Overview

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Monitoreo de Eventos Meteorológicos con Sistemas
de Radares DCAS
Sandra Cruz-Pol, Ph.D. Catedrática Ingeniería
Eléctrica y Directora CASA en UPRM Universidad
de Puerto Rico en Mayagüez Sept 15, 2007
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No hay suficiente conocimiento acerca de lo que
está pasando (o puede pasar) en la superficie de
la Tierra donde vive la gente. NRC, 1998
10,000 ft
3.05 km
snow
wind
tornado
earth surface
Horz. Scale 1 50 km Vert. Scale 1 -- 2 km
0
40
120
160
200
80
240
RANGE (km)
La curvatura de la Tierra no permite que el 72
de la troposfera por debajo de 1km sea observada.
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Observation Limitations
Single NEXRAD (TJUA) in PR Distance Cayey to
Mayagüez 100km Site Elevation 850 m Curvature
Beam Elevation (Above Site) 600 m Total Beam
Elevation (Above SL) 1.4 km
NEXRAD Rainfall 1 Hour Total
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NetRad System underneath NEXRAD
3 km
25 km
NetRad IP1 Goal Map winds below 3 km with 500 m
resolution
Water spout at Mayaguez, PR- Sept 2005
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DCAS Distributed Collaborative Adaptive Systems

• Red densa de radares de baja-potencia
• Miden los 3 km inferiores de la atmósfera
• radares que colaboran
• Percepción mejorada
• Mejora la detección, predicción, avisos,
  respuesta
• Responde a múltiples necesidades de usuarios

Muestreo de la atmósfera cuando y donde las
necesidades de los usuarios son mayores.
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NetRad Sampling Modes
Limited sector Mode
Sit-and-Spin Mode
Samples the Atmosphere When, Where the End-User
Need is Greatest
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Triangulación
Target lies within red region !
Radar3
Radar 1

• Blue represents Radar1 Radar 2 footprint
• Green represents Radar 3 footprint

Radar 2
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NetRad adaptive data pull
End users weather services, emergency response
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Sensores Requeridos para cobertura en EEUU
Off-the-grid Networks
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Tres (3) Camas de Prueba (Test beds)
Houston inundaciones (Yr4)
Oklahoma Tornados (Yr3)

• hydrologic hazards
• Smaller, cheaper radars
• urban demographics
• partnerships

Puerto Rico Lluvia tropical, orografía compleja
(Yr4)
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CASA IP1 - Oklahoma

• Consorcio entre UPRM, UMass, OU, CSU
• Tecnología probada en IP1, Oklahoma
• radares Doppler/Polarimétrico 250K c/u.

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Field Deployment in Oklahoma Test Bed
One of the test-bed sites
Concrete pad and tower section
Final integration of radar nodes on their
platforms at NSSLs garage.
Spring 2006
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IP1 Radares instalados en torres
Primavera del 2006
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CASA-IP1 Radar vs NWS-Nexrad
NEXRAD
DCAS
Primavera 2006
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Qué tenemos en Puerto Rico ?

• Dos Radares PR1 y PR2 (EWR)
• Proveen medidas de Reflectividad
• Radares son single-pol no son Doppler.
• Datos se ha colectado durante tormentas de lluvia.

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Puerto Rico IP3 Test Bed
Off-the-Grid Radar 1er nodo bajo prueba en UMass
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Flooding modeling using radar data

• Al programa Vflow se le entra una matriz con
  lat/lon con
• la inclinación de suelo
• el tipo de terreno,
• Data de lluvia de radares,
• y de salida nos provee las zonas propensas a
  inundaciones.

