Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Zajímavosti z meteorologie V: Jak radary sledují počasí

Moderní podoba radarových dat s rozlišením 1 km na pixel a dostupností 3D dat každých 5 minut. Veřejnosti jsou data dostupná každých 10 minut: Na snímku příchod bouřkového systému s vichřicí, jež od jihu postupně zasáhla většinu Moravy a část východních Čech. Na radaru je dobře patrná linie bouřkových jader prohnutá ve své centrální části dopředu, ve směru postupu (k severu), což je časté u bouří způsobujících vichřice (data: Radarové oddělení ČHMÚ)

Data z meteorologických radarů dnes máme neustále k dispozici. Stačí vytáhnout z kapsy mobil, párkrát se dotknout obrazovky a v aplikaci hned vidíme aktuální rozložení srážek nad Českem i to, jak se pásma deště pohybují. Přijde nám to jako samozřejmost, ale ještě před dvaceti lety jsme o něčem takovém možná ani nesnili. Co moderním datům předcházelo a jak to vlastně všechno začalo? Nejen na to se zaměříme v několika článcích věnovaných příběhu meteorologických radarů.

Od několika rovnic k detekci nepřátelských lodí a letadel

Když James Clerk Maxwell, jeden z největších velikánů fyziky, v 60. letech 19. století formuloval své slavné rovnice, jejichž řešení předpovědělo existenci elektromagnetických vln, netušil, jak široké využití jeho práce jednou bude mít. Netušil to ani Heinrich Hertz, který o něco později Maxwellovy předpoklady experimentálně potvrdil. Na přelomu 19. a 20. století se na základě těchto objevů začala rychle rozvíjet bezdrátová telegrafie a s ní i nové možnosti dorozumívání.

Bezdrátová telegrafie umožnila lodím komunikovat s pevninou i mezi sebou na otevřeném moři a jak víme, velmi záhy například pomohla zachránit řadu pasažérů z potápějícího se Titanicu. Už Hertzovy pokusy však poukázaly na jednu důležitou vlastnost elektromagnetických vln. A to že se velmi dobře odrážejí od velkých kovových předmětů.

Bylo jen otázkou času, než někdo přišel s nápadem, jak tento jev využít. Byl to Němec Christian Hülsmeyer, který si roku 1904 nechal patentovat zařízení zvané Telemobiloskop, jež mělo detekovat lodě a předcházet srážkám v mlze. Telemobiloskop vysílal radiové vlny a zpětně zachycoval jejich odraz od případných lodí vyskytujících se v daném směru v dosahu několika málo kilometrů. Zařízení mělo však jednu nevýhodu – protože vysílalo nepřetržitě, neumožňovalo určit, jak daleko se detekovaný objekt nachází.

Tento problém vyřešil shodou okolností právě meteorolog, který byl zároveň i zdatným radioamatérem. Psal se rok 1935, když Robert Watson Watt v Británii sestrojil první pulzní radar, tedy radar v pojetí, v jakém ho známe dnes. Watson Watt se už předtím dlouhé roky zabýval otázkou, jak využít elektromagnetické vlny k výzkumu různých atmosférických jevů. Byl například jeden z prvních, kdo se pokoušel o trasování bouřek pomocí radiových vln vytvářených blesky.

Wattův radar vysílal opakovaně velmi krátké pulzy mikrovln o větším výkonu. V každé mnohem delší pauze mezi vyslanými pulzy se zařízení přepínalo do přijímacího režimu, kdy přijímač radaru „poslouchal“ zachycené slabé odrazy vyslaných pulzů od detekovaných objektů. Jelikož rychlost šíření mikrovln je shodná s dobře známou rychlostí světla, bylo možné snadno a přesně určovat vzdálenost detekovaných cílů z prostého rozdílu času od vyslání pulzu po zachycení jeho „ozvěny“. Navíc při použití vhodné pohyblivé antény bylo možné určit i směr, ve kterém se cíle nacházely.

