Development and implemetation of an attenuation correction algorithm for casa off the grid x-band radar network

Abstract

Weather radars as, part of forecasting systems, are useful tools for meteorology and hydrology purposes. Meteorological trends and patterns can be analyzed with the highest precision possible provided by these types of radars. In particular, X-band weather radars have various advantages such as high temporal and spatial resolution and low cost as compared to S-band systems. Yet, the main X-band radar limitation is the attenuation caused by rain and others hydrometeors. Several attenuation correction algorithms have been proposed for both single and dual polarized X-band radars. Here we present the development and implementation of a modified algorithm to correct for atmospheric attenuation for low-cost single-pol X-band weather radars, which will greatly improve the data provided by these systems. Previous studies have focused on the limitation (attenuation) of X-band weather radars and possible solutions. These studies were the motivation to develop and implement an 12 attenuation correction algorithm for the NSF CASA-ERC at UPRM Off-The-Grid (OTG) X-band radar network installed in the western region of Puerto Rico. This thesis describes the process of the development of this attenuation correction algorithm as well as the validation of such. This algorithm is then implemented to the data provided by the CASA OTG X-band radar. The method applied to estimate and correct the attenuation caused mainly by rain was based on a hybrid between Hitschfeld – Bordan (HB) method and Surface Reference Technique (SRT). A similar method was first adapted and tested by Colorado State University (CSU) with CASA radar but for estimating and correcting wet ice attenuation. The method was refered to as the SRT-modified correction method. This mentioned method uses the measured reflectivity (Zv) to estimate true reflectivity and specific attenuation (Av) at each range gate based on a power law Av-Zv relationship. The coefficient β is fixed, and α is adjusted along the path such that the path – integrated attenuation (PIA) estimated with Hitschfeld – Bordan method matches with the path – integrated attenuation estimated with surface reference technique method as specified in the SRT modified method. SRT modified method requires computing the difference between the un-attenuated S-band reference reflectivity (from the WSR-88D S-band NEXRAD located at Puerto Rico) and the X-band measured reflectivity (from the OTG X-band radar). The corrected radar reflectivity data was finally compared and the method was validated using X-band TropiNet radar data, an NSF funded network of dual-polarization, Doppler weather radars also located at UPRM. Before applying the attenuation correction algorithm, some aspects were taken into consideration such as: radar calibration, theoretical analysis of atmospheric attenuation and the effect of radar polarization.

Los radares meteorológicos, como parte de sistema de predicción del tiempo, son una herramienta muy útil en la meteorología y la hidrología. Las tendencias y patrones meteorológicos podrían ser analizados con la mayor precisión posible con este tipo de radares. En particular, radares meteorológicos banda -X tiene varias ventajas como lo es su alta resolución temporal y espacial y bajo costo. Aun la principal limitación de los radares banda- X es la atenuación causada por la lluvia y otros hidrometeoros. Algunos algoritmos de corrección de atenuación fueron propuestos tanto para radares de una polarización como de dos polarizaciones. Aquí presentamos el desarrollo e implementación de un algoritmo de corrección modificado para la atenuación debido a factores atmosféricos para radares meteorológicos de una sola polarización a bajo costo, el cual mejorar en gran medida la data proporcionada por estos sistemas. Estudios previos se han enfocado en la limitación (atenuación) de los radares banda–X y las posibles soluciones a estas limitaciones. Estos estudios previos fueron la motivación para desarrollar e implementar un algoritmo de corrección de atenuación por el NSF CASA-ERC en UPRM a la red de radares Off-The-Grid (OTG) banda–X instalado en la región oeste de Puerto Rico. Esta tesis describe el proceso de desarrollo del algoritmo de corrección de atenuación así como la validación de este. Este algoritmo fue luego implementado a la data proporcionada por los radares banda–X CASA OTG. El método aplicado para estimar y corregir la atenuación causada principalmente por lluvia fue basada en un híbrido entre el método de Hitschfeld – Bordan (HB) y la técnica de superficie de referencia (SRT). Un método similar fue adaptado y probado para los radares de la Universidad del Estado de Colorado (CSU) con radares del proyecto CASA para la estimación y corrección de la atenuación causada por hielo. El método se refirió al método de corrección SRT-modificado. Este método mencionado usa la reflectividad medida (Zv) para estimar la reflectividad corregida y la atenuación específica (Av) por casa rango basado en la relación de potencia Av-Zv. El coeficiente β es fijo, y α es ajustada en la medida que la estimación de la atenuación integrada (PIA) a lo largo de la trayectoria con el método de Hitschfeld – Bordan concuerda con la estimación de la atenuación integrada a lo largo de la trayectoria con el método de superficie de referencia, como es especificado en el método SRT-modificado. Este método requiere calcular las diferencia entre la reflectividad del radar de referencia banda–S (del WSR-88D banda–S NEXRAD localizado en Puerto Rico) y la reflectividad medida banda–X (del OTG banda–X). Los datos de reflectividad corregidos fueron finalmente comparados y el método fue validado usando el radar TropiNet banda –X, una red de radares de doble polarización auspiciada por NSF, radares meteorológicos Doppler localizados en UPRM. Antes de aplicar el algoritmo de corrección de atenuación, algunos aspectos fueron tomados en consideración como: la calibración del radar, análisis teórico de la atenuación atmosférica y los efectos de la polarización del radar.