¿Qué banda usar en los radares? Pues por mí, los Beatles, lo digo sin titubear. La única música que yo puedo escuchar repetitivamente sin cansarme es la de los Beatles y las canciones del cantautor cubano Silvio Rodríguez ¿Ah, no era eso? Uff, desvarío como casi siempre. Si la pregunta es referida a la banda de frecuencias que se debe usar en los radares de vigilancia meteorológica, entonces mi respuesta es también categórica: sin dudas, la banda S, que es la que usan los 8 radares que opera el Instituto de Meteorología de Cuba. Si mi incrédulo lector cree que soy demasiado categórico y sospecha que mi afirmación es festinada y tendenciosa, pues siga leyendo y saque sus propias conclusiones con los elementos que le daré. Comencemos por esclarecer algunos conceptos antes de entrar en la selección de la banda de trabajo del radar propiamente.
El espectro electromagnético y sus bandas
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo, aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo. Recalco lo de continuo, la división en bandas es solo una forma que usamos los humanos para agrupar las frecuencias cuyo uso y propiedades las hace afines.
La radiación electromagnética se caracteriza por su frecuencia (f, expresada en hertzios) y su longitud de onda (λ, expresada en metros). Estas son magnitudes recíprocas y están enlazadas por C, la velocidad de la luz en el medio, de modo que C =λ·f. En la Meteorología se emplea solo una pequeña fracción de todo el espectro electromagnético, tal como se muestra en la siguiente Tabla.
Los radares de vigilancia meteorológica trabajan en frecuencias (longitudes de onda) en tres bandas diferentes: banda S, banda C y banda X, cuyas propiedades difieren en muchos aspectos. En la banda S los radares meteorológicos mayormente ocupan el sector de 2.7 a 2.9 GHz; pero también hay radares que trabajan de 3.0 a 3.5 GHz. En la banda C, los radares meteorológicos ocupan un estrecho sector de 5.4 a 5.65 GHz. En la banda X, los radares meteorológicos trabajan entre 9.3 y 9.5 GHz, aunque algunos trabajan hasta 10.0 GHz.
Los antiguos radares MRL-5 (de los cuales hay 4 en Cuba) trabajan con doble longitud de onda (bandas S y X), en la banda S trabajan entre 2.95 y 2.98 GHz y en la banda X trabajan a 9.595 GHz con magnetrones sintonizables. En Cuba todos los radares trabajan en la banda S, en frecuencias entre 2.74 y 2.98 GHz. El radar Doppler RD-200 SX de Camagüey, fabricado usando la infraestructura de un radar MRL-5, conserva también la banda X.
Radares meteorológicos en el mundo
Se estima que en la actualidad en el mundo hay más de 1500 radares meteorológicos en uso. En la Base de Datos de Radares Meteorológicos de la OMM se listan 845 radares reportados por los servicios meteorológicos. En esta base de datos el 40% de los radares son de banda S, el 53% son de banda C y solo el 7% son de banda X. La mayor concentración está en Europa y en Norteamérica.
El servicio meteorológico de los Estados Unidos emplea 160 radares de banda S, y el servicio a los aeropuertos complementa esta red con 45 radares de banda C, también la red CASA de radares baratos mejora la cobertura a baja altura con radares de banda X, al igual que los radares de Climavision.
En Europa, el proyecto OPERA de EUMETNET aglutina 200 radares de 30 países, mayoritariamente de banda C, con algunos de banda X y otros de banda S de muy diferentes tecnologías y años de fabricación.
La red canadiense opera 33 radares de banda S, cuya instalación acaba de terminarse.
Para su territorio, Cuba tiene una gran densidad de radares, por delante de muchos países desarrollados, ocupando un séptimo puesto en cantidad de radares por superficie. Los radares meteorológicos son un asunto de seguridad nacional y en ese aspecto Cuba no está nada mal.
