Processament de perfils de precipitació obtinguts amb radar Doppler

Abstract

[cat] En la actualitat les dades obtingudes amb instruments de teledetecció (mesures obtingudes a distància) formen una part essencial en l’àmbit de la meteorologia. Aquestes dades s’obtenen amb diversos sensors de tipus passiu (com els radiòmetres) o actiu (com els radars meteorològics) instal·lats a la superfície terrestre, en avions o en satèl·lits. Els radars meteorològics destinats a observar precipitació operen típicament en longituds d’ona de 3 a 10 cm (bandes X, C i S), realitzen escombrats d’antena en el pla horitzontal i proporcionen una valuosa informació del camp de precipitació en un radi de l’ordre de 100 km, de gran importància en la vigilància i predicció meteorològica a curt termini. La seva posta a punt i manteniment té associat un cost no negligible. També existeixen radars perfiladors, amb antena fixa apuntant el zenit, que proporcionen perfils verticals de precipitació amb gran resolució temporal i espacial. Aquests equips sovint són portables i més econòmics, i permeten realitzar estudis dels processos microfísics que donen lloc a la precipitació, complementant la informació dels radars meteorològics tradicionals. Aquesta tesi es centra en el processament d’observacions de radars perfiladors, concretament en dos tipus d’equips diferents que mitjançant l’efecte Doppler, poden observar la velocitat terminal de caiguda de les partícules de precipitació. La tesi s’estructura en tres blocs i es presenta com a compendi de quatre articles científics. El primer i segon bloc de la tesi es dediquen al perfilador Doppler conegut com Micro Rain Rada, que opera en banda K (longitud d’ona de 1.2 cm) i permet observar precipitació. Al primer bloc es proposa un processament de les dades brutes (reflectivitat espectral) del MRR que contempla diferents algoritmes per detectar pics meteorològics en el senyal, reducció del soroll, i diverses millores per detectar de forma robusta moviments ascendents. A partir d’aquest processament inicial es calculen diversos paràmetres derivats, que permeten estudiar la banda de fusió o “banda brillant” amb una metodologia innovadora. Es presenta un estudi concret, aplicat a un MRR instal·lat a la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona al costat de l’estació de radiosondatge del Servei Meteorològic de Catalunya, que s’utilitza com a referència per a la caracterització de la banda brillant. La segona part és un altre estudi aplicat a observacions de MRR durant la campanya Cerdanya-2017 on es proposa una nova metodologia per a classificar diferents tipus de precipitació (com ara pluja, plugim, neu o calamarsa). La metodologia es verifica amb observacions independents de disdròmetre, model Parsivel, (instal·lat al costat del MRR), que proporciona una classificació automàtica de tipus de precipitació. El tercer i darrer bloc de la tesi es centra en el processament d’observacions d’un perfilador de vent Doppler polsat de banda UHF (longitud d’ona d’uns 20 cm), model PCL1300 del fabricant francès Degreane. L’equip està configurat per a funcionar amb cinc feixos per a optimitzar l’estimació de perfils de vent (components horitzontal i vertical). En aquest cas, com en els altres dos blocs anteriors, també es proposa un processat de les dades brutes, però atenent la freqüència de treball, l’equip detecta tant moviments de l’aire com la presència de partícules de precipitació. El processament, a banda d’obtenir el perfil de vent, també és capaç de detectar la precipitació i estimar el tipus de precipitació. Es presenta un estudi amb observacions d’un PCL1300 de Météo- France durant la campanya Cerdanya-2017, on també s’usen dades de MRR i disdròmetre (Parsivel) per a contrastar la nova metodologia proposada.

El resultat de cada bloc abordat en aquesta tesis és un programari d’accés lliure, disponible al repositori GitHub, perquè la comunitat científica pugui reutilitzar-lo fàcilment en estudis posteriors.

[eng] The first and second blocks of the thesis are devoted to the frequency modulated continuous wave (FMCW) vertically pointing Doppler radar profiler known as Micro Rain Radar from the German manufacturer Metek, which operates in K-band (wavelength of 1.2 cm) and allows precipitation observation. The first block proposes a processing of the raw data (spectral reflectivity) of the MRR that includes different algorithms to detect meteorological peaks in the signal, noise reduction, and several improvements to robustly detect upward movements of the air. From this initial processing, several derived parameters are calculated, which allow the study of the melting band or "bright band" with an innovative methodology. A specific study is presented, applied to a MRR installed at the Faculty of Physics of the University of Barcelona next to the radiosounding station of the Meteorological Service of Catalonia, which is used as a reference for the characterisation of the bright band. The second block is another study applied to MRR observations during the Cerdanya-2017 campaign. The third and last block of the thesis focuses on the processing of observations from a UHF- band pulsed Doppler wind profiler (wavelength about 20 cm), model PCL1300 from the French manufacturer Degreane. The equipment is configured to operate with five beams to optimise the estimation of wind profiles (horizontal and vertical components). In this case, as in the other two previous blocks, processing of the raw data is also proposed, but taking into account the operating frequency, the equipment detects both air movements and the presence of precipitation. The processing, in addition to obtaining the wind profile, is also capable of detecting precipitation and estimating the type of precipitation. A study with observations from a PCL1300 wind profiler of Météo-France, during the Cerdagne-2017 campaign is presented, where MRR and disdrometer (Parsivel) data are also used to validate the new proposed methodology and also it has been used to validate the methodology in the first and second block. The result of each block addressed in this thesis is an open access software, available in the GitHub repository.