Meteorologické radary II. Technologie radarových měření, odhady srážek, chyby a problémy radarových měření odrazivosti a srážek Milan Šálek (s pomocí kolegů z Radarového oddělení ČHMÚ) salek@chmi.cz Útlum radiových vln •Vakuum: žádný útlum •Atmosféra: nenulový útlum •Zanedbatelný útlum: dusík •Nezanedbatelný útlum: kyslík, vodní pára (závislost na hustotě) •Útlum v atmosféře: cca 0.01 dB/km –(250 km: 2.5 dB) –zohledněn ve výpočtech Z Útlum radiových vln (pokr.) Beerův (Lambertův, Bouguerův) zákon Útlum radiových vln (pokr.) attenuation attenuation_gas •Závislost celkového útlumu způsobeného atm. plyny (na celkové dráze, tj. k cíli a zpět k radaru) na vzdálenosti od radaru a frekvenci radiových vln pro elevace 0° a 5°. Útlum je největší v blízkosti radaru, kde je paprsek nízko a prochází hustšími vrstvami atmosféry Útlum v dešťových srážkách •Pro λ= 5 cm je hodnota dvojcestného útlumu kp=0,004R1,17 dB.km-1, kde R[mm.h-1] značí intenzitu srážek. utlum • • •Anténa radaru může při měření rotovat v azimutu nebo se vertikálně kývat (měnit elevační úhel) nebo směřovat fixně do jednoho místa. Z toho vycházejí základní možnosti zobrazení radarové odrazivosti tzv. indikátory.(původ u starších analogových radarů kde se tyto indikátory používaly při zobrazení přímo na obrazovku s dlouhým dosvitem): • •PPI (Plan Position Indicator) - přehledový indikátor kruhového obzoru - při otáčení antény na konstantním elevačním úhlu - t.zn. kuželový řez prostorem. •RHI (Range-Height Indicator) - indikátor dálka-výška - při vertikálním kývání antény na určitém azimutu. - t.zn. vertikální řez prostorem •A-skop - osciloskop, fixní poloha antény, na ose x vzdálenost, na ose y intenzita odrazu - užíván pro servisní účely. • •Zpracování a zobrazování radarových dat Img_3630 radar •Zpracování a zobrazování radarových dat •operativní provoz - objemové snímání (posloupnost otáček antény při různých elevačních úhlech - posloupnost PPI hladin). Z takto získaných objemových dat je možné zkonstruovat dokonalejší zobrazení radarových odrazů : •základní PPI hladiny •CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) - kruhový obzor konstantní výšky • (pseudoCAPPI – zasahuje za dosah možné konstantní výšky, data z nejnižší možné elevace) •Max Z - maximální odrazivosti ve vertikálním a 2 horizontálních průmětech (kvazi-trojrozměrné zobrazení), •RHI popřípadě jiný uživatelský vertikální výřez z objemových dat •horní hranice radioecha (často 4 dBZ) •výstražné detekční algoritmy (VIL, Y-algoritmus, HAIL_PROB - v těchto produktech se zohledňuje jednak intenzita radioecha a jednak vertikální mohutnost detekované oblačnosti) a jiné vypočtené produkty • •www MaxZ-sloucenka Prokládané snímání – ČHMÚ (roky 2007-2009) ●operativní zprovoznění prokládaného snímání - během 10ti minut jsou měřeny dva 5ti-minutové subscany ●5ti minutová data - využíváno Řízením letového provozu i v ČHMÚ ●ostatní uživatelé využívají nadále 10ti minutová data složená vždy z dvou následných 5ti-minutových subscanů ●veškeré zpracování je nutno provádět pomocí vlastního software RVD/RPD Od jara 2009 plnohodnotné 5 minutové měření scan_strategy_cz_2009_14_Radar Skalky Objemové zpracování - vlastní softwareový balík RVD/RPD •generované produkty odrazivosti [PPI, CAPPI, MAX, MAX-3D, Echo top, VIL, Y-algorithm (kroupy), vertical reflectivity profiles (VPR), radarové odhady srážek + VPR korekce] a dopplerovských rychlostí[PPI, modif-VAD] •flexibilní vytváření radarových kompozitů (sloučenka) •slučování objemových dat – umožnění prokládaného snímání •libovolně definovatelná geografická projekce a rozlišení – nový standard 1x1km horiz. rozlišení •datové rozlišení = 8bit (256 úrovní) – odpovídá originálním obj. datům; odhady srážek využívají 16bit datové rozlišení •vizualizace – internetový prohlížeč JSMeteoView •archivace objemových dat - možnost libovolného zpětného výpočtu •zachováno generování dat ve starém formátu 2x2km “*.xd” a “*.gif” pro zachování kompatibility •CZRAD kompozit • •1km vs.2km horiz. rozlišení [USEMAP] •European Weather Radars – stav v roce 2008 •1990 - zadání projektu rakouskou meteorologickou službou •centrum ve Vídeň •na