Diferencias entre las tres bandas
Los radares meteorológicos de las bandas S, C y X presentan un comportamiento diferente según la banda de frecuencias en que trabajen. Estas diferencias están dadas por la interacción de las microondas de diferentes frecuencias con la microfísica de los objetos meteorológicos (vea el gráfico siguiente) y también por las características técnicas de los radares que, razonablemente (por los aspectos técnicos y económicos), se pueden fabricar en cada banda de trabajo. Veamos los diferentes aspectos en los cuales es importante comparar los radares de estas tres bandas.
Alcance. No hay que explicar mucho al respecto, uno siempre quisiera que su radar tuviera el mayor alcance posible. Esta cualidad es muy importante para la detección y seguimiento de huracanes. Grosso modo podemos decir que los radares de banda S se usan para la detección de fenómenos de tiempo severo, hasta 500 km y son los recomendados (yo diría que obligatorios) para los países dentro de la franja tropical. Los radares de banda C son para climas moderados, y suelen tener un alcance efectivo de no más que 250 km. Los radares de banda X son para aplicaciones especiales de corto alcance, suelen usarse hasta unos 60 km, generalmente para complementar las redes de radares de otras bandas como los hacen CASA y CLIMAVSION en los EE.UU. Esto no quiere decir que los radares, digamos de banda X no puedan alcanzar 500 km. Pueden, pero hay otros factores que pueden limitar su desempeño a esa distancia. Vean dos ejemplos del radar de Gran Piedra detectando los huracanes Matthew e Irma.
Tamaño/Costo. En igualdad de condiciones (para lograr los mismos parámetros) los radares de banda S resultan muy grandes y los de banda X son los más pequeños, siendo los de banda C un intermedio entre estos dos tipos. Consecuentemente, los de banda S son los más caros y los de banda X los más baratos, siendo los de banda C de un costo intermedio. Vea en la siguiente foto un ejemplo de los tres tipos, mostrados por el mostro Ichi.
Modo Doppler. En el modo Doppler, los radares meteorológicos se usan para estimar la velocidad de las partículas dentro de los objetos meteorológicos. Básicamente la velocidad máxima que puede estimar un radar Doppler depende de dos factores: la longitud de onda en que trabaja el radar (l, expresada en metros) y la frecuencia de repetición de los pulsos del transmisor (Fr, expresada en hertzios), enlazadas por la ecuación: Vmax = l Fr /4. Comparemos los radares Doppler de las tres bandas (S, C y X) trabajando a tres frecuencias de repetición (500, 1000 y 2000 Hz). En la Tabla siguiente se muestran las velocidades Doppler máximas que podrían medir los radares de las bandas S, C y X trabajando a estas frecuencias de repetición.
Subir la frecuencia de repetición más arriba de 1000 Hz no es aconsejable porque se reduce la distancia máxima de trabajo (Rmax, en metros) en virtud de lo que llamamos Dilema Doppler, que se expresa como Rmax·Vmax = l·C /8, es decir el producto Rmax·Vmax es constante para una longitud de onda dada. Veamos en la siguiente Tabla las velocidades máximas que pueden medir los radares Doppler de las tres bandas, para 4 distancias (50 km, 150 km, 250 km y 500 km).
Como puede apreciarse, a cualquier distancia, con el radar de banda S es que se puede medir la velocidad Doppler más alta, y con el radar de banda X, la más alta que se puede medir es mucho más baja. Claro, a cualquier radar Doppler se le pueden aplicar algoritmos para aumentar el límite máximo de medición de velocidad por un factor de 2, de 3 y de 4 veces (vale para las tres bandas). Sin embargo, esto se hace a costa de la calidad de las estimaciones de velocidad. En Cuba LADETEC fabricó tres radares Doppler.
