O NAŠICH RADAROVÝCH VÝSTUPOCH
1) Prvotné dáta - všetko to, čo fotóny priniesli
Obrázok 1 : http://www.freecodesource.com/wallpaper/giganticstormcloud-207427.jpeg
Obrázok skutočného konvektívneho oblaku typu cumulonimbus ( oblak s mohutným vertikálnym vývojom, kde rýchlosť vertikálneho prúdenia dosahuje hodnoty okolo 30 m/s ) , ktorý je spojený s nebezpečnými prejavmi ako sú blesky, intezívne zrážky a vypadávanie krúp.
Je strapatý, ale nie je hranatý, je tmavošedý - pôsobí desivo a cítiť z neho chlad a poryvy vetra. Vidno spodnú základňu oblaku. Vidno detaily - oblé tvary. Pohľadom je možné rozpoznať blesky, oblasť pod jadrom oblaku, kde už vypadávajú zrážky na zemský povrch. Hneď vieme, že to bude nebezpečné a že zmokneme.
Obrázok 2 : http://zebulon1er.free.fr/clas%20nuages.htm
Pozor, ešte jeden obrázok, takéto oblaky radarom „neuvidíme“. Vráti sa od nich signál, ktorý nezachytí prijímač a darmo ich budete hľadať na radarovom obrázku.
Stačí jediný pohľad na oblohu a každý zo skúseností vie popísať, čo sa na oblohe deje. No keď opustíme Analóg a po meraní zostane len Digitál, a teda máme len hromadu čísiel, je to ... „nečitateľné“.
Z oblaku, o ktorom vieme, že je vysoký, že spodnú základňu má vo výške od 1 800 m do 2000 m a horizontálne zaberá plochu asi 5 000 x 5 000 m zostane len zhluk štvorčekov - pixlov.
Aby bola informácia prehľadnejšia, priradíme číslam farby. V radarovom obzore ( kruh s polomerom 160, 80 a 40 km ) oblakov vidno viac než človečím okom. Vidno ich pozície v horizontálnej rovine, sú znateľné jadrá oblakov a na obrázku vertikálneho rezu vidno aj vertikálnu štruktúru oblakov.
Obrázok 3a : Pohľad na radarom namerané prvotné dáta - priemet maximálnych hodnôt do horizontálnej roviny
Obrázok 3b : Pohľad na radarom namerané prvotné dáta - detail jadra vo vybranej výškovej hladine : rez
Obrázok 3c : Pohľad na radarom namerané prvotné dáta - vertikálny rez konvektívnym oblakom
Vidíme oblak tak, ako ho je vidieť pomocou mikrovĺn, teda nie vo viditeľnom svetle okom alebo fotoaparátom, ale radarom.
Množstvo žltých bodiek predstavuje šumy, v strede sú pozemné ciele vyznačené červenou farbou : všetko balastné informácie.
To, čo je na fotografii tmavé šedé, je na radarovej snímke tmavočervené, čo je bledé, je na radarovej snímke bledomodré až zelené. Ako sa nám zapáči. Číslam sme priradili ľubovoľné farby.
Budeme hľadať spomínané oblé tvary oblaku, blesky a zrážky ... nič len „kocky“ ... sú to pixle, do ktorých boli prekonvertované Analógove vnemy, a to ešte s obmedzujúcou rozlišovacou schopnosťou, s obmedzujúcim rozmerom pixlov a obmedzujúcimi hodnotami nameraných dát.
Uvedené obrázky reprezentujú meranie bez akýchkoľvek úprav a opráv a bez uváženia technických parametrov radaru. Je to to, čo naozaj radar „vidí“ a poskytuje. Všetko ostatné je už vecou spracovania dát.
Všetky rezy je možné zväčšovať/zmenšovať, posúvať, prefarbovať, ak máte k dispozícii našu grafickú aplikáciu na zobrazovanie Priestorovej Matice Odrazivostí ( PMO ).
Teraz sme si prezerali PMO po meraní a prechádzame na prezeranie PMO, ktorá obsahuje už len oblaky.
2) Prvotné dáta - všetko to, čo ostalo po odstránení balastu
Výhodou PMO v tomto momente je, že obsahuje len relevantné informácie a je možné si ju zobraziť ako priemety maximálnych hodnôt Z ( veličina opísaná v záložke skySCANner ) alebo ľubovoľné rezy hodnotami Z. Kvôli lepšej predstave si treba hodnotu Z predstaviť ako hustotu oblaku. Tam, kde je jadro oblaku, je najvyššia hustota + veľkosť + vodoľadovosť častíc.
