He impartido muchos cursos de explotación de radares meteorológicos de todo tipo, Doppler, Polarimétricos, todos ellos con un alto grado de automatismo por ser radares modernos, recién comprados. Podría asegurarle a mis lectores, que en la mayoría si no en todos los casos, cuando empiezo el curso me veo en la obligación de desengañarlos: LOS RADARES METEOROLÓGICOS TIENEN QUE SER OPERADOS. Ellos esperan que el moderno radar sea algo así como un «Meteorólogo Automático», una especie de robot que hace operaciones por sí mismo y luego les informa dónde está lloviendo y cuán peligroso puede resultar y les brinde todo tipo de detalles en lo que ellos beben un café. El problema es que los fabricantes les prometieron un radar «llave en mano». Yo les digo que sí, que eso es muy cierto, pero que la analogía es con un auto nuevo, con caja de cinco cambios manuales, pedales de acelerador, freno y clutch, además de un timón para decidir hacia dónde camina. Cierto, te dan la llave en la mano, pero es para que te sientes y manejes, no para decirle al auto –llévame a casa de mi suegra y que el auto te conduzca en lo que miras reels en tu teléfono. Por cierto, ya hay autos de ese tipo, pero no creo que al alcance de todos, y …no hablamos de autos, hablamos de radares meteorológicos.
A mis discípulos de esos cursos y probablemente a mis inquietos lectores también le surja la pregunta ¿por que si son radares muy modernos en los que cada bloque está controlado por computadora (y probablemente con facilidades IoT) no se puede hacer que hagan todas las operaciones por sí mismos? La respuesta es que sí se puede, pero …el radar meteorológico no es un equipo con un modo único de operación y con cada modo de operación obtenemos una información diferente. A mí mismo también me surgió en algún momento la pregunta ¿y cuál de esas informaciones es la verdadera? Mi amigo, el Profesor Isztar Zawadzki, me decía –Orlando, todas son verdaderas, todos son diferentes aspectos de una misma realidad. Si miramos la piel de una persona a simple vista vemos una cosa, si la miramos con lente de aumento vemos otra, y si la miramos con un microscopio vemos aún otra más.
Por otra parte, la atmósfera que exploramos es un «animal» vivo, en constante evolución y cambio. Surgen, se desarrollan y desaparecen muy diversos fenómenos meteorológicos, somos nosotros, los meteorólogos que vamos a usar el radar los que debemos decidir cuál o cuáles son de nuestro interés y entonces, debemos usar el modo de operación del radar que nos permita captar mejor ese fenómeno en sus diferentes estadios. También está el problema de que las ondas del radar viajan en la troposfera, en la cual las condiciones de propagación varían grandemente con la temperatura y la humedad, ocasionándole al radar dificultades para captar los fenómenos que decidimos que son de nuestro interés.
Sí, lamentablemente, por muy automatizado que esté el radar, hay que operarlo. Los muy sofisticados radares WSR-88DP (NEXRAD) del servicio meteorológico de los Estados Unidos, también tienen que ser operados, para obtener con ellos la mejor información posible para detectar y pronosticar a muy corto plazo los fenómenos meteorológicos peligrosos para la vida humana y las propiedades (granizo, tormentas, aeroavalanchas, mesociclones, tornados).
En general, los radares meteorológicos pueden tener múltiples aplicaciones. Pueden ser usados para la estimación cuantitativa de las precipitaciones, para la detección de tormentas de todo tipo, para el seguimiento de huracanes, para el servicio a los aeropuertos, para la detección de incendios forestales, para la detección de cenizas volcánicas, para el servicio a la agricultura, para el servicio al transporte, a los puertos … El problema es que cada una de estas aplicaciones exige modos de operación diferentes y a veces contradictorios y lo que es peor, exigen diferentes grados de calibración del radar. Como dice el refrán popular, «no se pueden tener cien yernos con una sola hija».
