En un artículo anterior vimos dónde se usa la informática en un radar meteorológico: control, adquisición y procesamiento de señales, procesamiento de datos y análisis de la información. Vimos también que esos cuatro aspectos no son compartimentos estancos, sino capas de una misma arquitectura. Ahora toca mirar el mismo sistema desde otro ángulo: cómo fluye la información por esas capas.
La información de radar se organiza conceptualmente en cinco niveles. No se trata de cinco programas distintos ni de cinco módulos físicos separados, sino de cinco estados sucesivos del dato: desde la señal eléctrica que sale del receptor hasta la imagen final con interpretación meteorológica. Cada nivel añade contexto, utilidad y valor, pero también impone sus propias exigencias informáticas: digitalización, formatos, compresión, georreferenciación, visualización e integración con otras fuentes.
La distinción es importante porque no toda la información se guarda ni se transmite igual. El Nivel 1 normalmente no se archiva; el Nivel 2 constituye el dato primario; el Nivel 3 produce productos; el Nivel 4 los convierte en imágenes; y el Nivel 5 añade la interpretación que permite pasar de la imagen al conocimiento meteorológico. Como se resume en la figura, cada escalón genera, archiva y transmite información al siguiente, y la decisión de qué conservar depende del servicio meteorológico, del ancho de banda disponible y de la capacidad de archivo.
Información de radar Nivel 1
La información Nivel 1 está contenida en las señales eléctricas que salen del receptor de un radar, a partir de las cuales, el Procesamiento de Señales se encargará de extraer los parámetros básicos. A esa información la llamamos señales. Las señales a la salida del receptor son continuas en el tiempo a partir del momento en que el transmisor lanza al espacio el pulso de energía de superalta frecuencia. La señal retornada tiene un carácter sinusoidal, por tanto, toda la información está contenida en la amplitud, en la fase y en la frecuencia de esta señal. La información radárica de Nivel 1 generalmente no se guarda y no se transmite a ninguna parte porque no es de utilidad para los servicios meteorológicos. Eventualmente los grupos de investigación/desarrollo podrían necesitar guardar esta información, y para eso emplean programas especialmente diseñados para estos fines.
Información de radar Nivel 2
La información de radar de Nivel 2 está compuesta por los parámetros básicos que son extraídos de las señales eléctricas que recibe el radar. Para extraerlos, la señal sinusoidal a la salida del receptor se discretiza en el tiempo y se cuantifica en niveles, de modo que ocurre un proceso de conversión análogo-digital. En la actualidad (lea este post para más detalles), la frecuencia de discretización sobrepasa los 200 MHz, y la cuantificación se hace en 16 bits, es decir se cuantifica en 65 536 niveles de amplitud. El único parámetro básico que se pueden obtener de un radar convencional es: el Factor de Reflectividad Equivalente, comúnmente conocido solo como Reflectividad, que se representa por la letra Z (mayúscula si se expresa en dBZ) o por la letra z (minúscula si se expresa en mm6/m3). Si se trata de un radar Doppler, al anterior se añaden: la Velocidad radial, que se representa por Vr, y se expresa en m/s; el Ancho Espectral de velocidades radiales, que se representa por W, y se expresa en m/s. Si se trata de un radar Doppler y polarimétrico se añaden: la Reflectividad Diferencial, que se representa por ZDR y se expresa en dB; la Fase Diferencial que se representa por PHIDP, y se expresa en grados (°); la Fase Diferencial Específica KDP, se expresa en grados por kilómetro (°/km); el Coeficiente de Correlación ROHV (adimensional).
