Säätutkat

Yleistä säätutkatekniikasta

Ilmatieteen laitoksen säätutkat ovat pulssidopplertutkia, eli ne kykenevät lähettämään lyhyitä mikroaaltopulsseja sekä mittaamaan ilmakehän partikkeleista, kuten lumihiutaleista tai sade- ja pilvipisaroista, takaisin sironneen pulssin tehon ja matka-ajan sekä palaavan pulssin vaihesiirtymän. Takaisin sironneesta tehosta voidaan laskea sateen voimakkuus ja matka-ajasta taas sadealueen etäisyys tutkasta.

Dopplerin ilmiön avulla palaavan pulssin vaihesiirtymä voidaan määrittää ja tästä voidaan laskea sirottajien liikenopeus. Sirottajien suunta- ja korkeuskulma tutkaan nähden saadaan antennin suuntatiedoista.

Mikroaaltopulssit lähetetään ja vastaanotetaan antennin kautta. Suurikokoiset antennit on suojattu sään vaikutuksilta pallomaisilla suojakuvuilla. Luoston tutkan antennin puolen tehon keilanleveys on n. 0,7° ja muilla tutkilla n. 1°.

Yleistä säätutkamittauksista

Yleisin säätutkien mittaustapa on ns. PPI (Plan Position Indicator) -mittaus. Siinä tutkan antennia pyöritetään ympäri 360 astetta atsimuutti- eli sivukulmasuunnassa halutulla elevaatio- eli korkeuskulmalla. Kun mittaus toistetaan usealla korkeuskulmalla, saadaan syntyvien rajoitettujen kartiopintojen avulla mitattua tutkaa ympäröivä ilmakehä kolmiulotteisesti.

Ilmatieteen laitoksen PPI -mittaukset on ryhmitelty kolmeen viiden minuutin aikavälein tapahtuvaan mittaussarjaan. Kuusi alinta kulmaa ovat identtiset kaikissa mittaussarjoissa joten ne toistuvat viiden minuutin välein. Koko mittaussykli toistuu 15 minuutin välein: esim. jos mittaus PPI1_A alkaa 12:00, se toistuu seuraavan kerran 12:15 jne.

Ilmatieteen laitoksen säätutkien PPI -mittausten ajoitukset ja korkeuskulmat on esitetty alla olevassa taulukossa.

Taulukko: Säätutkien PPI-mittausten alkamisajankohdat ja korkeuskulmat.

Kaikki Ilmatieteen laitoksen tutkat noudattavat samaa mittausrutiinia seuraavin poikkeuksin:

1. Sodankylä: alin korkeuskulma PPI1/2/3_A on 0,1°

2. Utajärvi: PPI2_F/G/H/I ei mitata, PPI3_G/H/I ei mitata

3. Parainen: alin korkeuskulma PPI1/2/3_A on 0,5°

Maapallon kaareutumisen johdosta 0,3° korkeuskulmalla lähetetty pulssi on jo n. 5 km korkeudella maanpinnan tasosta 250 km etäisyydellä tutkasta. Suomen ilmastossa suurin osa sääilmiöistä tapahtuu alle 10 km korkeudessa. Tämän johdosta kaikkien tutkien suurin mittausetäisyys on rajoitettu 250 km:iin ja suurin mittauskorkeus 16 km:iin.

Tutkamittauksissa signaalin erottelukyky etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa määräytyy antennin keilanleveydestä. Tästä seuraa, että kauempana tutkasta sijaitsevat atsimuuttisuuntaiset mittausalkiot ovat leveämpiä kuin lähellä tutkaa olevat. Kaikissa Ilmatieteen laitoksen tutkissa atsimuuttisuuntainen prosessointi tapahtuu yhden asteen resoluutiolla.

Etäisyyssuuntainen erottelukyky määräytyy lähetetyn pulssin pituudesta. Peräkkäisiä mittauspisteitä kuitenkin keskiarvoistetaan etenemissuunnassa, jolloin resoluutioksi kaikilla tutkilla saadaan 500 m. Poikkeuksen muodostavat mittaukset PPI2/3_G/H/I, joissa etäisyyssuuntainen resoluutio on 124 m.

Mitattavat suureet

Tärkeimmät säätutkien mittaamat suureet ovat tutkaheijastavuustekijä Z sekä tuulen radiaali- eli säteisnopeus V.

Tutkaheijastavuustekijä Z

Tuulen säteen suuntainen nopeus V

Koska tutka pystyy mittaamaan kohteista vain lähettämänsä pulssin etenemissuuntaisen nopeuskomponentin, käytetään tutkalla mitatusta tuulen nopeudesta usein nimitystä tuulen radiaalinopeus eli säteisnopeus. Säteen suuntaisen nopeuden V yksikkönä on m/s. Tutkaa kohti tulevat nopeudet merkitään negatiivisella etumerkillä ja tutkasta poispäin lähtevät nopeudet merkitään positiivisella etumerkillä. Säätutkalla voidaan mitata tuuli luotettavasti vain ilmakehän niistä osista, joissa on tarpeeksi heijastavia partikkeleita kuten pölyä, hiekkaa tai sadepisaroita.

Suurin mahdollinen mitattavissa oleva nopeus määräytyy tutkapulssin aallonpituudesta sekä pulssintoistotaajuudesta. 570 Hz:n pulssintoistotaajuudella tämä maksiminopeus on 7.6 m/s. Koska ilmakehässä esiintyy tätä huomattavasti suurempia tuulen nopeuksia, suoritetaan mittaukset PPI1/2/3_G/H/I/J/K/L suuremmalla pulssintoistotaajuudella. Kyseiset mittaukset suoritetaan ns. kaksoispulssintoistotaajuusmenetelmällä (dual-PRF), jossa pulssintoistotaajuuksia 900 Hz ja 1200 Hz vaihdellaan vuorotellen. Tällä menetelmällä voidaan mitata tuulen nopeuksia 48.1 m/s asti.