Por otra parte, generalmente un radar, que es un artefacto caro en la compra y caro en el mantenimiento, se compra con un fin específico: monitorear las tormentas en un área de interés, o con fines hidráulicos para estimar las precipitaciones. Digamos, por ejemplo, que el radar está destinado para este último fin, estimar las precipitaciones, sería tonto que nos azotara una tormenta y el radar, que cambiando su modo de exploración podría haberla captado, no lo hiciera porque el radar se puso en un modo automático sólo para estimar las precipitaciones y no captó la devastadora tormenta. O sea, que aun cuando el radar tenga como fin una aplicación específica, si hay alguien operándolo puede simultanear y darle, exitosamente, varias aplicaciones.
A estas alturas, mis exigentes lectores me dirán que ya entendieron el punto, que he sido prolijo en extremo al explicar por qué hay que operar; pero …¿en qué consiste «operar» un radar meteorológico moderno? De eso no he dicho una palabra. Comencemos pues.
La longitud de onda. La longitud de onda está dada por le frecuencia en la que radia el transmisor. Normalmente no se puede modificar, o se puede modificar en un rango muy estrecho. Sin embargo, hay radares que disponen de más de una longitud de onda, como los antiguos radares MRL-5 soviéticos, y el radar RD-200SX de Camagüey, que disponen de dos canales, uno de la longitud de onda de 10 cm (Banda S) y otro de la longitud de onda de 3 cm (Banda X). En estos casos, el operador puede escoger con cuál de las dos va a trabajar o si trabajará con ambas. Cada longitud de onda tiene sus ventajas y sus desventajas. Normalmente, esta decisión no es operativa, sino que se toma en la compra del radar.
La Polaridad. Hay radares que radian en una misma longitud de onda, pero en dos polaridades diferentes (Horizontal y Vertical), lo normal es que se trabaje con las dos a la vez, pero algunos permiten usar una sola polaridad (básicamente para radiar toda la potencia en una sola polaridad y mejorar la capacidad de detección del radar). Los radares MRL-5 y el RD-200SX tienen polaridad horizontal en la banda S y polaridad vertical en la Banda X.
La duración de los pulsos del transmisor. Normalmente cada transmisor viene con dos duraciones (algunos fabricantes dan 3 y hasta 4) predefinidas. El pulso largo lleva más energía, por tanto, permite detectar objetos más débiles, sin embargo, el pulso largo tiene menor poder resolutivo en distancia, es el que se usa en el modo Reflectividad para largo alcance (500 km). El pulso corto permite distinguir mejor objetos más pequeños (en dimensiones) y además permite elevar más la frecuencia de repetición de los pulsos, es el que se usa en el modo Doppler, pero a corto alcance (150 km).
La frecuencia de repetición de los pulsos del transmisor. La frecuencia de repetición de los pulsos determina el alcance. Para llegar a 500 km se requieren frecuencias bajas (160-300 Hz). Sin embargo, para lograr medir frecuencias Doppler (velocidades) altas, hay que subir la frecuencia de repetición de los pulsos (típico 1000 Hz en modo Doppler), esto solo se puede hacer con pulsos cortos, para no sobrepasar la potencia promedio que soporta el transmisor. En general la frecuencia de repetición se mueve de 160 a 2400 Hz y como tal, el operador, generalmente no la toca, sino que la cambia, de alguna forma sumergida en el modo de trabajo. La frecuencia de repetición de los pulsos tiene gran influencia en el procesamiento de las señales, pues determina automáticamente el número de muestras a procesar, lo que, a su vez, incide directamente en la precisión de los estimados.
