The WMO AMDAR OBSERVING SYSTEM

AMDAR Programme เป็นระบบอัตโนมัติที่ทำการบันทึกและรายงานผลการตรวจข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยาจากอุปกรณ์เซนเซอร์ที่ติดตั้งกับเครื่องบิน ซึ่งเริ่มดำเนินงานตั้งแต่ราวต้นปี 90 ทำการประมวลผลข้อมูลด้วย Software Avionics AMDAR แล้วส่งผ่านระบบสื่อสารของเครื่องบิน ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System) กลับมายัง NMHS ( National Meteorological and Hydrological Services ) ที่เป็นสถานีรับภาคพื้นดิน ตามรูปที่ 1 ดำเนินงานตามโครงการขององค์การอุตุนิยมวิทยาโลก ( WMO) และประเทศภาคีสมาชิก ร่วมมือกับบริษัทสายการบินที่เป็นพันธมิตรร่วมกัน (ในปัจจุบันนี้มี 40 สายบิน) เพื่อดำเนินการประมวลผลและตรวจสอบคุณภาพของข้อมูลตามข้อกำหนดของทาง WMO เพื่อให้ได้ข้อมูล Upper Air Data ที่เป็น Near Real Time ในทุกสนามบินหลักของแต่ละประเทศ ก่อนส่งกระจายออกสู่ระบบสื่อสาร GTS ต่อไป

AMDAR Software สามารถทำงานได้ดีกับเครื่องบินรุ่นใหม่ ๆ ที่มีระบบ ACARS  ซึ่งปัจจุบันตามโครงการของ WMO มีใช้อยู่ 2 Platforms คือ 

-           AOSFRS (AMDAR Onboard Software (AOS) Functional Requirements Specification)

-           ARINC 620 AOS (Aeronautical Radio Incorporated specification 620‐7 (ARINC 620) AMDAR Onboard Software)

การจัดการข้อมูล AMDAR

     ข้อมูลที่ส่งจากเครื่องบินมายัง NMHS ( National Meteorological and Hydrological Services ) ภาคพื้นดิน โดยทางระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม หรือ คลื่นวิทยุความถี่สูง ( VHF, HF) จะถูกบริหารจัดการเพื่อคัดกรองคุณภาพก่อนที่จะทำการแปลงรหัสออกมาเป็นข้อมูลเพื่อส่งกระจายออกไปยังภาคีสมาชิกทั้งของ WMO และสายการบินที่เป็นพันธมิตรร่วมในโครงการ ทางการสื่อสารระบบ GTS ในรูปแบบเดิมเป็น Text Format (FM42) และรูปแบบที่ใช้แพร่หลายในปัจจุบันเป็น BUFR Code Format (FM94)

                    การบันทึกข้อมูลและรายงานจะเริ่มจากสนามบินต้นทาง จนถึงสนามบินปลายทาง ดังรูปที่ 2 ข้อมูลจะมีการรายงานทั่วไปในขณะเครื่องบินขึ้น/ลง: เป็นลำดับคือ

- ระดับล่างของชั้นบรรยากาศ รายงานในช่วงทุก10 hPa หรือ ทุก 6/60 วินาที

- ช่วงระยะกำลังไต่ระดับบินขึ้นไปถึงระดับเพดานบิน: รายงานในทุกช่วง 50  hPa หรือทุก 20/60 วินาที

- การรายงานในขณะที่บินในเส้นทาง: ช่วงการรายงานในเวลาทุก 3 - 7 นาที

ข้อมูลที่รายงานโดยเครื่องบินพาณิชย์ในปริมาณมากนี้จะสามารถนำมาใช้ประโยชน์ เพื่อการบริการงานทางด้านอุตุนิยมวิทยาและอุทกวิทยา (NMHSs), อุตสาหกรรมการบิน นักวิจัย และผู้ใช้อื่น ๆ โดยที่การจัดการข้อมูลของสภาพอากาศประเภทนี้ ทางองค์การอุตุนิยมวิทยาโลกได้จัดโครงการ AMDAR เพื่อมาทำการรวบรวมข้อมูลอุตุนิยมวิทยาจากเครื่องบิน ประมวลผลและกระจายออกไปยังหน่วยงานที่เป็นพันธมิตรใช้ประโยชน์ คือ:

•โปรไฟล์มีรายละเอียดสูงของค่าอุณหภูมิอากาศ ทิศทางและความเร็วลม แต่ละสนามบิน

•รายงานค่าของตัวแปรอุตุนิยมวิทยาจากเครื่องบิน ตามระดับบินในเส้นทางบิน

•ตำแหน่งละติจูด ลองจิจูด ระดับความสูงตามความกดอากาศ ของเวลาที่ทำการบันทึกจากเครื่องบิน

           •Turbulence และ Icing

• ความชื้นชั้นบรรยากาศ (ยังมีเฉพาะในบางเที่ยวบิน)

 คุณภาพของข้อมูล AMDAR เป็นไปตามข้อกำหนดของ WMO  

-           Variable Uncertainty Temperature ±1.0°C

-           Wind vector ±2–3 m/s

-           Pressure altitude ±4 hPa

รายละเอียดเพิ่มเติมที่ https://www.wmo.int/pages/prog/www/GOS/ABO/AMDAR/AMDAR_System.html

AMDAR เป็นข้อมูลอุตุนิยมวิทยาที่บันทึกจากเซนเซอร์ที่ติดตั้งกับเครื่องบิน ตามข้อกำหนดมาตรฐานของ WMO เพื่อจะนำมาสนับสนุนการบริการสภาพอากาศทางด้านการบินและการประยุกต์ใช้ด้านอื่น ๆ ในองค์การอุตุนิยมวิทยาโลก ซึ่งองค์ประกอบหลักของ AMDAR  ก็คือข้อมูลUpper Wind Profiles เที่ยวบินขาขึ้นที่สนามบินต้นทางและเที่ยวลงที่สนามบินปลายทาง ที่มีปริมาณความถี่ของข้อมูลมากกว่า Radiosondes

