Monitoring a předpověď počasí
Milan ŠálekMilan Šálek
Český hydrometeorologický ústav
http://www.chmi.cz
http://www.chmi.cz/poboc/BR/brno.htmlhttp://www.chmi.cz/poboc/BR/brno.html
salek@chmi.cz
Předpověď počasíPředpověď počasí
• Předpověď počasí - předpověď vyjadřující budoucí stav• Předpověď počasí - předpověď vyjadřující budoucí stav
povětrnostních podmínek (Meteorologický slovník)
• Meteorologická předpověď je fyzikální úloha, jejíž cílem je
vytvořit nejpravděpodobnější scénář nebo scénáře budoucího vývoje
atmosféry v časovém horizontu typicky několika hodin, dnů až
vytvořit nejpravděpodobnější scénář nebo scénáře budoucího vývoje
atmosféry v časovém horizontu typicky několika hodin, dnů až
týdnů, max. měsíců. Využívá základní zákony klasické fyziky
(zákony pohybu, zákony termodynamiky) a řeší je pomocí(zákony pohybu, zákony termodynamiky) a řeší je pomocí
matematiky, případně s pomocí znalostí chování synoptických
objektů (tlakové útvary, fronty, bouřky). U dlouhodobé předpovědiobjektů (tlakové útvary, fronty, bouřky). U dlouhodobé předpovědi
se využívají především klimatické údaje a vazby mezi jednotlivými
složkami klimatického systému (např. teplotou povrchu oceánů asložkami klimatického systému (např. teplotou povrchu oceánů a
průměrnou teplotou v blízké oblasti).
Měřítka meteorologických dějů
Úspěšnost meteorologické předpovědi závisí mj.Úspěšnost meteorologické předpovědi závisí mj.
na charakteristické velikosti (měřítku) jevu či
procesu v atmosféře. Čím je daný proces či jevprocesu v atmosféře. Čím je daný proces či jev
větší, tím větší je využitelný časový předstihvětší, tím větší je využitelný časový předstih
předpovědi, který zhruba odpovídá
charakteristické délce životního cyklu jevu (srv.charakteristické délce životního cyklu jevu (srv.
cyklony s životností dnů např. s bouřkami, kterécyklony s životností dnů např. s bouřkami, které
mají typickou životnost v řádu desítek minut,
případně několika hodin).případně několika hodin).
Anomální koeficient korelace
předpovědi pro různé tlakové
hladiny (model ECMWF)hladiny (model ECMWF)
Rozdělení předpovědí počasí
I. Podle období, na které je vydána:I. Podle období, na které je vydána:
1) Velmi krátkodobá 0-12h, nowcasting 0-2h.1) Velmi krátkodobá 0-12h, nowcasting 0-2h.
- využití numerických modelů, metod
dálkové detekce (radary, družice, systémydálkové detekce (radary, družice, systémy
detekce blesků), koncepčních modelů (vliv
"klasické" synoptické metody)"klasické" synoptické metody)
2) Krátkodobá: 1-3 dny (1-2 dny)2) Krátkodobá: 1-3 dny (1-2 dny)
- dominantní využití numerických modelů,
vliv synoptické metody je menšívliv synoptické metody je menší
Rozdělení předpovědí počasí
I. Podle období, na které je vydána (pokr.):
3) Střednědobá: 3-15 dnů (2-15 dnů)3) Střednědobá: 3-15 dnů (2-15 dnů)
- dominantní využití numerických modelů, využití- dominantní využití numerických modelů, využití
poznatků z teorie deterministického chaosu k odhadu
pravděpodobnosti jednotlivých scénářů vývojepravděpodobnosti jednotlivých scénářů vývoje
4) Dlouhodobá
- měsíční, sezónní – využívá vlivu některých faktorů na
dlouhodobý režim počasí (významný je vliv teplotydlouhodobý režim počasí (významný je vliv teploty
povrchu oceánů, zejména v tropech, a dále vliv obsahu
vlhkosti v půdě a tloušťka sněhové pokrývky)vlhkosti v půdě a tloušťka sněhové pokrývky)
Rozdělení předpovědí počasí
I. Podle období, na které je vydána
(pokr.):(pokr.):
5) Předpověď klimatu
- předpověď dlouhodobého režimu počasí (klimatu)
v časovém horizontu typicky roky až staletí,v časovém horizontu typicky roky až staletí,
většinou desetiletí
(pozor na záměnu s klimatickou předpovědí počasí,
tj. předpovědí na základě znalosti klimatu danétj. předpovědí na základě znalosti klimatu dané
oblasti)
Rozdělení předpovědí počasí
II. Podle účelu:II. Podle účelu:
1) Všeobecná - určená pro nejširší veřejnost,
prezentovaná ve sdělovacích prostředcíchprezentovaná ve sdělovacích prostředcích
2) Speciální - pro specializované uživatele,2) Speciální - pro specializované uživatele,
jimž se přizpůsobuje obsah i forma předpovědi
(předpovědi pro letectví, údržbu silnic,(předpovědi pro letectví, údržbu silnic,
zemědělské práce, stavebnictví, předpovědi pro
hydrologické modelování, atd.)hydrologické modelování, atd.)
