الأرصاد الجوية (رادار-)

ارصاد جويه (رادار)

Meteorological weather radar - Radar météorologique

الأرصاد الجوية (رادارـ)

رادار الأرصاد الجوية  meteorological radar أو رادار مراقبة الطقس  weather surveillance radar، نوع من الرادارات قادر على كشف السحب والهطل، وتحديد موقعها، وحساب حركتها، وتقدير نوعها (مطر، ثلج، برَد).

يؤدي التنبؤ بالطقس ومعرفة الظروف الجوية الراهنة والمستقبلية دوراً مهماً وحيوياً في حياة الإنسان وأنشطته، نظراً للارتباط الوثيق بين تأثيرات الطقس في الإنسان والحيوان والمحاصيل الزراعية، والأماكن الصالحة للحياة والسكن، وتوفر المياه، إضافةً إلى التهديدات التي قد يظهرها الطقس على السلامة العامة.

رادار مراقبة الطقس

يعتمد علم الأرصاد الجوية  اعتماداً كبيراً على رادار الطقس في دراسة الظواهر المختلفة. وكلمة رادار هي اختصار لعبارة «كشف المدى الرايوي وتحديده» radio detection and ranging (radar) وهي منظومة إلكترونية تستخدم الموجات الكهرطيسية لكشف الأهداف الثابتة والمتحركة وتحديد مواصفاتها.

مكونات الرادار

الشكل (1) مكونات منظومة الرادار

الشكل (2) مخطط زمني لنبضات الإرسال ومدة الاستقبال

الشكل (3): مبدأ عمل رادار الطقس

الشكل (4): صورة رادارية مرمزة لونياً

الجدول (1): الترميز اللوني لشدة الانعكاس

الشكل (5): أنواع الاستقطاب للأمواج الكهرطيسية

الشكل (6): رادار متعدد المهام

يتألف الرادار (الشكل1) من عدة مكوِّنات أساسية، هي:

- المرسل: وهو مولِّد ترددات عالي الاستطاعة يسمى المغنترون  magnetron، شبيه بالمولِّد المستخدم في أجهزة الأمواج المِكروية (الميكرويف)  microwave المنزلية، ولكن استطاعته أعلى بكثير. يُستعاض عن المغنترون في الرادارات الحديثة، بمولِّد ترددات منخفض الاستطاعة ومضخِّم عالي الاستطاعة مصنَّعين من أنصاف النواقل.

- المستقبِل: وهو مجموعة من دارات تكبير وترشيح وتكييف للإشارة المستقبَلة، يشبه في عمله من حيث المبدأ المذياع المنزلي.

- الهوائي: وهو العنصر الذي يبث الأمواج الكهرطيسية في الجو ويستقبلها، شبيه بهوائي الاستقبال المستخدم في التقاط إشارة البث التلفازي من السواتل.

- وحدة المعالجة: تعتمد الرادارات الحديثة على حواسيب ذات قدرة حسابية عالية، تَستخدم بطاقات معالجة إشارة رقمية  digital signal processing، بهدف معالجة البيانات المطلوبة وتحليلها وإظهارها.

- شاشة الإظهار: هناك العديد من أنواع شاشات الإظهار، تختلف باختلاف البيانات المراد إظهارها. ومن أكثر الأنواع شيوعاً شاشة إظهار مماثلة للشاشة المستخدمة في الحواسيب الشخصية، إضافةً إلى مؤشر موضع الهدف  plan position indicator (PPI) ، وهي شاشة دائرية تغطي 360 درجة.

مبدأ العمل

يقوم الرادار بإرسال نبضات قصيرة من الأمواج الكهرطيسية بتواتر محدَّد كما هو مبيَّن بالشكل (2). وعند اصطدام هذه النبضات بجسم ما كحبات المطر أو الثلج أو السحب، يرتد جزء من طاقة هذه النبضات وينعكس باتجاه الرادار الذي يقوم باستقبالها خلال مدة الاستقبال للرادار، كما هو مبيَّن بالشكل (3). تتناسب شدة الإشارات المنعكسة مع حجم الأجسام المرتدة عنها وكثافتها وسرعتها. وتُحلّل هذه الإشارات المنعكسة لتحديد خصائص تلك الأجسام.