La información de Nivel 2 se guarda en archivos que contienen: un encabezado de la observación: nombre del radar, fecha y hora de comienzo de la observación y la información de cada revolución acimutal (tantas como revoluciones acimutales se hayan ejecutado en la observación). La información de cada revolución de antena está compuesta por un encabezado que contiene el régimen de trabajo y el ángulo de elevación en que se realiza esta revolución y los rayos (sectores) de datos. Cada sector de datos contiene el acimut y las celdas de distancia. Cada celda contiene los parámetros básicos que el radar haya captado (Z, Vr, W, ZDR, PHIDP,KDP, ROHV) y su distancia hasta el radar (en su defecto, conociendo el tamaño de la celda basta con saber el número de orden de la celda). Así pues, cualquier formato de datos de radar se ajusta al siguiente esquema (los valores de las cantidades de revoluciones, cantidades de sectores y su tamaño angular y las cantidades de celdas en cada sector, así como su tamaño, son los más comúnmente usados en Cuba). Los archivos así conformados, son conocidos como datos primarios, datos crudos, o datos sin procesar. Estos archivos se guardan con un nombre y una extensión que depende de la norma de cada fabricante. En Cuba empleamos un formato propietario de la marca VESTA™, que emplea extensión “*.obs”. También empleamos el formato de la red de radares de EE.UU. (NEXRAD-Level 2) y para determinadas aplicaciones usamos el formato NCAR-netCDF. Todos ellos son formatos de datos primarios. Estos archivos tienen una estructura informática como la que se muestra a continuación. Existe una gran variedad de formatos en los más de 2 mil radares meteorológicos que funcionan hoy en el mundo (lea aquí)
Información de radar Nivel 3
Los datos primarios se someten a procesamiento por medio de Procesadores de Datos (también conocidos como generadores de productos), que convierten este dato primario (que viene guardado en coordenadas cuasi-esféricas), a coordenadas cartesianas con referencia geográfica e interpretación meteorológica (por ejemplo, lluvia, viento, cizalladura, etc.). Al resultado de este procesamiento se obtiene lo que llamamos productos. Los productos son matrices de datos binarios que solo pueden ser visualizadas de forma útil por medio de otro procesamiento especial que las convierte en imágenes. Los procesadores de datos son llamados también generadores de productos. Los productos son archivos de muy poco volumen informático. Los productos generados por VESTA|Process se guardan en archivos “*.prd”. A continuación, un listado de los productos comúnmente generados por cualquier procesador de datos: PPI (Plan Position Indicator) de Reflectividad, Velocidad o Ancho Espectral; CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator); MAXIMOS (a veces llamado Column Maximum o Maximum Reflectivity); CORTE (Corte vertical en cualquier dirección); RHI (Range Height Indicator); PRECIPITACIÓN (lluvia instantánea o acumulada); TOPES (altura máxima de las nubes); VIL (contenido de agua integrado en la vertical); VOLUMEN (3 proyecciones del dato volumétrico). Cada procesador de datos tiene su propia nomenclatura, y tiene, además de los comunes, productos específicos de cada fabricante.
Información de radar Nivel 4
La información de radar Nivel 4 son imágenes primarias, obtenidas a partir de los productos de Nivel 3. Para construirlas, se emplean generadores de imágenes, que algunas veces vienen integrados dentro de los procesadores de datos, y otras veces vienen aparte como generadores/visualizadores de imágenes. El tamaño de estas imágenes varía de acuerdo con la cantidad de píxeles y a la cantidad de colores o tonos de grises que se empleen. Las imágenes pueden ser generadas y archivadas para su uso posterior, o generadas cada vez que se desea mirar un producto. Las imágenes digitales de radar también son matrices de datos binarios guardados en alguno de los formatos conocidos. Según el sistema generador que las haya producido, se pueden encontrar imágenes de radar prácticamente en cualquiera de los formatos de imágenes conocidos (GIF, JPG, TIFF, PNG, etc.). Las imágenes tienen una resolución en tamaño (cantidad de píxeles) que depende del sistema que las generó, y no de la matriz de datos del producto que la originó, sin embargo, no tiene sentido incrementar excesivamente la resolución de la imagen por encima de la resolución original del producto. Invariablemente, todas las imágenes (Nivel 4), no importa con qué procesador hayan sido generadas contienen los siguientes elementos: Mapa de fondo (que es la referencia geográfica de la información captada, puede contener relieve o no, y tiene su propia escala de colores, es la capa más baja y puede no estar); Información meteorológica (información útil captada por el radar que está definida por el producto a partir del cual se genera la imagen, se sobrepone tapando al mapa de fondo); Máscara (rejillas superpuestas por encima de la información de radar que pueden ser: de latitud y longitud, anillas de distancia, cuadrículas, línea de costa, ciudades, municipios, provincias, carreteras, aerovías, líneas férreas, etc.); Información complementaria (radar, lugar, fecha, hora, tipo de producto, variable mostrada, escala de colores, escala de referencia de tamaño, etc.).
