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Cos'è e come funziona.
Per le previsioni a brevissima scadenza (now-casting) satelliti e radar sono strumenti ormai indispensabili anche se hanno ruoli leggermente diversi. I radar sono utilizzati; in genere, per determinare la direzione di spostamento delle zone interessate da un fenomeno piovoso (pioggia, neve, temporale) per le successive 2-3 ore con una precisione spaziale che varia da 1 km fino a 100m.
Sono sempre più impiegati in ambito meteorologico i radar Doppler, che si servono dell’effetto Doppler, i quali sono in grado di rilevare, oltre all’intensità delle precipitazioni, anche la direzione e l’intensità del vento nell’area in cui sono in atto le piogge.

La gran parte dei radar utilizzati in ambito meteorologico, sia per la previsione sia per la ricerca, sono di tipo monostatico ad impulsi, cioè hanno trasmettitore e ricevitore fisicamente uniti in un unico apparato e il segnale trasmesso è un breve impulso di radiofrequenza, ripetuto periodicamente.
Come è strutturato un radar? Un radar è costituito da un trasmettitore che produce energia radio irradiata da un’antenna. L’antenna ha anche il compito di intercettare l’energia diffusa che è captata, amplificata e trasformata in segnale video dal ricevitore. Questo segnale è reso visibile dall’indicatore.

I due indicatori utilizzati in meteorologia sono il tipo PPI (Plane-Position Indicator) e il tipo RHI (Range-Height Indicator). Il primo rappresenta la sezione orizzontale dell’atmosfera ad una certa quota. Se pensiamo ad un sistema di assi XYZ, il piano è quello XY. Il secondo è una presentazione in due coordinate, cioè l’atmosfera è sezionata verticalmente. In questo modo il meteorologo può determinare l’altezza delle nubi, soprattutto quelle di carattere temporalesco.
Nei comuni radar impiegati in meteorologia, si utilizza una sola antenna sia per la trasmissione sia per la ricezione. Quando è trasmesso l’impulso radio, il ricevitore è escluso dal sistema tramite un interruttore automatico. La sorgente delle radio onde è un oscillatore chiamato “magnetron” che genera impulsi di onde elettromagnetiche della potenza istantanea di alcuni megawatt nel campo di frequenza dei gigahertz. La frequenza alla quale gli impulsi sono emessi è chiamata Frequenza di Ripetizione degli Impulsi (Pulse Repetition Frequence, P.R.F.).

La frazione di energia elettromagnetica riflessa dalle aree di precipitazioni – denominata anche riflettività – è tanto più elevata quanto più grandi sono il diametro e la concentrazione delle gocce di pioggia o dei fiocchi di neve. Le precipitazioni sono ovviamente più intense nelle aree dove la riflettività è più forte. Le gocce di pioggia hanno una riflettività circa 9 volte più grande di quella dei fiocchi di neve cosicché, a parità di condizioni, le precipitazioni piovose appaiono di gran lunga più intense di quelle nevose. Invece, fiocchi di neve e gocce di pioviggine danno luogo a echi egualmente intensi.
Gli echi più brillanti si osservano con la grandine sia perché i chicchi hanno in genere dimensioni superiori a quelle delle gocce sia perché la riflettività è molto elevata a causa della sottile patina di acqua che circonda il chicco.
Tuttavia, va sottolineato il fatto che un buon utilizzo del radar consiste anche nel conoscere le fonti di errori per poter permettere una corretta interpretazione delle immagini di riflettività. Le possibili fonti di errori sono: fascio radar oltrepassante la cella di precipitazione;

effetto schermo dovuto alla presenza delle montagne che riflettono l’onda e, di conseguenza, rendono la misura meno precisa;
evaporazione a bassa quota;

effetto di arricchimento della precipitazione dovuto ad orografia;
segnale radar di elevata potenza causato dalla presenza dello strato fondente (fascia dell’atmosfera in cui avviene il passaggio di stato della precipitazione da solida a liquida); sottostima dell’intensità di precipitazione nel caso di pioggia fine;

propagazione anomala, cioè incurvamento del fascio radar verso la terra quando si hanno situazioni di stabilità atmosferica, brusche variazioni di umidità relativa, alta pressione, durante le ore notturne o del mattino.