Oeste de Puerto Rico, matriz para Vflow
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Comparación
Por Carlos Rodríguez, estudiante graduado
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NEXrad PR2 (EWR)
Capas bajas, lluvia
Capas altas No necesariamente donde hay lluvia.
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Jenniffer
Jackie
Ricardo
Xiomara
Fred
Carlos
Alejandra
Estaciones Meteorológicas y Disdrometros
Jorge
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En Medellín
Proyecto Adaptivo Intra-Valle con Sensores
Atmosféricos PAISA
P A I S A

PAISA
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CASA PAISA MEDELLIN COLOMBIA with NOAA World
Bank
5 of the families in the Metropolitan Area
(about 30,000 families) live in high risks areas
where mudslides and flooding occur (UNAL,
2005.)
Medellin. The Body of Bernardo Cifuentes rescued
of last landslides occurred at May 20 2007. 5
death and 20 homes destroyed were reported
Jorge Salezar (UMass) Rafael Medina (UMass)
Manuel Vega (UPRM)
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Valle de Aburrá

• Rough preliminary layout of the DCAS radars
• (1) 10km, 5kW radar
• (5) 30km, 25kW DCAS radar units
• Noten que los radares DCAS teinen que solaparse,
  es decir que un evento atmosférico se muestrea
  desde 2 o más radares.

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Width of Valle de Aburrá 20 km (radius
10km) Peak pulse power 5kW P Beamwidth
2o Footprint radius _at_ 10km from radar (near
cliffs) 10,000tan(2o) r meters
350m Footprint area at 10km from the radar 3.14
r2 3.14 (350)2383,000 m2A Safety power
density S P/A (5000W)/(383,000 m2) 0.01305
W/m2 lt 0.01W/m2?
Scanning angle can be varied to decrease power
density intercepting population and to observe
optimally the clouds systems above.
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Panels EScan de Bajo Costo

• 10W's to 100 W peak power per panel
• 2 pencil beam, 1m X-band array (9 GHz)
• Dual linear polarization
• array panels per installation 3 or 4
• Azimuth scan range 450 to 600
• Elevation scan range
• 0-200(low level coverage, lt 3 km)
• 0-560 (full coverage, to 22 km)
• Cost 10k per panel

Additional specifications are a work-in-progress
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Phase-Tilt EScan Panel
Dual- pol µstrip patch radiators
aperture coupled slots
series-fed columns
active electronics
azimuth steering
64 columns, each with 1 W T/R module
CASA Prototype mid-2008
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Phase-Phase EScan Panel
1 m

• Best flexibility (power, scan range,
  performance)
• 3,000 T/R channels (10 mW/channel) performs
  electronic beam scanning in azimuth and elevation
• Requires substantial ( 1001) cost reductions
  compared to todays high-power military phased
  array radars
• innovations in use of commercial packaging Si
  T/R functions
• Angelo Puzella/Raytheon IRAD briefing IEEE 2007
  Radar Conference

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Configuración Institucional
Percepción Remota Ingeniería de
Microonda Redes Sistema tiempo-real Predicción
Numérica Manejo Emergencias Meteorología de
Radar inversión cuantitativa Estudios
Climáticos Impacto Social Diseño de
Antenas Hidrología Diseño Factor Humano Ciencia
de Decisión
socios externos
socios centrales académicos
peritaje
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CASA Socios Esenciales
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Resumen

• Redes de radares distribuidos para respuesta a
  inclemencias del tiempo
• Baja-potencia, radares corto-alcance
• Mapas congruentes de viento, lluvia de la
  troposfera baja hasta tope tormenta
• Estrategia tecnología RD en paralelo con
  despliegue sistema test bed.
• Escenarios Futuros
• Centros de Población zonas propensas a peligro
  Valles/puntos ciegos
• Suplementa- o quizá reemplace actuales enormes
  redes de radares de tiempo.

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Estamos abiertos a collaboración
Mi CASA es tu CASA
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Extra pageVolume coverage required power
Specs X-Band 1 meter aperture Zmin 10 dBZ (25
dBZ during heavy rain)
Low-level coverage
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Extra Page Increased PRF
Radar 1 (Area A)

Radar 2 (Area B)
AB
False Echo
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Frequency-Phase EScan panel
1 m

• Phase-steered in az direction (45 deg or 60
  deg)
• 64 1-Watt T/R modules
• Frequency-steer in elevation (0-20 degrees)
• Series-fed columns
• Requires 1 GHz bandwidth. Frequency allocation
  challenge.