Radary a družice

Hodnocení stránky

Informace o tom, jak a proč monitorujeme oblačné systémy nad Zemí a detekujeme jejich srážkovou činnost, podává tato stránky. Radary a družice dnes známe velmi dobře, hlavně jejich výstupová data a máme je k dispozici všichni. Jak jsou ale získávána a jak pracují radary a družice?

Témata stránky: Pojem družice, typy družic, produkty družic, pojem radar, princip fungování radaru, šíření radiových vln, využití radarových a družicových dat v praxi.

Anglické názvy: Meteorological satellite (meteorologická družice), radio wave (rádiová vlna), satellite meteorology (družicová meteorologie), orbiting satellite (oběžná družice), stationary satellite (stacionární družice), radar meteorology (radarová meteorologie).

Prezentace k tématu: METEOROLOGIE 20 METEOROLOGIE 21

---

RADAROVÁ A DRUŽICOVÁ METEOROLOGIE

K vybavení moderního meteorologického pracoviště dnes již neodmyslitelně patří nepřeberné množství produktů v podobě zobrazení družicových a radarových dat, včetně indikace blesků v oblacích. K tomu je zapotřebí též moderní technologie, která bude snímat Zemi nebo vysílat signály směrem k obloze. Takovými přístroji jsou meteorologické radary a družice. Více informace o nich a principu jejich fungování nabízí tato stránka.

Družicová meteorologie

Meteorologické družice se řadí do speciální kategorie umělých družic Země. Zaměřují s na monitoring zejména oblačnosti v atmosféře Země. analyzují aktuální počasí a přispívají k jeho přesnějším předpovědím. Jednak se jejich výstupy využívají pro analýzu meteorology individuálním studiem aktuálních výstupů. A jednak tyto informace vstupují do výpočtů předpovědních numerických modelů. Též se uplatňují v dlouhodobém sledování atmosféry a klimatu. Informace využívají i vědci z příbuzných oborů. Jde o distanční měření v meteorologii, prováděné pomocí družic nebo-li satelitů vyslaných na oběžnou dráhu. Tyto přístroje různých typů monitorují oblačné systémy nad Zemí a snímky jsou k dispozici pro ucelenější území nebo pro regiony v různých podobách.

Historie

Přidat nikdy neuškodí trochu historie. Prvotní nápady využít umělé družice pro monitoring oblačnosti a počasí se objevily ve 20. letech 20. století ve vědecko-fantastické literatuře a i odbornějších textech. Jasnější obrysy myšlenky z tohoto období měly až během druhé světové války při rozvoji raketové techniky. Roku 1945 má Arthur C. Clarke myšlenky směřující k využité geostacionární dráhy pro umístění telekomunikačních družic s návrhem jejich dalšího využití pro nepřetržité monitorování vývoje počasí.

První družice pro meteorologické účely byla vyslána na oběžnou dráhu roku 1960 a jmenovala se TIROS-1. Sloužila dva měsíce a 18 dní pro experimentální účely, ale pro velkou úspěšnost spočívající ve své užitečnosti pro meteorologické účely se ve vysílání družic na oběžnou dráhu kolem Země v dalších desetiletích pokračovalo. První geostacionární (objasněno níže) družice ATS-1 byla vyslána v roce 1966. Jednalo se o americké družice. V Evropě byla vyslána první družice s názvem Meteoat-1 roku 1977. Dnešní moderní družice snímají různé vlnové délky záření.

Kategorie družic

Podle charakteru dráhy družic se tyto dělí na dvě základní skupiny. První skupinou jsou družice na nízkých drahách (Low Earth Orbit) s výškou 600 až 1500km s přibližně kolmou orientací vůči rovníku. Při každém obletu tyto přelétávají polární oblasti a odtud se vžil název polární družice, tedy družice na polárních drahách. Druhým typ družic jsou družice na geostacionární dráze. A výšku mají zvolenou tak, aby oběžná doba družic činila shodnou hodnotu jako doba rotace Země. Poloměr dráhy činí 42 168km a rovina se shoduje s rovinou rovníku Země. Proto tedy označení geostacionární. Další informace o jednotlivých v dalších podkapitolách.

Polární družice

Mezi tyto nízké družice patří americké družice NOAA/POES a evropské družice METOP. Též jde o družice NASA Terra a Aqua a mnohé další. V dalším textu stručně popisujeme přístrojové vybavení družic. V případě družice NOAA a METOP jd o radiometr AVHRR a v případě družic Terra a Aqua o radiometr MODIS.

