thumb|350px|Radar meteorológico em Norman, Oklahoma, com um "poça de chuva" (Fonte: NOAA). thumb|350px|Prato do radar meteorológico (WF44).
Radar meteorológico, também chamado radar de vigilância do tempo (RVT) e radar meteorológico Doppler, é um tipo de radar usado para localizar precipitação, calcular seu deslocamento, estimar seu tipo (chuva, neve, granizo, etc.) e intensidade. Modernos radares meteorológicos são principalmente radares pulso-Doppler com polarização simples ou duplas, capazes de detectar o movimento radial de um conjunto de hidrometeoros (principalmente, gotas de chuva, cristais de gelo e granizo) e ainda estimar a intensidade da precipitação associada à queda dos hidrometeoros. As variáveis obtidas podem ser analisadas para determinar a estrutura interna das nuvens de chuva (por exemplo, tempestades), e as correntes de vento ascendentes, descendentes, convergentes e rotacionais associadas. Desta análise pode-se determinar seu potencial para causar tempo severo.
Durante a II Guerra Mundial, operadores de radar descobriram que as condições meteorológicas (principalmente chuvas, neve, etc.) causavam ecos que mascaravam a visualização de potenciais alvos inimigos. Técnicas foram desenvolvidas para filtrá-las, a medida que os cientistas estudaram as causas dessa interferência. Logo depois da guerra, o excedente de radares dos EUA foram doados ao serviço meteorológico e usados para detectar precipitação. Desde então, radares meteorológicos têm evoluído por conta própria e são agora usados pelos serviços meteorológicos nacionais de muitos países, departamentos de pesquisa em universidades, mesmo por emissoras de televisão em seus informes meteorológicos (que são picos de audiência). Imagens brutas são rotineiramente plotadas para visualização por software especializados. Dados brutos e filtrados podem ser empregados para fazer previsões de curtíssimo prazo (nowcasting), quando a informação do deslocamento de tempestades severas, a intensidade de chuva, neve, granizo e a intensidade do vento associados é muito importante para a gestão do risco e emissão de avisos e alertas de emergência, por exemplo, no caso de ventanias por micro-explosões (microbursts e downbursts), tornados, furacões, etc. Os dados tridimensionais produzidos por radar podem ser assimilados para composição de campos precisos em modelos numéricos de previsão de tempo, aprimorando muito as análises e as previsões.
História miniaturadaimagem|David Atlas. Durante a Segunda Guerra Mundial, militares operadores de radar notaram ruídos em resposta a ecos provocado pela chuva, neve e granizo. Após a guerra, os cientistas militares retornaram à vida civil ou continuaram nas forças armadas e seguiram com seu trabalho desenvolvendo um uso para esses ecos. Nos Estados Unidos, David Atlas, inicialmente trabalhando para a força aérea e depois para o MIT, desenvolveu os primeiros radares meteorológicos operacionais. No Canadá, J.S. Marshall e R.H. Douglas formaram o "Stormy Weather Group" em Montreal. Marshall e seu aluno de doutorado Walter Palmer são bem conhecidos por seus trabalhos na distribuição do tamanho de gotas de chuva em latitudes médias que levou à compreensão da relação Z-R, que correlaciona uma determinada refletividade do radar com a taxa a qual a água da chuva está caindo. No Reino Unido, os estudos sobre os padrões de eco do radar e elementos do tempo como a chuva estratiforme e as nuvens convectivas continuaram, e experiências foram feitas para avaliar o potencial de diferentes comprimentos de onda de 1 a 10 centímetros. Em 1950, a empresa britânica EKCO estava demonstrando seu equipamento de radar para busca de nuvens e prevenção de colisão aéreo. miniaturadaimagem|A tecnologia de radares dos anos 60 detectava tornados produzidos por supercélulas sobre a área metropolitana de Minneapolis-Saint Paul. Em 1953, Donald Staggs, um engenheiro elétrico trabalhando para o Illinois State Water Survey, fez o primeiro registro de observação no radar de um “eco em forma de gancho” associado a uma tempestade de tornado.
Entre 1950 e 1980, os radares de reflexão, que medem a posição e a intensidade da precipitação, foram incorporados pelos serviços meteorológicos em todo o mundo. Os primeiros meteorologistas tiveram que observar por um tubo de raios catódicos. Durante a década de 1970, os radares começaram a ser padronizados e organizados em redes. Os primeiros dispositivos para capturar imagens de radar foram desenvolvidos. O número de ângulos escaneados foi aumentado para obter uma visão tridimensional da precipitação, de modo que as secções transversais horizontais (CAPPI) e as secções transversais verticais pudessem ser realizadas. Estudos da Organization of thunderstorms foram então possíveis pelo Alberta Hail Project no Canadá e o National Severity Storms Laboratory (NSSL) nos EUA em particular.
O NSSL, criado em 1964, iniciou experimentos em sinais de polarização dupla e em usos do Efeito Doppler. Em maio de 1973, um tornado devastou Union City, Oklahoma, a oeste de Oklahoma City. Pela primeira vez, um radar Dopplerizado de 10 cm de comprimento de onda da NSSL documentou todo o ciclo de vida do tornado. Os pesquisadores descobriram uma rotação de mesoescala no alto da nuvem do tornado tocar no chão – a assinatura de vórtex de tornado. A pesquisa da NSSL ajudou a convencer o National Weather Service de que o radar Doppler era uma ferramenta de previsão crucial. O super surto de tornados em 3-4 de abril de 1974 e suas devastadoras destruições poderia ter ajudado a obter financiamento para desenvolvimentos futuros.
