Väderradar och vädersatelliter

Vädret syns både underifrån och uppifrån. Väderradarn står på marken och ser regn, snö och vind inom ett par hundra kilometer, med nya bilder med några minuters mellanrum. Vädersatelliterna ser molnen från rymden och mäter temperatur och fukt genom hela atmosfären. Båda använder radiovågor, och båda är beroende av att deras frekvensband är skyddade från störningar.

Hur väderradar ser regn#

Väderradar är en pulsradar enligt principerna i radar: grunder: radarn sänder en puls, lyssnar efter ekot och räknar ut avståndet ur gångtiden. Skillnaden är att målen inte är ett enskilt flygplan utan miljarder droppar och iskristaller som fyller strålen. Ekot från hela volymen är summan av alla droppars bidrag.

För droppar som är mycket mindre än våglängden gäller Rayleighspridning, där ekot från en droppe är proportionellt mot diametern upphöjd till sex. Summan av detta över en kubikmeter luft kallas radarreflektivitetsfaktorn $Z$:

Eftersom $Z$ spänner över många storleksordningar anger man den i dBZ (se decibel):

Den mottagna effekten från ett volymsmål är $P_r\propto |K{|}^{2}Z/r^2$, där $|K{|}^2$ beror på materialet (ca 0,93 för vatten och ca 0,18 för is). Avståndsberoendet är alltså $1/r^2$, inte $1/r^4$ som för ett enskilt mål (se radarteknik), eftersom fler droppar ryms i strålen på längre avstånd. Radarn kompenserar för avståndet och visar $Z$ direkt.

Sambandet mellan reflektivitet och regnintensitet $R$ (mm/h) beror på dropparnas storleksfördelning. Ett klassiskt närmevärde är Marshall–Palmers samband (figur 1):

Operativa system använder egna, anpassade samband och korrigerar dessutom mot regnmätare på marken. Sambandet gäller bara när dropparna är små jämfört med våglängden. Hagelkorn på flera centimeter ger stark spridning som inte följer Rayleigh, och mycket stora droppar eller hagel kan därför ge ett alltför högt värde.

Strålen och jordens krökning#

En radarstråle går rakt fram, men jorden kröker sig bort under den. Dessutom böjs strålen svagt nedåt av att luftens brytningsindex minskar med höjden (se VHF och UHF: radiohorisont och troposfären). I en standardatmosfär kan man ta hänsyn till böjningen genom att låta strålen vara rak och i stället öka jordradien med faktorn $k=4/3$ till en effektiv jordradie $ka\approx 8495$ km. Strålens mitt ligger då (figur 2) på höjden

över radarantennens nivå, där $r$ är det snedavstånd och $\theta$ elevationsvinkeln. För små vinklar och avstånd ger formeln ungefär $h\approx r\sin \theta +r^2/(2ka)$: den första termen är stigningen av strålen, den andra jordens krökning.

Följderna är viktiga för den som tolkar radarbilder.

• På 200 km avstånd lämnar den lägsta strålen marken med mer än 4 km, och regn eller snö som faller under den syns inte. Radarn underskattar därför nederbörd på långt håll.
• Med större elevation ser radarn högre upp men kommer inte nära marken på långt håll. Därför gör radarn en volymskanning med flera elevationer, och bilderna sammanställs till en bild av hela landet.
• Nära radarn finns en tyst kon rakt ovanför, där strålen aldrig pekar.
• Vid ducting, när luftens skiktning böjer strålen mer än normalt, går strålen ner mot marken och ger starka falska ekon från mark eller hav.

Dopplervind och dopplerdilemmat#

Med Dopplereffekten (se radar: grunder) mäter väderradarn hur fort regnet rör sig mot eller från radarn, och regnet följer vinden. Det är radialhastigheten, alltså bara komponenten längs strålen. Genom att kombinera mätningar i olika riktningar kan man räkna ut vindfält, vindskjuvning och rotation i åskoväder.