ประโยชน์ด้านอุตุนิยมวิทยา

สามารถนำมาประยุกต์ใช้ เพื่อการพยากรณ์อากาศของการเกิดปรากฏการณ์ที่สำคัญ ในช่วง 48 ชั่วโมงข้างหน้า โดยเฉพาะข้อมูลที่ใกล้เคียงกับระดับเพดานความสูงที่ทำการบินของเครื่องบินพาณิชย์โดยทั่วไป เช่น     

-การคาดหมายอุณหภูมิ ทิศทางและความเร็วลม ที่ระดับผิวพื้นไปถึงระดับบรรยากาศชั้นบน

-คาดหมายบริเวณเกิดการก่อตัวของพายุฝนฟ้าคะนองและความรุนแรง

-บริเวณที่มีความปั่นป่วนของกระแสอากาศ (Turbulence)

-บริเวณที่เกิดลมเฉือนและระดับความรุนแรง

-การเกิดหมอก หรือ เมฆชั้นต่ำ ๆ

-บริเวณแนวกระแสลมแรง เป็นต้น  

รวมทั้งการนำมาใช้ปรับปรุงการคาดหมายของการระบบพยากรณ์อากาศเชิงตัวเลข (NWP) ให้มีความแม่นยำเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอยางยิ่ง การคาดหมายลมและอุณหภูมิ ที่ระดับใกล้เคียงกับระดับทำการบินของเครื่องบินพาณิชย์ ที่ความสูงของความกดอากาศที่ 200-300 hPaและระดับช่วงทำการลดเพดานบินลงมาที่ 500 hPa

ข้อมูลเหล่านี้ยังใช้สำหรับการติดตามสภาพภูมิอากาศประจำถิ่น ประเทศ และระดับโลก และการประยุกต์เพื่อการพยากรณ์ นอกจากนี้ยัง ใช้สำหรับการวิจัย เช่นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ รู้ถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างความร้อนในชั้นบรรยากาศ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการศึกษาตัวขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์

ประโยชน์ด้านกิจการบิน

การเข้าร่วมใน AMDAR นำไปสู่ประโยชน์ที่ทราบกันดีและมีความสำคัญของการพยากรณ์ทางอุตุนิยมวิทยาและการบริการด้านการบิน โดย NMHS ทำการกระจายข้อมูล AMDAR  โดยอัตโนมัติไปยัง NMHSs อื่น ๆ ที่เป็นสมาชิกของ WMO ที่เป็นศูนย์ ต่าง ๆ ของการดำเนินงานแบบจำลอง เช่น ECMWF และ WAFCsสามารถดำเนินการวางแผนการบินได้อย่างมีประสิทธิภาพจากต้นทาง-ปลายทาง

สายการบินที่อยู่ในเขตข้อมูลน้อย ย่อมมีแนวโน้มที่จะเห็นผลกระทบมากใน การบริการที่เกี่ยวข้องกับการพยากรณ์อากาศและ NWPโดยข้อมูล AMDAR จะเพิ่มประโยชน์และประหยัดค่าใช้จ่ายให้กับสายการบิน เป็นหลักใหญ่ คือ

-           ลดค่าใช้จ่ายที่จะเกิดจากผลกระทบจากสภาวะอากาศที่ทำให้เกิดความล่าช้าของเที่ยวบิน

-           ความแม่นยำของการพยากรณ์ลักษณะอากาศในเส้นทางการบิน เพื่อให้เกิดความปลอดภัยผู้โดยสารและทรัพย์สิน

-           การคาดหมายลมชั้นบนที่ดีสามารถช่วยลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงในแต่ละเที่ยวบินเพื่อการประหยัดพลังงาน

-           มีการตรวจสอบติดตามการทำงานของอุปกรณ์เซนเซอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องบิน

-           ลดผลกระทบมลภาวะด้านสิ่งแวดล้อม

รายละเอียดเพิ่มเติม 

http://www.wmo.int/pages/prog/www/GOS/ABO/data/ABO_Benefits.html

- AMDAR data in NWP – HKO Experience

              ในการดำเนินการระบบพยากรณ์อากาศเชิงตัวเลข ( Numerical Weather Prediction) ของฮ่องกง ในแบบ Meso-Scale มีข้อมูลอากาศชั้นบนที่เป็นผลการหยั่งอากาศ (Upper Air Sounding) จำนวน 1305 รายงานต่อวัน และข้อมูลจาก AMDAR จำนวน 106236 รายงานต่อวัน โดยจะทำการ Update ข้อมูลเข้าสู่ระบบทุก  3 ชม.

            ในปัจจุบันนี้ฮ่องกงได้ทำการปรับปรุงข้อมูลของ AMDAR ที่ Generated แล้วส่งผ่านระบบ GTS เป็นในรูปแบบของ BUFR Code (FM94) และเพิ่มปริมาณการรับข้อมูล AMDAR มาจากเครื่องบินเพื่อทำการ Generateในxปริมาณความถี่ที่สูงมากขึ้น

ตัวอย่าง   

ประโยชน์ที่สายการบินคาเธ่ย์แปซิฟิค นำเสนอผลที่ได้รับจากการเข้าร่วมในโปรแกรม: AMDAR

-            การจัดการเพื่อหลีกเลี่ยงสภาพอากาศรุนแรงในแต่ละเที่ยวบิน เช่น Turbulence

-            บริหารระยะเวลาได้ถูกต้องในการบินไปยังจุดหมายปลายทาง

-            การวางแผนเที่ยวบินและการใช้เชื้อเพลิงที่แม่นยำมากขึ้นตามระยะทางที่บิน เป็นการเพิ่มความเชื่อมั่นแก่นักบินที่จะลดความเสี่ยงในสถานการณ์ฉุกเฉิน

