Transcript Dual Polarizasyon

Bölüm 5:
DUAL POLARİZASYON
Dr. Kurtuluş ÖZTÜRK
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
1
Başlıklar
• Dual Polarizasyon
• Polarimetrik Değişkenler
• Hidrometeor Sınıflandırması
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Dual Polarize (Polarimetrik) Hava Radarları
• Dual polarize radarlar hem yatay hem dikey
polarize olmuş darbe üretebilirler. Bu da
hedef hakkında daha detaylı bilgi
alınmasını sağlar.
• Polarimetrik radar değişkenlerinin sağladığı
yatay ve dikey bilgiler sayesinde (ebat,
yoğunluk vb.), yağış tipinin tekil polarize
radarlara oranla daha tutarlı olarak
belirlenmesi mümkün olmaktadır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
AVANTAJLAR:
• Şiddetli yağmurda, yağış şiddetini ZH’dan daha
iyi tespit eder.
• Yağmur/dolu karışımındaki sıvı su miktarının
belirlenmesinde etkilidir.
• Melting layer indikatörüdür.
• Dolu tespitinde çok faydalıdır.
• Kalibrasyon problemleri ve atenüasyondan
etkilenmez.
• Radar veri kalitesini için faydalı bilgiler sağlar.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
6
Polarimetrik Parametreler
• ZHH – ZVV (Reflektivite)
• ZDR (Diferansiyel Reflektivite)
• LDR (Lineer Depolarizasyon Oranı)
• ФDP (Diferansiyel Faz)
• KDP (Spesifik Diferansiyel Faz)
• ρHV (Korelasyon Sabiti)
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Yatay Reflektivite, ZHH
ZHH hidrometeorun kesit alanına bağlıdır.
• Dielektrik katsayısı nedeniyle buzun yatay
reflektivitesi ZHH sıvıdan daha azdır.
• ZHH özellikle C-band radarlarda daha fazla
zayıflamaya (atenüasyon) maruz kalır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Diferansiyel Reflektivite, ZDR
• Diferansiyel Reflektivite yatay darbenin yatay
ekosunun, dikey darbenin dikey ekosuna
oranıdır.
•
ZDR = 10log10(ZHH/ZVV)
= ZHH(dBZ) – ZVV(dBZ)
• ZDR polarimetrik parametreler arasında
hidrometeorun tipine en bağımlı olan
parametredir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Yatay ve dikey reflektivitelerin birbirine yakın
olması hedefin şeklinin küresel olması anlamına
gelir. Bu durumda ZDR değeri sıfıra yakın olur.
• ZDR değerinin sıfıra yakın olması dolu veya
küçük yağmur damlalarının varlığını ifade eder.
• Eğer ZHH/ZVV oranı 1’den büyükse ZDR 0’dan
büyük demektir. ZDR değeri ne kadar büyükse
taneciğin o kadar yassı olduğu anlaşılır. Yassı
tanecikler yani 0’dan büyük ZDR değerleri,
büyük tanecikli sağanak bir yağmuru işaret eder.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Buz parçacıklarının dielektrik sabiti daha küçük
olduğundan, yassı olsalar dahi diferansiyel
reflektiviteleri düşük olacaktır. Parçacıkların ıslak
olma durumunda da ZDR artar.
• C-bant radarlarda yassı yağmur damlaları için
yataydaki atenüasyon düşeydekine oranla daha
fazladır. Bu yüzden de diferansiyel atenüasyon
negatif eğilimli olacaktır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Diferansiyel Reflektivite, ZDR
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Diferansiyel Reflektivite, ZDR
Reflektivite (ZH)
Diferansiyel Feflektivite (ZDR)
Yakın reflektivite, farklı
damla
Dolu
!! büyüklük dağılımı!
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Diferansiyel Faz, ФDP
• ФDP (ve KDP) hariç diğer polarimetrik
değişkenler güç ölçümlerinden
hesaplanırken, ФDP faz ölçümlerinden
hesaplanır.
ФDP=ФHH – ФVV
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Radar dalgaları atenüasyon ve faz değişimi gibi
yayılım etkilerine maruz kalırlar. Yağmur veya buz
kristalleri gibi izotropik olmayan ortamlarda yayılım
sabitleri yatay ve dikey polarize olmuş dalgalar için
farklılık gösterir.
• Genel olarak, yatay polarize dalgalar daha büyük
parçacık kesit alanı görür ve bu yüzden de dikey
polarize dalgalardan daha yavaş yayılır.
• Geri dönen sinyal, hidrometeorun büyüklüğü,
sayısı, şekli, doğrultusu, radardan olan mesafesi
ve polarizasyon durumuna göre farklı faz
değişimlerine sahiptir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Spesifik Diferansiyel Faz, KDP
• Spesifik Diferansiyel Faz ØDP’nin uzaklığa bağlı
değişim oranıdır.