Detección de objetos débiles. Aunque pueda parecer que los radares para la vigilancia meteorológica solamente debían interesarnos para detectar y seguir los fenómenos meteorológicos de gran intensidad como tormentas locales, granizadas, aeroavalanchas, tornados y ciclones, sin embargo, hay muchas aplicaciones en que nos pueden interesar fenómenos que originan en el radar señales de baja intensidad (baja Reflectividad, lea el artículo ¿Qué miden los radares meteorológicos?).
Hay fenómenos como las tormentas de polvo, los frentes de racha, los frentes de brisa (el caso de la foto encima de este texto, entrada de un frente de brisas, captado por el radar de Camagüey, cortesía del monstruo Rafael Valdés), las precipitaciones ligeras, el surgimiento de las líneas de convergencia y otros, que no originan señales fuertes, pero que están asociados a otros fenómenos, y son, de alguna forma, precursores o indicadores de otros fenómenos peligrosos. Entonces también puede interesarnos conocer cómo influye la banda de trabajo en la capacidad del radar para detectar objetos débiles. Veamos el siguiente gráfico para esclarecerlo.
La conclusión que podemos sacar es que, para un mismo tamaño de partícula, obtenemos mayor señal (mayor reflectividad) mientras menor sea la longitud de onda. Por tanto, los radares de banda X detectan mejor los objetos meteorológicos de baja intensidad que los radares de banda C, y estos a su vez, mejor que los radares de banda S. Es decir que, si nuestro interés primordial es la detección de fenómenos de baja intensidad, la selección sería un radar de banda X. Como contraparte, la capacidad de un radar (vale para las 3 bandas) se puede aumentar aumentando la potencia del transmisor, el tamaño de la antena y la sensibilidad del receptor. El radar Doppler RD-200SX combina dos canales con las bandas S y X y por tanto, combina las virtudes de ambas.
Atenuación de las señales. Las señales de microondas empleadas en los radares de vigilancia meteorológica, al propagarse en la atmósfera, están sujetas al fenómeno de la atenuación. La atenuación de las microondas ocurre al pasar estas por las nubes, las precipitaciones y también ocurren en la atmósfera libre por la interacción con los gases atmosféricos. Este fenómeno es altamente dependiente de la frecuencia de la microonda y es el factor que mayor impacto tiene en la selección de la banda a emplear. La atenuación de mayor impacto es la que ocurre en las precipitaciones y se ha calculado en función de la intensidad de estas, como se muestra en la siguiente Tabla. El efecto de la atenuación se estima por medio del Coeficiente de Atenuación que se expresa en decibeles por kilómetro.
Como puede apreciarse, las microondas de banda S prácticamente no se atenúan, las de banda C se atenúan en las precipitaciones intensas en un factor de consideración y las de banda X se atenúan hasta desaparecer. Este es el principal factor que limita el alcance los radares en las diferentes bandas. Sin embargo, esto no quiere decir que no se puedan fabricar radares que alcancen los 500 km en las tres bandas. Lo que quiere decir es que mientras más larga sea la distancia de trabajo a la que se destina el radar, mayor es la probabilidad que una zona lejana de precipitaciones sea enmascarada por una zona cercana de precipitaciones intensas cuando se usan radares de banda C o X. Vea el ejemplo de la atenuación de una línea de precipitaciones cruzando sobre el radar de banda C.
Pongamos el ejemplo de un radar destinado a la vigilancia meteorológica de la pista de un aeropuerto. El radar está ubicado a 30 km de la pista del aeropuerto y su propósito es monitorear los fenómenos peligrosos que puedan ocurrir sobre esta pista. En principio, siguiendo los criterios antes enunciados, para este servicio de vigilancia a un objeto que está a 30 km, nos serviría cualquiera de las tres bandas: S= 500 km, C= 250 km y X= 60 km. Pongamos, para este ejemplo, tres casos en que entre el radar y la pista se intercalara una precipitación muy intensa (de 200 mm/h) que se extendería: Caso a) 2 km, Caso b) 10 km y Caso c) 20 km. Veamos en la Tabla siguiente qué sucedería en estos tres casos a las señales de tres radares diferentes, cada uno de una de las tres bandas S, C y X.