-            มีข้อมูลลมที่ดีมากยิ่งขึ้นสำหรับการไต่ระดับบิน

-            มีข้อมูลพยากรณ์สภาพอากาศ ที่ถูกต้องมากขึ้นเพื่อสนับสนุนการขึ้น/ลงของแต่ละเที่ยวบิน

   โดยมีข้อมูลจากรายงานของเครื่องบิน CX จำนวน 34  ฉบับต่อวัน และมีข้อมูลจากเครื่องบิน KA จำนวน24  ฉบับต่อวัน โดยมีข้อตกลงร่วมในการส่งรายงานข้อมูล AMDAR ให้แก่ HKO อย่างต่อเนื่องเพื่อใช้ในการปรับปรุงในการพยากรณ์อากาศ

                   

                   - ASIA Region II AMDAR status update

                           ปัจจุบันในภูมิภาคเอเชีย RA II มีเพียง 4 ประเทศที่ได้ดำเนินการในโปรแกรม AMDAR ของทาง WMO แล้วก็คือ

                   - จีน                   มีพันธมิตรร่วม 4 สายการบิน

                   - ฮ่องกง              มีพันธมิตรร่วม 2 สายการบิน

                   - ญี่ปุ่น                มีพันธมิตรร่วม 2 สายการบิน

                   - เกาหลีใต้           มีพันธมิตรร่วม 2 สายการบิน

           สำหรับในภูมิภาค Asia Pacific & SE Asia  ( ยกเว้น ญี่ปุ่น, เกาหลีใต้, ฮ่องกงและจีน) มีข้อมูลน้อยมากไม่ถึง 1 % เมื่อเทียบกับผลการดำเนินงานของโครงการ พบว่ามีเพียง 9 เมืองที่มีรายงานข้อมูล AMDAR  โดยที่สิงคโปร์มีปริมาณข้อมูลสูงสุดที่จำนวน 221 รายงานต่อสัปดาห์

          การพัฒนาในภูมิภาคเอเชีย RA II

§ จีนได้พัฒนาจากส่งข้อมูลในรูปแบบของ Text Format มาเป็น BUFR Code

§ ฮ่องกงได้เพิ่มขยายการ Generated ข้อมูลเพื่อทำการกระจายออกสู่ช่องทาง GTS จากจำนวน 9 ฉบับ เป็น  50 ฉบับ รวมทั้งเพิ่มปริมาณความถี่การนำเข้าข้อมูลเพื่อประมวลผลเป็นทุก 3 วินาที

§   มีเพิ่มการรายงาน Windshear

§ JMA, HKG, UAE-MET มีการดำเนินการก้าวเข้าสู่ Mode -S

        - Water Vapour Measurement

สำหรับอุปกรณ์การตรวจวัดความชื้นในบรรยากาศ ได้มีการติดตั้งแล้วสำหรับเครื่องบินแบบใหม่ ๆ ของบริษัทผู้ผลิตทั้ง AIRBUS และBOEING จะทำให้ได้รับข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยาที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นซึ่งเป็นประโยชน์มากในการคาดหมายลักษณะอากาศและการพยากรณ์อากาศเชิงตัวเลข (NWP) โดยเครื่องมือนี้ติดตั้งได้กับเครื่องบินทุกแบบ ในปัจจุบันดำเนินการแล้วในภูมิภาคยุโรปและอเมริกา

 - Other Aircraft Based Observation System

                      ระบบส่งข้อมูลผ่าน ADS-C ( Automatic Data Surveillance, Contract), ADS-B ( Automatic Data Surveillance, Broadcast), Mode-S และ Troposphere AMDAR (TAMDAR)

           ADS-C ผ่านการเชื่อมโยงทาง ATSU (Air Traffic Services Unit) or AOC ตามที่กำหนดใน ANNEX 3 /Chapter 5 และในคู่มือICAO Doc. 8896

                      ระบบAFIRS  (Automated Flight Information Reporting System) ใช้ในออสเตรเลีย

-Data from Air Navigation System : ADS-B and HKO

ฮ่องกงได้มีการติดตั้งเครื่องรับระบบ ADS-B ในปี 2016 จาก ADS-B พัฒนาสู่การใช้ Mode-S Downlink ที่มีขีดความสามารถที่สูงเพิ่มขึ้น เพื่อที่จะประมวลผลและส่งข้อมูลด้านอุตุนิยมวิทยาได้

ตัวอย่าง ข้อมูลจาก AMDAR

ดูเพิ่มเติมที่ลิ้งค์ 
WMO-AMDAR => https://www.slideshare.net/banchakaewngam/the-wmo-amdar-observing-system 

Remote Sensing

Weather Radar 

เรียบเรียงโดย นายบัญชา ฅนชายขอบเมือง 
          
          เรดาร์ตรวจอากาศ Weather Radar หรือเรียกอีกอย่างว่า เรดาร์อุตุนิยมวิทยา Meteorological Radar   เป็น เรดาร์ตรวจอากาศที่ใช้งานในทางอุตุนิยมวิทยา โดยทั่วไปปัจจุบันจะมีอยู่ 3 ชนิด คือ 
     X-Band มีความยาวคลื่น  3 cm.
     C-Band มีความยาวคลื่น  5 cm.
และ S-Band มีความยาวคลื่น 10 cm.