K DP
DP DP (r2 )  DP (r1 )


2 r
2(r2  r1 )
• KDP izotropik ve izotropik olmayan hidrometeorları
birbirinden ayırt etmeye yarar.
• ØDP ile kıyaslandığında, KDP kullanması ve
ölçmesi daha kolay bir büyüklüktür.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• KDP hidrometeorun basıklığı arttıkça artar.
• KDP hidrometeorun dielektrik sabiti arttıkça
artar.
• Yağmur gibi yatay ebatı dikey ebatından
büyük olan parçacıklarda yatay polarize
dalganın faz farkı daha büyüktür. Bu
yüzden de dikey polarize dalgadan daha
yavaş yayılır.
• Sonuç olarak, büyük ve yassı parçacıkların
yatay faz farkı dikey faz farkından büyüktür.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• KDP damla büyüklüğünü hakkında bilgi verir.
K DP
180 Dmax

 Re  f H (0, D)  fV (0, D) N ( D)dD
 0
• KDP , yağış miktarı R’ye reflektivite Z’den daha
lineer bağlıdır.
• S-bant radarlardaki diferansiyel faz farkı C-bant
radarlara göre daha azdır. Bu yüzden S-bant
radarlarda KDP’nin ölçümü oldukça zordur.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Büyük yağmur tanecikleri için KDP
büyüktür.
• Küresel ya da küreye yakın hidrometeorlar
için (dolu gibi) KDP küçüktür.
• Bu özelliği sayesinde yağmur ve dolunun
ayırt edilmesinde oldukça faydalıdır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
•
•
•
•
•
Avantajlar:
Radarın ölçtüğü güçten ve güç kalibrasyonundan
bağımsızdır.
Sinyalin zayıflama miktarından bağımsızdır.
Parçacık boyutlarının farklılığına daha az
hassastır.
Sıvı su içeriği için iyi bir göstergedir.
Kısmi ışın engeIlenmesinden etkilenmez.
Dezavantajlar:
• Hidrometeor konsantrasyonundan etkilenir.
• Algılanabilecek miktarda bir faz kayması
olmadıkça ölçülemez.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
CSU-ICE Algoritması
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Spesifik Diferansiyel Faz, KDP
Yağmur ya da ıslak dolu
ZHH
KDP
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Korelasyon Sabiti, ρHV
• ρHV(0) yatay darbenin yatay yansıması ile
dikey darbenin dikey yansıması
arasındaki korelasyondur.
*
 SVV SHH 
ρHV (0) 
*
*
 SHH SHH   SVV SVV 
S sinyal gücü, S* S’in kompleks eşleniğidir
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• ρHV erime seviyesinin iyi bir indikatörüdür.
• ρHV’nin karışık bir yağışta karışık olmayan
homojen bir yağışa oranla daha düşük
olması beklenir.
• Yatay ve dikey geri yansımalar mükemmel
bir şekilde birbirine uyamayacağından ve
elde edilme zamanları farklı olabileceğinden
korelasyon sabiti doğal olarak 1’den düşük
olacaktır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Korelasyon katsayısı;
– Parçacıkların yönelimleri ve şekilleri
farklılaştıkça,
– Parçacıklar düzensiz şekillerde ve ıslak ise,
– Farklı tipte parçacıklar karışık halde
bulunuyorsa
düşer.
• Radar kalibrasyonundan etkilenmez.
• Yayılma etkilerinden etkilenmez.
• Hidrometeor (parçacık) konsantrasyonundan
bağımsızdır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
– Yağmur damlacıkları için korelasyon katsayısı
en az 0.98 gibi değerler alır, özellikle küreye
yakın şekilli yağmur damlaları için yüksektir.
– Çok büyük dolu ve Parlak Bant durumunda
farklı şekillerde hidrometeorların karışık halde
bulunması korelasyon katsayısını 0.9 civarına
düşürür.
– Clutter ve anormal yayılım sonucu elde edilen
ekolar düşük korelasyon değerine sahiptirler.
Bu tip durumlarda yatay ve dikey
polarizasyonlu yansımalar birbirine göre
neredeyse rastgele bir dağılım gösterirler.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Korelasyon Sabiti, ρHV
SNOW
~0.85-1.00
CLUTTER
~0.5-0.85
CHAFF
~0.2-0.5
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
28
Lineer Depolarizasyon Oranı, LDR
• LDR yatay darbenin dikey ekosunun,
yatay darbenin yatay ekosuna ( ya da tam
tersi) oranıdır. Alıcının ortogonal ve paralel
polarizasyonlarda ölçtüğü güçlerin
oranıdır.
LDRVH=10log10(ZVH/ZHH)
ya da
LDRHV=10log10(ZHV/ZVV)
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• LDR küresel olmayan parçacıkların düşüş
açısına göre değişir ve 45 için maksimum
değer alır. Bu yüzden LDR kar için çok
büyük, su için ise oldukça küçüktür.