El ancho de banda del receptor. Normalmente, el ancho de banda del receptor está «atado» a la duración del pulso. Se suele hacer que el ancho de banda sea igual al recíproco de la duración del pulso y se conmuta al conmutar la duración del pulso. El ancho de banda en los radares modernos se determina en el filtro digital que sigue al demodulador sincrónico (si es un radar Doppler) o antes del detector de amplitud con característica logarítmica, en el amplificador de frecuencia intermedia, si es un radar No-Doppler (analógico). El ancho de banda tiene serias implicaciones en el funcionamiento del radar. Si se pone mucho mayor que el recíproco del pulso transmitido, la forma de la señal recibida se preserva mejor; pero aumenta el ruido y por tanto, empeora la sensibilidad del radar a las señales débiles y viceversa, si se pone mucho menor, se distorsiona más la señal, pero mejora la sensibilidad a a causa de la disminución del ruido. Normalmente, en la operación no se toca, solo se conmuta automáticamente al cambiar la duración del pulso.
El ancho del haz de la antena. El ancho del haz está dado por el tamaño del espejo reflector y por la longitud de onda que emite el transmisor. Normalmente no es un parámetro a operar, sin embargo vuelvo a los antiguos radares MRL-5, la banda S tenía un solo ancho de haz (1.5 grados fijo); pero la banda X podía usarse con un ancho del haz de 0.5 grados o igualarse a la de la banda S (1.5 grados), intercalando un espejo más pequeño delante del otro.
Los parámetros de la adquisición. La adquisición del dato digitalizado es el otro factor que ofrece un campo muy amplio para variar. Era práctica común hace unos años guardar el dato en celdas polares de 1 km de distancia por 1° de ángulo acimutal. El advenimiento de procesadores cada vez más rápidos, conjugados con computadoras de cada vez mayor capacidad de memoria, nos permiten guardar los datos con tamaños cada vez más pequeños (por ejemplo, formar celdas de 15 metros de distancia por 0.021° de ángulo acimutal, lo cual es muy superior a la resolución intrínseca de un radar (que está dada en distancia por la mitad de la extensión del pulso en el espacio y en ángulo por el ancho del haz de la antena). Un factor importante en la adquisición es el tiempo total de la observación, y el intervalo con que se repiten. Así pues, tamaño de las celdas (en distancia y en ángulo-tiempo), la cantidad de muestras y la promediación son factores con los que se puede operar, pero generalmente los cambios solo se hacen por ingenieros expertos en el procesamiento de las señales.
La supresión de ecos no meteorológicos. Este tema lo traté en detalle en el post Supresión de ecos de origen no meteorológico El filtrado en los radares Doppler puede tener diferentes «profundidades» (30, 40 o 50 dB de atenuación) y también se le puede regular el ancho de velocidades (alrededor de 0 m/s) que se desea suprimir. En ambos casos el dilema es ¿suprimir a fondo los ecos no meteorológicos y con eso mutilar un poco a los ecos meteorológicos débiles y con poca velocidad o suprimir menos a los ecos no meteorológicos para no afectar fuertemente a los ecos meteorológicos de poca velocidad? Como ya expliqué en aquel post, el problema se complica cuando hay propagación anómala. En los radares del Servicio Meteorológico de los EE.UU. se puede aplicar un filtrado de supresión diferente por varios sectores (definidos por el operador), porque la propagación anómala no es uniforme en toda el área de cobertura. El operador está obligado cada cierto tiempo a quitar el filtrado y mirar si ya las condiciones de propagación anómala cesaron para no mantener un filtrado demasiado agresivo innecesariamente. A pesar de que los radares del NEXRAD disponen de un algoritmo automático para la detección y supresión de ecos de propagación anómala, esto no es suficiente, por eso se le deja al operador manejar el filtrado por sectores angulares y distancias.
El movimiento de la antena. Ciertamente, mover un haz estrecho para barrera toda la semiesfera sobre nosotros es una cuestión de compromisos, no podemos barrerla completa a menos que invirtamos más de 20-30 minutos, pero en ese tiempo todo cambió en la atmósfera. Así pues, hay que tomar decisiones. Le llamamos estrategia de exploración y ya lo traté ampliamente en un post aparte: ¿Cómo exploran la troposfera los radares meteorológicos? Este asunto sí es materia de operación, yo diría que es la quie más se toca y se cambia. Les pongo un ejemplo: si tenemos una tormenta en la zona lejana (hay que explorar rápido porque las tormentas evolucionan muy rápidamente), debemos explorar en los ángulos bajos, los ángulos altos no nos aportan nada.