Inoltre, quando il fascio radar intercetta i rilievi orografici, si manifesta generalmente un problema di riduzione dell’energia trasportata dal fascio al di là dell’ostacolo, che risulta pari alla quantità assorbita e riflessa dallo stesso.
La massima portata (distanza) di un radar è data dalla metà dell’intervallo tra due impulsi moltiplicata per la velocità della luce; questo è giustificato dal fatto che le onde elettromagnetiche si propagano nell’aria a tale velocità. Pertanto, gli ostacoli che si trovano a quella distanza sono rilevati solo se riescono a irradiare abbastanza potenza per essere rilevati.
La portata calcolata non dà nessuna indicazione sulla capacità di un radar di rilevare un oggetto ad una determinata distanza: essa indica solo la massima distanza a cui una eventuale eco ricevuta può essere correttamente interpretata.
Il guadagno di una antenna indica quanto l'antenna stessa sia "efficace" nel concentrare l'energia nella direzione di interesse (a scapito di quella irradiata in altre direzioni).

Si chiama guadagno il rapporto della intensità massima della radiazione dell'antenna in esame e l’intensità di radiazione da un'antenna isotropica, senza perdite, con la stessa potenza in ingresso.
L’antenna emette un segnale elettromagnetico, che può essere riflesso da particelle d’acqua presenti in atmosfera. Parte del segnale riflesso torna all’antenna. La differenza di tempo tra l’emissione e la ricezione del segnale permtte di calcolare la distanza della particella (eco) dall’antenna.
È stato mostrato che la potenza ricevuta (Z) dall’antenna radar è proporzionale alla 6a potenza della grandezza delle particelle e del loro numero. Da studi empirici, è stato scoperto che esiste un legame tra Z e la intensità di pioggia R. Queste due grandezze sono legate secondo la relazione di Marshall Palmer Z=aRb (per Z in mm6/m3 ed R in mm/hr), dove a e b sono costanti che devono essere determinate in base alle caratteristiche specifiche del radar utilizzato e a secondo del tipo di precipitazione.
A questo punto è necessaria una puntualizzazione. Il fascio elettromagnetico uscente dall’antenna non viaggia in linea retta, ma subisce una deflessione, a causa della presenza di un gradiente dell’indice di rifrazione nell’atmosfera terrestre. Addirittura, è stato calcolato in atmosfera standard, i percorsi dei raggi sono molto prossimi ad archi di cerchio. Il gradiente verticale dell’indice di rifrazione è quasi lineare ed uguale a circa 4 x 10-8 unità per metro. In questo modo il raggio effettivo della terra è circa 4/3.
La correzione da apportare per avere il raggio effettivo di una terra sulla quale i percorsi dei raggi siano linee rette varia da 1,1 a 1,6 e dipende dalle condizioni meterologiche.

I radar, che hanno frequenze di funzionamento intorno a 1,5-30 GHz, sono adatti ad individuare dense masse nuvolose. Questi radar sono impiegati largamente in meteorologia soprattutto per la previsione del tempo a breve scadenza, ma anche per studiare le nubi e il loro interno.
Il radar del Centro Epson Meteo, ubicato vicino a Milano, è un radar in banda X, non-Doppler ed è utilizzato sia dai meteorologi per la previsione a brevissimo termine sia per fini scientifici.
Il range varia da un minimo di 18 km ad un massimo di 444 km. Grazie alla sua attuale ?osizione e all’avere un range massimo di 450 km circa, in modalità PPI è possibile intercettare le nubi cariche di pioggia su tutta la pianura padana, spingendosi addirittura fino alla Toscana, Veneto, Liguria, Piemonte, nel caso le nubi abbiano un grosso sviluppo verticale (cumuli o cumulonembi).
Oltre alla scansione PPI, il radar del CEM opera anche in RHI, variando il suo tilt (angolo di scansione verticale) da un minimo di 0° a un massimo di 15°. In questo modo i nostri meteorologi possono stabilire l’altezza massima delle nubi specie quelle temporalesche estive.

Fonte : Epson Meteo