• Yağmur damlaları için pek faydalı bir
parametre değildir. Konvektif fırtınalarda
hidrometeorun fazını tespit etmekte
kullanılır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• LDR, özellikle karışık yağış içinde
hidrometeor tipi ayırımı için çok faydalıdır.
• LDR, parlak bant (bright band)
tabakasındaki eriyen karı tespit emek ve
yağmur-buz ayırımı yapmak için kullanılır.
• LDR sinyallerinde yer clutterları oldukça
anormal gözükürler.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• LDR düzensiz şekildeki hidrometeorlar için
yüksektir. Ayrıca dielektrik sabiti büyüdükçe
LDR de artar.
• Islak dolu için LDR oldukça iyi bir indikatördür.
LDR, ZDR ile birlikte değerlendirildiğinde
dolunun ebatları hakkında bilgi de verir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Hidrometeor Sınıflandırması
• Polarimetrik veriler sayesinde hidrometeorlar
sınıflandırılabilir.
• Karar ağacı (decision tree), klasik istatistik
teori, bulanık mantık (fuzzy logic), sinir ağları
teknikleri (neural network) vb. teknikler,
otomatik hidrometeor sınıflandırılmasında
kullanılan tekniklerdir. Bunların arasında
bulanık mantık tekniği en uygun yöntemdir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Species
ZHH
(dBZ)
ZDR
(dB)
ρHV
KDP
(deg/km)
Temp.
(C )
Drizzle
10 to 25
0.2 to 0.7
>0.97
0 to 0.06
>-10
Rain
25 to 60
0.5 to 4
>0.95
0 to 20
>-10
Snow (dry, low density)
-10 to 35
-0.5 to 0.5
>0.95
-1 to 1
<0
Snow (dry, high density)
-10 to 35
0.0 to 1
>0.95
0.0 to 0.4
<0
Snow (wet, melting)
20 to 45
0.5 to 3
0.5 to 0.9
0 to 1
0 to 5
Graupel (dry)
20 to 35
-0.5 to 1
>0.95
0 to 1
<0
Graupel (wet)
30 to 50
-0.5 to 2
>0.95
0 to 3
-15 to 5
Hail, small wet < 2 cm
50 to 60
-0.5 to 0.5
> 0.92
-1 to 1
-15 to 5
Hail, large wet> 2 cm
55 to 65
-1 to 0.5
0.90 to 0.92
-1 to 2
-25 to 5
Rain & hail
45 to 80
-1 to 6
>0.9
0 to 20
-10 to 10
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
34
Hidrometeor Sınıflandırması
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Hidrometeorlar, yağmur, dolu, graupel, kar
vb. gibi meteorolojik, böcek, kuş, chaff,
deniz clutter gibi meteorolojik olmayan
saçıcı sınıflarına ayrılabilir.
• Bulanık mantık algoritmaları belirsizlik
hesabı yapar. Polarimetik parametreler
kullanılarak 0 -1 arası ihtimaller “bulanık”
bölge içinde olarak tanımlanır.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Örneğin, yağmur ve doluyu nasıl ayırt
ederiz?
ZDR tek başına bu ayırım için yeterli
değildir. Sıfıra yakın ZDR değeri dolu ya da
çisentiye ait olabilir. Çünkü her iki yağış
tipi de yaklaşık küreseldir. Diferansiyel
reflektivite ZDR ile Reflektivite faktörü Z
birlikte değerlendirildiğinde, dolunun
çisentiye göre daha fazla reflektivite
verdiği görülür.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Z= 53 dBZ ve ZDR= 1.5 dB
Radar dünyasındaki çalışmalar bu
kombinasyonun şiddetli yağmur, küçük
dolu ya da her ikisinin karışımından elde
edilebileceğini göstermiştir. Bu durum için
bulanık mantık algoritmaları Z - ZDR
kombinasyonuna düşük ağırlık vererek
bunun yerine daha yararlı olabilecek,
örneğin Z - KDP kombinasyonuna ağırlık
verir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
JPOLE (NSSL) Algoritması
(Chandrasekar et al. 1993; Petersen
et al. 1999; Cifelli et al. 2002, 2003, 2005; Ryzhkov et al.
2005a,b;Giangrande and Ryzhkov 2008).
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
ZDR – ZHH
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
41
KDP – ZHH
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
42
LDR – ZHH
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
43
ρHV – ZHH
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
LDR – ZDR
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
• Polarimetik parametrelerin tüm olası
kombinasyonları algoritma tarafından test
edilerek ağırlık fonksiyonu elde edilir. En
güvenilir kombinasyona en fazla ağırlık, en
az güvenilir olanına da en az ağırlık verilir.
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
49
Analiz ve Tahmin Teknikleri Eğitimi
Antalya, Nisan 2013
50