Avoimet tutkakuvat ja tutkadata

Tässä kappaleessa esitetyt tutkakuvat sekä datatuotteet on tuotettu Ilmatieteen laitoksen operatiivisista säätutkamittauksista. Kaikki data ja siitä valmistetut kuvat ovat käyneet läpi signaalinkäsittelyvaiheet, joissa:

1. liikkumattomat kohteet on poistettu maakaikusuodatuksella

2. heikoimpia signaaleita on kynnystetty siten, että tutkalaitteiston itsensä tuottama lämpökohina ei sekoitu mittausdataan

3. voimakkaimpia maakaikusignaaleita on kynnystetty siten, että maakaikusignaalin ja sääsignaalin suhde ei ylitä asetettua tutkakohtaista kynnysarvoa.

Näiden lisäksi tutkayhdistelmäkuvien dataan on suoritettu seuraavat jälkiprosessoinnit:

1. sateen pystyjakaumasta lasketty etäisyyskorjaus, jolla muunnetaan ylempänä ilmakehässä tehty mittaus maanpintamittausta vastaavaksi

2. ei-meteorologisten kaikujen poisto

3. sateen olomuodosta riippuva muunnos tutkaheijastavuustekijästä sateen intensiteetiksi

Tutkayhdistelmäkuvat

Tutkamittausten alueellisen kattavuuden lisäämiseksi yksittäisten säätutkien mittaustieto yhdistellään tutkayhdistelmäksi. Yhdistelmäkuvia, joihin on yhdistetty kahdeksan Ilmatieteen laitoksen säätutkan samanaikainen mittaustieto, on saatavilla seuraavista suureista:

1. tutkaheijastavuustekijä dBZ

2. sateen intensiteetti R, yksikkönä mm/h

3. 1,12 ja 24 tunnin sadekertymä

Kuvat suureista 1 ja 2 on saatavilla 5 minuutin aikaresoluutiolla. Sadekertymät esitetään millimetreinä. Yhdistelmäkuvat esitetään karteesisessa koordinaatistossa 1 km resoluutiolla GeoTIFF -formaatissa.

Yksittäisten tutkien kuvat

Yksittäisistä tutkista on saatavilla kuvia PPI -mittauksista alimmalta korkeuskulmalta sekä kulmilta 1,5 ja 5,0 astetta. Seuraavat suureet ovat toistaiseksi saatavilla:

1. tutkaheijastavuustekijä dBZ

2. kaikujen säteen suuntainen nopeus V

3. sateen olomuoto (hclass)

Kuvat suureista on saatavilla 5 minuutin aikaresoluutiolla. Kuvat esitetään karteesisessa koordinaatistossa 250 m resoluutiolla GeoTIFF -formaatissa.

Sateen olomuoto-tuote on saatavana kaksoispolarisaatiotutkilta (tällä hetkellä Ikaalinen, Kouvola, Kuopio Parainen ja Vantaa). Siinä tutkakaikua aiheuttavat partikkelit on luokiteltu kuuteen luokkaan: sadepisarat, märät lumihiutaleet, jää ja kuivat lumihiutaleet, lumirakeet (graupel), jäärakeet (hail) ja muut kaiunaiheuttajat.

Edellä mainittujen kuvien lisäksi saatavilla on Pilvenkorkeus (etop_20) -nimellä kutsuttu tuote, joka esittää voimakkaiden tai keskivoimakkaiden kaikujen suurimman esiintymiskokeuden kussakin pisteessä. Sen yksikkö on siis kilometrejä. Sillä etsitään pilvien sisältä korkeita voimakkaan kaiun alueita. Niihin liittyy voimakas pystyliike, joka puolestaan on välttämätön ehto ukkosten kehittymiselle. Nimestään huolimatta tuote ei näytä kaikkia pilviä, ainoastaan kuuro- ja ukkospilvet (Cumulonimbus).

Lisätitetoa eri tyyppisistä rakeista Teematietoa-osiossa

Esimerkki pilvenkorkeus-tuotteesta yhdessä salamahavaintojen kanssa Pilvikuvastossa

Yksittäisten tutkien data

Ilmatieteen laitoksen käyttämä tutkaohjelmisto prosessoi ja tallettaa tutkadatan valmistajan omassa IRIS™ -dataformaatissa. Arkistoidun raakadatan käsittely vaatii valmistajan maksullisen tutkaohjelmiston. Tämän johdosta data konvertoidaan yleiskäyttöisempään HDF5 -formaattiin ja sen jälkeen GeoTIFF-kuviksi.

Data suureista on saatavilla 5 minuutin aikaresoluutiolla. Raakadata on esitetty 8/16 bittisessä muodossa pallokoordinaatistossa. Sivukulmasuuntainen resoluutio on 1° ja etäisyyssuuntainen resoluutio 500 m lukuun ottamatta mittauksia PPI2/3_G/H/I, joissa etäisyyssuuntainen resoluutio on 124 m. Lopuksi data muutetaan kuvaksi, jonka (näennäinen) erotuskyky pikseliä kohti on 250 m.

Lisätietoa:

Ilmatieteen laitoksen tutkien sijainnit ja koordinaatit

Miten säätutkat toimivat?