Meteorologické radiolokátory

1. Funkce radaru

Pro meteorologické cíle, skládající se z velkého množství vodních a ledových částic, je radiolokační odrazivost Z přímo úměrná sumě 6. mocnin průměrů částic v_jednotkovém objemu ( Z = SUM(D⁶)) ; toto platí přesně pro Rayleighův rozptyl, t.j. pro částice s průměrem řádově menším než vlnová délka radaru). Jednotkou odrazivosti je 1 mm⁶ /m³ , pro praktické účely se užívá logaritmická jednotka dBZ, kde Z[dBZ] = 10.log (Z[mm⁶ /m³ ]), tedy 0 dBZ odpovídá Z=1mm⁶ /m³ .

2. Zobrazování radarových odrazů

1. Kruhový obzor (PPI = přehledový indikátor) - při otáčení antény na konstantním elevačním úhlu - t.zn. kuželový řez prostorem.
2. Vertikální řez (RHI = indikátor dálka - výška) při vertikálním kývání antény na určitém azimutu.
3. A-skop (osciloskop, na ose x vzdálenost, na ose y intenzita odrazu) - užíván pro servisní účely. Digitální zpracování objemového snímání radaru (t.j. posloupnosti otáček antény při různých elevačních úhlech) umožňuje dokonalejší zobrazení radarových odrazů :
4. v jednotlivých horizontálních hladinách (CAPPI, kruhový obzor konstantní výšky),
5. maximální odrazivosti ve vertikálním a 2 horizontálních průmětech (kvazi-trojrozměrné zobrazení),
6. horní hranice radioecha a jiné vypočtené produkty.

Tato data jsou zobrazována na počítačovém monitoru vbarevné stupnici intenzit, s možností animace dat pro sledování pohybu a vývoje radioecha. Obvyklý interval měření je 10 - 15 min. Horizontální rozlišení dat bývá 2 x 2 km , vertikální 1 km - při běžném maximálním dosahu radaru 250 km se celý obraz skládá z cca 250 x 250 obrazových elementů (pixelů). Toto prostorové rozlišení je potřebné, aby bylo možné zachytit jednotlivá srážková jádra přeháněk.

3. Radiolokační odhady srážek

Radarová pozorování srážek mají oproti klasickým sítím srážkoměrů výhodu měření na velké ploše z jediného místa v téměř reálném čase. Radar zachycuje prostorově kontinuální rozložení srážkových polí včetně jejich trojrozměrné struktury a pohybu. Radarová pozorování však ukazují pouze okamžitá rozložení intenzit srážek v diskrétních časech. Srážková pole mají přitom velkou proměnlivost v prostoru i v čase, okamžité intenzity se na vzdálenosti několika málo km nebo během 10 min. mohou lišit o řád.

Chceme-li určovat množství srážek za delší období (řádově hodiny), musíme počítat s kumulací chyb. Z důvodu velké prostorové i časové proměnlivosti intenzit srážek je nutné používat co nejkratší interval měření (5 min. a méně). Celkové chyby určování intenzit srážek pomocí radaru jsou řádu desítek až stovek procent, částečně mohou být sníženy vhodným zpracováním dat. Radarová měření tedy nekonkurují klasickým srážkoměrným sítím, ale poskytují okamžitý přehled o rozložení intenzit srážek na velké ploše.

Odhad přízemních intenzit srážek na základě měření rlk. odrazivosti Z ve výšce přináší mnohé nepřesnosti, rostoucí se vzdáleností od radaru :

1. Se vzrůstající vzdáleností se radarový paprsek vlivem zakřivení Země vzdaluje od povrchu (horizontální paprsek ve vzdálenosti 130 km je 1 km, ve vzd. 185 km 2 km a 225 km již 3 km nad povrchem). Radiolokační odrazivost většiny meteorologických cílů přitom obvykle rychle klesá s výškou.
2. Svazek paprsků se s rostoucí vzdáleností rozšiřuje, zvyšuje se práh zachycení echa (citlivost radaru se vzdáleností klesá), zároveň radarový svazek již nebývá homogenně zaplněn srážkovými částicemi.
3. Se vzdáleností se také zvyšuje pravděpodobnost výskytu útlumu ve srážkách, ležících na dráze svazku.

Dalším zdrojem nepřesností je proměnlivost spektra velikostí srážkových částic, která znesnadňuje určení vztahu mezi odrazivostí Z a intenzitou srážek I. Navíc ve vrstvě tání srážek pod nulovou izotermou (bright band) může docházet k přechodnému zvýšení odrazivosti (až o 15 dBZ). Určování intenzit srážek je nepříznivě ovlivněno také terénními předměty v dráze radarového paprsku, které působí jednak rušivé odrazy (pozemní cíle), jednak zastínění vzdálenějších meteorologických cílů.

Celkově obvykle dochází poblíž radaru ke slabému nadhodnocení intenzit srážek, které s rostoucí vzdáleností od radaru přechází ve stále výraznější podcenění odhadu srážek. Hlavní roli přitom hraje zakřivení země spolu s vertikálními profily radiolokační odrazivosti. Okamžité odhady intenzit srážek se tak mohou lišit o faktor 3 (t.j. v rozsahu 1/3 až 3-násobek), v nepříznivých případech faktorem 5 a více.

Aby bylo možno kvantitativně využívat radarová data pro hydrologické účely, je nezbytné zavést dostatečně účinné procedury eliminace nemeteorologických (především pozemních) radarových odrazů. Dále je potřebné zvýšit přesnost odhadu intenzit srážek následujícím postupem :

1. zajistit přesnost hardwarové kalibrace a stabilitu radaru
2. korigovat data na vertikální profily odrazivosti, t.j. získat nejlepší odhad rlk.odrazivosti v přízemní vrstvě
3. na základě optimálního Z-R vztahu vypočítat intenzitu srážek
4. kombinovat radarový odhad s pozemním měřením srážek

4. Využití radaru v meteorologii

Některé moderní radary umožňují navíc měření radiálních rychlostí částic (ve směru paprsku radaru) a intenzity turbulence (pomocí Dopplerova jevu) nebo polarizace odraženého záření (možnost určování fáze a tvaru srážek). Víceparametrická radarová měření jsou často užívána při výzkumu struktury srážkových systémů a procesů v nich probíhajících.

Účinný dosah běžně používaných meteorologických radarů pro určování intenzit srážek bývá přibližně 100 - 150 km, pro detekci bouřkové oblačnosti do cca 250 - 300 km. Schopnost detekce jevu radarem klesá se vzdáleností díky geometrii šíření paprsku nad zakřiveným povrchem Země a vlivy útlumu. Tato omezení radiolokační metody lze překonat pomocí kombinace dat z více radarů propojených do radarové sítě. Sítě digitálních radarů byly v jednotlivých evropských zemí vytvářeny během 70. a 80. let, v průběhu 90. let se postupně formuje mezinárodní výměna operativních radarových dat (např. středoevropská radarová síť CERAD).

5. Poznámky k meteorologické interpretaci radarových měření

a) Obrazové produkty operativních radarových měření

Pozemní odrazy jsou ve výstupním obrazovém produktu do značné míry eliminovány, buď pomocí zapamatované mapy průměrného rozložení za pěkného počasí, nebo na základě faktu, že jejich dopplerovská rychlost je přibližně nulová (na rozdíl od oblačnosti se nepohybují).

Na půdorysu jsou zřetelné největší hodnoty odrazivosti cílů ze všech výškových hladin i jejich horizontální struktura. Boční průměty pak znázorňují typický průběh odrazivosti s výškou, zároveň je možné odečíst maximální hodnoty výšek horní hranice radioecha i polohu nejvyšších a nejvýraznějších odrazů. Ve větších vzdálenostech (nad cca 150 km od radaru) nelze vlivem zakřivení zemského povrchu pozorovat odrazy z malých výšek, naopak nejvyšší elevační úhel použitý při měření omezuje viditelnost horních částí oblačnosti v těsné blízkosti radaru (do cca 20 km).

b) Rozpoznání typických tvarů pozorovaných objektů

1. cíle meteorologické, z nchž lze rozlišovat cíle konvektivního a vrstevnatého charakteru,
2. cíle ostatní, obvykle rušivé, z nichž nejvýznamější jsou pozemní cíle (odrazy od terénu).

ad 1. Meteorologické cíle :