Doppler mäts inte som en frekvens utan som ett fasskifte mellan på varandra följande pulser. Det ger en hastighetsgräns, den entydiga hastigheten (Nyquisthastigheten)

Större hastigheter ”viker” och visas som motsatt riktning. Samtidigt sätter pulsrepetitionsfrekvensen (PRF) en gräns för det entydiga avståndet $R_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=c/(2\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{F})$. Hög PRF ger stor entydig hastighet men kort entydigt avstånd, och tvärtom. Multiplicerar man dem försvinner PRF:

Det är dopplerdilemmat (figur 3). Produkten beror bara på våglängden, och kortare våglängd ger sämre förutsättningar.

Dubbelpolarisation#

De flesta moderna väderradarer, däribland SMHI:s, sänder och tar emot både horisontell och vertikal polarisation (se polarisation). Eftersom fallande regndroppar plattas till av luftmotståndet är de bredare än höga: stora droppar ger starkare eko i horisontell än i vertikal polarisation. Skillnaden ger tre nya mått.

• Differentiell reflektivitet $Z_{\mathrm{D}\mathrm{R}}=10{\log }_{10}(Z_h/Z_v)$ mäter dropparnas form. Regn ger positiva värden som ökar med dropparnas storlek, medan hagel och snö som tumlar runt ger värden nära noll.
• Korrelationskoefficienten ${\rho }_{\mathrm{H}\mathrm{V}}$ är nära 1 för jämnt regn och lägre för blandade eller oregelbundna mål. Fåglar, insekter och markekon har låg korrelation, vilket gör det möjligt att filtrera bort dem.
• Specifik differentiell fas $K_{\mathrm{D}\mathrm{P}}$ ökar med regnmängden och påverkas inte av att radarstrålen dämpas eller delvis skyms, vilket ger säkrare regnmätning.

Tillsammans kan måtten klassificera nederbörden (regn, snö, hagel, blandad nederbörd) och korrigera för dämpning i kraftigt regn. Dämpningen är större i C-band än i S-band, men mindre än i X-band.

Störningar och skydd av radiobanden#

Väderradarn är en av få radiotjänster som tar emot så svaga signaler att den kan störas av vardagsutrustning. Därför skyddas den på flera sätt.

• Wi-Fi och DFS. Trådlösa lokala nät (RLAN) på 5 GHz delar band med radar. För att inte störa måste utrustningen i 5250–5350 och 5470–5725 MHz använda DFS (dynamic frequency selection): den lyssnar efter radarpulser och byter kanal när den hör en (se Wi-Fi). I 5600–5650 MHz, där väderradar arbetar, är kraven strängare: utrustningen ska lyssna i 10 minuter innan den börjar sända på en kanal.¹
• Solen syns som en tunn radiell linje i radarbilden när den står lågt, eftersom den är en stark radiokälla (se radioastronomi).
• Vindkraftverk ger starka, rörliga markekon som både förvirrar Dopplerdata och döljer nederbörd bakom.
• Markekon. Filter och signalbehandling tar bort markekon, men inte alla, särskilt inte vid ducting (se avsnittet om strålen ovan).
• Medveten störning. Störsändare är förbjudna i Sverige (se tillsyn, störsändare och sanktioner). Radiostörningar rapporteras till Post- och telestyrelsen (PTS).

Vädersatelliter#

Radarn når bara ett par hundra kilometer och bara över land. Resten av världens väder, och höjdledens väder, kommer från satelliter. Två slags banor dominerar (se satellitbanor: LEO, MEO och GEO).

Polära satelliter går ca 800 km upp i en bana över polerna. EUMETSAT:s Metop-satelliter går i en solsynkron bana på ca 817 km höjd, som ger en omloppstid på ca 101 minuter och passerar varje plats vid samma lokala tid, ca 09.30 (nedåtgående bana). Jorden vrider sig under banan, så en satellit ser hela jorden två gånger per dygn. Eftersom satelliten är nära kan den ha instrument som mäter detaljer, till exempel mikrovågssondörer, infraröda sondörer, avbildare, en spridningsradar som mäter havsvind (scatterometer) och mottagare för GNSS-signaler som genom atmosfären avslöjar temperaturprofiler.

Geostationära satelliter hänger stilla över ekvatorn på 35 786 km höjd. Meteosat står vid ca 0° längd och ser Europa och Afrika. De ger en ny bild med högst femton minuters mellanrum (tätare över begränsade områden), vilket gör att man kan följa moln och åskväder, men upplösningen är sämre. För Sverige står satelliten lågt: elevationsvinkeln är ca 21° i Stockholm och ca 12° i Kiruna, så bergen i norr kan skymma den.

Tabell 1. Några vädersatellitsystem och hur deras data kan tas emot. Kontrollera alltid aktuell status.

EUMETSAT:s nästa generationer, Metop-SG och Meteosat Tredje generation (MTG), tas successivt i drift under 2020-talet. Uppgifter om enskilda uppskjutningar och om äldre satelliters status ändras ofta, så kontrollera EUMETSAT:s och NOAA:s sidor.

Mikrovågsradiometrar och passiva band#

Satelliterna sänder inte själva ut något utan lyssnar efter den svaga strålning som atmosfär och yta redan sänder ut. Varje kropp med temperatur avger mikrovågsbrus, och mängden beror på temperatur och ämne. En mikrovågsradiometer mäter detta i flera smala kanaler. Syre absorberar kraftigt kring 50–60 GHz och vid 118,75 GHz, och eftersom luftens tryck och temperatur skiftar med höjden mäter de olika kanalerna temperaturen på olika höjder (figur 4). Vattenånga ger en linje vid 22,235 GHz och en stark vid 183,31 GHz, och kanaler där mäts fukt och moln. Typiska kanaler är 23,8 GHz för totalt vatteninnehåll i atmosfären, 31,4 GHz för molnvatten, 50–58 GHz och 118,75 GHz för temperatur, och 89 GHz samt kanaler runt 183,31 GHz för nederbörd och fukt i olika höjder.

Eftersom signalerna är mycket svaga kan en sändare i närheten dölja dem. Radioreglementet skyddar därför flera band mot all sändning, och många av dem sammanfaller med radiometrarnas kanaler, bland annat 23,6–24 GHz, 31,3–31,5 GHz, 50,2–50,4 GHz och 52,6–54,25 GHz (se tabell 1 i radioastronomi). Skyddet är en av de svåraste frågorna när nya radiotjänster ska in i angränsande band. Vid världsradiokonferensen 2019 sattes därför gränser för hur mycket oönskad strålning 5G-stationer i 24,25–27,5 GHz får släppa ut i den passiva 24 GHz-kanalen, eftersom prognosmodellerna annars riskerade att få sämre indata. Frågan fortsätter att diskuteras (se spektrumets framtid).

Ta emot vädersatellitbilder som hobby#

Det går att ta emot bilder direkt från satelliterna, vilket är en populär hobby.

• 137 MHz. De äldre polära satelliterna sänder bilder med APT (analog), och ryska Meteor-M-satelliter sänder digital LRPT. Mottagning kräver en SDR-mottagare och en enkel antenn, till exempel en V-dipol eller en kvadrifilär spiralantenn (QFH) för cirkulär polarisation. Satelliterna passerar några gånger per dygn och är synliga i ca 10–15 minuter.
• L-band, ca 1,7 GHz. Högupplösta bilder (HRPT) och geostationära data kräver parabolantenn, en lågbrusig förstärkare och en spårningsmotor.
• EUMETCast. Data från Meteosat och andra satelliter distribueras via en kommersiell satellit, och kan tas emot med en vanlig parabolantenn och en särskild mottagare.

Att ta emot kräver inget tillstånd i Sverige, men kontrollera frekvenser, status och regler. Äldre satelliters sändningar kan vara avstängda, så läs på om aktuell status innan du bygger.

Kontrollfrågor#