Přístroj AVHRR

Přístroj radiometr AVHRR pracuje v šesti spektrálních kanálech. Rozlišovací schopnost má asi 1.1 x 1.1km v nadiru družice. Tato schopnost ukazuje rozměr jednoho obrazového pixelu promítnutého na povrch. Případně jde o 2.5 x 4.5km na okraji snímaného pásu. Družice umí přenést 5 z 6 kanálů naráz. Přístroj se označuje jako AVHRR/3 a obsahuje kanály 1, 2, 3A, 3B, 4 a 5. Data vysílá ihned po naměření bez oprav a úprav. Stanice přijímají tato data přímo z přístroje družice a tyto stanice mohou zachytit jen data zobrazující geografické oblasti, které se snímají v době přímé geometrické viditelnosti družice z pohledu dané stanice.

Data z jedné družice, která zobrazují dané území má přístroj k dispozici dvakrát za den, vyjma polárních oblastí. Tam dochází k překrývání sousedních oblastí a data tam jsou k dispozici častěji. Toto můžeme považovat za nevýhodu polárních družic mimo polární oblasti. V ostatních oblastech jde tedy o nedostatek dat, při potřebě akutně sledovat významné oblačné systémy, jejich vývoj a pohyb. Snímky bývají pouze nahodilé a pro využití ke studiu oblaků tedy téměř nepoužitelné.

⇒ Aktuální snímky z polárních družic najdete na stránce JSAVHRRVIew, posuďte sami zda vám vyhovují a postačují při sledování oblačnosti.

Přístroj MODIS

Radiometr MODIS družic Terra a Aqua má podobný princip fungování jako výše popsaný AVHRR. Tento přístroj má ovšem podstatně více kanálů než výše uvedený a to 36. Veškeré kanály ovšem neposkytují informace vhodné pro studium oblaků. Některé slouží primárně pro monitoring povrchu Země, hladin oceánů a oblačnost zachycená v těchto produktech snímků není významná. Jinými slovy se jeví jednotvárně bez zobrazení jejích detailů, které jsou potřebné pro detailní studium oblačnosti. Tento přístroj disponuje také jiným rozlišením. Dva kanály mají rozlišení 250m, pět kanálů 500m a zbývající stejně jako přístroj AVHRR v rozlišení 1km. Dostupnost dat a distribuci má tento přístroj shodnou jako výše uvedený přístroj na polárních družicích.

Geostacionární družice

Obíhají ve výšce 35 790km nad povrchem vlivem rotace Země. Přístroje samotné setrvávají na jednom místě a to nad rovníkem. Družice jsou umístěny tak, aby pokrývaly prakticky celý povrch Země a monitorovaly tak nepřetržitě výskyt a pohyb oblačnosti. Jde o družice uváděné pod zkratkou GEO (Geostationary Earth Orbit) obíhající na geostacionární dráze. Rozmístění odpovídá rovnoměrnosti kolem Země, aby došlo k souvislému pokrytí ideálně celého povrchu Země s hranicí na cca 60. až 70. stupněm severní a jižní šířky.

Ve vyšší šířkách nelze tyto použít, neboť zde již převažuje příliš šikmý úhel snímání, tj. zde máme moc nízkou výšku nad horizontem. Pro Evropu jsou významné evropské družice Meteosat, nyní MSG (Meteosat second generation) a v blízkém budoucnu se plánuje přechod na třetí generaci těchto družic. Přístrojem těchto družic je radiometr SEVIRI, který popisujeme stručně dále.

Aktuálně snímají evropský prostor družice Meteosat druhé generace (Meteosat Second Generation – MSG), které měří radiometrem SEVIRI. Zaznamenáváno je záření ve 12 kanálech od viditelného po infračervené s rozlišením obrazu od 1x1km až po 4x6km ve vztahu k dané oblasti. Záření snímané radiometrem je vyzařováno povrchem nebo oblačností nebo dopadá na oblačnost a povrch (přímé sluneční), odráží se a směřuje k čidlu přístroje.

Produkty družic MSG

Tyto snímky poskytují následující základní produkty oborů spektra:

1. Mikrofyzikální produkt – lze jím dobře rozlišit mlhy a nízkou oblačnost, které lze rozpoznat díky odrazivosti malých vodních kapiček například od samotného povrchu nebo od sněhové pokrývka na něm ležící.
2. Infračervený obor spektra – ukazuje povrchy dle jejich teploty a hodí se tak pro rozlišení oblačnosti v nočních hodinách, kdy ostatní produkty nejsou vůbec nebo ne příliš dobře použitelné. V případě blízkých teplot horních vrstev oblaků a povrchu země mohou tyto splývat. Tento produkt naopak nelze využít pro rozlišení mlh a nízké oblačnosti.
3. Viditelná část spektra – velmi přehledný produkt, kde můžeme pořídit i barevný snímek. Na něm lze rozlišit například vysokou oblačnost od nízké, od mlh a nízké inverzní oblačnosti. Snímek neukazuje teplotu povrchu oblaků a horní hranici oblaků. Není ho možno využít v noci.