Rozdělení předpovědí počasí
III. Podle místa / oblasti:
1) Oblastní (pro administrativně nebo jinak
specifikované území)specifikované území)
2) Liniová (traťová) - speciální předpověď2) Liniová (traťová) - speciální předpověď
zejména pro sféru dopravy - letectví, silnice.
3) Místní - speciální předpověď pro určitou3) Místní - speciální předpověď pro určitou
lokalitu (pravděpodobnostní vyjádření)lokalitu (pravděpodobnostní vyjádření)
Podklady pro tvorbu předpovědiPodklady pro tvorbu předpovědi
počasípočasí
Předpokladem úspěšné předpovědi je co nejpodrobnějšíPředpokladem úspěšné předpovědi je co nejpodrobnější
znalost aktuálního stavu atmosféry, kterou je možno
získat informacemi z následujících zdrojů:získat informacemi z následujících zdrojů:
1) Informace ze sítě pozemních (oceánských) stanic
o počtu kolem 10000: alespoň každé 3 hodiny,o počtu kolem 10000: alespoň každé 3 hodiny,
nejčastěji každou hodinu zpráva, t.č. SYNOP (přechod
na kód BUFR do r. 2010 - ?):na kód BUFR do r. 2010 - ?):
11624 11760 79901 10187 20179 39906 40184
57006 60051 72598 8750057006 60051 72598 87500
333 55044 87656
555 395// =555 395// =
Zápis stavu a průběhu počasí na
přízemních povětrnostních mapáchpřízemních povětrnostních mapách
význačné počasí v termínu pozorování
tlak na hladinu moře
význačné počasí v termínu pozorování
teplota vzduchu tlak na hladinu moře
tlaková tendencetlaková tendence
průběh počasí
druh oblaků nejnižšího patra
teplota rosného
bodubodu
11723 11430 82607 10161 20151 39873 40064 51001 60051 79582 88900
333 55044 88933 555 395// =333 55044 88933 555 395// =
Ilustrace rozložení pozemníchIlustrace rozložení pozemních
synoptických stanicsynoptických stanic
Podklady pro tvorbu předpovědiPodklady pro tvorbu předpovědi
počasípočasí
2) Informace z
aerologických stanic:
600-800 stanic na Zemi600-800 stanic na Zemi
měří výškový profil
základníchzákladních
meteorologických prvkůmeteorologických prvků
(teplota, vlhkost, tlak
vzduchu, vítr) alespoňvzduchu, vítr) alespoň
1x denně1x denně
VypouštěníVypouštění
sondy
Ilustrace rozložení aerologickýchIlustrace rozložení aerologických
stanicstanic
Podklady pro tvorbu předpovědiPodklady pro tvorbu předpovědi
počasí (pokrač.)počasí (pokrač.)
3) Informace
získané metodamizískané metodami
dálkové detekcedálkové detekce
(meteorologické
družice,družice,
meteorologické
radary)radary)
Metody dálkové detekce
• meteorologické družice• meteorologické družice
• meteorologické radary
• sodary, lidary
Geostacionární meteorologické
družicedružice
METEOSAT 8 (od r. 2003; 3,4º W )METEOSAT 8 (od r. 2003; 3,4º W )
METEOSAT 9 (od r. 2006; 0 º)METEOSAT 9 (od r. 2006; 0 º)
Kanály MSG
• Viditelná ( a blízká infračervená) část spektra (Visible, VIS)
– HRV (high resolution visible):
– VIS 0.6– VIS 0.6
– VIS 0.8
– IR 1.6– IR 1.6
• Spektrum pro odhad obsahu vodní páry (Water Vapour - WV)
– WV 6.2
– WV 7.3
• Infračervená atmosférická okna (IR Window)
– IR 3.8– IR 3.8
– IR 8.7
– IR 10.8
– IR 12.0
• Pseudo sondáže atmosféry (Pseudo Sounding)
– IR 9.7– IR 9.7
– IR 13.4
RGB kombinace kanálů 1,6; 0,8 a 0,6 µm
High Resolution Visible
FogSt
AC
FogSt
AC
SnowSnow
-32C-32C Ci
CbCb
1.6 µµµµm
0.8 µµµµm
CbCb
0.8 µµµµm
0.6 µµµµm
Sloučení měření víceSloučení měření více
geostacionárních družicgeostacionárních družic
Družice s oběžnou
(kvazipolární) drahou -(kvazipolární) drahou -
NOAA.NOAA.
• dvě družice• dvě družice
• 810-870 km
• téměř každé místo na Zemi je• téměř každé místo na Zemi je
snímáno jednou družicí 2x za den
1. kanál 0.58 - 0.68 mikrometru červená oblast spektra
2. kanál 0.725 - 1.1 mikrometru blízké infračervené záření
3. kanál 3.55 - 3.93 mikrometru tepelné záření3. kanál 3.55 - 3.93 mikrometru tepelné záření
4. kanál 10.3 - 11.3 mikrometru tepelné záření
5. kanál 10.3 - 11.3 mikrometru tepelné záření
Družice NOAA s polární drahou (800
km nad povrchem)km nad povrchem)
1. kanál
0.58 - 0.68 mikrometru
červená oblast spektra
2. kanál
0.725 - 1.1 mikrometru
blízké infračervené záření
3. kanál
3.55 - 3.93 mikrometru
tepelné záření
4. kanál
10.3 - 11.3 mikrometru
tepelné zářenítepelné záření
5. kanál
11.5 - 12.5 mikrometru11.5 - 12.5 mikrometru
tepelné záření
Meteorologický radar
- je zařízení, které vyzařuje směrovou anténou
elektromagnetickou energii v krátkých časových pulsechelektromagnetickou energii v krátkých časových pulsech
do určité oblasti, přičemž objekty, ležící v dráze
radarového paprsku, určitou část energie odrazí zpět. Zeradarového paprsku, určitou část energie odrazí zpět. Ze
zpoždění přijatého signálu oproti vyslanému a z množství
přijaté energie lze získat informaci o poloze a vlastnostechpřijaté energie lze získat informaci o poloze a vlastnostech
objektu, případně o jeho pohybu.