Información de radar Nivel 5
La información de radar Nivel 5 es el resultado de un análisis de la información. A las imágenes primarias (información de Nivel 4) se le añaden de modo infográfico, interpretaciones meteorológicas. Estas interpretaciones son el resultado de analizar numerosas imágenes de radar que permiten determinar si el fenómeno está creciendo o decreciendo, si se desplaza o si está estacionario, cuál es la velocidad y dirección de traslación, dónde están los focos de mayor peligrosidad, dónde han ocurrido precipitaciones sostenidas de cierta intensidad, cuál es el tipo de fenómeno (si hay posibles tornados, granizos u otros tipos de tormentas severas, etc.). De especial valor resultan estos análisis en los casos de huracanes. Al paso de estos meteoros, los análisis de radar facilitan a los pronosticadores la observación de las características específicas del huracán: posición del ojo, diámetro del ojo, ubicación de las bandas espirales, detección de las zonas de mayor intensidad de las lluvias y los vientos, detección de posibles mesociclones y tornados embebidos. A estas imágenes, resultantes del proceso de análisis, las llamamos imágenes de valor agregado. Esta información que se añade sobre una imagen primaria (la más significativa por sí misma de todas las imágenes de que disponemos sobre una misma situación meteorológica), no puede apreciarse en ninguna imagen individual. Para el análisis se emplea información adicional proveniente: de sensores satelitales, de modelos de pronóstico numérico, de sondeos verticales de la atmósfera, de sensores de descargas eléctricas, y de otras fuentes según las preferencias de cada analista.
Del pulso al valor agregado
Los cinco niveles cuentan una misma historia desde dos extremos: en el Nivel 1 hay una señal sinusoidal, continua, efímera, que no se guarda porque por sí sola no sirve al servicio meteorológico; en el Nivel 5 hay una imagen interpretada, integrada con satélite, modelos, sondeos y descargas eléctricas, que ayuda a decidir si una tormenta crece, se desplaza o encierra un mesociclón. Entre ambos extremos, la informática hace posible que el dato no se pierda, se organice, se transforme y se vuelva legible para el ojo humano.
Cada nivel tiene su propia lógica. El Nivel 2 es el más voluminoso y el más “crudo”; el Nivel 3 reduce ese volumen y lo traduce a coordenadas cartesianas con interpretación meteorológica; el Nivel 4 lo hace visualmente accesible; el Nivel 5 le añade la interpretación que ninguna imagen individual puede ofrecer. Por eso la cadena no se rompe solo por fallos técnicos: también se debilita si se archiva mal, si se comprime en exceso, si se pierde la georreferencia o si la visualización no respeta la resolución del producto original.
Ahí está, en definitiva, la diferencia entre tener un radar y tener información de radar útil. Dominar los cinco niveles —desde la digitalización de la señal hasta la imagen con valor agregado— es lo que permite que un sistema completo pase del pulso electromagnético a la decisión meteorológica. Y es, también, la razón por la que poder cubrir toda la cadena informática, y no solo una parte, sigue siendo un terreno reservado a muy pocos.
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