Large confetti Metody dálkové detekce RNDr. Milan Šálek Český hydrometeorologický ústav salek@chmi.cz Osnova předmětu * Úvod * Základy fyziky oblaků a srážek * Základy fyziky elektromagnetického záření, šíření elmg. vln v atmosféře. * Meteorologické družice * Radary a jejich použití v meteorologii (detekce a odhad srážek, měření větru) * Detekce a identifikace významných povětrnostních jevů * Profilová měření z družic * Integrace měřících metod > Předběžný program a místa konání přenášek * 2. 3.: Záření v atmosféře * 9.3. 12.30: Družicová meteorologie I. Systémy, technika, organizace, přenosy, zpracování * Opět 9.3. Družicová meteorologie II. Základy multispektrální a synoptické interpretace snímků (ČHMÚ) – RNDr. Martin Setvák, CSc. * Předběžný program a místa konání přenášek * 23. 3.: Základy radarové meteorologie (Brandlova) * 30. 3.: Základy radarové meteorologie, odhady srážek (ČHMÚ) * * Adresa ČHMÚ, pobočky Brno: Kroftova 43 * Spojení: Trolejbus 36, případně tram 3, 11, zastávka Sochorova, potom ulicemi Maničky a Navrátilova * Výukové materiály a používané programy pro cvičení • * Literatura: nŘezáčová a kol., 2007: Fyzika oblaků a srážek, 573 s. nBednář, J., 1989. Pozoruhodné jevy v atmosféře. Optika, akustika a elektřina atmosféry. Akademia, Praha, 236 s. nSalek, M., et al., 2004. Radar techniques for identifying precipitation type and estimating quantity of precipitation. Document of COST-717, http://www.smhi.se/cost717/doc/WDF_01_200407_1.pdf Výukové materiály a používané programy pro cvičení (pokr.) • nMeischner, P. (Ed.) et al., 2003. Weather Radar: Principles and Advanced Applications. Springer monograph series "Physics of Earth and Space Environment", 337 p. nDalší materiály (prezentace) n * Cvičení: ngnuplot, popř. EXCEL nebo jiný tabulkový kalkulátor, může být R, MATLAB, Octave apod. Metody dálkové detekce * podle Meteorologického slovníku jsou podmnožinou sondáže ovzduší (do které patří i aerologická měření) * Pozorování a měření objektů na zem. povrchu a v atmosféře bez přímého fyzického kontaktu měřících zařízení s nimi. * Dálkový průzkum Země, angl. termín: remote sensing * Rozdělení: npasívní (zařízení pouze zpracovává přijatý signál) naktivní (zařízení signál též vysílá) Metody dálkové detekce * Hlavní využití v meteorologii: nsoučást monitoringu ovzduší, významná především v oblastech s nedostatkem staničních měřících systémů nzákladní výzkum (fyzika oblaků a srážek) n * Nejdůležitější výhody metod dálkově detekce: naktuálnost měření (dostupnost dat v řádu minut) nprostorová i časová rozlišovací schopnost měření Vývoj konvektivních bouří z meteorologické družice 200207151500_radar 200207151510_radar 200207151520_radar 200207151530_radar 200207151540_radar 200207151550_radar Large confetti 20060617-2016-panod 20060617-anim-panod Large confetti Meteosat 9, SEVIRI, Airmass a R: WV6.2 - WV7.3 G: IR9.7 - IR10.8 B: WV6.2 Large confetti msgce Large confetti radary_anim Large confetti Radar precipitation estimate without correction - 24h accumulation Max 60 mm Z-R relationship Z=200R^1.6 5 minute data, C band Large confetti Radar precip estimate merged with raingauges - 24h totals 124 mm Merging algorithm A modified version of D-J Seo, 1998 Large confetti Radar precip estimate merged with raingauges - 24h totals 124 mm st./km^2 7 5 4 2 1 0.1 Density of lightning strikes strokes/km^2 Large confetti Studium změn klimatu lower_tropo201101_MSU Historická zmínka • * poměrně mladý obor – počátek v polovině 20. století * první meteorologické družice – 60. léta, první met. radary – 50. léta, u nás 60.