Radary a družice

Hodnocení stránky

Radarová meteorologie

Radar detekuje strukturu srážkově významné oblačnosti. Radarová data mají v dnešní meteorologie velmi široké využití. Vedle toho, že poskytují meteorologům aktuální pohled na srážkově významnou oblačnost i nad rozsáhlým územím s možností předpovědi zejména příchodu silných bouřek do dané lokality, tato data se srovnávají s úhrny srážek a též v numerickém modelování počasí a při nowcastingu. Opět nechybí trocha historie. První významnější využití radaru proběhlo při 2. světové válce a účelem bylo sledování letadel. Označení vzniklo jako akronym slov Radio Detection and ranging.

Obr. 2 Věž s radiolokátorem v lokalitě Brdy, zdroj: wikipedia.org

Historie

Sahá až na konec 19. století, kdy došlo k objevení elektromagnetického vlnění. Poté docházelo ke studování nových objevů. Až teprve na počátku 20. století došlo ke zkoumání pokročilých principů elektromagnetické detekce pomocí studia šíření rádiových vln. Vznik radaru se datuje k roku 1935, kdy došlo k sestrojení a úspěšnému odzkoušení pulsního radiolokátoru pro detekování letadel. Při vláce se jednalo o důležitou a tajnou vojenskou technologii. Po skončení války se principy radiolokace šířily do dalších zemí. Nežádoucím šumem byly v tomto leteckém snímání právě meteorologické cíle se snahou tento odstranit. Nejprve se zjistil původ šumu. Poté se začalo uvažovat o využití detekce těchto cílů a dnes si nedokážeme sledování aktuálního počasí bez radiolokátorů představit.

Radar jako běžný pomocník v meteorologii v moderní době

Velmi užitečně totiž doplňují družicové informace o místa se srážkově významnou oblačností včetně intenzity a dnes už i rozpoznání druhu srážek ve smyslu skupenství. V roce 1941 proběhla první detekce meteorologických cílů v Británii. Prvním radarem sestrojeným jen pro meteorologické účely byl radar v USA roku 1949. V 60. letech 20. století se jedná již o běžnou součást specializovaně s využitím v meteorologii. Pracuje se na využití Dopplerova jevu s měřením radiální složky rychlosti cíle. V ČR se tento přístroj pro meteorologické účely používá od konce 60. let 20. století.

Roku 1969 došlo k instalaci radaru TESLA RM-2 na pražské Libuši. Pravidelně se používal k měření od roku 1971. V letech 1995 a 1999 došlo k nákupu moderních dopplerovských radarů na lokality Skalky a Brdy. Tyto se používaly až do roku 2015, kdy došlo k jeho nahrazení modernějším typem VAISALA. V pražské Libuši již radarové měření neprobíhá, jako památka tam zůstala stavba, v níž byl radar původně umístěn.

Konkrétně od roku 1950 používají radar meteorologické organizace jednotlivých států. Technologie, která se v radarech používá, se do dnešních dob zásadně zdokonalila. V dřívějších dobách se signál radaru překresloval ze skleněných obrazovek a rozesílal faxem dalším. Dělo se tak až do rozvoje digitalizace v roce 1993. Dnes jde tedy již o digitalizovanou techniku s dálkovým přenosem, od dob internetu se tento přenos tedy značně zjednodušil a dnes máme radarová data dostupná skutečně všude. A navíc s modernizováním radarů i přenosu se snímky v krátkých intervalech včetně online přenosu. Jde o jejich téměř okamžitou dostupnost.

Obr. 3 Pokrytí území ČR signálem dvou radiolokátorů v lokacích Brdy a Skalky, zdroj: chmi.cz

Princip fungování zařízení radaru

Radar tvoří tyto základní části – vysílač, anténa a přijímač. Vysílač vytváří krátké vysokoenergetické pulsy v mikrovlnné oblasti elektromagnetického spektra. Puly anténa zformuje do podoby úzkého kužele. Pokud tento puls narazí na oblačnou částici nebo jinou překážku v jeho “cestě”, je malá část energie částice pohlcena. Následně dojde k jejímu rozptýlení do všech směrů. Část energie se rozptýlí zpět k anténě. Pokud má tato zpětně rozptýlená částice dostatečnou velikost, tak dojde k jejímu zesílení a detekci přijímačem radaru. Po vysílání pulsu se radar přepíná vždy do režimu pro příjem. V této fázi se signál zachycený anténou přivede na vstup přijímače. Tento určí výkon, čas vyslání pulsu a dopplerovský radar dokáže navíc určit informaci o změně fáze.