Como puede apreciarse, en los lugares en los que son abundantes las precipitaciones de gran intensidad (> 100 mm/h), aun a cortas distancias de menos de 50 km, la atenuación puede anular el propósito para el cual fue comprado el radar si se usan las bandas X y C. En el caso mostrado, una tormenta intensa sobre la pista del aeropuerto quedaría enmascarada por una zona de precipitaciones intercalada entre el radar y la pista y pasaría inadvertida.
Clasificador polarimétrico de hidrometeoros. Identificar las partículas que conforman el fenómeno que está viendo el radar es un viejo anhelo que hasta el día de hoy no se cumple satisfactoriamente para todos los casos. Con un radar convencional, para los cuales disponíamos de una sola variable (la Reflectividad, Z) obtenida por una sola longitud de onda y una sola polaridad, a duras penas podíamos discernir entre objetos meteorológicos y objetos locales (ecos “fijos”). En los radares de doble longitud de onda como los MRL-5 soviéticos, las tareas de identificación de lluvia fuerte o granizo se facilitaron grandemente; pero los radares de doble longitud de onda eran instrumentos muy caros. Con el advenimiento comercial de radares de doble polaridad fue que esta tarea de identificación mejoró sustancialmente, dado que los hidrometeoros tienen diferente tamaño en la horizontal y en la vertical. Veamos en qué se basan los identificadores de partículas asociados a los radares polarimétricos para después comentar las particularidades de cada una de las tres bandas.
Los radares polarimétricos que se venden comercialmente emplean un transmisor cuya potencia se divide en dos y una se emite en polaridad horizontal y la otra, en polaridad vertical. Se emplean dobles receptores, uno para cada polaridad. Los radares polarimétricos, al igual que los convencionales, permiten estimar la Reflectividad de los objetos meteorológicos; pero lo hacen en las dos polaridades así tenemos Zh y Zv. De igual forma, son radares Doppler en las dos polaridades y calculan la velocidad Doppler y el ancho de velocidades Doppler en ambas polaridades. Adicionalmente, permiten calcular otras variables como son la Reflectividad diferencial (ZDR), la Fase diferencial (PHIDP) y la Fase diferencial específica (KDP), el coeficiente de correlación (RHOHV) y atenuación diferencial (ADP). A partir de todas estas variables se establecen ecuaciones de lógica difusa y de este modo se fabrican los clasificadores de hidrometeoros. Vea a modo de ejemplo el comportamiento de dos de estas variables (ZDR y RHOHV) tomado del libro de Fabry (Radar Meteorology).
Estos clasificadores tienen diferente comportamiento según la banda de trabajo del radar. Los clasificadores de partículas de las bandas C y X están afectados por la atenuación de la señal explicada más arriba. Adicionalmente, los clasificadores de radares en la banda C presentan el problema abreviadamente llamado en la literatura como efecto de la resonancia. Se refiere a que cuando hay partículas cuyo diámetro es mayor que 1.5 cm, la dispersión de la microonda ocurre en la zona de Mie (también llamada zona o región de resonancia, vea los dos gráficos anteriores). Esto se traduce en que aparecen valores de la Reflectividad diferencial (ZDR), anormalmente altos, valores negativos de KDP y valores negativos de la atenuación diferencial (ADP). Esto distorsiona el funcionamiento de los clasificadores. Semejante fenómeno no se presenta en los radares de banda S ni en los radares de banda X. Por tanto, en este punto también, es más conveniente el uso de radares de la banda S.