-70. léta * vývoj těchto metod svázán s celkovým rozvojem techniky, fyziky a matematiky * v posledních 20. letech je významný vliv informačních technologií => vyšší používání v praxi, dostupné aplikace pro veřejnost (http://radar.bourky.cz) Kapitoly z fyziky atmosféry Vlhkost vzduchu * Parametry: * (parciální) tlak (napětí) vodní páry e * napětí nasycení tlaku vodní páry E * relativní vlhkost: r=e/E * spec. vlhkost: q=0.622e/(p-e) * poměr směsi: w=0.622e/(p-0.378.e) * Tlak nasycené vodní páry nad vodou Ewv: ntlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čisté vody za dané teploty a tlaku vzduchu. Vlhkost vzduchu (pokr.) * Tlak nasycené vodní páry nad ledem Eiv: ntlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čistého ledu za dané teploty a tlaku vzduchu npřibližné vztahy: Základy fyziky oblaků a srážek (viz Bednář, 1989) * Srážky: nhorizontální nvertikální * Vznik vertikálních srážek: ndosažení stavu nasycení, případně přesycení vzduchu vodní parou ochlazením vzduchu na (a pod) teplotu rosného bodu n(zřejmě okrajový) vliv mísení vzduchových hmot * Příčina ochlazení vzduchu nizobarické ochlazení (většinou vyzařování) nvýstupné pohyby nvelkoprostorové nkonvektivní Oblačnost vznikající izobarickým ochlazením • • * vznik podinverzní, případně inverzní oblačnosti (St, mlha), která se během dne může rozpustit * většinou není příčinou významných srážek Vazba typu výstupných pohybů na druh oblačnosti * velkoprostorové výstupné pohyby: především Ci, Cs, As, Ns * konvekce (výsledek archimedovských vztlakových sil v atmosféře): Cu, Cb • * poznámka: Termodynamické rozdělení srážek nemusí být vždy jednoznačné * vznik kapiček vody spontánním spojováním molekul v. páry je statisticky nepravděpodobné * v reálné atmosféře: kondenzace okamžitě po dosažení nasycení * klíčový význam kondenzačních jader nvelikost 10-8 – 10-6 m n n nA konst. nesr tlak nasyc. v. páry nad kapičkou o poloměru r nes∞ tlak nas. v. páry nad rovinným vodním povrchem n Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra Curvature_effect * mnohé aerosolové částice jsou tvořeny rozpustnými látkami (především mořské soli) * kapičky jsou roztokem určité látky * Raoultův zákon pro disoc. roztoky: • • * es tlak nasyc. v. páry nad čistou vodou * esl tlak nasyc. v. páry nad roztokem, obsahujícím v n kilogrammmolekulách vody n' kilogrammmolekul rozpuštěné látky * i van't Hoffův faktor závislý mj. na disoc. látce: pro NaCL, (NH4)2SO4 je i=2 * n, n* počet molekul vody, resp. rozpuštěné látky Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.) • * vliv elektrického náboje (snižuje napětí nasycení v. páry především u kapiček do r=10-6 m) * vznik el. náboje: absorbování částice s el. nábojem, vznik el. nábojů zejm. v bouřkových oblacích Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.) Nasycení/přesycení v. páry nad kapičkou roztoku v závislosti na velikosti kapičky a obsahu rozp. látek Velikosti aerosolů Koalescence v oblacích * Narůstání v. kapek: nkondenzace nkoalescence (splývání) * Koalescence: nspontánní (Brownův pohyb) - nevýznamná ngravitační (při dostatečném „rozrůznění“ velikosti kapek) nelektrostatická nturbulentní nhydrodynamická (zhuštění proudnic u souhlasně se pohybujících kapek) Vznik ledových částic v oblacích * Mrznutí vodních kapiček: nvodní kapičky zůstávají v kapalné fázi při až do -42 st. C. núloha krystalizačních (ledových) jader * Ledové částice v oblacích: njednotlivé led. částice: -5ºC nvzrůst s poklesem teploty, avšak počet kapiček je několikařádově vyšší až do teplot -30 až -40ºC * Přímá sublimace (depozice) v atmosféře je krajně nepravděpodobnou příčinou vzniku ledových částic (nikoliv