جهاز قياس الرياح
إن جهاز قياس سرعة الرياح هو نوع من معدات مراقبة الطقس التي تستخدم الرادار أو الموجات الصوتية ( SODAR ) للكشف عن سرعة الرياح واتجاهها على ارتفاعات مختلفة فوق سطح الأرض. يتم إجراء القراءات عند كل كيلومتر فوق مستوى سطح البحر، حتى امتداد طبقة التروبوسفير (أي بين 8 و17 كم فوق مستوى سطح البحر المتوسط). فوق هذا المستوى، لا يوجد بخار ماء كافٍ لإنتاج "ارتداد" للرادار. البيانات التي تم تجميعها من اتجاه الرياح وسرعتها مفيدة جدًا للتنبؤ بالأرصاد الجوية والإبلاغ في الوقت المناسب لتخطيط الرحلات الجوية. يتوفر سجل بيانات لمدة اثنتي عشرة ساعة من خلال مواقع الويب التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي .
مبدأ
في التنفيذ النموذجي، يمكن للرادار أو السودار أخذ العينات على طول كل من خمسة شعاعات: واحد موجه رأسياً لقياس السرعة الرأسية، وأربعة مائلة رأسياً وموجهة بشكل عمودي على بعضها البعض لقياس المكونات الأفقية لحركة الهواء. تعتمد قدرة جهاز قياس الرياح على قياس الرياح على افتراض أن الدوامات المضطربة التي تسبب التشتت تحملها الرياح المتوسطة. الطاقة المشتتة بواسطة هذه الدوامات والتي يتلقاها جهاز قياس الرياح أصغر من الطاقة المنقولة بأوامر من حيث الحجم . ومع ذلك، إذا كان من الممكن الحصول على عينات كافية، فيمكن تحديد سعة الطاقة المشتتة بواسطة هذه الدوامات بوضوح فوق مستوى الضوضاء الخلفية، ثم يمكن تحديد متوسط سرعة الرياح واتجاهها داخل الحجم الذي يتم أخذ العينات منه. المكونات الشعاعية التي يتم قياسها بواسطة الشعاع المائل هي مجموع متجه للحركة الأفقية للهواء باتجاه الرادار أو بعيدًا عنه وأي حركة رأسية موجودة في الشعاع. باستخدام علم المثلثات المناسب، يتم حساب مكونات السرعة الجوية ثلاثية الأبعاد (u، v، w) وسرعة الرياح واتجاهها من السرعات الشعاعية مع التصحيحات للحركات الرأسية.
رادار الرياح
تعمل أجهزة قياس الرياح باستخدام الرادار النبضي دوبلر باستخدام إشارات كهرومغناطيسية لاستشعار الرياح عن بعد. يرسل الرادار نبضة كهرومغناطيسية على طول كل اتجاه من اتجاهات توجيه الهوائي . يتضمن جهاز قياس الرياح UHF أنظمة فرعية للتحكم في جهاز الإرسال والاستقبال للرادار ومعالجة الإشارات ونظام السبر الصوتي اللاسلكي (RASS)، إذا تم توفيره، بالإضافة إلى القياس عن بعد للبيانات والتحكم عن بعد.
تحدد مدة الإرسال طول النبضة التي ينبعثها الهوائي، والتي تتوافق بدورها مع حجم الهواء المضاء (من الناحية الكهربائية) بواسطة شعاع الرادار. يتم تشتيت كميات صغيرة من الطاقة المنقولة (يشار إليها باسم التشتت الخلفي ) نحو الرادار واستقباله. يتم تضمين تأخيرات لفترات زمنية ثابتة في نظام معالجة البيانات بحيث يتلقى الرادار طاقة متناثرة من ارتفاعات منفصلة، يشار إليها باسم بوابات المدى. يتم تحديد تحول تردد دوبلر للطاقة المتناثرة، ثم استخدامها لحساب سرعة الهواء نحو الرادار أو بعيدًا عنه على طول كل شعاع كدالة للارتفاع. مصدر الطاقة المتناثرة (أهداف الرادار) هو تقلبات مضطربة صغيرة النطاق تسبب مخالفات في معامل الانكسار الراديوي للغلاف الجوي. يعد الرادار الأكثر حساسية للتشتت بواسطة الدوامات المضطربة التي يبلغ مقياسها المكاني نصف الطول الموجي للرادار، أو ما يقرب من 16 سنتيمترًا (سم) لمقياس UHF.