หลักการของเรดาร์
•ส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (ไมโครเวฟ) ออกไปในรูปแบบของ Pulses

•คำนวณค่าสัญญาณคลื่นที่สะท้อนกลับ  ด้วยสมการเรดาร์เพื่อแสดงผล

      

                                         by USATODAY.COM

         ตามหลักการทำงานโดยทั่วไปของเรดาร์ เป็นการวัดค่าการสะท้อนกลับของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งถูกออกไปในรูปแบบกลุ่มลูกคลื่นมีลักษณะเป็นช่วงๆ (Pulse) เป็นขบวนต่อเนื่องกันไป เพื่อที่จะสามารถทำการตรวจวัดได้ง่ายขึ้น เมื่อคลื่นสะท้อนกลับมาจากการกระทบกับเป้าหมาย หรือวัตถุ  แต่เนื่องจากค่าพลังงานที่สะท้อนกลับนั้นจะมีค่าต่ำมาก ดังนั้นภาครับของเครื่องเรดาร์จะมีส่วนที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณให้มีกำลังสูงขึ้นเพื่อง่ายต่อการแปลงผลลัพธ์จากสัญญาณสะท้อนกลับที่ได้ออกมาในรูปแบบภาพชนิดต่างๆให้เราได้เห็นทางชุดแสดงผล 
    โดยที่กลุ่มของลูกคลื่นที่ถูกส่งออกไปจะมีช่วงกว้างลูกคลื่น ( Pulse Width, ĩ ) ซึ่งเป็นค่าช่วงเวลาที่ใช้ในการส่งแต่ละลูกคลื่น มีหน่วยวัดเป็น ไมโครวินาที ( Micro second, µs ) ส่วนความกว้างของลำคลื่นเรดาร์ (Beam Width) เป็นมุมที่เบนออกจากแกนกลางของลำบีมคลื่นเรดาร์ (ในสัณฐานรูปกรวย) ที่ถูกส่งจากจานสายอากาศรูปทรงพาราโบลา โดยที่จะมีค่าความเข้มสัญญาณสูงสุดในแนวตั้งฉากกับจานสายอากาศ สำหรับระยะห่างกันของแต่ละลูกคลื่น ( Pulse Length, h )  ที่ถูกส่งออกไปจากจานสายอากาศจะมีความสัมพันธ์กับช่วงกว้างลูกคลื่น ( Pulse Width, ĩ ) ด้วย

สัญญาณคลื่นมีความแตกต่างกันตามชนิดของเรดาร์ เมื่อกระทบกับเป้าหมาย หรือวัตถุ ก็จะสะท้อนกลับมา สัญญาณที่สะท้อนกลับมาจะถูกประมวลผล เพื่อแสดงผลข้อมูลทำให้สามารถทราบลักษณะ และตำแหน่งของเป้าหมายได้  ซึ่งเรดาร์ตรวจอากาศที่มีช่วงคลื่นสั้น จะสามารถตรวจจับหยาดน้ำฟ้าที่มีขนาดเล็กๆได้ดีกว่าเครื่องเรดาร์ที่ช่วงคลื่นที่ยาว แต่จะถูกดูดกลืนได้มากและไม่สามารถทะลุผ่านเมื่อกลุ่มของหยาดน้ำฟ้ามีขนาดใหญ่และมีความรุนแรง เช่นเครื่องเรดาร์ชนิด C-Band มีความยาวคลื่น 5 เซนติเมตร สามารถตรวจจับกลุ่มฝนที่มีขนาดของเม็ดฝนที่มีขนาดเล็ก ที่เป็นฝนกำลังอ่อนตกเบาๆได้ดีกว่าเครื่องเรดาร์ชนิด S-Band ที่มีความยาวคลื่น 10 เซนติเมตร แต่เครื่องเรดาร์ชนิด S-Band จะสามารถตรวจจับกลุ่มฝนที่มีเม็ดฝนขนาดใหญ่และรุนแรงอย่างเช่นกลุ่มของ Severe Thunderstorms, Tornado หรือ Tropical Cyclone ได้ดีกว่า

ค่าสัญญาณที่สะท้อนกลับมายังจานสายอากาศ จะดีหรือไม่ดีมีปัจจัยอันเป็นผลกระทบ คือความยาวคลื่นเรดาร์ (Wave Length) ขนาด (Size) รูปร่าง (Shape) สถานะ (Phase) ของเป้า อุณหภูมิอากาศ (Temperature) เป็นต้น

ส่วนประกอบเครื่องเรดาร์

     •TRANSMITTER

   •RECEIVER

   •ANTENNA

   •CONTROL UNIT

   •DATA PROCESSOR

   •MONITOR UNIT

              http://readingrat.net/pulse-radar-block-diagram/pulse-radar-block-diagram-the-wiring-diagram-2/

โดยจะมี

    Modulator => เป็นส่วนที่ทำหน้าที่สร้างคลื่นสัญญาณของเรดาร์ในแบบ Pulse ให้ออกมาตรงตามจังหวะของตัวควบคุมที่เรียกว่า Master timer

       Transmitter => เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ส่งคลื่นสัญญาณเรดาร์ (Radar pulse) ที่มีการผสมผสานเข้ากับคลื่นจากอุปกรณ์ที่เป็นตัวต้นกำเนิด เช่น Klystron, Magnetron หรือ Solid state เพื่อให้ได้สัญญาณคลื่นเรดาร์ที่มีกำลังสูงแล้วจึงถูกส่งจาก Transmitter ออกไปตรวจจับเป้าหมาย

       Waveguide => ลักษณะเป็นท่อโลหะ ทำหน้าที่นำคลื่นเรดาร์จาก Transmitter ผ่านไปยังจานสายอากาศ ขนาดของ waveguide ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดจะมีความสัมพันธ์กับค่าความถี่และความยาวคลื่นเรดาร์ โดยขนาดหน้าตัดเป็นครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น โดยในระบบเรดาร์นำ waveguide มาใช้แทนลวดทองแดงเพราะมีประสิทธิภาพสูงกว่าและมีอัตราการสูญเสียพลังงานระหว่างการเดินทางของคลื่นน้อยกว่า

       Duplexer หรือ Transmit/Receive Switch => ทำหน้าที่เป็นตัวสวิทช์เครื่องรับ-ส่ง เลือกการทำงานสลับกันให้เครื่องเรดาร์ทำงาน