Technické univerzitě v Grazu byl vytvořen software pro kódování a dekódování radarových dat do kódu WMO FM-94 BUFR •mezinárodní koordinace v rámci GORN/OPERA (Styčná skupina pro evropské operativní radarové sítě) •programy k dispozici pro užití ve všech evropských zemích •1995 - ve Vídni zahájena pokusná tvorba středoevropské sloučené informace, distribuované v 30-min. cyklu po GTS v kódu FM-94 BUFR (obsahuje data z D, A, CH, CZ, SK, SLO, CRO, PL, do budoucna též severní Itálie) - trvá • •Výměna dat •Z ČR : PACZ21 OKPR (každých 10 min.) - sloučená informace z radarové sítě ČHMÚ Do ČR : PAEU21 LOWM (každých 30 min.) - středoevropská sloučená informace • • •Středoevropské radarové sítě (CERAD) cerad_oro •CERAD – středoevropská sloučená radarová informace EURad Evropská radarová síť •Interpretace – konvektivní oblačnost konv2 •Meteocíle konvektivního charakteru : •existence výrazných jader s vyšší odrazivostí •často buněčná struktura, často přítomnost blesků •velká časová proměnlivost •doba života jednotlivých buněk řádu desítek minut •na bočních průmětech zřetelná proměnlivost výšky horní hranice, obvykle se nevyskytuje "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. •Interpretace - konvektivní oblačnost vrst1 •Interpretace –vrstevnatá oblačnost • •Meteocíle vrstevnatého charakteru : •jednotvárný plošný vzhled •nejsou výraznější gradienty odrazivosti •pomalejší 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 • •Interpretace –vrstevnatá oblačnost • Odhad srážek z meteorologických radarů •Východiska: –známe radiolokační odrazivost Z –známe pádovou rychlost kapek –předpokládáme Marshall-Palmerovo rozdělení velikosti kapek Trocha matematiky Obecný vztah Z-R •Semiempirické vztahy z-R •koeficienty se často liší podle druhu srážek • Vztahy z-R •Battan (1973) uvádí 69 (!) vztahů z-R •konvekce: a větší, b menší •stratiformní srážky, orograf. srážky: a menší, b větší •představuje limitující zdroj chyb pro odhad srážek nepolarimetrickými radary (chyby nemohou být menší než chyby pramenící z nepřesnosti vztahů z-R) Z-R_02 Radarové odhady srážek •pro kvantitativní využívání radarových odhadů srážek je potřeba použít a dosržovat následující postup: • zajistit přesnost hardwarové kalibrace a stabilitu radaru • zajistit účinné procedury eliminace nemeteorologických (především pozemních) radarových odrazů – využití dopplerovských filtrů • použít nejlepší (optimalizovaný) odhad radarové odrazivosti v přízemní vrstvě (odrazivost v nízké hladině, popř. korekce na vertikální profily odrazivosti) • na základě optimálního Z-R vztahu vypočítat intenzitu srážek • akumulovat okamžité hodnoty pro požadovaný časový interval • kombinovat radarový odhad s pozemním měřením srážek, popř. využít některých statistických korekcí • provést výpočet srážkového úhrnu na definovaných povodích (popř. v definovaných bodech) • Reprezentativní hodnoty odrazivostí pro výpočet odhadu intenzity srážek •odrazivost v (pseudo)CAPPI hladině (vrstvě - !) •maximum odrazivosti ve vertikálním sloupci •nejnižší neblokovaný radarový paprsek (U.S. NWS) • U ČHMÚ se nyní používá (pseudo)CAPPI 2 km, testují se korekce na vertikální profily (pro 24-hodinové úhrny) • Vývoj radarových odhadů srážek •od 50.-60. let orientace na „ladění“ z-R vztahů •90. léta: zjištěna větší role jiných zdrojů chyb radarových odhadů srážek •přelom tisíciletí: orientace na kombinované (komplementární) analýzy s využitím radarů i srážkoměrů • Chyby a nedostatky radarových měření odrazivosti (a srážek) •chyby v měření odrazivosti vyústí v nepřesnosti odhadů srážek •chyby: –přístrojové –způsobené změnou nebo anomálním stavem atmosférických podmínek, srážkami atp. • •Second trip echo precurse-mod-17 precurse-mod-18 •Greg Stumpf, NSSL •Second trip echo • • •Útlum ve srážkách • •Útlum ve srážkách – mokrá kopule • •Útlum ve srážkách – mokrá kopule • •Útlum ve srážkách – mokrá kopule • •Útlum ve srážkách – mokrá kopule • Hail spike (vícenásobný odraz od krup) fine2ap •Nemeteorologické cíle – pozemní odrazy • •odrazy od terénu • především na nízkých elevacích • blízko od radaru od parazitních bočních laloků antény i na vyšších elevacích •zesílení v