Entre 1980 e 2000, as redes de radar meteorológico tornaram-se comuns na América do Norte, Europa, Japão e outros países desenvolvidos. Radares convencionais foram substituídos por radares Doppler, que além de posição e intensidade podia rastrear a velocidade relativa das partículas no ar. Nos Estados Unidos, a construção de uma rede composta por radares de 10 cm, chamado NEXRAD ou WSR-88D (Weather Surveillance Radar 1988 Doppler), foi iniciado em 1988, seguido pela pesquisa da NSSL. No Canadá, o Environment Canada construiu a estação King City, com um radar Doppler de pesquisa de 5 cm, em 1985; McGill University doplerizou seu radar em 1993. Isto conduziu a uma rede Doppler canadense completa entre 1998 e 2004. A França e outros países europeus mudaram para as redes Doppler no início dos anos 2000. Enquanto isso, os rápidos avanços na tecnologia de computadores levou a algoritmos para detectar sinais de tempo severo, e muitas aplicações para meios de comunicação e pesquisadores.
Depois de 2000, pesquisa sobre a tecnologia de polarização dupla entrou em uso operacional, aumentando a quantidade de informações disponíveis sobre o tipo de precipitação (por exemplo, chuva vs neve). "Polarização dupla" significa que a radiação de micro-ondas, que é polarizada tanto horizontalmente como verticalmente (em relação ao solo) é emitida. A implementação em larga escala foi feita no final da década ou no início da próxima em alguns países, como Estados Unidos, França e Canadá. Em abril de 2013, todos os NEXRADs do National Weather Service foram completamente dual-polarizado.
Desde 2003, a NOAA, National Oceanic and Atmospheric Administration dos Estados Unidos vem experimentando radares faseados como um substituto da antena parabólica convencional para fornecer mais resolução de tempo em sondagem atmosférico. Isso pode ser significativo com tempestades severas, enquanto sua evolução pode ser melhor avaliada com dados mais convenientes.
Ainda em 2003, a National Science Foundation estabeleceu o Engineering Research Center for Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere (CASA), uma colaboração multidisciplinar e multi-universitária de engenheiros, cientistas da computação, meteorologistas e sociólogos para conduzir pesquisas fundamentais, desenvolver tecnologia habilitadora e implantar sistemas de engenharia de protótipos projetados para aumentar os sistemas de radar existentes, amostrando a geralmente subamostrada troposfera inferior com radares faseados e mecanicamente escaneados, de varredura rápida e barata e duplamente polarizados.
Funcionamento
Enviando pulsos de radar miniaturadaimagem|Um feixe de radar se espalha quando se afasta do radar cobrindo um volume cada vez maior. Os radares meteorológicos enviam impulsos direcionais de radiação de micro-ondas, na ordem de tempo de um microssegundo, usando um magnétron ou um tubo de Klystron conectados por uma guia de ondas a uma antena parabólica. Os comprimentos de onda de 1 cm a 10 cm são aproximadamente dez vezes o diâmetro das gotículas ou partículas de gelo de interesse, porque o espalhamento Rayleigh ocorre nestas frequências. Isso significa que parte da energia de cada pulso vai rebater essas pequenas partículas e voltar na direção do radar.
Comprimentos de onda mais curtos são úteis para partículas menores, mas o sinal é mais rapidamente atenuado. Assim, é preferido um radar de 10 cm (banda S), mas é mais caro do que um sistema de banda C de 5 cm. O radar de 3 cm de banda X é usado apenas para unidades de curto alcance e o radar meteorológico de 1 cm de banda Ka é usado apenas para pesquisas sobre fenômenos de pequenas partículas, como chuviscos e nevoeiro. Os sistemas de radar meteorológico de banda W têm tido o uso limitado, mas devido à atenuação mais rápida, a maioria dos dados não estão operacionais.
Os pulsos de radar se espalham quando se afastam do radar. Assim, o volume de ar que um pulso de radar está atravessando é maior para áreas mais distantes da estação, e menor para áreas próximas, diminuindo a resolução em distâncias longas. No final de uma sondagem de 150 a 200 km, o volume de ar varrido por um único pulso pode ser da ordem de um quilômetro cúbico. Isso é chamado de volume de pulso.
O volume de ar que um determinado pulso ocupa em qualquer ponto no tempo pode ser aproximado pela fórmula . Onde v é o volume abraçado pelo pulso, h é a largura de pulso (em metros, calculada a partir da duração em segundos do pulso vezes a velocidade da luz), r é a distância desde o radar que o pulso já percorreu em metros, por exemplo, e é a largura do feixe (em radianos). Esta fórmula assume que o feixe é simetricamente circular, "r" é muito maior do que "h" então "r" tomada no início ou no final do pulso é quase a mesma, e a forma do volume é um cone de profundidade "h".
Sinais de retorno Entre cada pulso, o radar serve como um receptor enquanto escuta sinais do retorno das partículas no ar. A duração do ciclo "retorno" é da ordem de um milissegundo, que é mil vezes maior do que a duração do pulso. O comprimento desta fase é determinado pela necessidade da radiação de micro-ondas (que se desloca à velocidade da luz) de se propagar do detector para o alvo meteorológico e vice-versa, uma distância que pode ser de várias centenas de quilômetros. A distância horizontal do radar para a meta é calculada simplesmente a partir da quantidade de tempo decorrido desde a iniciação do impulso até à detecção do sinal de retorno. O tempo é convertido em distância multiplicando pela velocidade da luz no ar:
Distância =
Onde c = 299 792 458 m/s é a velocidade da luz, e n ≈ 1,0003 é o índice de refração do ar.
Se os impulsos forem emitidos com demasiada frequência, os retornos de um pulso serão confundidos com os retornos de pulsos anteriores, resultando em cálculos de distância incorretos.
Determinando a altura esquerda|miniaturadaimagem|O percurso do feixe de radar com a altura.