- více typů meteorologických radarů rozličných vlastností- více typů meteorologických radarů rozličných vlastností
Radiolokační odrazivostRadiolokační odrazivost
Radiolokační odrazivost z lze vypočítat podleRadiolokační odrazivost z lze vypočítat podle
radarové rovnice (ve zjednodušeném tvaru) :
z
radarové rovnice (ve zjednodušeném tvaru) :
P
z
r
r M= Π . 2
kde :
P
r
r M= Π . 2
kde :
Pr - přijatý výkon,r
ΠM- radarová „konstanta“ (meteorologický
potenciál radaru),potenciál radaru),
r - vzdálenost cíle.r - vzdálenost cíle.
Dopplerovské radary
• Dopplerův efekt: využití Dopplerova efektu pro• Dopplerův efekt: využití Dopplerova efektu pro
zjištění radiální složky rychlosti větru (tedy v
jednom směru - od radaru, k radaru)jednom směru - od radaru, k radaru)
• využití: zjištění pohybu, případně rotace• využití: zjištění pohybu, případně rotace
oblačnosti, eliminace odrazů od pozemních cílů
Odhady srážek z meteorologických
radarůradarů
Z odrazivosti meteorologického cíle z lze
vypočítat intenzitu srážek R[mm/h] tzv.vypočítat intenzitu srážek R[mm/h] tzv.
Marshall-Palmerovým vztahem:
z a Rb
= .
Marshall-Palmerovým vztahem:
z a R= .
hodnoty a, b jsou vhodně zvolené
konstanty, které se mohou lišit v závislostikonstanty, které se mohou lišit v závislosti
na předpokládaném rozdělení velikostina předpokládaném rozdělení velikosti
kapek. Pro naše podmínky byly zvoleny
a=200, b=1,6.a=200, b=1,6.
Radarová síť v České republiceRadarová síť v České republice
(dle http://www.chmi.cz/meteo/rad/rad_main.html)
• Brdy EEC DSWR-2501C
• Skalky (Drahanská vrchovina): Gematronik
Meteor 360 ACMeteor 360 AC
• (do roku 2000): Praha-Libuš: MRL-5• (do roku 2000): Praha-Libuš: MRL-5
Stanoviště Brdy-Praha
RADAR Brdy
Oblast středníČechy
RADAR Brdy
V provozu od r. 2000
WMOindikativ 11480
V provozu od r. 2000
Typradaru EECDWSR-2501C
Zeměpisnášířka 49,658N
Zeměpisnádélka 13,818E
Nadmoř.výška 860m
Výškaantényn.m. 916m
Intervalměření 10min.
Stanoviště SkalkyuProtivanovaRADAR SKALKY
V provozu od r. 1995
Oblast středníMorava
WMOindikativ 11718
V provozu od r. 1995
WMOindikativ 11718
GematronikMETEOR
Typradaru
GematronikMETEOR
360ACTypradaru 360AC
Zeměpisnášířka 49,501NZeměpisnášířka 49,501N
Zeměpisnádélka 16,790EZeměpisnádélka 16,790E
Nadmoř.výška 730mNadmoř.výška 730m
Výškaantényn.m. 767mVýškaantényn.m. 767m
Intervalměření 10min.
Použití radarů v meteorologii
• detekce srážek (oblaků)• detekce srážek (oblaků)
• zjištění pohybu a vývoje oblačnosti• zjištění pohybu a vývoje oblačnosti
• zjištění struktury oblačnosti
• měření větru
• velmi krátkodobá předpověď• velmi krátkodobá předpověď
• odhady množství srážek• odhady množství srážek
Metody detekceMetody detekce
bleskůblesků
• Pomocí vhodně rozmístěných detekčních čidel se zachycuje• Pomocí vhodně rozmístěných detekčních čidel se zachycuje
elektromagnetické záření, které se vyzařuje při bleskovém
výbojivýboji
• Čidla určí směr, ve kterém došlo k výboji, nebo dobu zachycení
signálu synchronizovanou pomoci GPS. Informace z čidel jsousignálu synchronizovanou pomoci GPS. Informace z čidel jsou
v reálném čase zasílány do zpracovatelského počítače, který je
vyhodnotí a určí, zda šlo o blesk, a pokud ano, kde se vyskytl.
Většinou je možno určit i typ blesku (mrak-mrak, mrak-země),
vyhodnotí a určí, zda šlo o blesk, a pokud ano, kde se vyskytl.
Většinou je možno určit i typ blesku (mrak-mrak, mrak-země),
polaritu a velikost elektrického proudu ve výboji.