případě anomální šíření při superrefrakci (více zasaženého terénu) •Charakteristické znaky pozemních cílů : •často jednotlivé pixely s vyšší odrazivostí nebo menší nesouvislé oblasti •veliké prostorová proměnlivost odrazivosti, ostré okraje výrazných pozemních cílů •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 •zvětšení rozsahu a zvýšení odrazivosti po srážkách (navlhční terénu) • •Nemeteorologické cíle – další • • ruseni2 ruseni •rušení radaru jiným signálem •na blízké frekvenci •vlastní šum a nestabilita radaru • RLAN_RLAN_cor medenec-upr05 slunce_CERAD Sluneční záření Chyby a nedostatky radarových odhadů srážek 1)Možnost nestability technického zařízení radaru 2)Odlišné rozdělení velikost kapek od předepsaného 3)Útlum při průchodu paprsku srážkami a vodou na krytu radaru 4)Změna intenzity srážek při pádu oblačných elementů (vypařování nebo narůstání) 5)Zvýšení odrazivosti v zóně tání 6)Vliv rostoucí vzdálenosti od radaru na šířku paprsku a na výšku nejnižšího paprsku nad terénem, blokování paprsku 7)Silné výstupné a sestupné proudy 8)Blokování radarového paprsku 9)Mikrovlnné přenosy dat (Internet) 10)Další (reziduální pozemní cíle atd.) • RAD_CONV •Chyby a nedostatky radarových odhadů srážek - konvektivní oblačnost RAD_STR •Chyby a nedostatky radarových odhadů srážek - srážky ze slohovité (stratiformní) oblačnosti zimni_nizke_srazky Chyby a nedostatky radarových odhadů srážek - případ orografického zesílení srážek orogr_radar •Orograficky zesílený déšť, chrakteristické rozdělení velikosti kapek •Radarové odhady srážek – ČHMÚ •podhodnocení ve velkých vzdálenostecha horských oblastech (zakřivení Země, zastínění orografií, orografické zesílení srážek a blízkými stromy (Skalky) •nadhodnocení blízko radaru (především z důvodu dobře detekovatelného bright-bandu a ne zcela vymazaných pozemních odrazů (starý radar Praha-Libuš)) •“stará” metoda – založena na poli maximálních odrazivostí (2x2km horiz. rozlišení) – operativní výpočet od 1996 Chyby radarových odhadů při silné konvekci radar_convective cb_kurim radar_beam12b •Tam někde vlevo je radar • • VPR-korekce radarových odhadů srážek – ČHMÚ •2km CAPPI hladiny korigované v neviditelných oblastech pomocí vertikálních profilů odrazivosti (VPR) •VPR vypočítaný blízko radaru (nebo určený z klimatografie pokud blízko radaru nejsou cíle) je použit k extrapolaci radarové odrazivosti z vyšších viditelných hladin k zemi •VPR jsou počítány ve vzdálenosti 30-80km od radaru (plné vertikální pokrytí) Radarové odhady srážek – ČHMÚ •“nové zpracování” - v současnosti jsou počítány • radarové odhady na základě 2km (pseudo)CAPPI, popř VPR-corrected 2km (pseudo)CAPPI •1x1km horiz. rozlišení •vstupní datové rozlišení = 8bit (256 levels); výstupní datové rozlišení = 16bit •kombinace radarových odhadů se srážkoměry •průměrné a úhrné odhady srážek na individuálních povodích – vstupy odhadů do hydrologických modelů Porovnání radarových odhadů srážek – ČHMÚ [USEMAP] Ratio Σ(radar)/ Σ(gage) [%] 1996-1997 Skalky_Zmax_podil_rok Denní odhady – stanice v nížině Denní odhady – stanice v horách (Lysá hora, 1324 m) Případové studie •Povodně v červenci 1997 v severovýchodní polovině České republiky •Přívalové srážky ve dnech 22.-23.7.1998 v Orlických horách • Povodně v červenci 1997 •Intenzívní trvalé deště v době od 5. do 8. července 1997 •silné orografické zesílení an070500 an070600 an070700 an070800 an070900 R0706Z r0708z •6-hour precipitation and wind velocity at the mountain station Lysá hora and the nearby lowland station Ostrava-Mošnov 5 - 9 July 1997 Přívalové srážky 22.-23. července 1998 •Kvazistacionární konvektivní systém (training effect) destne radar_sr_rychc Úkol č. 7 •Nakreslete závislost intenzity srážek na radarové odrazivosti pro následující koeficenty a, b v Z-R vztahu • •Vztah •Určeno pro •Marhall-Palmer •a=200, b=1,6 • •Obecné, většinou stratiformí srážky • •Stratiformní - orografické srážky • •a=130, b=2 •Stratiformní v chladném období, vhodné též pro orografické srážky • •Konvektivní (extratrop.) • •a=300, b=1,4 •Konvekce mimo tropické srážky •Tropické konvektivní • •a=250, b=1,2 •Tropická konvekce (+ srážky z trop. cyklon)