Analogový signál, který přijímač zpracuje se transformuje do digitální podoby a softwarem se dále zpracovává. Výsledkem je informace zobrazení u tzv. koncového uživatele a jí předchází právě tento proces. vzdálenost cíle lze určit pouze v případě, kdy se od něj rozptýlené záření stačí vrátit k anténě radaru ještě před vysláním dalšího pulsu. Většinou se užívá u radarů dosah mezi 100 a 300km. šíření paprsku atmosférou ovlivňují základní meteorologické prvky.

Jde hlavně o dílčí tlak vodní páry, dále o teplotu a tlak vzduchu. Výsledek radarových měření nejvíce ovlivňuje vlnová délka vysílaných pulsů. Pro radar jde o neměnný parametr. čím kratší délka se použije, tím lze zachytit menší oblačné částice a to i ty nesrážkové. Současně se paprsek ve srážkách také více tlumí. Vhodná vlnová délka bývá pak většinou kompromisem. Volí se proto většinou vlnové délky 1-10cm. Šířka pulsu znamená úhlovou vzdálenost bodů, ve kterých klesne vyzářený výkon na polovinu oproti jeho maximu.

Šíření rádiových vln

Jde o elektromagnetické vlnění, které se může šířit i v nehmotném prostředí. To u zvukových hustotních vln nelze. Rádiové vlny mají delší vlnové délky než světlo. Rádiové vlny při svém šíření atmosférou spotřebovávají určitou energii. Radiový paprsek se láme při průchodu hustší atmosférou vlivem zpomalení jeho postupu. Šíření těchto vln atmosférou závisí na více faktorech. Jde zejména o vlnovou délku a chodu teploty s výškou. Ale také na tvaru povrchu a typu či lokalizaci překážek na něm a na některých dalších faktorech.

Využití dopplerovského radaru

Dopplerovský radar detekuje kromě vzdálenosti daného cíle také radiální rychlost cíle vůči radaru. Tedy rychlost postupu částice k radaru nebo od něho. Při zapojení tří radarů tohoto typu do společného měření lze takovým měřením monitorovat vývoj směru a rychlosti větru s výškou. Tyto radary, kterými disponuje i meteorologická organizace ČR, měří změnu frekvence vráceného signálu prostřednictvím měření jeho fáze. Díky tomu lze určit radiální rychlosti odrážejících se částic, kterými jsou hlavně atmosférické srážky a nehomogenity indexu lomu v atmosféře.

Tento druh radaru umí měřit pouze jednu složky rychlosti odrážejících se částí. V atmosféře zaznamenáváme ale trojrozměrný pohyb, který je též proměnlivý v prostoru i čase. Z tohoto důvodu nutno pro přesnější měření zapojit tři radary tohoto typu ve vhodné vzdálenosti. Dle praktických zkušeností do 60-80km. Pokud máme pouze jeden radar, musíme uvažovat určitá zjednodušení týkající se rozložení větru. Existuje řada vzorců pomocí nichž můžeme mnohé dopočíst.

Polarimetrická měření

Radary vysílají polarizované záření a většinou jde o horizontální polarizaci. To z důvodu zploštění větších vodních kapek, kdy se dosahuje lepší citlivosti než při vertikální polarizaci. Polarimetrické radary rozšiřují standardní tím, že tyto mohou současně pracovat horizontálně i vertikálně s polarizovaným zářením. Díky tomu mohou měřit hodnoty odrazivosti pro obě tyto polarizace. Existují i radary s druhým přijímacím kanálem, což současně umožňuje měřit i odrazivost v polarizaci kolmé na puls, který radar vysílá. Z tohoto lze získat hodnotu tzv. křížové odrazivosti. Jedná-li se o dopplerovský radar, tak můžeme určit též fázi vráceného signálu s horizontální i vertikální polarizací.

Tyto druhy radarů se užívají pro výzkum. Z hodnot, které radary naměří lze určit speciální veličiny. Tyto slouží ke zkvalitnění radarových odhadů srážek. Též k identifikaci pozemních odrazů nebo rozlišení typu odrážejících hydrometeorů. Nejužívanější veličinou je diferenciální odrazivost. Nejvyšší hodnoty rozdílové odrazivosti jsou pro velké vodní kapky a to kolem 4dB. Tyto mají nejvíce zploštělý tvar. Téměř sférické kapky mají nižší hodnoty odrazivosti. Malou odrazivost mají ledové krystalky, včetně zploštělých. Hodnoty odrazivosti stoupnou, pokud ledové částice obalí voda v místě výskytu tání. Diferenciální odrazivost se společně s běžnou používají k určení typu odrážejících hydrometeorů.