يهتم رادار الطقس بكشف السحب وقطرات المطر والثلج والبرد، وقياس سرعتها وارتفاعها واتجاه حركتها، وكمية الهطل المختلفة وغزارتها. تسمح معالجة تلك المعطيات بتحديد أماكن الفيضانات والتنبؤ بالأعاصير وحركتها، وهذا ما يساعد على اتخاذ الإجراءات المناسبة للحفاظ على أرواح الناس وممتلكاتهم. ويقوم هوائي الرادار بالدوران باستمرار لمسح الفضاء المحيط به وجمع المعلومات من الاتجاهات كافة.

المدى والميز

يتعلق أداء رادار الطقس بمجموعة عوامل من أهمها: استطاعة النبضات المرسلة، وعرضها، ومعدل (دور) تكرارها، وحساسية المستقبل، وحجم الهوائي، وسرعة دورانه، وعرض حزمة إشعاعه.

يؤدي معدل التكرار T - وهو المسافة الزمنية بين النبضات كما هو مبيّن بالشكل (2)- دوراً أساسياً في تحديد المدى الأعظمي الذي يتناسب ودور التكرار. فدور تكرار أكبر يسمح بمسافة قياس أكبر، لكنه يتعارض مع دقة ميْز resolution الأجسام المستكشفة بالرادار، والتي تتطلب دور تكرار أصغر. كما تتعلق دقة الميْز بعرض النبضات الرادارية المرسلة τ، فكلما قل عرض النبضات زاد الميْز، ولكن بالوقت نفسه يقل المدى بسبب انخفاض الاستطاعة المحمولة بالنبضات، ولكلِّ ظاهرة جوية يجري قياسها توجد قيم أمثلية لعرض النبضة ودور التكرار تعطي أنسب النتائج لهذه الظاهرة. ويصل المدى الأعظمي لبعض رادارات الطقس إلى 300 كيلومتر، وحساسية كشف تمكنها من تمييز نحلة واحدة تطير على بعد 30 كيلومتراً، ودقة تمييز تصل إلى 120 متراً.

تشبه معظم رادارات الطقس إلى حد كبير الرادارات المستخدمة للأغراض الأخرى، فمنظومة دوبلر Doppler النبضية، والمولدات النبضية المستخدمة، وشكل الهوائي، وقسم الاستقبال كلها متشابهة. ويتمثل الفرق الأساسي في نوعية الأهداف المستكشفة وطبيعتها، حيث إن الظواهر المقيسة برادار الطقس تتوزع على مناطق واسعة وتحتل حيزاً كبيراً من الجو، وتحتاج إلى إجراء قياس لمعاملات أكثر للحصول على المعلومات والبيانات المطلوبة، ومعالجة أكثر دقة في الزمن الحقيقي، وهذا يتطلب وسائل حساب وتخزين عالية الفعالية.

أنواع المعطيات المحصَّلة

-1 الانعكاسية: يسمح استخدام الحواسيب المتقدمة بتحديد مواصفات الأجسام التي انعكست عنها الإشارات الكهرطيسية المرسلة بوساطة الرادار، سواء أكانت هذه الأجسام مطراً أم ثلجاً أم برداً. كما يمكن تحديد حجم هذه الأجسام وسرعتها وكثافتها وغزارتها. وتقاس الانعكاسية  reflectivity بالديسيبل  dBZ. ويُعتمد للانعكاسية مستوى مرجعي يساوي 1mm³.  تُظهر الانعكاسية على شاشة الرادار تدرجاً لونياً يعبِّر عن قوة الإشارة المنعكسة المستقبَلة أو ضَعفها، يعبِّر عادةً اللون البنفسجي عن إشارة قوية في حين يدل اللون السماوي على إشارة ضعيفة، كما هو مبيَّن في الجدول (1).

يمكن القول إن الصورة التي تظهر على شاشة الرادار (الشكل4)، هي صورة مُرمزة لونياً تعبِّر عن شدة الانعكاس.