Obrázok 4 : Pohľad na predspracované prvotné dáta po odstránení balastu - priemet maximálnych hodnôt do horizontálnej roviny - ekvivalent k obrázku 3a
Grafická aplikácia zobrazovania PMO umožňuje po krokoch zobraziť rezy kolmé na osi x, y a z. Zobrazujú sa roviny kolmé na smer Východ-Západ alebo kolmé na smer Sever-Juh. Pre každý dosah ( 160, 80 a 40 km ) je odpovedajúca veľkosť pixla ( 800, 400 a 200 m ). Z toho vyplýva, že na radarový obzor od okraja po okraj pripadá vždy 400 pixlov, a teda 400 jednotlivých vertikálnych rovín pozdĺž vybranej osi. Webová stránka rezy neumožňuje zobrazovať.
Zároveň je možné vytvárať rezy kolmé na vertikálnu os z. PMO ( valec ) je vždy vysoká 16 km ( hoci málokedy naplnená po vrch oblakmi ) a podľa dosahu odpovedajúcim veľkostiam pixla ( 800, 400 a 200 m ) je možné vo vertikálnom smere prezerať horizontálne rezy v počte 20, 40 a 80 odpovedajúco dosahu. Je ich možné prezerať jednotlivo postupne, alebo v animácii.
Takto je možné prezrieť si vnútrajšok oblačných systémov.
Najmä pre ľudí pohybujúcich sa vyššie nad zemou umožňuje grafická aplikácia prezerať si oblaky po trase, po ktorej sa pohybujú.Ľubovolne zvolenou trasou je preložená vertikálna plocha zobrazená na obrazovke.
Obrázok 5 : Vertikálny rez po trase
Zároveň je možné v každom bode trasy zvoliť priečny rez ( rovina kolmá na smer trasy ), teda pohľad pred seba s prehľadom z ľava do prava, a to buď manuálne vrtidieľkom, alebo automaticky animáciou. Červená zvislá čiara ukazuje pozíciu pozorovateľa.
3) Prvotné dáta - trojrozmerný pohľad na rozloženie oblačnosti v priestore - 3D
Údaje skySCANneru sú ukladané pri meraní a aj pri spracovaní do trojrozmernej matice PMO. V smere x-ovej osi je smer západ-východ, v smere y-ovej osi je smer juh-sever a v smere z-ovej osi smer povrch-vesmír. To umožňuje v reálnej prevádzke zobrazovať aktuálny akoby trojrozmerný pohľad ( 3D ) na radarovú meteorologickú situáciu.
Nasledujúci obrázok poslúži na vysvetlenie vzťahu plošných ( 2D ) obrazových informácií a priestorových ( 3D ) informácií , ktoré interpretujú priestorové rozloženie oblačných systémov nasnímaných skySCANnerom.
Vedľa seba sú uložené zobrazenia z toho istého termínu merania 15AUG2011 o 17:10 UTC. Naľavo je s označením 2D znázornený priemet maximálnych nameraných hodnôt „hustôt“ oblakov do roviny povrchu. Napravo je s označením 3D trojrozmerný pohľad na tie isté oblaky pri pohľade z okraja obrázku a povedzme, že z výšky 16 km. Tieto trojrozmerné oblaky však vidíme rastrované, rozdelené po vrstvách tak, ako sú dáta umiestňované pri meraní. A ešte ich vidíme „očami“ radaru, teda v mikrovlnnej oblasti, a preto vidíme hustoty vo vnútri oblakov.
V oboch obrázkoch sú kvôli orientácii úsečky : červená bodko-čiarkovaná vyjadruje smer nášho pohľadu a modré čiarkované nás orientujú kvôli predstave o polohe odpovedajúcich oblakov v centre radarového obzoru v oboch obrázkoch. Červené a modré elipsy spojené čiarou nás orientujú na skupiny oblakov na okrajoch radarového obzoru.
Obrázok 6 : Vysvetlenie vzťahu 3D a 2D na našich výstupoch
Takto získavme predstavu o tom, čo vidíme z oblaku po priemete do plochy, do 2D. Napríklad oblak v pravom dolnom kvadrante, v blízkosti bodu odkiaľ sa pozeráme, má jadro nad povrchom a vidíme, že nedosahuje ani vrchol oblaku. Najhustejšie jadro ( červené ) je vo výške asi 6 km a je „obalené“ nižšími ( zelenými ) hodnotami. Keď vo vertikálnom smere zhora nadol vyberieme najvyššiu hustotu, teda najčervenejšiu farbu, a uložíme ju na povrch, máme obrázok v 2D.
Všimnime si v ľavej časti ( v 2D ) čierny krúžok s krížom. Ohraničuje oblasť oblaku s hustotami zelenej farby. Po čiare sa prenesieme do časti 3D a rovnaký krúžok označuje pohľad na to isté miesto v priestorovom oblaku. A tam je šedá farba, teda najnižšie hustoty oblaku. Do priemetu 2D sa dostali len väčšie hodnoty.
Bledé zelené a šedé farby sú na vrcholoch oblakov a tam, kde končia je horná hranica oblaku/RMO. V časti 3D pokračuje od čierneho krúžku s krížom prerušovaná čiara k výrezu vo štvorci. Vo štvorci je pohľad na ten istý oblak pri pohľade z opačnej strany radarového obzoru. Vidíme kovadlinu ( bude vysvetlené ) ako pri reze na obrázku 5 oblaku typu cumulonimbus spojeného s búrkou. V tom mieste je horná hranica oblaku, ktorá je opäť plošnou 2D informáciou na ďalšom obrazovom výstupe zo skySCANneru.
Jadro ( tá červená vec v strede oblaku ) počas vývoja oblaku mohutnie, zvyšuje sa jeho hustota, teda odrazivosť, pribúdajú a zväčšujú sa častice ( kvapky a ľady ), narastá aj horná hranica oblaku a nastane moment, keď z oblaku začnú častice vypadávať, teda prší. Jadro stráca mohutnosť, akoby klesá, zmenší sa hustota, klesne horná hranica oblaku a nakoniec sa oblak rozpadne.
Takže zrážky ( dážď, krupobitie, sneženie ) zaznamenáme nad povrchom zeme, v spodnej časti jadra. Z toho vzniká ďalšia plošná 2D informácia o intenzitách a následne o úhrnoch zrážok.
Zobrazenie v 3D je možné otáčať v azimutálnom smere podľa vertikálnej osi v ôsmich základných pohľadoch s krokom 45°. Ďalej je možné zobraziť časovú animáciu následných meraní. Zemepisné súradnice pri osiach určujú polohu stredu obrázku a výšky na vertikálnej osi sú v kilometroch.
4) Spracovné dáta - analýza, prognóza, úhrny zrážok
Ukázali sme si ako sú po meraní dáta pokazené a čo znamenajú. Výsledkom je možnosť prezerania si oblakov viditeľných v mikrovlnnej oblasti elektromagnetického spektra. Vytvárame si tak predstavu o objemovom rozložení radarom viditeľných oblakov, vidíme jadrá, mohutnosť oblaku.
No stále nevieme čo oblak prináša, kam pôjde a ako sa bude vyvíjať. Nato slúži analýza získaných dát, interpretácia čísiel do človeku prijateľnej podoby. Cieľom je vytvoriť také informácie, ktoré jediným pohľadom človek pochopí a zapamätá si ich.
O oblaku musíme vedieť aké má priestorové rozloženie, aké sú vzťahy medzi jednotlivými časťami, ktoré k sebe prináležia. Je to vytvorenie RMO ( Radarový Meteorologický Objekt - digitálna verzia analógového oblaku, teda to, z čoho pozostáva oblak „videný“ radarom, teda dátové zosúvisenie pixlov ), ktoré budú vyhodnocované.
Výsledkom bude analýza :
- opis častí oblaku, jeho horné a spodné hranice, poloha jadra, časti Oblaku, ktoré dosahujú povrch Zeme
- kde pôvodne oblak v radarovom obzore bol, v ktorom čase a ako rýchlo ktorým smerom sa na miesto, kde sme ho našli, dostal
- ako sa za ostatné obdobie, keď sme ho merali, priestorovo a štruktúrne vyvíjal
- potom je možné definovať nositeľom akých javov a intenzít zrážok oblak - RMO - je
Keď to všetko vieme, môžeme pristúpiť k prognóze :
- z histórie vývoja oblaku - RMO - a z aktuálnych vlastností okolitej atmosféry je možné predikovať jeho priestorový vývoj, zmenu štruktúry RMO a miesto, na ktoré sa premiestni, teda nahrádzame meranie v budúcnosti a vytvárame budúce dátové štruktúry
- no a potom môžeme urobiť analýzu ako pri nameraných dátach
Osobitné postavenie majú informácie o úhrnoch zrážok :
- úhrny sú spočítané ako príspevky od množstiev zrážok, o ktorých tvrdíme, že dopadli na zemský povrch, zvykne sa skôr hovoriť o odhade úhrnov zrážok
- úhrny zrážok predstavujú priame prepojenie na hydrológiu - avšak s veľkým ALE !!! v ceste nám stojí zemský povrch : jeho štruktúra, sklon, pokrytie, nasýtenie vodou, teplota, vietor, ... je to tenký ľad !
Ako sa môžeme pozerať na oblak ( kvôli názornosti konvektívny ) a čo tam nájdeme
Obrázok 7 : Pohľad na cumulonimbus z lietadla
Takto vyzerá pohľad na oblak typu cumulonimbus ( Cb : je to konvektívny - kopovitý oblak dosahujúci výšku tropopauzy - 12 km - ale i viac - 16 km - ktorého vertikálny vývoj sa zastavuje na tropopauze - inverzná vrstva, ale môže sa vyvíjať aj vyššie, prestúpiť aj druhú a tretiu tropopauzu ), ktorý je spojený s intenzívnymi zrážkami a elektrickými javmi, teda búrka. Na tropopauze sa vytvára tzv. kovadlina. Pri tomto pohľade je vidno komplikovaný tvar na hornej hranici - okraji oblaku. Súvisí to so stúpajúcimi prúdmi vo vnútri oblaku. V kažom mieste je výška iná. Podľa fotografie ju môžeme len odhadovať.
Obrázok 8 : Pohľad na cumulonimbus zo stanice ISS
Ak sa pozrieme na cumulonimbus zo stanice ISS, tak uvidíme vďaka osvetleniu Slnkom tiene, ktoré vytvoria predstavu o morfológii povrchu oblaku, ale výšku neodhadneme ...
Obrázok 9 : Pohľad na cumulonimbus rádiometrom družice
Ak však chceme určiť vlastnosti oblaku - cumulonimbu - je potrebné meranie v oblasti elektromagnetického spektra, ktoré sa nazýva infra, je síce blízke viditeľnému žiareniu ( svetlu ) , ale okom ho nevidíme.
Toto meranie sa robí rádiometrom, zariadením na meteorologickej družici, ktoré sníma signály a v číselnej podobe ich odosiela do prijímacieho pracoviska na Zemi, kde sa nie jednoduchými algoritmami spracováva, určí sa štruktúra oblaku a je možné určiť aj hornú hranicu.
Tu je potrebné si uvedomiť, že rádiometer pasívne sníma povrch, nevysiela signál, len sníma fotóny, ktoré od oblaku prídu. Preto sú rádiometre na družici nastavené na rôzne časti spektra elektromagnetického žiarenia, čo sa využíva pri analýze. Fotóny z rôznych častí spektra akoby prichádzali z rôznych vrstiev oblaku. Z týchto povrchových“ informácií treba vytiahnuť o oblaku všetko od hlavy po pätu.
Obrázok 10 : Pohľad na cumulonimbus v schématickom reze na fronte
Schématický obrázok ideálnej oblačnosti studeného frontu podľa Stueveho. Vidno tu dve kovadliny Cb ( dva krát prešiel cez tropopauzu ) a pod najmohutnejšou časťou na čele frontu s Cb vypadávajú zrážky. Kde zrážky sú už zrážkami, nie je jednoznačné. Ktoré dopadnú na povrch, ktoré sa vyparia cestou nadol ?
Obrázok 11 : Pohľad na cumulus v schématickom reze vnútrom oblaku
A toto je ešte schématickejší obrázok podľa Stueveho. Predstavuje rozdelenie vodnosti v oblaku, teda hmotnosť vody v jednotke objemu [ g/m3 ]. Tak sa dá znázorniť aj obsah ľadu v oblaku. O tom bolo písané v časti skySCANner pri spätnom rozptyle. O veľkosti, zložení a množstve častíc, ktoré sa zasluhujú o návrat fotónov do prijímača. Potom takáto schéma vyjadrená vo „videní“ mikrovlnami/radarom vyzerá nasledovne.
Obrázok 12 : Pohľad na cumulus v schématickom reze vnútrom oblaku - videné radarom
A predtým, ako sa dostaneme k radarovému obrazu oblaku, nesmieme opomenúť numerické modely konvektívnych oblakov. Oblaky sa dajú opísať prostredníctvom fyzikálnych zákonitostí, ktoré do úrovne človečieho poznania opisujú vznik, vývoj a rozpad oblaku. Fyzikálne zákonitosti sú vyjadriteľné matematicky ( parciálnymi diferenciálnymi rovnicami ). Takýchto matematicko-fyzikálnych modelov je mnoho, neustále sa upresňujú a súčasná výpočtová technika ich umožňuje aj realizovať.
Na nasledujúcich dvoch obrázkoch je graficky znázornené, ako spracovávame aerologické merania, ktoré sú vstupom pre model konvektívneho oblaku ( KO ). Ten je súčasťou nášho spracovateľského sofvéru : komplexné spracovanie dát z aerologických staníc pre oblasť 1280x1280 km okolo radarovej siete.
Obrázok 13 : Termodynamický diagram
Termodynamický diagram opisuje rozloženie parametrov atmosféry vo vertikálnom smere :
- teploty vzduchu TVZ,
- teploty rosného bodu TRB,
- vlhkej adiabaty ADV,
- horizontálnej rýchlosti vetra RVT a
- smeru vetra SVT
Obrázok 14 : Diagram konvekcie ( vypočítané podľa modelu konvektívneho oblaku )
V diagrame konvekcie je graficky znázornený priebeh hodnôt obsahu vodnej ( tekutej ) a ľadovej ( pevnej ) zložky ( častíc ) konvektívneho oblaku.
Vo vertikálnom smere sa mení odtieň farby podľa obsahu častíc v danej polohe a vyfarbená plocha predstavuje zároveň aj vertikálnu mohutnosť oblaku. V horizontálnom smere plocha predstavuje horizontálny rozsah vyjadrený parametrom RKO ( polomer KO ). V diagrame je uvedená teplota vo vnútri KO TKO a rýchlosť vertikálneho prúdenia vo vnútri KO VPO.
Spracované aerologické dáta slúžia na vytváranie priestorovej matice informácií o atmosfére, ktoré náš SW používa pri analýze a prognóze radarových dát.
No a naostatok sa pozrieme na oblak radarom :
Obrázok 15 : Snímka analógovej obrazovky ( 60-te roky )
Na obrazovke sú viditeľné konvektívne bunky. Obrazce vysvecované na okrúhlej sklenenej obrazovke ( PPI - Plan Position Indicator / ИКО - Индикатор Кругового Обзора / Radarový indikátor na prehľadové zobrazenie ) sa ručne zakresľovali na priesvitné plexisklové šablóny mastnou ceruzkou pri rôznych náklonoch antény a pomocou utlmovacích členov sa zisťovala hodnota odrazivosti.
Meranie trvalo, podľa množstva objektov, niekedy až 45 minút. A meralo sa každých šesdesiat minút. Čiary a čísla sa prekresľovali na presvetlovacom stole do radarových ( papierových ) máp a vysielali sa elektro-mechanickým zariadením do „éteru“.
Trvalo to dlho a každého z nás potešilo, keď bolo NRE ( No Radar Echo ), to znamená, že neboli oblaky merateľné radarom, alebo keď nastal stav NIL ( porucha radaru, zrejme z latinského NIČ ). S týmito výrazmi sa stretnete aj na našich výstupoch, keď takéto situácie nastanú.
Doba sa zmenila, a tak máme hyper-super radary, ktoré namerajú a spracujú veľa dát, urobia farebné obrázky a tie idú až do vašich notbukov, tabletov a mobilov.
Obrázok 16 : Zlúčená radarová mapa z osemdesiatych rokov ( ručná práca )
Takto vyzerala zlúčená rádiolokačná analyzovaná mapa ešte pred štvrťstoročím - bratislavský a pražský radar. Všimnite si : žiadne lúčovité stopy a žiadne kruhy ...
... a teraz už o meteorologických výstupoch poskytovaných zariadením SkyScanner !
Ktorý z predchádzajúcich pohľadov na oblak bol najlepší ? Pochádzajúci z :
- fotografie ?
- pohľadu z ISS ?
- rádiometeru na družici ?
- modelu oblaku ?
- radaru ?
Podľa toho, čo chceme docieliť, najlepšia je kombinácia rôznych zdrojov dát, aspoň čiastočná. My sme postavili radar s podporou aerologických meraní.