Estimación de las precipitaciones. La estimación de la intensidad de las precipitaciones (R) por medio de un radar meteorológico, aunque tiene un fundamento físico, en la práctica se hace por medio de relaciones empíricas entre la intensidad de las precipitaciones (R) y alguna variable medida por el radar, en general la Reflectividad (Z). Con la aparición de los radares Polarimétricos se abrieron nuevas relaciones empíricas y se correlaciona la intensidad de las precipitaciones (R), mayoritariamente, con la Reflectividad medida en la polaridad horizontal (Zh), con la Reflectividad diferencial (ZDR), con la Fase diferencial específica (KDP), y últimamente, con la Atenuación específica (A), en relaciones empíricas que pueden involucrar a algunas de estas o una combinación de algunas de ellas. Ninguna relación empírica hasta el día de hoy ha demostrado ser universalmente válida para todas las situaciones de hidrometeoros que se puedan presentar.
Por otra parte, las variables polarimétricas nos permiten identificar, con cierto grado de certeza, el tipo de hidrometeoros que componen el volumen atmosférico iluminado por el haz del radar y con esto, se puede usar una u otra relación empírica que mejor se adapte para la estimación de las precipitaciones para ese tipo de hidrometeoro detectado en específico. A pesar del entusiasmo inicial, las relaciones empíricas que involucran a la Reflectividad medida en la horizontal y a la Reflectividad diferencial R(Zh, ZDR), han ido pasando a un segundo plano (especialmente para las bandas C y X) en la estimación de las precipitaciones por medio de radar porque requieren de que Zh esté calibrada con una precisión menor de 1 dB y ZDR con una precisión mejor que 0.1-0.2 dB (créanme, en un radar experimental esto se puede lograr con mucho esfuerzo, en una red de servicio operativo no es práctico intentarlo). Las relaciones empíricas que emplean la Fase diferencial específica (KDP) son bastante inmunes a los problemas de calibración del radar mencionados anteriormente (por eso se usan más en las bandas C y X); sin embargo, para bajas intensidades de precipitación (R) no se usan porque la propia estimación de KDP es muy ruidosa por la alta variabilidad de los espectros de gotas. En los últimos cuatro años han ido ganando en aceptación las relaciones basadas en la atenuación específica R(A), que funciona mucho mejor en la banda S que en las bandas con atenuación (C y X).
Veamos como se comporta la estimación de precipitaciones según la banda. En general, la estimación cuantitativa de las precipitaciones (QPE) se logra, con radares de la banda S: hasta 230 km, con radares de la banda C: hasta 115 km, con radares de la banda X: hasta 30 km. Cualquier otra cosa que se diga, es pura propaganda comercial sin sustento científico. Las relaciones R(KDP) se suelen emplear: para la banda S, cuando R > 10-11 mm/h; para la banda C, cuando R > 5-6 mm/h; y para la banda X, cuando R > 3 mm/h. O sea, el radar de banda X es el mejor para estimar precipitaciones débiles con la relación R(KDP). Para precipitaciones débiles se puede usar R(A) que funciona mucho mejor para la banda S. Lea además:
https://es.scribd.com/document/364980547/Baron-White-Paper-Radar-System-Selection
Si desea EN SERIO estimar precipitaciones en el Trópico, cómprese un radar de banda S. Lea el artículo siguiente para una mejor comprensión del tema: “Polarimetric Radar Quantitative Precipitation Estimation”, de Alexander Ryzhkov, Pengfei Zhang, Petar Bukovich, Jian Zhang y Stephen Cocks, publicado en Remote Sens. 2022, 14, 1695. (https://doi.org/10.3390/rs14071695), allí está todo el sustento científico de lo que he expuesto.