• rozsah obvykle větší než jednotlivé pixely
• spíše kompaktní tvar
• prostorové změny odrazivosti jsou plynulé
• časové změny odrazivosti jsou malé (mimo konvektivní jádra)
• na animaci se jeví zřetelný pohyb
• objevují se a mizí postupně

Základní rozdělení meteorologických cílů :

Meteocíle konvektivního charakteru :

• existence výrazných jader s vyšší odrazivostí
• často buněčná struktura
• velká časová proměnlivost
• doba života jednotlivých buněk řádu desítek minut
• na bočních průmětech zřetelná proměnlivost výšky horní hranice, obvykle se nevyskytuje pásmo zvýšené odrazivosti v okolí nulové izotermy ("bright band").
• Nově vzniklé buňky mají obvykle jádro maximální odrazivosti ve své horní části, během vývoje buňky jeho výška klesá.
• Výrazně se projevuje denní chod - často náhlý nástup a vývoj množství cílů, pozvolný rozpad při stabilizaci zvrstvení.

Meteocíle vrstevnatého charakteru :

• jednotvárný plošný vzhled
• nejsou výraznější gradienty odrazivosti
• pomalé časové změny (typická doba života řádu hodin)
• na bočních průmětech téměř konstantní výška horní hranice,
• často se vyskytuje pásmo zvýšené odrazivosti (o 6-15 dBZ) v tloušťce několika stovek metrů pod nulovou izotermou ("bright band"), způsobené změnou velikosti a dielektrické konstanty při tání padajících srážkových částic

ad 2 Nemeteorologické cíle :

• často jednotlivé pixely s vyšší odrazivostí nebo menší nesouvislé oblasti
• veliké prostorová proměnlivost odrazivosti, velmi ostré okraje výrazných pozemních cílů
• velká časová proměnlivost (někdy též náhlé objevení se nebo zmizení v závislosti na šíření paprsku)
• stabilní místa výskytu, bez pohybu na animaci
• typický denní chod : zvětšení plochy v nočních hodinách a k ránu (efekt superrefrakce, vyskytující se při inverzi teploty a zřetelném poklesu vlhkosti s výškou), zmenšování rozsahu v dopoledních hodinách po prohřátí přízemní vrstvy vzduchu.
• zvětšení rozsahu a zvýšení odrazivosti po srážkách (navlhční terénu)

Charakteristické znaky dalších pozorovaných objektů :

• Odrazy od letadel : izolované body ve větších výškách
• "Andělská echa" : velmi řídký výskyt, tvar shluků, spirál apod.
• Vlastní šum a nestabilita vysílače radaru : občasné jednotlivé pixely s malou odrazivostí, příp. soustředěné do tvaru paprsku.
• Rušení radaru jiným signálem na blízké frekvenci : ostré radiální paprsky, případně spirály.

Pro účely meteorologických radarových pozorování se jako rušivé jeví především :

• pozemní odrazy, zvláště při anomálním šíření radarového paprsku (superrefrakce, "anaprop"); jsou odlišitelné podle výrazné textury, nehybnosti a geografické polohy),
• odrazy části energie vyzářené bočními laloky antény mimo směr hlavního paprsku ("side-lobe echo", zkreslující polohu odrazů)
• echa z oblastí za dosahem radaru ("second trip echo", působená odrazem od velmi vzdálených intenzívních cílů při předcházejícím pulsu); jsou rozeznatelná jako velmi úzké a nízké, radiálně protažené odrazy
• zvýšení odrazivosti ve vrstvě tání pevných srážek pod nulovou izotermou ("bright band"), je zřetelný jako vrstva na bočních průmětech.

Při digitálním zpracování dat také zřetelně vyniknou případy, kdy nelze pozorovat očekávané meteorologické cíle, ať již z důvodu útlumu radarového paprsku v intenzívních srážkách, nebo vlivem geometrie objemového snímání ("volume scan") - jednak absencí horních partií radioecha v těsné blízkosti radaru, jednak zakrytím nebo podceněním intenzity cílů ve větších vzdálenostech od radaru vlivem zakřivení zemského povrchu a radiohorizontu.

(c) 1997-2011 ČHMÚ | radar@chmi.cz | uvedené dílo podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Nezasahujte do díla 3.0 Česko (plné znění licence)