Vývoj radarového zařízení zřejmě uspíšila i skutečnost, že se v Německu dostali k moci fašisté pod vedením Adolfa Hitlera a ve vzduchu visel další válečný konflikt. Ten, kdo by ve válce měl zařízení, které je schopné detekovat nepřátelská letadla či lodě na vzdálenost až stovek kilometrů a přesně sledovat jejich pohyb bez ohledu na denní dobu a počasí, měl by jasnou výhodu.

Obr. vpravo: Asi první dochované snímky bouřkové oblačnosti. Pocházejí z USA a Velké Británie z let 1943 a 1944

Radary se skutečně začaly velmi rychle využívat při obraně vzdušného a námořního prostoru, ale postupně i k řízení dělostřelecké palby nebo bombardování, které bylo možné provádět i pod rouškou noční temnoty. Společně s tím, jak se používání radarů šířilo, objevily se také snahy o rušení signálu. Za tím však nestál vždy jen válečný protivník. Občas byla zaznamenána i podivná rušení v podobě rozsáhlejších oblastí, které signál odrážely a poměrně uspořádaně se pohybovaly. Když dorazily až k radarové stanici, nezaútočil nepřítel, ale prostá bouřka.

Obsluha radarů postupně správně rozpoznala pravou příčinu. Ukázalo se, že nejen bouřka, ale i silný déšť nebo velké množství krystalků ledu dokáže odrážet malé množství mikrovln. Pro armádu byl takový šum nežádoucí, a tak se jej zpočátku snažila potlačit. Válka však postupně ukázala, že s rozvojem letectví bude nezbytnou nutností i lepší dohled nad počasím. Radar se k tomu zdál být naprosto ideálním nástrojem.

The Thunderstorm Project

Po skončení války se povědomí o radaru postupně šířilo i mimo armádní kruhy a začaly se hledat možnosti pro jeho civilní využití. Ve Spojených státech probíhal v letech 1946 a 1947 do té doby asi nejrozsáhlejší výzkum zaměřený na bouřky a rizika, která létání v bouřkách přináší. Výsledky tohoto projektu bývají dodnes citovány v učebnicích meteorologie, a to včetně zásadních zjištění o vývoji a životním cyklu bouřkových oblaků.

Celý projekt Thunderstorm včetně ukázek dat z radarů dobře dokumentuje dobový, asi půlhodinový film

Tornáda, vichřice a přívalové povodně

V 50. letech se v USA začaly radary pravidelně využívat ke sledování bouřkové oblačnosti. Právě ve Spojených státech se obvykle vyskytují tornáda a jedny z nejsilnějších bouřek na světě. Meteorologům se podařilo zjistit, že tornádo se na radaru může projevit jako jakýsi hákovitý „přívěšek“ na zadním pravém okraji bouřkové buňky. Podle tvaru se mu začalo říkat „hook echo“ a v prvních letech byl jeho výskyt signálem pro vydání výstrahy před tornádem.

Obr. vpravo: Asi nejstarší dochovaný snímek zobrazující hook echo na obrazovce radaru

Možnosti radarů se postupně dále zdokonalovaly a zároveň narůstalo i množství pozorovaných silných bouří. Meteorologové už byli schopni na základě dat rozpoznat bouře způsobující silné vichřice nebo přívalové srážky. Radary navíc umožnily pozorovat strukturu tropických cyklon s typickými pásy srážkové oblačnosti a centrálním okem beze srážek, ale i sledovat pohyb těchto jevů, které se řadí k těm nejničivějším projevům počasí na Zemi. U radarů navíc postupně přibyly elektronické obvody, díky kterým bylo možné měřit tzv. radarovou odrazivost oblačnosti a odhadovat intenzitu srážek v mm/hod. Radarová odrazivost (tj. nakolik je srážková oblačnost schopna odrážet mikrovlny) je totiž úměrná intenzitě srážek a lze ji popsat jednoduchým matematickým vzorcem.