يمكن تكوين ملف تعريف الرياح بالرادار على الطبقة الحدودية لحساب ملفات تعريف الرياح المتوسطة لفترات تتراوح من بضع دقائق إلى ساعة. غالبًا ما يتم تكوين ملفات تعريف الرياح بالرادار على الطبقة الحدودية لأخذ العينات بأكثر من وضع واحد. على سبيل المثال، في "الوضع المنخفض"، قد يبلغ طول نبضة الطاقة التي ينقلها ملف التعريف 60 مترًا. يحدد طول النبضة عمق عمود الهواء الذي يتم أخذ العينات منه وبالتالي الدقة الرأسية للبيانات. في "الوضع العالي"، يزداد طول النبضة، عادةً إلى 100 متر أو أكثر. يعني طول النبضة الأطول أنه يتم نقل المزيد من الطاقة لكل عينة، مما يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) للبيانات. يؤدي استخدام طول نبضة أطول إلى زيادة عمق حجم العينة وبالتالي تقليل الدقة الرأسية في البيانات. يزيد الناتج الأكبر للطاقة في الوضع العالي من الحد الأقصى للارتفاع الذي يمكن لملف تعريف الرياح بالرادار أخذ العينات منه، ولكن على حساب الدقة الرأسية الأكثر خشونة وزيادة الارتفاع الذي يتم عنده قياس الرياح الأولى. عندما يتم تشغيل أجهزة قياس الرياح الرادارية في أوضاع متعددة، غالبًا ما يتم دمج البيانات في مجموعة بيانات متداخلة واحدة لتبسيط إجراءات ما بعد المعالجة والتحقق من صحة البيانات. [1]
قد يكون لمقياس الرياح الراداري أيضًا استخدامات إضافية، على سبيل المثال في سياق بيولوجي لتكملة مخططات مراقبة الطيور على نطاق واسع. [2]
رادار هطول الأمطار
حالة خاصة من أجهزة قياس الرياح الرادارية هي أجهزة قياس هطول الأمطار الرأسية. لها محور رأسي واحد ذو تكوين أحادي أو ثنائي الثبات. تُستخدم لقياس هطول الأمطار فقط. يمكن استخدامها لتحديد ارتفاع ذوبان هطول الأمطار. [3] تم استخدام هذا النوع من الرادارات لدراسة تفاعلات مستويات التجمد المختلفة والأنهار الجوية على الفيضانات في الجبال المنخفضة في غرب الولايات المتحدة. [4] [5]
جهاز قياس الرياح Sodar
بدلاً من ذلك، قد يستخدم جهاز قياس الرياح الموجات الصوتية لقياس سرعة الرياح على ارتفاعات مختلفة فوق سطح الأرض، والبنية الديناميكية الحرارية للطبقة السفلى من الغلاف الجوي . يمكن تقسيم هذه السودارات إلى نظام أحادي الثبات باستخدام نفس الهوائي للإرسال والاستقبال، ونظام ثنائي الثبات باستخدام هوائيات منفصلة. يحدد الفرق بين نظامي الهوائي ما إذا كان التشتت الجوي يتم عن طريق تقلبات درجة الحرارة (في الأنظمة أحادية الثبات)، أو عن طريق تقلبات درجة الحرارة وسرعة الرياح (في الأنظمة ثنائية الثبات).
يمكن تقسيم أنظمة الهوائيات أحادية الثبات إلى فئتين: تلك التي تستخدم محاور متعددة وهوائيات فردية وتلك التي تستخدم هوائي صفيف طوري واحد . تستخدم الأنظمة متعددة المحاور بشكل عام ثلاثة هوائيات فردية موجهة في اتجاهات محددة لتوجيه الشعاع الصوتي. عادةً ما يتم توجيه هوائي واحد رأسيًا، ويتم إمالة الهوائيين الآخرين قليلاً عن العمودي بزاوية متعامدة. قد يستخدم كل هوائي فردي محولًا واحدًا مركّزًا في عاكس مكافئ لتشكيل مكبر صوت مكافئ ، أو مجموعة من محركات مكبرات الصوت والأبواق (المحولات ) التي ترسل جميعها في طور لتشكيل شعاع واحد. يتم تثبيت كل من زاوية الميل من العمودي وزاوية السمت لكل هوائي عند إعداد النظام.
يتراوح المدى الرأسي لأجهزة قياس الضغط الجوي من 0.2 إلى 2 كيلومتر (كم) تقريبًا وهو يعتمد على التردد وناتج الطاقة والاستقرار الجوي والاضطراب والأهم من ذلك بيئة الضوضاء التي يتم تشغيل أجهزة قياس الضغط الجوي فيها. تتراوح ترددات التشغيل من أقل من 1000 هرتز إلى أكثر من 4000 هرتز، مع مستويات طاقة تصل إلى عدة مئات من الواط. ونظرًا لخصائص التوهين في الغلاف الجوي، فإن أجهزة قياس الضغط الجوي عالية الطاقة والتردد المنخفض ستنتج عمومًا تغطية أكبر للارتفاع. يمكن تشغيل بعض أجهزة قياس الضغط الجوي في أوضاع مختلفة لمطابقة الدقة الرأسية والمدى بشكل أفضل مع التطبيق. يتم تحقيق ذلك من خلال الاسترخاء بين طول النبضة والارتفاع الأقصى. [1]
مراجع
- ^ ab Bailey, Desmond T. (February 2000) [1987]. "Upper-air Monitoring" (PDF) . Meteorological Monitoring Guidance for Regulatory Modeling Applications . John Irwin. Research Triangle Park, NC: United States Environmental Protection Agency . pp. 9–9 to 9–11. EPA-454/R-99-005.
- ^ فايسهاوبت ، ن. أريزاغا، J .؛ ماروري، م. (2018). “دور محددات الرياح الرادارية في علم الطيور”. إيبيس . 160 (3): 516-527. دوى : 10.1111/ibi.12562 . اتش دي ال : 11556/651 .
- ^ ألين ب. وايت؛ جيمس ر. جوردان؛ بروكس إي. مارتنر؛ ف. مارتن رالف؛ بروس دبليو. بارترام (2000). "توسيع النطاق الديناميكي لرادار النطاق S للدراسات السحابية وهطول الأمطار". مجلة تكنولوجيا الغلاف الجوي والمحيطات : 226-1234. doi :10.1175/1520-0426(2000)017<1226:ETDROA>2.0.CO;2.
- ^ Allen B. White; ML Anderson; MD Dettinger; FM Ralph; A. Hinojosa; DR Cayan; RK Hartman; DW Reynolds; LE Johnson; TL Schneider; R. Cifelli; Z. Toth; SI Gutman; CW King; F. Gehrke; PE Johnston; C. Walls; D. Mann; DJ Gottas (2013). "شبكة مراقبة كاليفورنيا في القرن الحادي والعشرين لمراقبة الأحداث الجوية المتطرفة". مجلة تكنولوجيا الغلاف الجوي والمحيطات : 1585-1603. doi :10.1175/JTECH-D-12-00217.1.
- ^ بول جيه نيمان؛ دانيال جيه جوتاس؛ ألين بي وايت؛ لورانس جيه شيك؛ ف. مارتن رالف (2014). "استخدام ملاحظات مستوى الثلوج المستمدة من الرادارات ذات الملفات الرأسية لتقييم خصائص وتوقعات الأرصاد الجوية المائية فوق حوض نهر جرين في واشنطن". مجلة الأرصاد الجوية المائية : 2522-2541. doi : 10.1175/JHM-D-14-0019.1 .
تتضمن هذه المقالة مواد متاحة للعامة من دليل مراقبة الأرصاد الجوية لتطبيقات النمذجة التنظيمية (PDF) . حكومة الولايات المتحدة .
روابط خارجية
- صفحة البحث الرسمية لملفات تعريف الرياح التابعة للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) شاهد عروضًا بيانية في الوقت الفعلي (وتاريخًا لمدة 12 ساعة) لاتجاه الرياح وسرعتها من مستوى سطح الأرض حتى 17 كم فوق مستوى سطح البحر (بفاصل 1 كم). انقر فوق أي نجمة أو نقطة، ثم انقر فوق "الحصول على مخطط" على اليسار.
