El término “cobertura” aplicado a un radar meteorológico suele resultar ambiguo cuando uno trata de precisar si el radar “ve” o “no ve” determinado fenómeno sobre un área específica. Normalmente, las personas que no son propiamente expertos de radar, suelen imaginar que la cobertura que garantiza un radar es el parámetro táctico que suele aparecer en los catálogos como alcance máximo del radar. Así pues, si alguien revisa los parámetros tácticos declarados para los radares cubanos verá que estos tienen un alcance de 500 km, los ocho.
Los fabricantes (y nosotros, los que modernizamos y fabricamos los radares cubanos, también) tratan (tratamos) de mostrar en este parámetro el valor máximo de distancia hasta donde el radar puede captar fenómenos meteorológicos sin especificar a qué tipo de fenómeno nos referimos; y nos referimos, obviamente, a aquellos fenómenos, cuyas características favorezcan potenciar mejor este parámetro táctico del radar (sí, los fabricantes no son bobos, nosotros tampoco).
El parámetro es real, nuestros radares captan fenómenos meteorológicos hasta una distancia de 500 km y los que están más elevados (Gran Piedra, Pico San Juan y Pilón) pueden incluso ver más allá de este valor límite, esto es un hecho demostrado. Si el usuario es un conocedor, entonces podría preguntarnos ¿Hasta qué distancia captan nuestros radares cada tipo de fenómeno meteorológico? He repetido varias veces que Cuba posee una excelente cobertura por radar (según la base de datos de la OMM, la sexta mejor del mundo) y lo sostengo; pero puede que mi suspicaz lector se haga las siguientes preguntas ¿Tenemos suficientes radares meteorológicos en Cuba para captar todo tipo de fenómenos meteorológicos peligrosos? ¿Necesitaríamos más radares? ¿Qué fenómeno peligroso no podemos captar? Si uno o varios radares están fuera de servicio ¿podemos prescindir de ellos y aún dar un buen servicio de vigilancia meteorológica por radar? Siga leyendo y al final, como siempre les digo, saque usted sus propias conclusiones.
¿Qué es un radar y cuál es su cobertura?
Para los neófitos un radar meteorológico es una “cosa”, es un aparato con una bola encima y que en la distancia parece un barquillo de helado. Miren al monstruo Albio «tomándose» el barquillo de La Bajada.
Todos intuimos que un radar es un amasijo de cables, circuitos, componentes y en los últimos años computadoras y aplicaciones, pero mentalmente lo representamos como un cuadro en blanco (mire el libro de Rinehart) porque en realidad no sabemos qué pueda tener dentro, y a la verdad, tampoco queremos esforzarnos por saberlo.
De igual forma, la cobertura la imaginamos como un círculo uniforme, en cuyo centro está el radar y del cual lo único que queremos saber es cuántos kilómetros de radio abarca ese círculo y dónde cae (en un mapa de Cuba) para saber hasta dónde llega la protección y qué se queda fuera.
Lamentablemente, las cosas no son tan simples. El radar tiene imperfecciones y la información que obtenemos viene dada en diferentes escalas, y cada escala tiene sus propios errores, como cualquier otro instrumento de medición. Como me explicó una vez mi amigo Isztar Zawadzki cuándo le pregunté cuál de las escalas representaba mejor la realidad y me dijo –todas, cada una de ellas representa la realidad, solo que vista con una lupa de diferente aumento.
En una primera aproximación yo suelo representar la cobertura en dos escalas. Una abarca el alcance máximo del radar (en azul) y la he llamado cualitativa para diferenciarla de una escala más pequeña (en rojo) a la que he llamado cuantitativa. La idea es que en el área en rojo el radar puede hacer mediciones y en el área en azul (que incluye al área roja) solo puedo detectar la presencia de los fenómenos meteorológicos de interés.
En realidad, las cosas son mucho más complicadas. La medición de algunos de los parámetros de los fenómenos meteorológicos puede hacerse en toda el área en azul; pero algunas, las más importantes, solo pueden hacerse en el área roja. Por otra parte, la detección de algunos fenómenos no es posible en toda el área azul y ni siquiera en toda el área en rojo. Bueno, suena un poco enigmático; pero si mi paciente lector continúa leyendo lo entenderá al final.
¿Qué elementos inciden en la cobertura?
Hay cuatro elementos que deciden la cobertura de un radar meteorológico: 1) las características táctico-técnicas del radar; 2) la ubicación del radar y la geografía del entorno; 3) Las condiciones de propagación de las ondas del radar en la tropósfera y 4) las características del blanco (del fenómeno meteorológico en cuestión) entre ellas su posición con respecto al radar. Cada una de ellas merece al menos un curso de una semana, así que, obviamente, daré aquí solo un pequeño esbozo.
Características táctico-técnicas del radar
La longitud de onda: Los ocho radares cubanos trabajan en la longitud de onda de 10 cm, es decir en la banda S, que es la recomendada para el trópico, no me cansaré de explicarlo. Esto tiene una importancia cardinal en la cobertura que brinda el radar. Los radares de banda X suelen dar una cobertura limitada de 60-100 km de radio. Los radares de Banda C suelen dar una cobertura más amplia de 250 km. La cobertura real, efectiva hasta 400-500 km solo la pueden brindar los radares de Banda S.
La Antena: Mientras más grande es la antena, mejor es la detección y el seguimiento de casi todos los fenómenos meteorológicos que puedan resultar peligrosos. En Cuba tenemos tres tamaños de antena: la del radar de Holguín, que es de 6.4 metros de diámetro y es la que por diseño pedimos para el Radar Meteorológico Cubano; la de los radares de origen soviético, que son de 4.5 metros de diámetro (Camagüey, Casa Blanca, Pilón y Pico San Juan); la de los radares de origen japonés: 4.0 metros que sería deseable cambiarlas por antenas un poco más grandes (Gran Piedra, Punta del Este y La Bajada). Una de las características más importantes de las antenas de reflector parabólico es el nivel de los lóbulos laterales que caracterizan el patrón de radiación. Se caracteriza por la relación de la potencia en el primer lóbulo lateral con respecto al nivel de potencia en el lóbulo principal.
El Transmisor: No seje que nadie le haga cuentos, mientras mayor es la potencia en el pulso, mejor es el radar para detectar y medir característica de los fenómenos meteorológicos peligrosos. En Cuba los ocho radares pueden alcanzar potencias de 500 a 800 kW en el pulso, lo que es muy bueno para la banda S.
El Receptor: Hay dos parámetros del receptor que son importantes. El primero es la sensibilidad que se caracteriza por el valor de potencia más pequeño que puede recibir y obviamente, mientras más pequeño es este valor, mejor es el radar. Por otro lado, la sensibilidad debe complementarse con otro valor que es el rango dinámico, que representa el diapasón de valores de potencia que puede medir el receptor sin ambigüedad desde el más pequeño hasta el más grande. Mientras más amplio sea este diapasón, mejores son las capacidades de detección y medición del radar. A todos los radares cubanos les hemos puesto receptores que garantizan -110 dBm de sensibilidad, al nivel de los mejores. Los tres radares Doppler tienen un rango dinámico de 90 dB, que es bueno. Los radares no-Doppler tienen un rango pobre de 70 dB. El nuevo procesador Doppler desarrollado por LADETEC (LAMULA-DRX/DSP) garantiza un rango dinámico de más de 110 dB, sin hacer cambios en el radar.
La ubicación del radar y la geografía del entorno
En general, mientras más alto esté ubicado el radar, mejores son las capacidades de detección en larga distancia que tiene, no así las de medición que requieren determinadas características de ubicación que explicaré a continuación.
La interacción del radar con la geografía que le rodea se caracteriza por dos elementos fundamentales: los ángulos de cierre y los ecos fijos. Yo diría que son contradictorias. Veamos en detalle.
Los ángulos “de cierre” son aquellos sectores en los cuales el radar no puede ver porque tiene cerca de sí objetos más elevados que le tapan la visión.
Los ecos fijos son los retornos de objetos que no tienen carácter meteorológico y que enturbian la imagen del radar (se les llama clutter en inglés). Provienen de edificios, árboles, torres de comunicación, colinas, elevaciones del terreno o propiamente de la superficie de la tierra o el agua (ríos, lagos y mares).
Los ecos fijos pueden generarse en el lóbulo principal; pero mayormente provienen de los lóbulos laterales. Cada radar requiere de un cuidadoso estudio de ambos elementos. Los radares más altos son en los que más incidencia tiene el problema de los ecos fijos en la zona cercana. En el caso de Cuba estos son los radares de Pilón, Pico San Juan y Gran Piedra.
Los ecos fijos pueden ser suprimidos de las imágenes del radar por medio de un procesamiento adecuado. El procesamiento se puede ejecutar en tres niveles: i) En el procesamiento de las señales por medio de filtros adecuados en el dominio del tiempo o en el dominio de las frecuencias (solo si el radar es Doppler). ii) En el procesamiento de los datos. iii) En el procesamiento de las imágenes, ahora auxiliados por la inteligencia artificial.
Las condiciones de propagación de las ondas del radar en la tropósfera
Esta es también una materia para un largo curso. De forma resumida, para concretar lo que más nos interesa en esta publicación, tenemos dos factores: la atenuación y la refracción. La primera es prácticamente despreciable en la longitud de onda de 10 cm (Banda S) en la que trabajan los ocho radares cubanos; pero que sí tiene una importancia capital en las bandas C y X, especialmente en los trópicos.
De forma muy simplificada las condiciones de propagación podemos reducirlas (caricaturizarlas) a tres casos: propagación normal, subrefracción y superrefracción, siendo esta última la que afecta (aumenta o disminuye) el alcance y por tanto, la cobertura. En realidad, la propagación de las ondas de radar en la atmósfera tiene infinitas variantes porque depende del índice de refracción de la parte de la tropósfera que atraviesen las ondas.
Cuando ocurre la superrefracción aparecen mucho más ecos fijos que lo normal. El software ORPG , cuya implementación en los radares cubanos se llama VESTA|ORPG, contiene un algoritmo para radares Doppler (Camagüey, Casa Blanca, Holguín), para suprimir los ecos fijos generados por la propagación anómala (superrefracción). LADETEC ha desarrollado una nueva implementación (LAMULA-ORPG) lista para trabajar con radares no solo Doppler sino también polarimétricos.
La distancia del blanco al radar
El radar como instrumento de medición es tremendamente no homogéneo, mientras más lejos está el blanco (fenómeno meteorológico) del radar, peor es el radar para medir y para detectar los blancos. Esta no uniformidad se acentúa de forma continua con el aumento de la distancia. Uno puede hacer varias escalas de visualización: 50, 100, 300, 500 km, por ejemplo, y asumir que hay una cierta homogeneidad dentro de cada escala; pero esto es ficticio. El deterioro del performance del radar con el aumento de la distancia se debe a tres fenómenos.
El primero es la pérdida de la sensibilidad del radar con la distancia. El nivel mínimo de intensidad que tiene que tener el fenómeno meteorológico para que el radar pueda detectarlo con seguridad, va aumentando con la distancia. Dicho de otro modo, un mismo fenómeno meteorológico que puede ser detectado a una distancia corta, a una distancia mayor no se detecta.
Visto este mismo asunto desde otro ángulo, la potencia que medimos con el radar proveniente de dos fenómenos meteorológicos idénticos en tamaño e intensidad; pero ubicados a dos distancias diferentes, será menor, en la medida que el fenómeno esté más lejos.
En los radares analógicos solía usarse una técnica llamada corrección en distancia o normalización en distancia, cuyo resultado era: lo que yo no pueda ver a la distancia máxima, no deseo verlo a ninguna distancia. De esta forma se establecía una uniformidad en cuanto a la sensibilidad del radar; pero uno perdía la posibilidad de detectar ecos en distancias cercanas que sí podrían verse.
El segundo fenómeno se debe a la resolución tangencial (transversal al haz) de un radar que está dada por el ancho del haz, y este es un parámetro técnico que no se puede variar a no ser que se cambie la antena. El ancho del haz es el mismo para toda la distancia de trabajo; sin embargo, la dimensión transversal, el tamaño del haz, varía (aumenta) con la distancia. De esta forma, la resolución del radar va empeorando mientras más lejos se encuentre el objeto del radar.