Mezi využívané polarimetrické veličiny patří korelační koeficient. Tento slouží ke korelaci časových řad odhadů klasické odrazivosti obou polarizací (vertikální i horizontální). Tento také vyjadřuje míru různorodosti tvarů hydrometeorů v objemu radarového pulsu. Toho možno využít při identifikaci pozemních odrazů s téměř náhodnou výchylkou a fází. Korelace bývá nulová, což neplatí v případě hydrometeorů. Také se veličina užívá k identifikaci oblasti tání – tzv. bright band a zde klesá.

Doporučené informace

⇒ Družicová data v praxi najdete na naší stránce Aktuální oblačnost, radarová na stránce Aktuální srážky.

⇒ Rozšířené teoretické informace o fyzice oblaků najdete na stránce Mikrofyzika oblaků.

Kde sledovat srážky? Kde sledovat bouřky? Radíme v dalších dílech našich článků. A hlavně také jak interpretovat výsledky zobrazené na obrázcích u koncového uživatele.

Závěr: Správné čtení informací na snímcích z radaru

Stručně v bodech vám také na závěr o radarech poradíme, jak se vyznat ve snímcích. A hlavně jak poznat co se na nich zobrazuje a jak tedy vyhodnotit aktuální situace v počasí?

• Radar zobrazuje rozložení a intenzitu srážkové činnosti v podobě padajících srážek z oblaků, tj. ukazuje srážkově významné oblaky
• Intenzitu srážek ukazuje na základě odrazivosti, intenzivnější srážky mají vyšší odrazivost (oranžová až u bouřek červená, v případě krup bílá) a slabé srážky v extrému až mrholení či velmi drobné sněžení nejnižší (modrá až fialová)
• Některé extrémně slabé srážky z oblačnosti, která se nachází pod vysílacím paprskem radaru, nejsou zachyceny a tedy ani zobrazeny ve výsledné mapě
• Naopak někdy radar zobrazuje falešné odrazy a tedy srážky, byť se nevyskytují – to působí významná oblačnost bez srážek, které se stane cílem odrazu paprsku nebo srážky unášené větrem. V tomto případě ukazuje často radar intenzivnější srážky, než s reálně vyskytují
• Zcela nesmyslné cíle způsobené poruchou radar zobrazoval často dříve, s modernějšími přístroji jsou chyby eliminovány
• Na základě animace pořízených snímků z odrazů radaru si lze udělat ideální představu o postupu a chování (změně intenzity, tvorby či rozpadu srážek/oblaků) srážkové činnosti
• Vrstevnaté srážky ze stejnojmenné oblačnosti mají větší plošný zásah a jednotvárný vzhled, jde o zobrazení bez významnějším odrazivosti s pozvolným vývojem s existencí v řádu hodin s menší výškou horní hranice oblaků
• Konvekční oblačnost a tedy i srážky mají významnější jádra odrazivosti, tzv. buňky a jde o méně rozsáhlé cíle s časovou proměnlivostí, kratší dobou životnosti buněk v řádu desítek minut a s průměty vyšší proměnlivostí výšky horní hranice oblaků
• V případě deště se vyskytují zpravidla méně intenzivní srážky ve vztahu k dané odrazivosti než v případě sněžení (při světle modrém odrazu může i docela hustě sněžit)
• Co se týče bouřkové činnosti, tak srážky se zpravidla vyskytují z oranžových, červených a vyšších odrazů (ostatní je odraz vertikálně mohutného bouřkového oblaku včetně jeho kovadliny či dalších cílů)
• Nemeteorologické cíle označujeme jako radarová echa v podobě pozemních odrazů, nabourání se jiného vysílače než radarového o shodné frekvenci a další chyby – tyto chyby moderní radary ale již účinně odfiltrují, eliminují

Reference

Použitá a doporučená literatura:

MÍKOVÁ, T. KARAS, P. ZÁRYBNICKÁ, A. Skoro jasno. Praha: Česká Televize, 2007

DVOŘÁK, P. Pozorování a předpovědi počasí. Cheb: Svět Křídel, 2012, www.svetkridel.cz

DVOŘÁK, P. Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017