Během několika posledních desetiletí se používání informací z radiolokátorů stalo nezbytnou součástí práce meteorologů. Jakou informaci mohou pomocí radarů získat? Jak takové informace vypadají?
Na okraji zájmu
Slovo „radar“ se poprvé objevilo v listopadu 1940 jako zkratka pro „radio detection and ranging“, tj. metodu zjišťování cílů a jejich polohy pomocí radiových vln. Radiové vlny jsou, podobně jako viditelné světlo, elektromagnetickými vlnami, ale jejich vlnové délky jsou podstatně větší, od desetin milimetru do 20 km.
Již z názvu je zřejmé, že prvotní a nejdůležitější využití radaru bylo vojenské, tedy zjišťování nepřátelských vzdušných či námořních sil protivníka. První meteorologické využívání radarů pak hrálo spíše okrajovou roli. Schopnost radaru objevovat místa se zvlášť výraznou a srážkově aktivní oblačností se nicméně začala během války, byť ojediněle, využívat. Radarové detekce srážek byly zřejmě zaznamenávány již v roce 1940, ale první doložitelné snímky pocházejí až z roku 1943.
Radarový boom
Opravdový rozvoj radarové meteorologie nastal až po válce, zejména v padesátých a šedesátých letech, kdy se dříve nedostupné vojenské technologie začaly více používat i k civilním účelům. V České republice se atmosféra začala meteorologickými radiolokátory sledovat až na konci 60. let, ale další vývoj byl v roce 1968 poněkud přibržděn emigrací nejlepších odborníků do zahraničí.
Nicméně, během 70. a 80. let se rutinní využívání radarů v předpovědní praxi trvale zabydlelo, a to i přes omezení, která vyplývala z ručního zpracování dat. Výsledky radarového měření se totiž z obrazovky radaru překreslovaly a teprve poté se analogovým způsobem rozesílaly uživatelům, kteří je tak dostávali se zpožděním i desítek minut. Vlivem digitální revoluce na počátku 90. let se původně analogové zpracování výsledků měření změnilo na digitální.
V polovině 90. let byl na kótě Skalky na Drahanské vrchovině postaven náš první moderní radar GEMATRONIK Meteor–360 AC, jenž byl v roce 2000 doplněn podobně kvalitním radarem EEC DWSR-2501 C na vrchu Praha v Brdech. Meteorologické radiolokátory Skalky a Brdy dnes tvoří tzv. českou meteoradarovou síť CZRAD, která poskytuje kvalitní informace o aktuálním vývoji srážkově významné oblačnosti.
Co odráží kapka?
Meteorologické radary patří spolu s meteorologickými družicemi mezi tzv. metody dálkové detekce, které „prohmatávají“ naše ovzduší bez přímého dotyku. Zatímco „tradiční“ měření atmosféry se děje na meteorologických stanicích poskytujících „bodové“ údaje, moderní metody nabízejí téměř nepřetržitý obraz vývoje atmosféry ve všech třech prostorových dimenzích i čase. Nejenže pomáhají při analýze a krátkodobé předpovědi počasí, ale hrají i velmi důležitou roli v poznávání atmosférických procesů, do kterých bychom pomocí původních měřících systémů mohli sotva nahlédnout.
Použití radarů je založeno na schopnosti kapek (srážkových částic) v atmosféře zpětně rozptylovat elektromagnetické záření. Radary tak mohou být použity pro odhad okamžité intenzity srážek do vzdálenosti asi 150 km (např. Praha – Znojmo), u silných bouřek dokonce až 250 km (např. Praha – Zlín).
Obří mikrovlnka
Takový meteorologický radiolokátor je poměrně složité zařízení, které má za úkol prostorově propátrat a „zmapovat“ atmosféru, najít pro meteorology zajímavé cíle a nenechat se přitom zmást cíli nemeteorologickými, tj. většinou pozemními odrazy. K tomuto účelu vysílá radar žádaným směrem v krátkých pulsech o trvání několika mikrosekund elektromagnetické záření, usměrněné parabolickou anténou o průměru několika metrů. Elektromagnetická energie je do atmosféry vysílána ve tvaru úzkého kužele. Okamžitě po vyslání pulsu radar „naslouchá“, kolik záření odraženého od různých cílů se mu vrátí zpět. Navíc měří i prodlevu mezi vysláním a přijetím takového pulsu, z čehož lze určit vzdálenost cíle. Směr, v němž se zkoumané echo nachází, se pak určí na základě postavení antény a intenzitu cíle zas prozradí množství odražené energie.
V české meteoradarové síti se ke zkoumání atmosféry používá záření s vlnovou délkou kolem 5 cm, velmi podobné například záření v mikrovlnných troubách.
Ani radar není přesný!
Radarem přijaté záření se digitálně vyhodnocuje a zpracovává do meteorologům i laické veřejnosti srozumitelné podoby. Než se však odborník či laik na kýžené obrázky může podívá, je nejprve nutné z radarového měření odstranit nevhodné signály, hlavně pozemní odrazy. To se provádí pomocí tzv. Dopplerova filtru, jenž využívá schopnost radaru zjistit pohyb cíle ve směru k radaru či od něj (radiální rychlost). A protože se atmosférické srážky pohybují, je tedy poměrně snadné odlišit je od nepohyblivých pozemních cílů. Někdy se však při silném větru prudce rozhýbou větve stromů, které pak dokáží radaru pěkně zamotat hlavu. Rovněž nyní stále častěji budované větrné elektrárny zřejmě budou radarům komplikovat život.
Typické nedostatky radarových měření souvisí s geometrií šíření paprsků nad zemským povrchem. Se vzrůstající vzdáleností od radaru se totiž radarový paprsek vlivem zakřivení Země vzdaluje od povrchu, takže nejnižší paprsek je ve vzdálenosti 130 km již 1 km nad povrchem a ve vzdálenosti 225 km dokonce 3 km nad povrchem. Přitom schopnost odrážet záření obvykle u většiny meteorologických cílů s rostoucí výškou rychle klesá. Dalším zdrojem nepřesností bývá i přechodné zvýšení odrazivosti ve vrstvě, kde tají sněhové srážky při svém pádu do teplejších vrstev atmosféry.
Co je to odrazivost?
Přes uvedené zdroje chyb je většinou možné získat poměrně kvalitní obrázek o rozložení odrazivosti, což je parametr přibližně naznačující množství srážek v
oblačnosti. I když lze z radiolokátoru získat trojrozměrný obraz, zobrazují se data nejčastěji ve formě plošné mapy. Do ní jsou promítnuty nejvyšší hodnoty odrazivosti od země do výšek kolem 14 km. Tyto mapy bývají navíc doplněny tzv. bočními průměty maximálních odrazivostí, jež ve vertikálních řezech v severojižním a západovýchodním směru ukazují nejvyšší množství srážek.
Radar versus srážkoměr
Radarovou odrazivost lze pomocí poměrně jednoduchého vzorce převést na intenzitu srážek, avšak takto získané odhady množství trpí četnými odchylkami od množství, které je pak nakonec naměřeného na meteorologických stanicích. Rozdíly jsou způsobeny jednak jen přibližnou platností zmíněného vzorce, hlavně však základní vlastností radarových odhadů srážek, kdy měření průměrné odrazivosti ve výšce často neodpovídá odrazivosti bezprostředně u zemského povrchu. Měření odrazivosti blízko zemského povrchu není ve větších vzdálenostech od radaru možné, protože s rostoucí vzdáleností roste výška i průměr nejnižšího použitelného paprsku (nehledě na množství pozemních cílů znehodnocujících měření prováděné příliš nízko).
Přes všechny tyto nedostatky se však radarové odhady srážek využívají dosti často, a to zejména při sledování konvektivních bouří. Hlavním důvodem je omezená reprezentativnost klasických srážkových měření pro jejich okolí.
Co můžeme na radarových „snímcích“ vidět?
Radarové informace jsou prezentovány ve formě map či animací, tzv. „meteorologického kina“. Hodnoty odrazivosti nám mohou naznačit intenzitu srážek, což se při zobrazování radarových informací projeví barevnou stupnicí. Zhruba platí, že modrá barva ukazuje oblasti slabých srážek, zelená až oranžová indikuje vydatnější srážky, zatímco červenou až hnědou barvou se označují místa s velmi vydatnými srážkami. V případě pravděpodobného výskytu krup se pak setkáváme s bílou barvou.
Zkušenému meteorologovi může mnohé napovědět i struktura oblačnosti, z níž lze usoudit na charakter srážek. Meteorologické cíle konvektivního charakteru, tedy přeháňky a bouřky, mají výrazná jádra s vyšší odrazivostí, často mají buněčnou strukturu a jsou časově velmi proměnlivé. Naproti tomu cíle vrstevnatého charakteru, kam patří například trvalý déšť, mají jednotvárnější plošný vzhled s malou horizontální změnou hodnot odrazivosti a časově jsou též málo proměnlivé.
Charakter srážek spolu s extrapolací posledního vývoje pak slouží k velmi krátkodobé předpovědi v řádu několika hodin.
Více se dozvíte:
www.chmi.cz/meteo/rad/
Jak poznat chybu?
Pozemní odrazy mají na radarových snímcích často podobu menších nesouvislých oblastí či jednotlivých pixelů s vyšší odrazivostí, která je prostorově a časově velmi proměnlivá – někdy se náhle objeví či zmizí v závislosti na šíření paprsku. Plochy pozemních cílů jsou největší v nočních a ranních hodinách. Jejich eliminace se provádí pomocí Dopplerova filtru.
Kde najít varování?
Aktuální radarová data si lze prohlédnout na internetových stránkách Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ), který je zpřístupňuje každou půlhodinu. Pokud se však na našem území vyskytuje nebezpečná meteorologická či s ní související hydrologická situace, pak ČHMÚ poskytuje tyto informace každých deset minut.
Počasí s mobilem
Pro získání informace o rozložení srážkové oblačnosti změřené meteorologickými radary ČHMÚ lze využít i mobilních telefonů přijímajících MMS zprávy. V jedné takové zprávě je možné získat až 1,5hodinovou animaci zcela aktuálních radarových snímků měřených po deseti minutách.