       Control Unit => เป็นProcessor ทำหน้าที่จัดการควบคุมการทำงานของระบบเครื่องเรดาร์

      Antenna => เป็นจานสายอากาศ ทำหน้าที่ส่งกระจายคลื่นออกไปตามทิศทางที่กำหนดและรวบรวมสัญญาณคลื่นที่สะท้อนกลับมา โดยจานสายอากาศมีในหลายรูปแบบ เช่น Parabolic, Planar array

      Receiver => เป็นส่วนที่เป็นภาครับสัญญาณ ทำหน้าที่ขยายสัญญาณเรดาร์ที่สะท้อนกลับมาซึ่งจะมีค่าต่ำมากให้มีค่าพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อให้สามารถนำมาประมวลผลได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

      Data Processor => เป็นชุดคอมพิวเตอร์ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูลของสัญญาณที่สะท้อนกลับมาจากเป้ารวมทั้งจัดเก็บข้อมูล

      Monitor Unit => เป็นส่วนที่ทำหน้าที่แสดงผลการตรวจของเครื่องเรดาร์ อันประกอบด้วย หน่วยประมวลผล (processor) และชุดแสดงภาพ (Display) ทำหน้าที่แสดงผลที่ได้รับการประมวลแล้วออกมาเป็นผลผลิตชนิดต่างๆ

  การที่โลกมีสัณฐานเป็นทรงกลมดังนั้นพื้นผิวของโลกเราจึงมีความโค้ง ทำให้การเดินทางของลำคลื่นเรดาร์ ที่เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีการเดินทางเป็นแนวโค้งที่ประมาณ 4/3 ของความโค้งผิวโลก ดังรูปที่ 1 จึงต้องมีการหักแก้ Radiation Factor เทียบกับระดับน้ำทะเลปานกลาง (Mean Sea Level, MSL) เพื่อเป็นการหักแก้ให้แนวลำคลื่นเสมือนว่าเดินทางในแนวขนานกับพื้นผิวโลกมากที่สุด

                                 by http://weather.uprm.edu/newinterface/

 ในเขตโซนร้อนนั้นการตรวจจับสภาวะกลุ่มฝนที่ตกลงสู่พื้นดิน จะมีความถูกต้องเป็นที่ยอมรับ ใกล้เคียงค่าความเป็นจริง ที่ระยะทำการตรวจของเรดาร์ในรัศมีไม่เกิน 150 กิโลเมตร จากสถานีเรดาร์ตรวจอากาศ ภาพที่แสดงผลบนจอเรดาร์อาจจะมีการผิดเพี้ยนไปจากปรากฎการณ์จริงของสภาวะอากาศได้ ทั้งรูปร่าง ขนาด ระยะทาง ทิศทาง ตำแหน่ง ความสูง ความรุนแรง เนื่องมาจากสาเหตุสำคัญๆคือ ความกว้างของลำคลื่น (Beam Width) อัตราการหมุนจานสายอากาศ ระยะ(ขนาด)ของลำลูกคลื่น ความโค้งผิวโลก กำลังของเครื่องส่ง ระยะห่างของเป้า กระแสลมในชั้นบรรยากาศ เหล่านี้เป็นต้น

                ในการตรวจจับค่าสัญญาณที่สะท้อนกลับมาจากเป้าที่คลื่นไปกระทบนั้น นักวิทยาศาสตร์ ได้นำหน่วยที่เรียกว่า”เดซิเบล” (dB) มาใช้เพราะว่าคลื่นเรดาร์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อยู่ในย่านความถึ่ช่วงเดียวกับคลื่นเสียงนั่นเอง โดยที่อนุมาณว่าความแรงของสัญญาณคลื่นเรดาร์เป็นเช่นเดียวกับความดังของคลื่นวิทยุ 

ในการส่งคลื่นเรดาร์เดินทางไปในชั้นบรรยากาศจะถูกลดทอนความเข้มของสัญญาณจากการดูดกลืนจากสภาวะแวดล้อมในบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ หรือละอองฝุ่นผง ก๊าซออกซิเจน ก๊าซไนโตรเจน เป็นต้น ซึ่งสัญญาณคลื่นเรดาร์จะถูกลดทอน (Loss Signal) ไปโดยปกติเฉลี่ยที่ประมาณ 0.01 dB/km หรือ 1 dB/100 km 

โดยปกติแล้วค่าสัญญาณที่สะท้อนกลับมาจากการกระทบเป้าของคลื่นเรดาร์จะมีกำลังอ่อนมาก ดังนั้นในการคำนวณหาค่าสัญญาณสะท้อนกลับ (Reflectivity)  จำเป็นต้องใช้สมการที่เป็นไปตามกฎ Inverse Square Law คือ

Ze   =  Prx  + 20 log r + C      มีหน่วย dB

เมื่อ   Ze   = Reflectivity

        Prx  = Receiver Power

        R     = Range

                        C     = Constant of Radar 

สามารถทำการแปลงให้เป็นหน่วยของ  dBZ  ตามนี้คือ

        dBZ  = 10 log(Ze)

การแปลงค่าสัญญาณ Reflectivity Effective ของเครื่องเรดาร์ตรวจอากาศที่แสดงผลบนจอภาพจะสามารถแสดงได้ทั้งค่าที่เป็น Reflectivity และ Rain Rate ของเป้ากลุ่มฝน ตามความสัมพันธ์ในสมการเรดาร์พื้นฐาน คือ

Z  =  AR^b

เมื่อ  

Z      =  Reflectivity

A, b  =  ค่าคงที่ (เครื่องเรดาร์สุวรรณภูมิ A = 200, b = 1.6)

R      = อัตราการตกของฝน  ( มม./ชม.)

*ค่าของ A และ b สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความเหมาะสมของสภาวะฝนในแต่ละพื้นที่ เมื่อทำการศึกษาวิจัยถึงค่าที่เหมาะสมนำมาใช้เป็นค่ามาตรฐานอ้างอิงในสมการ

          ในการวัดค่าความแรงของสัญญาณสะท้อนกลับของกลุ่มฝน จะใช้ ความสัมพันธ์ตามสมการข้างต้น นำมาเทียบเคียงกับการรายงานเกณฑ์ฝนของกรมอุตุนิยมวิทยา ตามที่กำหนดไว้คือ

       ฝนกำลังอ่อน        มีอัตราการตกที่เกณฑ์    0.1-5.0  มม./ชม.

      ฝนกำลังปานกลาง                ”               5.1-25.0  มม./ชม.

      ฝนกำลังแรง(หนัก)               ”              25.1-50.0  มม./ชม.

      ฝนกำลังแรงมาก(หนักมาก)    ”              50.1-55.0  มม./ชม.

      ฝนรุนแรงถึงรุนแรงมาก มีลูกเห็บตก  ”    >55.0 -…    มม./ชม.

Doppler  Weather Radar

เครื่องเรดาร์ตรวจอากาศเป็นเครื่องมือวิทยาศาสตร์ประเภทหนึ่งที่ใช้หลักการทางฟิสิกส์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นพื้นฐานซึ่งอยู่ในย่านความถี่ของคลื่นไมโครเวฟ ที่ความถี่ 300MHz -30GHz โดยคลื่นเรดาร์ที่ถูกผลิตขึ้นมาแล้วส่งออกไปจากจานสายอากาศในรูปแบบของ Pulse กระทบเป้าแล้วสะท้อนกลับมายังสายอากาศเข้าสู่เครื่องรับ (Receiver) จะคำนวณระยะห่างของเป้าที่พบได้จากสมการความสัมพันธ์ของระยะทางในการเคลื่อนที่กับเวลา คือ

        
             R  =  c ∆t/2

เมื่อ        R   = ระยะห่างของเป้า

              c   = ความเร็วคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีค่า 3 x 10⁸ m/s

 ∆t  =  เวลาที่ใช้ในการเดินทางของลูกคลื่น (Pulse) ไป-กลับ

        ดอปเปลอร์เรดาร์ (Doppler Radar) มีคุณสมบัติที่เด่นชัดคือส่วนของข้อมูลชนิด Velocity  กับ Spectrum Width (Spectrum Width: SW เป็นการแสดงค่าการเปลี่ยนแปลงของความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่นเรดาร์ในรูปแบบ Velocity Curve เทียบกับค่ามาตรฐานกลางเฉลี่ย (Standard Deviation: SD) ซึ่งนำมาใช้เพื่อวิเคราะห์สภาวะที่เกิดปรากฏการณ์ Windshear และ Turbulence  จากการเปลี่ยนแปลงของระยะกว้างของช่วงคลื่นเบี่ยงเบนไปจากค่า Normal Distribution Curve หรือที่เรียกว่า “Gaussian Distribution Curve” เป็นตัวบ่งชี้ลักษณะการเกิดสภาวะปั่นป่วน (Turbulence) ในกลุ่มเซลพายุฝนฟ้าคะนอง

            การเคลื่อนที่ของคลื่นเรดาร์ในบรรยากาศความเร็วของคลื่นจะมีการเปลี่ยนแปลงไปโดยประมาณที่ 0.03% ตามการเปลี่ยนแปลงความสูง 

ความสัมพันธ์กันระหว่างช่วงเวลาในการเดินทางของลูกคลื่นเรดาร์ (pulse) ในแต่ละลูกคลื่น ของแต่ละความถี่ที่ใช้ เช่นกรณีของ Short Pulse ที่มี PRF 600 Hz (Pulse/Sec) ถ้าเครื่องเรดาร์กำหนดให้จานสายอากาศมีอัตราการหมุน 2 รอบ/นาที เท่ากับว่าจะส่งคลื่นออกไปได้จำนวน 36000 Pulse/Min. หรือ รอบละ18000 Pulse ซึ่งจะมีความสัมพันธ์กันกับจำนวนลำรังสี (Ray Beam)ของคลื่นที่ส่งออกไป ในแต่ละรอบการหมุนของจานสายอากาศ แล้วนำมาคำนวณหาค่าของ จำนวนSamples ของสัญญาณเพื่อให้ได้ค่าสะท้อนกลับที่มีคุณภาพดีที่สุดต่อไป 
โดยที่   Ray Width x PRF   =   Sample x Antenna Rate

  ใน Pulse Doppler Radar System บางครั้งก็เกิดมีภาพแปลกปลอมขึ้นมาได้ เนื่องจากเป้าตรวจจับมีตำแหน่งอยู่นอกระยะของลูกคลื่น (Pulse Range) ของเครื่องเรดาร์ที่ส่งออกไป แต่เราสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ด้วยการปรับค่าของระยะห่างของแต่ละลูกคลื่นที่ถูกส่งออกไป ตามเทคนิควิธีที่เรียกว่า “Unambiguous Range” เพื่อใช้ปรับแก้ระยะของลูกคลื่นให้ได้ค่าตรงตามระยะเป้าที่ตรวจจับ

   Doppler  Frequency of Target

             ในการส่งคลื่นเรดาร์จากเครื่องเรดาร์ตรวจอากาศใน 1 ลูกคลื่น ( Wave Form ) อาจจะมีได้ถึง 4-5 cycles ของ Doppler Frequency ที่สะท้อนกลับมาต่อเนื่องกันเป็นลักษณะ Continuous Wave Echoจากการส่งคลื่นเรดาร์ออกไปในแต่ละ Pulse    ซึ่งจากลักษณะเช่นนี้จึงทำการตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงไปของสัญญาณคลื่น ที่เป็นไปตามลักษณะของปรากฎการณ์ที่เรียกว่า Doppler Effected มาประยุกต์ใช้ในการวัดผลการตรวจเรดาร์ในโหมดของ Velocity

รูปแบบการตรวจเรดาร์

•มี 2 รูปแบบ คือ

  1. การตรวจในระนาบตามแนวรัศมีตามมุมยกของจานสายอากาศ เรียกว่าแบบ PPI (Plan Position Indicator)

  2. การตรวจในแนวดิ่งตามมุมก้ม-เงย ของจานสายอากาศ    ที่ตำแหน่งทิศองศามุมคงที่ เรียกว่าแบบ RHI (Range Height Indicator)

                                                                                      (credit Delft University)

https://iradanhujan.wordpress.com/2016/05/25/catatan-jikken-cloud-microphysic-monitoring/

  

 ข้อมูลจากการตรวจเรดาร์

 •INTENSITY แสดงค่าความเข้มสัญญาณสะท้อนกลับของเป้า มี 2 ชนิดคือ

  -Reflectivity ในหน่วยเดซิเบล (dBz)

  -Rain Rate ในหน่วย มิลลิเมตร/ชั่วโมง (mm/hr)

•RADIAL VELOCITY แสดงการเคลื่อนตัวของอนุภาคของเป้าที่ตรวจจับได้ในแนวลำบีมของสัญญาณเรดาร์ ใน2 ลักษณะคือ

  - Toward =>อนุภาคเคลื่อนที่เข้าหาสถานีเรดาร์

  - Away =>อนุภาคเคลื่อนที่ออกจากสถานีเรดาร์

• SPECTRUM WIDTH แสดงค่าการเปลี่ยนแปลงของรูปแบบคลื่น (Wave Form ) ของสัญญาณดอปเปลอร์ที่เปลี่ยนไปจากรูปแบบปกติ

ผลิตผลหลักของภาพจากเรดาร์ตรวจอากาศ

•PPI (Plan Position Indicator )

•RHI (Range Height Indicator )

•CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator )

•TOPS (Echo Tops )

•LRA (Layer Reflectivity Average )

•VIL (Vertical Integrated Liquid )

•CMAX (Column Maxima )

•BASE (Base Section )

              ภาพผลการตรวจอากาศด้วยเรดาร์จะแสดงผลให้เราได้เห็นไม่ใช่เฉพาะหยดน้ำฝนเท่านั้นแต่ยังมีสิ่งอื่นๆที่อยู่ในอากาศเหนือพื้นดินที่สามารถตรวจจับได้เช่นกัน ไม่ว่าจะเป็นฝูงแมลง ฝูงนก

              สำหรับกลุ่มฝนนั้นภาพจากผลการตรวจอากาศด้วย Doppler Radar   สามารถแสดงค่าการสะท้อนกลับของคลื่นเรดาร์ได้หลากหลายชนิดทั้งในแบบแสดงความเข้มของสัญญาณ (dBZ) แสดงค่าเป็นอัตราความแรงการตกของฝน ( mm/hr )  แสดงทิศทางและความเร็วในการเคลื่อนตัวของกลุ่มฝน ผู้ใช้ข้อมูลภาพเรดาร์จำเป็นต้องทราบความหมายอย่างชัดเจน 

          การแปลภาพผลการตรวจเรดาร์ โดยทั่วไปเป้าที่เป็นกลุ่มฝนจะมีรูปร่างที่มีเฉดสีต่อเนื่องเป็นกลุ่มก้อนไล่ลำดับกันไปตามค่าความเข้มของสัญญาณที่สะท้อนกลับจากเป้าที่กระทบ มีการแบ่งตามสเกลที่กำหนดเป็นเกณฑ์ตามกำลังความแรงการตกของฝน มีลำดับจาก ฝนกำลังอ่อนไปจนถึงฝนกำลังแรงมาก

        

                                          ภาพผลการตรวจเรดาร์ชนิดCAPPI (สถานีเรดาร์ฝนหลวง สัตหีบ)

         -จากภาพด้านบนแสดงค่าสัญญาณเรดาร์ตรวจจับเป้ากลุ่มฝนที่ปรากฏเมื่อพบบริเวณที่ค่าความแรงของสัญญาณมีความเข้มสีแดง-ม่วงบริเวณในตอนกลางด้านในสุดของเซลล์ฝน แสดงค่าสูงถึง ประมาณ 50 dBZ วิเคราะห์ได้ว่าเป็นบริเวณที่เกิดฝนตกหนักถึงหนักมากและมีพายุฝนฟ้าคะนอง ที่มีความรุนแรง เสี่ยงต่อการเกิดฟ้าแลบ ฟ้าผ่าได้

         -การตรวจแบบ RHI เพื่อการติดตามและวิเคราะห์กลุ่มฝนฟ้าคะนองที่อยู่ในความน่าสนใจ ซึ่งสามารถบ่งบอกได้ถึงคุณลักษณะภายในของเซลล์ฝนฟ้าคะนอง

https://www.eoas.ubc.ca/courses/atsc201/A201Resources/RadarStormInterpTutorial/RadarReflectInterp.html

 การตรวจ RHI นอกจากจะตรวจลักษณะที่เกิดขึ้นขึ้นภายในเซลล์พายุฝนฟ้าคะนองแล้วยังสามรถตรวจจับแนวกระแสลมกระโชกด้านหน้าของเซลล์ฝนฟ้าคะนอง  (Gust Front Line ) ได้อีกด้วย  จากภาพด้านล่าง จะพบว่่ามีพายุฝนฟ้าคะนองที่มีค่าสัญญาณกำลังแรงสูงถึงมากกว่า 50 dBZ  ดังเห็นได้จากแกนกลางของภาพ RHI ด้านล่าง  แสดงให้ทราบถึงการเกิดฝนฟ้าคะนองที่รุนแรงและมีลูกเห็บตกสู่พื้นดิน พร้อมกับกระแสลมแรงพัดลงด้านหน้าเซลล์

                                http://faculty.luther.edu/~bernatzr/Courses/Sci123/comet/radar/severe_signatures/print_50dBZ.htm

              การดูภาพเรดาร์ได้อย่างเข้าใจในหลักการทำงานของเครื่องเรดาร์ตรวจอากาศสามารถช่วยให้เราวิเคราะห์สภาวะของอากาศโดยเฉพาะอย่างยิ่งกลุ่มพายุฝนฟ้าคะนองได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยให้เราสามารถคาดหมายสภาวะอากาศในช่วงระยะเวลาใกล้ๆใน 1-2 ชั่วโมงข้างหน้าได้ถูกต้องแม่นยำตามสภาพอากาศที่จะเกิดมากยิ่งขึ้น

               เรดาร์ตรวจอากาศที่ใช้กับภารกิจด้านอากาศการบิน ปกติมักจะเป็นเรดาร์ชนิดดอปเปลอร์ที่ติดตั้งเพื่อตรวจวัดสภาวะอากาศที่ร้ายแรงที่จะเข้ามากระทบพื้นที่เขตสนามบิน เพื่อช่วยในการออกคำเตือนเพื่อความปลอดภัยในการปฏิบัติงานของทั้งพนักงานภาคพื้นและอากาศยานที่ทำการบินขึ้น-ลงที่สนามบิน 

          ในการตรวจ-ติดตามสภาวะกลุ่มฝนด้วยเครื่องเรดาร์ตรวจอากาศ สามารถนำผลจากการตรวจมาวิเคราะห์เพื่อการพยากรณ์อากาศในระยะปัจจุบัน (Now Cast) ภายในช่วงเวลา 1-3 ชั่วโมงข้างหน้า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับภารกิจของอุตุนิยมวิทยาการบิน ในการแจ้งเตือนลักษณะอากาศรุนแรงที่มีสาเหตุจากการเกิดพายุฝนฟ้าคะนอง อันมีผลกระทบในการขึ้น-ลงของอากาศยานที่สนามบิน

             ลักษณะอากาศที่รุนแรงและก่อให้เกิดผลกระทบต่อการนำเครื่งบินขึ้ง-ลงที่สนามบินที่เด่นชัด ก็มีเช่น กระแสลมกระโชกแรงพัดขวางแนวทางวิง wind shear Turbulence รวมถึงฟ้าผ่าที่มาจากพายุฝนฟ้าคะนองที่มีกำลังรุนแรง 

             Weather RADAR สามารถแสดงค่าการตรวจวัดออกมาได้ทั้งในรูปแบบของค่าความเข้มของสัญญาณสะท้อนกลับ ในหน่วย เดซิเบล (dBZ) และค่าอัตราความแรงการตกของหยดน้ำฝน ในหน่วย มิลลิเมตรต่อช่ัวโมง (mm/hr)

                              ภาพผลการตรวจเรดาร์ชนิดPPI (สถานีเรดาร์หนองจอก/กทม.)

         การแปลภาพผลการตรวจอากาศด้วยเรดาร์ โดยทั่วไปเป้าที่เป็นกลุ่มฝนจะมีรูปร่างที่มีเฉดสีต่อเนื่องเป็นกลุ่มก้อนไล่ลำดับกันไปตามค่าความเข้มของสัญญาณที่สะท้อนกลับจากเป้าที่กระทบ มีการแบ่งตามสเกลที่กำหนดเป็นเกณฑ์ตามกำลังความแรงการตกของฝน มีลำดับจาก ฝนกำลังอ่อนไปจนถึงฝนรุนแรงมาก โดยที่มีเกณฑ์อย่างหยาบๆที่เข้าใจได้ง่ายคือ บริเวณด้านในตรงกลางของเซลล์กลุ่มฝนจะมีความแรงมากที่สุดแล้วไล่ลำดับกันมาตามเฉดสี มีการแปลความหมายผลการตรวจจากภาพชนิด PPI แบบ Intensity ได้ดังนี้คือ 

          ช่วงสีเขียว-เหลือง= ฝนกำลังอ่อนหรือฝนเบาถึงฝนกำลังปานกลาง

          ช่วงสีเหลืองส้ม-แดง = ฝนกำลังปานกลางถึงฝนกำลังแรงหรือฝนหนัก

          ช่วงสีแดงเข้ม-ม่วง = ฝนกำลังแรงถึงฝนกำลังรุนแรงหรือฝนหนักถึงฝนหนักมาก(มักจะมีพายุฝนฟ้าคะนองหรือลูกเห็บตกด้วย)

          ช่วงสีม่วง-ขาวชมพู  = ฝนกำลังรุนแรงถึงรุนแรงมากและมีลูกเห็บตก

ภาพผลการตรวจเรดาร์ชนิด PPI Reflectivity

       
          สำหรับภาพผลการตรวจในแบบ Radial Velocity ก็จะมีความแตกต่างออกไป โดยจะเป็นภาพที่แสดงการเคลื่อนที่ของอนุภาคหยดน้ำหรือวัตถุต่างในอากาศตามแนวลำรังสีคลื่นเรดาร์ (Beam) โดยแสดงทั้งทิศทางและความเร็ว ด้วยเฉดสีแบ่งด้วยโทนสีเย็น (น้ำเงิน) แสดงถึงแนวทิศทางการเคลื่อนที่เข้าหาสถานีเรดาร์ และสีโทนร้อน (แดง) แสดงถึงแนวทิศทางการเคลื่อนที่ออกจากสถานีเรดาร์

                                    ภาพผลการตรวจเรดาร์ชนิด PPI Radial Velocity

          นอกจากแสดงให้เห็นแนวทิศทางและความเร็วของการเคลื่อนที่แล้ว ยังสามารถแสดงลักษณะของกระแสลมภายในของเซลล์กลุ่มฝนนั้นๆด้วยว่าเกิดการหมุนวนหรือมี Wind shear  Microburst โดยวิเคราะห์เพื่อการแจ้งเตือนภัยอันตรายให้แก่อากาศยานบริเวณเขตสนามบินที่จะทำการบินขึ้น-ลง ได้อย่างปลอดภัย

(เพิ่มเติม "Weather Radar_ppt_may60 ด้านล่าง) 

Weather Radar_ppt_may60 from bancha kaewngam