En la siguiente Tabla vemos los tamaños tangenciales para diferentes distancias (desde 50 hasta 500 km, en pasos de a 50 km), para varios tipos de radar: 1) el radar WSR-88DP del servicio meteorológico de los EE.UU. (Cayo Hueso), cuya antena tiene 8.53 m de diámetro; 2) los radares Meteor 1500S (Holguín) y Meteor-600S (Islas Caimán), ambos con antenas de 6.4 m; 3) los antiguos radares MRL-5 (Casa Blanca, Camagüey, Pilón y Pico San Juan) con antenas de 4.5 m y 4) los antiguos radares RC-32B (La Bajada, Punta del Este y Gran Piedra) con antenas de 4.0 m.
Otro efecto nocivo, producido por la pérdida de resolución tangencial con la distancia, tiene que ver con la detección de mesociclones y vórtices tornádicos (solo para radares Doppler). Es decir, la detección de tornados depende del tamaño del vórtice tornádico y de la distancia a que este vórtice se encuentre del radar.
Debido a las condiciones de refracción de la atmósfera (que varía según varíe el índice de refracción) y a la curvatura de la superficie terrestre, el haz del radar pasa cada vez más alto sobre la superficie al alejarse del radar. Esto origina que, aun para un mismo objeto meteorológico, el radar va a captar diferentes segmentos de su estructura vertical del fenómeno según la distancia a la que se encuentre del radar.
Una consecuencia inmediata de esto es que la lluvia no podemos estimarla a largas distancias por muy bueno que sea el radar conque lo intentemos.
¿Cuál es, por fin, la cobertura del radar?
Una vez que mi insaciable lector haya leído todo lo anterior, está en condiciones de hacerse sus propias ideas. Yo, que tengo más de 40 años explotando los radares meteorológicos y que he estado como científico visitante en varios de los mejores radares meteorológicos del mundo, también me he hecho una idea al respecto y se la dejo a mis lectores.
La estimación de las precipitaciones no puede hacerse más allá de 100-150 km. La detección de tornados con radares Doppler no pasa de los 80-100 km (según sea el ancho del haz y el tamaño del vórtice). La detección de tormentas severas generalmente se hace solo hasta 200-250 km de distancia. Y los huracanes (dado que traen nubes altas y suelen tener gran intensidad) … hasta los 500-600 km y como este es el mejor de los números, es el que nos regalan los fabricantes (y nosotros también) para hablar de la cobertura del radar.
Satisfaciendo la curiosidad de los que me han preguntado les respondo: no, con el radar de Camagüey no se puede medir la lluvia en el sur de Guantánamo, aunque sí pudimos apreciar la estructura del huracán Oscar entrando al sur oriental, los muchachos del Centro de Radares, fieles a su lema de «cuando no hay perros de montea con gatos» usaron correctamente el radar de la base de Guantánamo (que no es un radar meteorológico y no puede ver la estructura vertical de las nubes) y el radar de Camagüey (a 400 km de distancia, en los que el haz pasa a casi 14 km de altura, por tanto, no ve la lluvia). Tampoco el de Pilón podía hacerlo porque tiene toda la Sierra Maestra de por medio.
En general, la ciudad de La Habana está bien cubierta con disímiles coberturas de los radares de La Bajada, Punta del Este, Casa Blanca, Pico San Juan y Cayo Hueso. En el oriente y centro cubano la cosa es más difícil si falta uno de los radares, los otros están demasiado lejos o están enmascarados por las montañas. La ciudad de Santiago de Cuba solo está bien cubierta por el radar de Holguín.
Mi recomendación y anhelo era añadir a la red actual 4 radares pequeños, de banda X (que son más baratos) para tapar los huecos actuales sobre todo para la ciudad de Santiago de Cuba, el extremo noroeste de Ciego de Ávila, la ciudad de Cienfuegos y cubrir mejor el aeropuerto de Boyeros y la ciudad de La Habana desde el oeste, complementando la red actual de ocho radares de banda S.
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