Metody předpovědi počasí
1 Norská (bergenská) škola1 Norská (bergenská) škola
- rozvíjená především v první polovině 20. století.
- založená na teoretickém rozpracování termodynamiky
a hydrodynamiky (aerodynamiky) vzduchových hmot,a hydrodynamiky (aerodynamiky) vzduchových hmot,
atmosférických front, tlakových níží a výší a všeobecné
cirkulace atmosférycirkulace atmosféry
- v současnosti je tato škola stále více nahrazována
numerickým modelováním.numerickým modelováním.
Metody předpovědi počasí
2 Numerické modelování (NWP - Numerical2 Numerické modelování (NWP - Numerical
Weather Prediction)
- dominantní součást tvorby předpovědi počasí na
1-15 dnů1-15 dnů
- umožněno pokrokem ve výpočetní a- umožněno pokrokem ve výpočetní a
telekomunikační technice
- podnítilo vznik teorie deterministického chaosu- podnítilo vznik teorie deterministického chaosu
Metody předpovědi počasí
„Technologická linka “ předpovědi s pomocí„Technologická linka “ předpovědi s pomocí
numerických modelů:
1) Měření stavu atmosféry (600-800 aerologických
stanic), zakódování do zpráv TEMP/BUFR apod.,stanic), zakódování do zpráv TEMP/BUFR apod.,
další informace z metod dálkové detekce (především
z met. družic) a z pozemních měření
(SYNOP/BUFR)
z met. družic) a z pozemních měření
(SYNOP/BUFR)
2) Pomocí telekomunikačních linek soustředění
aerolog. údajů (zprávy TEMP/SYNOP/BUFR)
2) Pomocí telekomunikačních linek soustředění
aerolog. údajů (zprávy TEMP/SYNOP/BUFR)
v meteorologických centrech (Offenbach, Reading
atd.)atd.)
Metody předpovědi počasíMetody předpovědi počasí
„Technologická linka “ předpovědi s pomocí
numerických modelů (pokrač.):numerických modelů (pokrač.):
3) Výpočet budoucího stavu atmosféry v centrech
pomocí NWP modelů na (super)počítačíchpomocí NWP modelů na (super)počítačích
4) Rozesílání předpovědí prostřednictvím
telekomunikačních linektelekomunikačních linek
5) Zpracování těchto dat pomocí „malé“5) Zpracování těchto dat pomocí „malé“
výpočetní techniky (PC, popř. prac. stanice UNIX),
po doplnění ostatními informacemi (aktuálnípo doplnění ostatními informacemi (aktuální
pozorování, metody dálkové detekce, podnebné
charakteristiky) vypracování předpovědicharakteristiky) vypracování předpovědi
meteorologem.
Schéma technologické linkySchéma technologické linky
předpovědi počasípředpovědi počasí
Historie NWP modelů
• 1901 Cleveland Abbe (USA), 1904 Vilhelm Bjerknes• 1901 Cleveland Abbe (USA), 1904 Vilhelm Bjerknes
(Norsko) navrhli možnost řešit hydrodynamické a
termodynamické rovnice a vytvořit objektivnítermodynamické rovnice a vytvořit objektivní
předpověď.
• 1922 Lewis F. Richardson provedl první výpočet• 1922 Lewis F. Richardson provedl první výpočet
budoucího stavu atmosféry. Zjednodušené rovnice
vývoje atmosféry řešil numericky metodou grafickévývoje atmosféry řešil numericky metodou grafické
integrace, ale dopustil se při tom porušení důležitého
pravidla mezi vzdáleností sousedních uzlů a časovýmpravidla mezi vzdáleností sousedních uzlů a časovým
krokem integrace, čímž se výsledky lišily od
skutečnosti o řády. Uvedený neúspěch na čas ochladilskutečnosti o řády. Uvedený neúspěch na čas ochladil
zájem meteorologů o tyto metody.
Historie NWP modelů (pokrač.)
Rozvoj NWP modelů nastal až s vývojemRozvoj NWP modelů nastal až s vývojem
prvních počítačů na sklonku 40. a počátku 50. let
(J. von Neumann, J. Charney, C.G. Rossby, H.(J. von Neumann, J. Charney, C.G. Rossby, H.
Panofsky) - nejdříve barotropní model (kdePanofsky) - nejdříve barotropní model (kde
hustota závisí pouze na tlaku), poté baroklinní
modely (hustota závislá na tlaku i teplotě). Dnesmodely (hustota závislá na tlaku i teplotě). Dnes
se v NWP modelech používají základní (nespr.se v NWP modelech používají základní (nespr.
„primitivní“) rovnice.
Vývoj globálních NWP modelů v letech 1950-2000
Historie NWP modelů (pokrač.)
Vývoj v ČR:Vývoj v ČR:
MF UK, prof. Brandejs, 50. léta - vypracovaly se první
studie týkající se problematiky numerického .studie týkající se problematiky numerického .
modelování (Kibelův model, Sutcliffova vývojová teorie
atd.). Na konci 50. a během 60. let se objevily prvníatd.). Na konci 50. a během 60. let se objevily první
pokusy o rutinní výpočty, problémem byla omezenost
výpočetní techniky (Ural 1 …). V 70-80. letech došlovýpočetní techniky (Ural 1 …). V 70-80. letech došlo
nejdříve zastavení výpočtů, poté na konci 80. let jejich
obnovení - zavedl se model ČHMÚ. Na počátku 90. letobnovení - zavedl se model ČHMÚ. Na počátku 90. let
se ČSFR a později ČR aktivně zúčastnila vývoje
moderního numerického modelu ALADIN.moderního numerického modelu ALADIN.
