La temperatura e le precipitazioni meteorologiche svolgono un ruolo importante nelle attività umane. Possono però avere un impatto negativo sulle infrastrutture di trasporto e distruggere case ed altre strutture. Le previsioni meteorologiche accurate possono contribuire a salvare vite e proprietà. I satelliti forniscono dati relativi alle osservazioni del vapore acqueo, del vento e del movimento delle nuvole, dati che vengono utilizzati per tracciare il movimento dei fenomeni meteorologici nell'atmosfera e migliorare le previsioni.
La visione globale dei satelliti può essere utilizzata, ad esempio, per fornire informazioni dettagliate su come variano le velocità del vento all'interno di uragani di diverse dimensioni. L’importanza ed il ruolo dei satelliti si fonda sulla possibilità di fornire al meteorologo un quadro globale attuale e previsionale degli eventi atmosferici terrestri, ma la necessità di avere maggiori dettagli su scala ridotta rende fondamentale l’impiego del radar meteorologico quale complemento tecnologico insostituibile nelle applicazioni di rilevamento.

Introduzione

Il radar meteorologico è uno strumento importante dell'arsenale degli strumenti tecnologici di previsione per la comprensione dello stato attuale dell'atmosfera e di ciò che potrebbe accadere nel futuro prossimo. La tecnologia radar è stata utilizzata già dalla seconda guerra mondiale per tracciare il movimento di aerei e navi nemiche scoprendo, durante questa attività di sorveglianza, che il radar era in grado anche di rilevare le precipitazioni atmosferiche che infatti apparivano sugli schermi radar come elemento interferente. Entro la fine della guerra, la tecnologia dei radar si era evoluta considerevolmente e gli scienziati iniziarono ad utilizzare i radar per monitorare le caratteristiche dell’atmosfera. Oggi i radar meteorologici sono uno degli strumenti principali del meteorologo. Senza entrare nella descrizione teorica, di seguito si riporta una sintetica descrizione di base del funzionamento del radar.

In generale, un radar funziona emettendo nell'atmosfera impulsi di energia elettromagnetica alle frequenze delle microonde. Quando questi impulsi incontrano oggetti (target), parte dell'energia elettromagnetica torna indietro verso il radar. Questo segnale di ritorno (echo) è spesso definito come "riflesso", da cui il termine "riflettività". La riflettività è una misura dell'efficienza del radar di intercettare un bersaglio e quindi l'energia riflessa e acquisita dal radar. La riflettività dipende dai parametri fisici del target: dimensioni, forma, orientamento, composizione, etc. I dati dell'energia ricevuta dal radar vengono analizzati dai computer per determinare la posizione e l’intensità delle precipitazioni e informazioni sulla velocità e direzione del vento. Le informazioni acquisite ed elaborate vengono tracciate e riportate in immagini sullo schermo del radar. Al fine di utilizzare al meglio i radar meteorologici, è importante capire i relativi fondamentali principi operativi costituenti le applicazioni di rilevamento. Le informazioni acquisite permetteranno ad un meteorologo di prevedere l'andamento delle precipitazioni a breve termine, il vento ed eventuali imminenti condizioni climatiche critiche. Inoltre, i meteorologi saranno in grado di riconoscere i falsi echi radar (falsi bersagli) ed altri problemi interferenti le immagini radar.

La stima delle Precipitazioni

Nell’introduzione è stata citata la riflettività, tecnicamente definita fattore di riflettività (Z). Il fattore di riflettività è correlato alla dimensione delle particelle di precipitazione identificate nell'echo del radar. Valori tipici dei fattori di riflettività dei radar per nuvole non precipitanti o per leggera pioggia, vanno da 10^-5 a 10; per pioggia molto forte e grandine, il fattore potrebbe essere molto alto, anche fino a 10⁷. Dato che questi valori variano su diversi ordini di grandezza e sono difficili da rappresentare graficamente nei dettagli, in genere viene utilizzata una scala logaritmica, più semplice da interpretare, espressa in dBZ (decibel-riflettività) dalla formula: dBZ = 10 log₁₀ Z/(1mm⁶/m³). Il tipo più comune di metodologia di stima del radar meteorologico è chiamato "riflettività di base". Viene realizzato assegnando una grandezza correlata alla quantità di dispersione che si verifica intercettando un bersaglio. La riflettività causata da ostacoli a terra, tecnicamente definita "ground clutter", ovvero l'energia ricevuta dal radar proveniente da oggetti vicino al suolo come alberi, edifici o particolato nell'aria. La posizione della precipitazione è determinata da due fattori:

• angolo di elevazione dell'antenna
• tempo impiegato dall'impulso elettromagnetico per tornare al radar

Quando i dati di questi due fattori sono trattati insieme, forniscono importanti informazioni sul movimento di regioni in cui vi è presenza di precipitazioni. Un altro comune metodo di stima è definito "riflettività composita", che fornisce informazioni relative a porzioni più dettagliate di un sistema precipitante, indipendentemente dalla sua altitudine. La riflettività composita è molto utile per identificare nuclei di precipitazione intensa e per valutare l'estensione reale di precipitazioni ai livelli medi e superiori dell’atmosfera. Tuttavia, parte di questa precipitazione potrebbe evaporare prima che raggiunga il suolo. Per utilizzare correttamente la riflettività composita, è necessario comprendere la geometria del radar meteorologico ed anche la struttura tipica del fenomeno osservato. I dati della velocità radiale forniscono informazioni sulla velocità e direzione del bersaglio (vento e precipitazioni). Questi dati sono determinati dal movimento di un bersaglio che si sta muovendo verso o lontano dal radar, lungo la direzione radiale, ossia del fascio di emissione dell’onda elettromagnetica puntato sul bersaglio.

Obiettivi fermi o in movimento perpendicolare ai raggi del radar non hanno velocità radiale e non vengono considerati informazioni utili. Se supponiamo che il radar identifichi un'echo corrispondente ad una nota distribuzione di particelle di precipitazione, ossia, ad una tipologia di gocce di diverse categorie di dimensioni, possiamo mettere in relazione il fattore di riflettività (Z) al tasso di precipitazioni (Rainfall Rate) R espresso in mm/h, nella funzione di echo:

Z = A*R^B (A e B sono costanti determinate dalle diverse categorie di dimensioni delle gocce). Questo tipo di equazione tra fattore di riflettività e tasso di pioggia è definito come “relazione Z-R".

Utilizzando la relazione “Z-R” [...]

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