En cambio si la tormenta está muy cerca, los ángulos altos sí contienen la información más relevante. Si está muy cerca, o sobre el radar, entonces hay que hacer exploraciones verticales. Es decir, se requiere operar con conciencia de la situación meteorológica imperante.
Como pueden ver, hay numerosos parámetros y aspectos que pueden modificarse al operar y que cambian significativamente la información que puede captar el radar. Se requieren conocimientos profundos del radar y también de la física de la atmósfera y la meteorología de la región en que opera el radar. No se pueden cambiar las cosas de modo festinado, hay que estudiar y prepararse muy bien.
El VESTA|RDA (y su sucesor para los Dopplers, VESTA|RCP) es muy versátil y sencillo para diseñar plantillas y cambiar todo lo que se desee. En principio la aplicación tiene varios niveles de acceso y podría hacerse que el operador no pueda cambiar las plantillas de observación; pero decidimos confiar en la experticia de los operadores que estaban cuando automatizamos los radares.
Alguna vez discutiendo estos tópicos con el Director del Observatorio Marshall de la Universidad de McGill, mi amigo, el Profesor Isztar Zawadzki, él me decía que yo estaba en un error, que eso solo traería desorden y como resultado no tendría datos de calidad ni uniformidad en las observaciones. Lo cierto es que la vida le dio la razón. Fuimos reduciendo las opciones que se le dejaban al operador hasta dejarlo solo en dos tipos de observaciones: Aire Claro y Precipitaciones.
Aun así se daban frecuentemente casos de que ya con tremenda nubosidad en el área de cobertura, los operadores mantenían el radar en modo Aire Claro, simplemente no estaban atentos o no estaban en el radar, pescaban, cazaban, paseaban o dormían y el radar seguía en el modo que estaba, tenían que actuar desde el Centro de Radares para poner el modo adecuado. Nunca quise tomar la decisión, pero los radares pueden ser operados de forma remota desde cualquier punto de Internet (siendo el Centro de Radares el lugar ideal para hacerlo), no se necesita una persona para eso en el radar. Tampoco se necesita una persona en el radar para que analice las imágenes de ese radar. Todos los datos de todos los radares están al mismo tiempo en Internet a disposición de todo el mundo. Quedan pendiente decisiones en ese sentido.
Seguimos con el tema de la operación. Todos los parámetros anteriores se agrupan en tres definiciones: Régimen de Trabajo, Estrategia de Exploración y Modo de Operación. El Régimen de Trabajo está relacionado con la duración de los pulsos del transmisor y su frecuencia de repetición y trae aparejados cambios en la recepción y en el filtrado de las señales. La estrategia de exploración es cómo se mueve la antena en el plano horizontal y vertical para explorar la atmósfera en el modo que consideremos más conveniente para cada situación meteorológica. Todo lo que hay que saber al respecto lo he explicado en dos posts: ¿Cómo exploran la troposfera los radares meteorológicos? y El cono de silencio sobre los radares, donde no se ve la lluvia. El Modo de Operación es la combinación de los dos anteriores y define el objetivo primario de la observación: explorar cuando no hay radioecos importantes o explorar cuando hay nubosidad fuerte sobre la tierra. Pueden diseñarse plantillas de observación tantas como se quiera; pero resulta confuso tener muchas, en casos de huracanes, según la distancia a la que esté el huracán se modificaban ligeramente los ángulos de elevación en los PPI de las observaciones. Creo que en los radares meteorológicos cubanos aun hay muchas cosas por definir, y mucho por estudiar de los sistemas implementados para lograr el empeño de adelantar los avisos a los fenómenos peligrosos. Nosotros en LADETEC estamos en la mejor disposición para capacitar y asesorar.
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