Veamos
Conclusión. Escribí un post detallando las razones por las que Cuba no debe comprar radares a fabricantes extranjeros y otro post explicando por qué Cuba sí debe fabricar sus propios radares. Cuando el Comandante en Jefe nos encargó el diseño y la fabricación del Radar Meteorológico Cubano, obviamente, este estudio de factibilidad HABÍA SIDO HECHO. Solo me resta añadir que los 8 radares meteorológicos cubanos son, muy correctamente, de banda S, y el Radar Meteorológico Cubano está concebido como un radar de banda S (el prototipo de Camagüey tiene, además, la banda X, ideal para la realización de exprimentos y estudios atmosféricos). Cierta vez, un fabricante extranjero logró obnubilar a importantes directivos cubanos con sus cantos de sirena para venderle a Cuba 4 radares de banda C. Nada más desafortunado hubiese sido cambiar 4 radares de banda S por 4 radares de banda C. Como agravante, los vendían mucho más caros que el precio del mercado, aunque daban el beneficio de un crédito suave. Por todas las razones expuestas anteriormente estos radares de banda C no satisfacen las necesidades del servicio meteorológico para Cuba. Sería como cambiar 4 vacas por 4 chivas. Lo digo y lo repito (y no es matraca mía). Tengo un enjundioso informe comparando los radares cubanos con aquellos radares y con los radares de referencia mundial, parámetro a parámetro.
A pesar de todo lo que he expuesto en un lenguaje comprensible, mi desconfiado lector puede pensar que mi explicación es tendenciosa porque soy un fanático-loco de los radares de banda S porque los nuestros son de esta banda. En ese caso le hago la pregunta ¿Por qué los 160 radares WSR-88DP que emplea el servicio meteorológico de los Estados Unidos son de banda S? Ah ¿Por qué ya son un poco viejos? ¿y qué hay con los 33 radares que acaba de instalar Environment Canada para el Servicio Meteorológico de Canadá? Todos son de banda S, sustituyendo la generación anterior de radares de banda C ¿les dice algo esto?
Si desea información más detallada disponemos de un informe científico (white paper) al respecto.
¿Por qué tantos radares banda C?
Hay dos puntos de vista, el del financista-beneficiario-comprador y el del fabricante-vendedor.
Comencemos por el primero. Al momento de la adquisición de un nuevo radar, el primer punto es, sin dudas, decidir en qué banda va a trabajar el radar que deseamos. En los últimos años, esta decisión se toma en primerísima instancia, basada en el presupuesto disponible para el cliente-comprador. Lamentablemente, pasan a un segundo plano los aspectos técnicos. El que pone el dinero, naturalmente, desea gastar lo menos posible, pero que se adquiera algo que se pueda llamar «radar», no le importa verdaderamente si cumple o no con las necesidades que originaron la solicitud. El cliente-beneficiario, acepta por el dicho aquel que «del lobo, un pelo» o «mejor pájaro en mano que 100 volando«, es decir, teme que si se pone muy exigente no le compren ningún radar.
El vendedor por su parte, hace uso de la posverdad (lea el post: «La Posverdad y los radares meteorológicos«) explicita y promueve MUY BIEN las cosas que sí hace el radar y no menciona para nada lo que no hace o lo que no hace del todo bien ese radar que vende. En el epígrafe anterior mostré los problemas que presentan los radares de banda C, luego ¿por qué los fabricantes insisten en vender estos radares? Simple, porque con los radares de banda C el fabricante logra la mejor relación Precio/Costo. Los radares de banda S son los más caros y con ellos el fabricante tiene un margen de ganancia mucho menor que con uno banda C.
Los dos puntos de vista caminan en la misma dirección y todos (el que pone el dinero, el que recibe el radar, el que lo vende y el que lo fabrica) se sienten felices…en la inauguración, luego vienen las quejas cuando el radar no cumple con las expectativas. Unas amistades mías de un cierto país tropical, que explotan radares banda C polarimétricos, se quejaban y me preguntaban por qué la información que entregaba el clasificador de partículas nunca coincidía con los reportes meteorológicos de los pilotos. Espero que esté leyendo este post. Es simple, estos radares son buenos y funcionan bien… pero en otras condiciones climáticas. Para más detalles lea el siguiente trabajo:
Así pues, estimado lector, espero haberle proporcionado suficientes elementos para decidir de qué banda es el radar que se va a comprar. Yo mientras tanto, sigo prefiriendo a los Beatles. Saque usted sus propias conclusiones.
Y recuerde:
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