narůstání) > Tvary ledových krystalků * sloupek * destička * dendrit * Závislost na teplotě: n0 až -5ºC: převládají segmenty šestibokých destiček, dendrity n-5 až -10ºC: sloupky, tenké jehlice n-10 až -25ºC: šestiboké destičky nkolem -14ºC: dendrity n-25 až -40ºC: sloupky, složitější agregáty Teorie vzniku srážek * spontánní koalescence je nepravděpodobnou příčinou vzniku srážek * Bergeronova-Findeisenova teorie: ntlak nasycené vodní páry nad ledem je nižší => narůstání ledových krystalků na úkor ledových kapiček, příp. mrznutí kapiček ledu na krystalcích ledu (angl. riming) ntento mechanismus vysvětluje vznik vert. srážek v mírných šířkách npředpokladem je tzv. koloidní nestabilita Bergeronova-Findeisenova teorie 'Hole-punch' – neobvyklý důsledek koloidní nestability Large confetti UnitedStates Large confetti 200911020930_MSG1_qsnow Teorie vzniku srážek (pokr.) * v tropech: intenzívní srážky z „teplých“ konvekčních oblaků (oblaka bez podstatné ledové fáze) * koalescenční teorie srážek: nobří kond. jádra (10-6m a větší), zřejmě tvořené mořskými solemi => kapičky „větší než obvyklé“, tudíž začíná „pracovat“ gravitační koalescence nkapičky padají dolů, narůstají a rozpadávají se, mohou být dále unášeny nahoru výstupnými pohyby (v tropech jsou konvektivní bouře symetričtější) noslabení výstupného proudu – vypadávání srážek Teorie vzniku srážek (pokr.) * další koalescenční teorie vzniku srážek z „teplých“ vodních oblaků je založena na předpokladu, že vtahování okolního suššího vzduchu na vrcholu Cb i po stranách výstupného proudu umožňuje „zploštění“ spektra kapiček a vytvoření „obřích“ kapek • * Tyto procesy se mohou objevit i mimo tropické šířky Pádová rychlost srážkových elementů * Závislá na fázi a velikosti částic a tlaku vzduchu * Déšť: při zemi do cca 9 m/s, typicky kolem 4-5 m/s (při průměru kapky cca 1-1.5 mm) * Sníh: při zemi do cca 2 m/s terminal_velocity_storm terminal_velocity_snowflakes Large confetti Tvar dešťových kapiček Tvar kapky deště při pádu drop_deform Kapka dosahuje maximálního průměru kolem 5 mm; při dosažení či překročení tohoto průměru se rozpadá Rozpad kapky při pádu Ovlivňování srážek * umělé srážky: * infikování oblaku kondenzačními a krystalizačními jádry * aplikace AgI * V současné době: potlačování ničivých krupobití (obřích krup) nPředpoklad: aplikací AgI do vtoku vzduchu do Cb vede k urychlení vzniku většího počtu menších krup nV praxi: Francie, Chorvatsko, USA, Řecko ... Příklad umělé infekce oblačnosti Large confetti Lijáky v Abú Zabí - ? Konvektivní (konvekční) oblačnost • * Příčina: narchimedovské vztlakové síly npodmíněná (příp. potenciální) instabilita * Tvar konvekční oblačnosti: nza ideálních podmínek symetrický tvar (šestiúhelníkové Bénardovy buňky) nv reálné atmosféře vlivem střihu větru asymetrický tvar+proces Vznik a vývoj konvekční buňky * Symetrická buňka (nepatrný vliv střihu větru) * Fáze 1 * Fáze 2 * Fáze 3 * Fáze 4 Vznik a vývoj konvekční buňky * Asymetrická buňka (patrný vliv střihu větru) * Vliv střihu větru * Vývoj • Cb_stages Precip_mech_in_Cb Large confetti Úkoly pro cvičení * Úkol č. 1. Nakreslete závislost tlaku nasycené vodní páry na teplotě vzduchu v rozmezí –40 až 0 st. C. nad ledem a nad vodou a vhodně znázorněte jejich rozdíl. Při jakých teplotách je rozdíl nejvyšší? Použijte Magnusův vzorec. Large confetti Úkoly pro cvičení * Úkol č. 2. Nakreslete závislost teploty nasyceného vzduchu (tj. teploty rosného bodu) na tlaku nasycené vodní páry v rozmezí 0.2 až 6.11 hPa nad ledem a nad vodou a vhodně znázorněte jejich rozdíl. Použijte opět Magnusův vzorec. Odvoďte z něj závislost tnasys=f(E).