Sandra Cruz-Pol, Ph.D. Catedrática Ingeniería Eléctrica y Directora CASA en UPRM Universidad de Puerto Rico en Mayagüez Sept 15, 2007 Monitoreo de Eventos Meteorológicos con Sistemas de Radares DCAS

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] La curvatura de la Tierra no permite que el 72% de la troposfera por debajo de 1km sea observada. 10,000 ft tornado wind earth surface snow 3.05 km RANGE (km) Horz. Scale: 1 = 50 km Vert. Scale: 1 -=- 2 km 5.4 km 1 km 2 km 4 km gap

Observation Limitations NEXRAD Rainfall 1 Hour Total 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

3 km 25 km NetRad System underneath NEXRAD NetRad IP1 Goal: Map winds below 3 km with 500 m resolution Water spout at Mayaguez, PR- Sept 2005

Muestreo de la atmósfera cuando y donde las necesidades de los usuarios son mayores. 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 DCAS – Distributed Collaborative Adaptive Systems

R1 R2 R1 configurations R2 configurations Sit-and-Spin Mode Limited sector Mode NetRad Sampling Modes Samples the Atmosphere When, Where the End-User Need is Greatest

Triangulación Target lies within red region ! Blue represents Radar1 & Radar 2 footprint Green represents Radar 3 footprint Radar3 Radar 1 Radar 2

NetRad: adaptive data pull End users: weather services, emergency response an end-to-end system

# Sensores Requeridos para cobertura en EEUU Off-the-grid Networks

Oklahoma – Tornados (Yr3) Houston: inundaciones (Yr4 ) Puerto Rico: Lluvia tropical, orografía compleja (Yr4) Tres (3) Camas de Prueba (Test beds) hydrologic hazards Smaller, cheaper radars urban demographics partnerships

CASA – IP1 - Oklahoma Consorcio entre UPRM, UMass, OU, CSU Tecnología probada en IP1, Oklahoma radares Doppler/Polarimétrico ~$250K c/u.

Field Deployment in Oklahoma Test Bed Final integration of radar nodes on their platforms at NSSLs garage. One of the test-bed sites Concrete pad and tower section Spring 2006

IP1 Radares instalados en torres Primavera del 2006

Primavera 2006 CASA-IP1 Radar vs NWS-Nexrad NEXRADDCAS

¿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.

Puerto Rico IP3 Test Bed Off-the-Grid Radar 1er nodo bajo prueba en UMass PR1 (Stefani) Radar FCC permiso otorgado. Radar operacional falta reemplazomagnetron OTG localización se basa en Modelo de Vulnerabilidad a Desastres QPE MC&C distribuido Optimización Energía Balanceada Comunicaciones Inalámbricas Algoritmo estimación de Reflectividad en Red EWR Radar

Flooding modeling using radar data Al programa Vflow se le entra una matriz con lat/lon con 1.la inclinación de suelo 2.el tipo de terreno, 3.Data de lluvia de radares, y de salida nos provee las zonas propensas a inundaciones. Oeste de Puerto Rico, matriz para Vflow

Comparación Por Carlos Rodríguez, estudiante graduado

NEXrad PR2 (EWR) Capas bajas, lluvia Capas altas No necesariamente donde hay lluvia.

Alejandra Xiomara JennifferJackieRicardo Fred Carlos Jorge Estaciones Meteorológicas y Disdrometros

En Medellín… Proyecto Adaptivo Intra-Valle con Sensores Atmosféricos PAISA P A I S A PAISA

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

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.

Width of Valle de Aburrá = 20 km (radius = ~10km) Peak pulse power= 5kW = P Beamwidth = 2 o Footprint 10km from radar (near cliffs)= 10,000*tan(2 o ) = r [meters] = 350m Footprint area at 10km from the radar = 3.14 r 2 = 3.14 (350) 2 =383,000 m 2 =A Safety power density: S =P/A= (5000W)/(383,000 m 2 )= W/m 2 < 0.01W/m 2 ? 2r Scanning angle can be varied to decrease power density intercepting population and to observe optimally the clouds systems above.

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: ±45 0 to ±60 0 Elevation scan range: (low level coverage, < 3 km) (full coverage, to 22 km) Cost: ~ $10k per panel Additional specifications are a work-in-progress

Phase-Tilt EScan Panel Dual- pol μstrip patch radiators active electronics series-fed columns azimuth steering 64 columns, each with 1 W T/R module Linear Actuator elevation steering 20 o aperture coupled slots CASA Prototype mid-2008

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 ( 100:1) cost reductions compared to today s 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

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 centrales académicos peritaje socios externos

CASA Socios Esenciales

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 R&D 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.

Mi CASA es tu CASA Estamos abiertos a collaboración…

Extra page: Volume coverage & required power Low-level coverage Full volume coverage Specs: X-Band; 1 meter aperture Z min = 10 dBZ (25 dBZ during heavy rain)

False Echo Radar 2 (Area B) Radar 1 (Area A) A&B Extra Page: Increased PRF

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.