Výpočetní technika byla však v 50. a 60. letech stále velmi těžkopádná, nákladná, a hlavně neměla dostatečný výkon pro zpracování tak obrovského množství dat. Veškerá měření se musela přefocovat z obrazovky radaru na fotografické filmy, anebo ručně překreslovat na předtištěné papírové formuláře. To přinášelo výrazné komplikace v podobě dlouhých intervalů mezi měřeními, nepřesností a často neúměrně zjednodušených zákresů. Signál z radaru se navíc v silných srážkách výrazně tlumil, a tak za blízkou silnou bouřkou vznikal jakýsi „radarový stín“, ve kterém se všechny další srážky jevily výrazně slabší, než ve skutečnosti byly.

Pásmo bouřek z dopoledních hodin 9. srpna 1981 na obrazovce sovětského meteoradaru na stanici Praha-Libuš. Bouřky postupovaly od jihozápadu a na snímku je dobře patrné jakési dvojité vykousnutí ze zadní části oblačnosti způsobené právě útlumem v silných bouřkových jádrech. Snímky uprostřed a vpravo ukazují, jak vypadala ručně zakreslená data. Kreslily se dva typy dat, a to intenzita srážek do 150 km od radaru (uprostřed) a výška vrcholků srážkové oblačnosti ve stovkách metrů (vpravo), ke které se poznamenávaly i odhady intenzity projevů počasí (foto: radarové oddělení ČHMÚ)

Problémy vyřešila až digitalizace dat pomocí počítačů koncem 70. a počátkem 80. let. V České republice, která byla v této době ještě součástí východního bloku, však nebyla k dispozici odpovídající technika. I přes různé dřívější pokusy u nás k digitalizaci radarových měření došlo až na jaře roku 1993.

Obr. vpravo: Vzhled radarových dat v polovině 90. let. Zobrazení se podobá tomu dnešnímu, ale rozlišení bylo omezené na 2 km na pixel, a to jak slabším výkonem výpočetní techniky, tak hlavně velmi omezenou rychlostí přenosu dat (data: Radarové oddělení ČHMÚ)

Radarová data v digitální podobě a s vysokým rozlišením umožnila počítat různé korekce útlumu signálu, a tak získat mnohem reálnější odhady intenzit srážek. To vedlo k prvním výraznějším pokusům s radarovými mapami odhadů srážkových úhrnů, jež by mohly výrazně pomoci hydrologům při povodňových situacích. Síť pozemních srážkoměrů totiž poskytuje jen bodová měření, která nemusejí správně podchytit lokální extrémní srážky v bouřkách. Radar sám o sobě zase může v odhadu srážek udělat spoustu chyb. Nabízelo se tedy řešení spojit oba typy dat do kombinovaných odhadů za použití vhodných matematických postupů. Tento problém se postupně, i přes nemalé obtíže, podařilo zvládnout. Mapy kombinovaných odhadů srážek dnes poskytují jednu ze základních informací, které meteorologové využívají pro vyhodnocování každé srážkové epizody, ale třeba i rizik sucha.

Mapa odhadu srážek na základě kombinace dat ze sítě srážkoměrných stanic s radarovými daty. Čísla představují přímo naměřené srážkové úhrny na dané stanici ve zvolený časový interval a barva pak indikuje výslednou hodnotu srážek na základě kombinované informace (data: ČHMÚ)

Data o počasí, včetně snímků z meteorologických radarů, si díky masivnímu rozšíření internetu a moderních technologií rychle našla cestu k laické veřejnosti. Aktuální informace o počasí dnes máme v podstatě neustále k dispozici a připadá nám to jako samozřejmost. Neměli bychom však zapomínat na to, jaké úsilí stál jejich vývoj a kolik lidských životů tato technologie pomohla zachránit.

Příště se podíváme na Dopplerův jev a jeho využití při sledování počasí radarem.


Mohlo by vás zajímat:

Zajímavosti z meteorologie I: Hurikán, tajfun, cyklon. O co jde?
Zajímavosti z meteorologie II: Co jsou to supercely?
Zajímavosti z meteorologie III: Jak se detekují blesky v bouřkách
Zajímavosti z meteorologie IV: Zimní bouřky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop