásitos en las imágenes radar que pueden llevar a confusión. Este efecto suele denominarse «propagación anómala». En este ejemplo, el efecto de súper refracción del haz fue suficiente como para que el radar interceptara unas estructuras topográficas locales a aproximadamente 50 km de distancia.

La súper refracción ocurre principalmente en estas condiciones: cuando la radiación nocturna causa una inversión térmica cerca del suelo y una fuerte reducción de la humedad con la altura; cuando una masa de aire cálido y húmedo pasa por encima de una superficie más fría, especialmente de agua; cuando una corriente descendente enfría la zona debajo de una tormenta, produciendo una inversión térmica en la troposfera baja. Aunque esto es poco frecuente, puede ser muy importante debido a su proximidad a la tormenta.

RADAR METEOROLOGICO

24 Atenuación: considere la situación en la que se ha formado una fuerte tormenta cerca del radar. La atenuación que ocurre en el núcleo de intensas precipitaciones de la tormenta más cercana puede hacer que las zonas de precipitación más alejadas parezcan menos intensas de lo que son. En casos de atenuación muy fuerte, es posible que parte de la precipitación que ocurre a mayor distancia no aparezca en absoluto en la imagen.

La primera imagen de este ejemplo, captada en un aeropuerto con el radar meteorológico Doppler de 5 cm, muestra una línea de tormentas que se aproxima al radar.

En la imagen del medio, es aparente la atenuación que se produce cuando la parte más intensa de la tormenta pasa encima del radar. Los valores de reflectividad son particularmente reducidos al norte y al sur, donde las precipitaciones más intensas se alinean con el haz. Finalmente, en la tercera imagen vemos que una vez que la precipitación más intensa RADAR METEOROLOGICO

25 comienza a alejarse del radar, vuelve a aparecer el resto de la estructura de la tormenta. Por lo general, la atenuación aumenta cuando los pulsos del radar atraviesan zonas de precipitación más intensa. Esta situación es muy características de las tormentas en línea (como líneas de inestabilidad) que cruzan por el centro de País, usualmente con una inclinación del NO al SE avanzado al NE. Por último el radar no detecta las nieblas ni las cenizas volcánicas.

Conclusiones: la disponibilidad de esta moderna herramienta hace imperativo la necesidad de su conocimiento a los fines de obtener los mejores resultados y beneficios, si bien hay una gran cantidad de aplicaciones posibles solo se han mostrado aquellas de interés para la actividad de despacho más usuales como forma de introducirnos en la temática.

Daniel Alberto Wiertz PMA/DAE Mayo de 2015.

RADAR METEOROLOGICO