Obr. 1 Družice MSG spravovaná organizací EUMETSAT, zdroj: eumetsat.int

Přístroj SEVIRI

Družice MSG na geostacionární dráze mohou snímat neustále, tedy pravidelných a dosti krátkých intervalech oproti družicím polárním. Družice visí nad určitým místem nad rovníkem a snímat mohou přivrácenou část Země v intervalech, které umožňuje jejich přístroj. Nejprve se využívali družice první generace (MFG) a to 1-7 s intervaly snímání jednou za půl hodiny. současné družice MSG, Meteosat 8 a další, snímají dvakrát často. interval snímání se zkracuje tedy na polovinu, tj. na 15 minut. Negativum tyto družice ale mají, asi jako vše. Jde o vzdálenost od povrchu, kvůli které musejí mít větší průměr optiky.

Tento přístroj má 12 spektrálních kanálů (základní typy uvedeny ve výčtu výše). Většina má standardní rozlišení 3x3km, ve střední Evropě 4x6km. Jeden kanál pak má rozlišení 1x1km, pro střední Evropu 2x3km. Data se oproti polárním družicím nejprve kontrolují a upravují, nepřicházejí ke koncovým uživatelům tedy přímo. Kontrola probíhá v centru organizace EUMETSAT v Německu. V Americe existují družice (GOES) snímající dané omezení území mnohem častěji než tomu je u evropských družic. Jeden snímek mohou pořizovat každých 30 sekund. Trvale udržitelný tento režim ovšem není, existují tzv. pauzy pro globálnější snímání.

⇒ Informace z geostacionárních družic najdete v prohlížeči JSMGSView, organizace EUMETSAT navíc nedávno uvolnila data a poskytuje více snímků.

Kde sledovat oblačnost? Radíme v uvedeném článku a též poskytujeme návod jak tuto oblačnost na snímcích z družic sledovat vzhledem k jejímu druhu a denní době. Nyní jen stručně.

Produkty družic MSG pro sledování oblačnosti

Jaký produkt je vhodný pro sledování konkrétního druhu oblačnosti a co z něj lze vyčíst? Které produkty se hodí sledovat i v noci?

• Sledování významnějších oblačných systémů bez rozlišení druhu a teploty oblaků – vhodný je celodenně produkt IR
• Pro sledování oblačnosti za shodných podmínek jak v prvním bodě, jen s doplněním o teplotu oblastí s barevným rozlišením využijte produkt IR BT
• Rozdíly ve vzdušných masách nám ukáže produkt Airmass
• Informace o vodní páře v atmosféře ukáže produkt WV, hodí se pro sledování oblaků vyskytujících se nejvýše (Cirrovitá oblačnost a bouřkové oblaky)
• Vertikální mohutnost oblaků ukáže podle barevného rozlišení produkt 24h-M a Night-M (mikrofyzikální produkt), první s využitím celodenně
• Produkt VIS-IR je využitelný za denního světla, ten nám ukáže jednotlivé druhy oblaků blízké vnímání lidským okem (tradiční kanály RGB), kombinace kanálů HRV a IR 10.8, odhalíme zde nízkou oblačnost od vysoké a střední, i vertikálně mohutnou bouřkovou oblačnost

Další přístroje, související pojmy

Uvedené přístroje pro hlavní druhy družic nejsou ovšem jediné, družice mají více techniky pro pozorování. Jde o přístroje pozorující vertikální skladbu atmosféry, fyzikální parametry prostředí jejich pohybu, astronomicky zaměřené přístroje pro sledování Slunce a telekomunikační přístroje. Států majících družice ve vesmíru pro sledování oblačnosti je ale více. Také se provozují experimentální družice pro monitoring atmosféry země a též oblačnost. Příkladem může být družice CloudSat. Hlavním přístrojem této je radar CPR (Cloud Profiling Radar). Tento slouží k výzkumu oblačných procesů.

Spektrální pásmo – vymezení oblasti elektromagnetického záření, která se určuje krajními vlnovými délkami či střední vlnovou délkou pásma. Předpokládají se zhruba shodné vlastnosti charakteristik v celém rozsahu daného pásma. dále se pásmo popisuje například specifickou vlastností tohoto jako například viditelné pásmo, tepelné pásmo. Tato pásma se označují i zkratkami  (VIR, IR).

Spektrální kanál – část spektrálního pásma, která se využívá danou družicí, vymezuje se filtry kanálu a citlivostí použitého snímače. má v sobě fyzikální vlastnosti pásma (viz výše) či jeho části a též technické vlastnosti používaného přístroje nebo družice. Definuje se pořadovým číslem přístroje, přibližnou střední vlnovou délkou v mikro metrech či kombinací označení popisu pásma a střední vlnovou délkou tohoto pásma. Příkladem mějme například kanál IR 10.8.