Numerické modelováníNumerické modelování
Objektivní analýza, asimilace datObjektivní analýza, asimilace dat
- jako tzv. předběžné pole se používá výstup
z předchozího běhu modelu (obvykle výstup 6h,z předchozího běhu modelu (obvykle výstup 6h,
případně 12h starý), do kterého se matematickýmipřípadně 12h starý), do kterého se matematickými
technikami zavádějí nově naměřené hodnoty a pole
meteorologických veličin se tímto opravuje.meteorologických veličin se tímto opravuje.
- současný trend: asimilace dat mimo standardní
pozorovací termíny (např. z letadel, družic s polárnípozorovací termíny (např. z letadel, družic s polární
drahou atd.)
Základní rovnice
Pohybové rovnice (rovnice impulsu, dynamická část modelu):Pohybové rovnice (rovnice impulsu, dynamická část modelu):
r
v
r
g
- vektor větru
- gravitační zrychlení Země
r
g - gravitační zrychlení Země
r
Ω - úhlová rychlost rotace Země
r
Ω - úhlová rychlost rotace Země
r
F - síla tření (včetně vnitřního tření)
- tlak vzduchu
F - síla tření (včetně vnitřního tření)
p
- hustota vzduchu- hustota vzduchu
Základní rovnice
Rovnice kontinuity
d
v v
ρ ∂ρ
ρ ρ
∂
= + ∇ = − ∇
r r
v v
dt t
ρ ρ
∂
= + ∇ = − ∇




++==+++
wvud
wvu
∂∂∂
ρ
ρ∂ρ∂ρ∂ρ∂ρ






++==+++
z
w
y
v
x
u
dt
d
z
w
y
v
x
u
t ∂
∂
∂
∂
∂
∂
ρ
ρ
∂
∂ρ
∂
∂ρ
∂
∂ρ
∂
∂ρ
Základní rovnice
První věta termodynamická,
přepsaná do následujícího tvaru:přepsaná do následujícího tvaru:
F
dT
c += αω Tp F
dt
dT
c += αω
T - teplota vzduchu [K]T - teplota vzduchu [K]
Cp - měrné teplo při konstantním tlaku
dp
ω =
dp
dt
- generalizovaná vertikální rychlost
α - měrný objem vzduchuα - měrný objem vzduchu
FT - dodaná tepelná energieFT - dodaná tepelná energie
Základní rovnice
p RTα =
Stavová rovnice:
p RTα =
R = 287 Jkg-1K-1 - plynová konstanta pro suchý vzduch.R = 287 Jkg-1K-1 - plynová konstanta pro suchý vzduch.
Rovnice bilance vodní páry (rovnice kontinuity vodní páry):Rovnice bilance vodní páry (rovnice kontinuity vodní páry):
dQ
FQ=
dt
FQ=
Q - směšovací poměrQ - směšovací poměr
(hmotnost vodní páry / hmotnost suchého vzduchu)
FQ- změna množství vodní páry způsobená výparemFQ- změna množství vodní páry způsobená výparem
nebo kondenzací vody.
Integrace základních rovnic
• pouze numericky:• pouze numericky:
1) metodou konečných diferencí1) metodou konečných diferencí
2) spektrálními metodami
Metoda konečných diferencí
Meteorologické veličiny a jejich změny (derivace) v prostoru jsou vyjádřenyMeteorologické veličiny a jejich změny (derivace) v prostoru jsou vyjádřeny
konečnými rozdíly:
Spektrální metody
• proměnné se reprezentují na základě• proměnné se reprezentují na základě
konečného, diskrétního Furierova rozvoje
• v současné době převažují nad metodami
konečných diferencíkonečných diferencí
Globální modely, LAM modely
• Globální modely• Globální modely
• Local Area Model - LAM modely, modely na• Local Area Model - LAM modely, modely na
omezené oblasti; okrajové podmínky se
přebírají z globálních modelůpřebírají z globálních modelů
• V současné době jsou typické tyto série• V současné době jsou typické tyto série
modelů: Globální model na H+0-168 h, LAM
model s jemným rozlišením na H+48 hmodel s jemným rozlišením na H+48 h
Unified Model UK
MetOfficeMetOffice
(stav v r. 2008)
Main Operational Model ConfigurationsMain Operational Model Configurations
Global NAE UK 4km
0.5625° x 0.375°
0.11° x 0.11° 0.036° x 0.036°
Resolution
0.5625° x 0.375°
(~40 km in mid-
lats).
0.11° x 0.11°
~12 km
0.036° x 0.036°
~4 km
model size 640 x 481 600 x 360 288 x 360
Model Levels
50
lid ~63 km
38
lid ~39 km
38
lid ~39 km
Model Levels
lid ~63 km lid ~39 km lid ~39 km
Forecast length 144 hrs 48 hrs 36 hrs
ALADIN
• Mezinárodním týmem byl pod patronací• Mezinárodním týmem byl pod patronací
METEO France vyvinut LAM model
ALADIN, který se nyní využívá též ČeskýmALADIN, který se nyní využívá též Českým
hydrometeorologickým ústavemhydrometeorologickým ústavem
• Horizontální rozlišení: 9 km
• Počet hladin: 43
Nadmořská výška terénu v modelu ALADIN
(rozlišení 9 km, 43 hladiny)(rozlišení 9 km, 43 hladiny)
ALADIN – změna od 25.10. 2010
• Horizontální rozlišení: 4,7 km• Horizontální rozlišení: 4,7 km
• Počet hladin: 87
Výstupy modelu
• přímo předpovídané • odvozené veličiny:• přímo předpovídané
veličiny:
– směr a rychlost větru
• odvozené veličiny:
– geopotenciál
– přízemní teplota, vítr a vlhkost– směr a rychlost větru
– teplota
– přízemní tlak
– srážky (déšť x sníh,
konvektivní x
velkoprostorové)– přízemní tlak
– měrná vlhkost
velkoprostorové)
– vertikální rychlost ω
– oblačnost (L, M, H, C)– oblačnost (L, M, H, C)
– toky tepla, hybnosti a vlhkosti
z parametrizací
Výstupy modelu (2)
• diagnostické veličiny:• diagnostické veličiny:
– ξa , ξr, PV, DIVa r
– θ, θ‘w
– výška mezní vrstvy, nárazy větru– výška mezní vrstvy, nárazy větru
– CAPE, konvergence vlhkosti
– Q-vektor
– Showalter, Total Totals, K-index, energetický– Showalter, Total Totals, K-index, energetický
index (Darkow)
1997/07/06133
234
M. Šálek, ČHMÚ Brno
Výpočetní síť
Globálního
modelu DWDmodelu DWD
Od ledna 2010 má deterministický model
ECMWF horizontální rozlišení 16 kmECMWF horizontální rozlišení 16 km
Vertikální
rozlišení před a
po změněpo změně
ECMWF modelu
v roce 2006 (nynív roce 2006 (nyní
91 hladin)
Srážky v numerickém modelu
- srážky „velkoprostorové“ se počítají z- srážky „velkoprostorové“ se počítají z
vertikálních rychlostí a vlhkosti vzduchu
„odstraněním“ specifické vlhkosti, která přesáhla„odstraněním“ specifické vlhkosti, která přesáhla
určitou kritickou velikost (vlhkost, při které jeurčitou kritickou velikost (vlhkost, při které je
vzduch nasycen vodní parou). Takto
„odstraněná“ voda propadává níže a podle„odstraněná“ voda propadává níže a podle
konkrétních podmínek v níže ležících hladináchkonkrétních podmínek v níže ležících hladinách
se vypařuje nebo narůstá a výsledné množství se
na zemi počítá jako srážky.na zemi počítá jako srážky.
Srážky v numerickém modelu
- srážky konvektivní („subgridové“) jsou- srážky konvektivní („subgridové“) jsou
počítány pomocí tzv. konvektivní parametrizace,
což je schéma, které se snaží zjednodušenějicož je schéma, které se snaží zjednodušeněji
zachytit velmi komplexní jevy spojené szachytit velmi komplexní jevy spojené s
konvekcí - např. přenos vlhkosti, tepla, interakce
mezi jednotlivými konvektivními proudy apod.mezi jednotlivými konvektivními proudy apod.
Deterministický chaosDeterministický chaos
• Důležitou vlastností základních (parciálních• Důležitou vlastností základních (parciálních
diferenciálních) rovnic popisujících dynamiku a
termodynamiku atmosféry je jejich nelinearita, jejížtermodynamiku atmosféry je jejich nelinearita, jejíž
výsledkem je citlivá závislost na počátečních
podmínkáchpodmínkách
• efekt motýlích křídel, tzn., že o málo pozměněné• efekt motýlích křídel, tzn., že o málo pozměněné
vstupní údaje (např. pole tlaku, teploty apod.) se
mohou promítnout do zcela rozdílných scénářůmohou promítnout do zcela rozdílných scénářů
vývoje (takto vznikla v 60. letech též díky
meteorologu E. Lorenzovi teorie chaosu).meteorologu E. Lorenzovi teorie chaosu).
Deterministický chaosDeterministický chaos
Zmíněná vlastnost těchto modelů vedla kZmíněná vlastnost těchto modelů vedla k
postupům, kdy více modelových výpočtů s lehce
pozměněnými (perturbovanými) vstupními údajipozměněnými (perturbovanými) vstupními údaji
podává informaci o pravděpodobnosti scénářůpodává informaci o pravděpodobnosti scénářů
vývoje počasí Takto získané předpovědi získaly
jméno skupinové (slangově ansámblové). Zjméno skupinové (slangově ansámblové). Z
praktických výpočtů pak vyplývá, že modelpraktických výpočtů pak vyplývá, že model
(modely) je vhodné počítat pouze na nejvýše 10-
15 dnů dopředu.15 dnů dopředu.
Ukázka výsledku skupinovéUkázka výsledku skupinové
předpovědipředpovědi
Na následujících obrázcích uvidíte křivky, kteréNa následujících obrázcích uvidíte křivky, které
přibližně představují proudnice ve výšce asi 5,5
km nad Evropoukm nad Evropou Je-li PC online, pak
http://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsenseur.htmlhttp://www.wetterzentrale.de/topkarten/fsenseur.html
Ukázky výstupů skupinovýchUkázky výstupů skupinových
předpovědípředpovědí
Z 50 předpovědí s perturbovanými počátečnímiZ 50 předpovědí s perturbovanými počátečními
podmínkami, počítanými v Evropském středisku
pro střednědobou předpověď (ECMWF), jepro střednědobou předpověď (ECMWF), je
možno odhadnout rozdělení pravděpodobnostímožno odhadnout rozdělení pravděpodobností
meteorologických prvků. Následují ukázky těchto
předpovědí.předpovědí.
Sezónní předpověď teplotní anomálie
Velmi krátkodobá předpověď,Velmi krátkodobá předpověď,
(nowcasting)(nowcasting)
• předpověď na 0-12 hodin (nowcasting 0-2 h)• předpověď na 0-12 hodin (nowcasting 0-2 h)
- extrapolační předpovědi; Nowcasting pro- extrapolační předpovědi; Nowcasting pro
předpověď srážek je založen na detekci
srážkově významné oblačnosti (radarem,srážkově významné oblačnosti (radarem,
družicí) a extrapolaci jejich pohybu pomocí
vektoru větru z numerického modelu nebo
podle jejich předchozího pohybupodle jejich předchozího pohybu
Velmi krátkodobá předpověď,Velmi krátkodobá předpověď,
nowcastingnowcasting
problémy: nerovnoměrnost (nelinearita) pohybuproblémy: nerovnoměrnost (nelinearita) pohybu
význačných oblaků, zejména konvektivních
buněk; bouřky mohou vznikat a zanikat velmibuněk; bouřky mohou vznikat a zanikat velmi
rychle.rychle.
Koncepční modelyKoncepční modely
• Koncepční modely atmosférických systémů• Koncepční modely atmosférických systémů
popisují jejich typické struktury, životní cykly a s
nimi spojené povětrnostní jevy.nimi spojené povětrnostní jevy.
• Koncepční modely jsou založeny na studiu
pozorovaného chování atmosférických systémůpozorovaného chování atmosférických systémů
patřících do stejné kategorie a jsou často určitým
způsobem podporovány výsledky numerickýchzpůsobem podporovány výsledky numerických
simulací.
• Nejznámější koncepční modely: fronty, cyklony,
konvektivní systémy (izolované bouřky, multicely,konvektivní systémy (izolované bouřky, multicely,
supercely …).
Integrace metod dálkové detekce aIntegrace metod dálkové detekce a
NWP modelů pro nowcastingNWP modelů pro nowcasting
• Model NIMROD (UKMO): Oblačné systémy• Model NIMROD (UKMO): Oblačné systémy
zjištěné satelity a radary jsou advehovány
("přesouvány") pomocí vektoru větru z("přesouvány") pomocí vektoru větru z
numerického modelu nebo extrapolacínumerického modelu nebo extrapolací
předchozího pohybu
• Problémy: Počáteční fáze vzniku
konvektivních systémů.konvektivních systémů.
Integrace metod dálkové detekce aIntegrace metod dálkové detekce a
NWP modelů pro nowcastingNWP modelů pro nowcasting
ČHMÚ: JS MeteoView
Konvektivní bouře, bouřky
Základem bouřky je lokální výstupný proud (naZákladem bouřky je lokální výstupný proud (na
obrázku bude označen červeně), který „zavede“
teplejší vzduch do větších výšek, kde seteplejší vzduch do větších výšek, kde se
ochladí a vydává vláhu. Srážky při svém páduochladí a vydává vláhu. Srážky při svém pádu
„strhávají“ a ochlazují vzduch pod sebou a
vytvářejí sestupný proud (modře). Ten se můževytvářejí sestupný proud (modře). Ten se může
při zemi projevit silnými nárazy větrupři zemi projevit silnými nárazy větru
(húlavou).
Vývoj bouřkového oblaku
Na následujících snímcích uvidíte vývojNa následujících snímcích uvidíte vývoj
bouřkového oblaku v oblasti Zlatých Hor
(severního okraje Jeseníků); od počátku do(severního okraje Jeseníků); od počátku do
plného rozvoje bouřkového oblaku uplynuloplného rozvoje bouřkového oblaku uplynulo
pouhých dvacet minut. Obrázky jsou získány z
měření meteorologického radiolokátoru Skalkyměření meteorologického radiolokátoru Skalky
instalovaného na Drahanské vrchovině.instalovaného na Drahanské vrchovině.
O několik hodin později:
Bouřkové buňky byly již dostatečně vyvinuté,Bouřkové buňky byly již dostatečně vyvinuté,
ale jejich pohyb se v některých případech
odchyloval od řídícího jihozápadního proudění:odchyloval od řídícího jihozápadního proudění:
Hydrologické předpovědi
Meteorologická měření a předpovědi se stávají
důležitou součástí hydrologických předpovědí.důležitou součástí hydrologických předpovědí.
Hydrologové na základě dalších údajů vytvářejíHydrologové na základě dalších údajů vytvářejí
předpovědi průtoků a vodních stavů. Tyto
informace jsou důležité nejen pro hospodaření sinformace jsou důležité nejen pro hospodaření s
vodou, ale též pro výstražnou protipovodňovouvodou, ale též pro výstražnou protipovodňovou
službu, za kterou česká hydrometeorologická
služba zodpovídá.služba zodpovídá.
Závěr - výhledy v oblastiZávěr - výhledy v oblasti
meteorologiemeteorologie
• Trendem v meteorologii je nyní využívání více• Trendem v meteorologii je nyní využívání více
informačních zdrojů (např. radar+srážkoměr,
radar+systémy detekce blesků apod.)radar+systémy detekce blesků apod.)
• Automatizace rutinních činností• Automatizace rutinních činností
• Rychlá aktualizace údajů, nowcasting• Rychlá aktualizace údajů, nowcasting
• Pravděpodobnostní výstupy
Silné bouřky
Následují obrázky krup ze 30.6.1997 u ŽďáruNásledují obrázky krup ze 30.6.1997 u Žďáru
nad Sázavou a jejich následků.
Tornáda
• Tornáda jsou atmosférické víry o typickém• Tornáda jsou atmosférické víry o typickém
rozměru několik desítek m až stovek m.
Vznikají při silných bouřích v oblastechVznikají při silných bouřích v oblastech
subtropů a mírných šířek. Nejvíce tornád nasubtropů a mírných šířek. Nejvíce tornád na
km2 je hlášeno z Velké Británie, ale
nejsilnější tornáda vznikají v oblasti Spojenýchnejsilnější tornáda vznikají v oblasti Spojených
států amerických.států amerických.
Čertíci, rarášci
• Malý (a většinou neškodný) příbuzný tornád je• Malý (a většinou neškodný) příbuzný tornád je
tzv. čertík (=rarášek), což je vír s vertikální
osou vznikající za málo oblačné oblohy vosou vznikající za málo oblačné oblohy v
jarních, případně letních měsících, kdy sejarních, případně letních měsících, kdy se
přehřátý vzduch z přízemních vrstev atmosféry
„zavrtává“ do horních chladnějších vrstev.„zavrtává“ do horních chladnějších vrstev.
Tornáda v České republice?
Ano, též u nás se tornáda vyskytují, ale naštěstíAno, též u nás se tornáda vyskytují, ale naštěstí
většinou nejsou příliš silná. Přesto mohou
způsobit velké škody, jak ukáží další snímky.způsobit velké škody, jak ukáží další snímky.
První dva snímky se týkají tornáda v LanžhotěPrvní dva snímky se týkají tornáda v Lanžhotě
26.5.1994, další popisují následky tornáda v
polesí Teplá (západní Čechy) 21. 7. 1998.polesí Teplá (západní Čechy) 21. 7. 1998.
Tornádo u Světlé nad Sázavou 31. 5. 2001
Tornádo uTornádo u
Světlé nad
Sázavou 31. 5.
2001
31. května 2001
video závěrečné fáze tornáda, savé víryvideo závěrečné fáze tornáda, savé víry
konec dubna 2004 – tři roky „poté“…
Tornádo u Brna 20. 7. 2002
Tornádo u Brna 20. 7. 2002
Tornádo u Prostějova 20. 7. 2002
20. července 2001
ProstějovskoProstějovsko
video – Čechy pod Košířem
Tornádo 19. dubna 2000 u obce Studnice, okres VyškovTornádo 19. dubna 2000 u obce Studnice, okres Vyškov
7. srpna 2002, Dačice
Nový Malín, 6. června 2003
Doposud nejlépe zdokumentované tornádo:Doposud nejlépe zdokumentované tornádo:
- 3x video
- 1x foto- 1x foto
- 1x web-kamera
video Pavel Klásekvideo Pavel Klásek
Litovel, 9. 6. 2004
Litovel, 9. 6. 2004
Litovel, 9. 6. 2004
Litovel, 9. 6. 2004
Litovel, 9. 6. 2004
Předpovědi tornádPředpovědi tornád
Předpověď tornáda je jeden z nejsložitějších
úkolů meteorologie. V praxi se děje pouze uúkolů meteorologie. V praxi se děje pouze u
povětrnostní služby USA, která využívá vysoce
výkonné dopplerovské radary detekující radiální
složky proudění v měřítku stovek metrů. Taktosložky proudění v měřítku stovek metrů. Takto
se podařilo detekovat pravděpodobný vznik
tornáda a varovat veřejnost v Oklahomětornáda a varovat veřejnost v Oklahomě
3.5.1999 20-30 minut před vlastním příchodem3.5.1999 20-30 minut před vlastním příchodem
ničivého víru.
Tornadoes in the United StatesTornadoes in the United States
On May 3rd 1999 an F-5 tornado struck Oklahoma City
-2 km wide
-500 km/hr doppler measured winds near the surface-500 km/hr doppler measured winds near the surface
-42 deaths-42 deaths
-7000 homes destroyed
Tropické cyklónyTropické cyklóny
Velikost: stovky km
Trvání: několik dnů
Karibik: hurikán
Pacifik: tajfun
Tropické cyklónyTropické cyklóny
Vznikají v subtropických mořích při teplotě
povrchu oceánu nad 26 st. a ohrožujípovrchu oceánu nad 26 st. a ohrožují
zejména oblasti Karibského moře a
tropického Pacifiku i oblasti Afriky.
Indický oceán: cyklonIndický oceán: cyklon
Austrálie: willy-wilyAustrálie: willy-wily
Hurikán Katrina
Oko hurikánu Katrina