 - 2السرعة: تعتمد رادارات الطقس في قياسها لسرعة حركة السحب أو الهطل على مبدأ رادار دوبلر النبضي pulse-Doppler الذي يقوم بحساب الانزياح الترددي بين تردد النبضات المرسلة وتردد النبضات المستقبَلة. وفي حالة السرعات المنخفضة يكون تردد دوبلر صغيراً جداً ولا يمكن تمييزه؛ لذا تعتمد الرادارات الحديثة والمتطورة على مبدأ قياس فرق الطور للإشارات المرتدة بين نبضتين متتاليتن لتحديد دقيق للسرعات.

-3  الاستقطاب: الاستقطاب في الأمواج الراديوية هو المستوي الذي ينتشر فيه الحقل الكهربائي للإشارات الكهرطيسية كما هو مبيَّن في الشكل (5). تميل معظم السوائل لأن تُستقطب كهربائياً بشكل أفقي عند تساقطها بفعل الجاذبية الأرضية. ولزيادة شدة الإشارة المنعكسة عن السوائل يرسل رادار الطقس عادةً إشعاعاً باستقطاب أفقي. ولزيادة فاعلية عمل رادارات الطقس ترسل الرادارات الحديثة الثنائية الاستقطاب dual-polarization  نبضة مستقطبة أفقياً، ثم نبضة مستقطبة عمودياً على التتابع. يقوم الرادار في أثناء مدة الاستقبال باستقبال النبضات المرتدة عن الغيوم والأمطار وتحليلها، وهذا ما يتيح الحصول على معلومات إضافية بنتيجة ارتباط شدة الإشارات المنعكسة باستقطاب النبضات المرسلة. ويسمح ذلك بالتمييز بدقة بين أنواع الهطل، وتحديد السحب المشحونة كهربائياً، إضافةً إلى مواصفات أخرى لا تقدمها الرادارات الأحادية الاستقطاب.    

تطبيقات رادار الطقس

يُستخدم رادار الطقس في تطبيقات عديدة، من أهمها:

 - دراسة السحب وأنواعها وحركتها وتحديد نوع الهطل (مطر، ثلج، برد).

 - تقدير كمية الهطل وشدته في مختلف المناطق التي يغطيها الرادار، للاستفادة منها في تجنب المخاطر الممكن حدوثها كالسيول والفيضانات، أو التقليل من آثارها.

- تحديد المسارات الآمنة للطائرات لتجنب الهطل الغزير والسحب المشحونة والبرق والعواصف.

شبكة رادارات الرصد الجوي

لا تعتمد هيئات الأرصاد الجوية على رادار واحد، بل على مجموعة موزَّعة من الرادارات المختلفة الأنواع، تكوّن شبكة للرصد الجوي. وتُقارن المعطيات المحصَّلة من الرادارات المختلفة للحصول على صورة دقيقة للطقس أقرب ما يمكن إلى الواقع. 

الآفاق المستقبلية

تستخدم مراكز الأرصاد الجوية الحديثة رادار الهوائيات الصفيفية الطور  phased array radar، الذي يشتمل على مجموعة من الهوائيات، يجري التحكم في شدة إشارة كل منها وطوره على حدة. يسمح هذا النوع من الرادارات - الذي يعتمد على مبدأ الرادار الثنائي الاستقطاب - بإجراء عملية مسح إلكتروني سريع للجو المحيط به. يجري حالياً تطوير نماذج جديدة من الرادارات الصفيفة وتجريبها. تُستخدم هذه الرادارات المتعددة المهام والمبيَّنة في الشكل (6)، لرصد الطقس، والمراقبة الجوية المدنية والعسكرية، والإنذار المبكر، ومراقبة الحدود، والملاحة الجوية للتحكم في إقلاع الطائرات وهبوطها وتوجيها.

أسهم التطور الكبير في منظومات الاتصالات - وعلى الأخص الساتلية منها - كثيراً في تمكين منظومات الأرصاد الجوية من مكاملة رادارات الطقس الأرضية ورادارات الطقس المحمولة جواً وفضاءً، للحصول على نتائج أدق وأوثق.

محمد زيواني

التصنيف : علم الفلك العام وعلم الفلك الراديوي وعلم الفلك الكروي

النوع : علم الفلك العام وعلم الفلك الراديوي وعلم الفلك الكروي

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 538

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية