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.
Pozor, ešte tri obrázky ! Nasledujúce oblaky radarom „neuvidíme“. Vráti sa od nich signál, ktorý nezachytí prijímač radaru a darmo ich budete hľadať na radarovom obrázku.
Sú to v poradí cirrus, altocumulus a cumulus humilis - oblak pekného počasia.
Stačí jediný pohľad na oblohu a každý zo skúseností vie opísať, 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 80 km ) vidno viac oblakov než človečím okom. Vidno ich pozície v horizontálnej rovine, sú znateľné jadrá
oblakov a na obrázku vertikálneho rezu vidno aj vertikálnu štruktúru oblakov (pozri obr. 3c).
Vidíme oblak tak, ako ho je vidieť pomocou mikrovĺn, teda nie vo viditeľnom svetle okom alebo fotoaparátom, ale radarom.
Množstvo žltých a zelených bodiek predstavuje šumy. V strede, pri radare, sú pozemné ciele vyznačené červenou farbou (pozri obr. 3a). Všetko sú to len balastné informácie. To, čo je na fotografii tmavé šedé, je na radarovej snímke tmavočervené, čo je bledé, je na radarovej snímke bledomodré, zelené až šedé. Číslam sme priradili ľubovoľné farby. Ak by sme videli mikrovlny farebne, tak by sme videli v našom okolí všetky tie čiary a pásy, ktoré vysielajú technologické zariadenia širokopásmovej siete … podobne ako na obrázku 3a. Pri pohľade voľným okom na oblak, vidíme jeho oblé tvary. Keď sa však pozrieme na digitalizovaný pohľad radaru plný pixlov, je hranatý. Sú to pixle, do ktorých boli prekonvertované analógové signály, skreslené digitalizáciou. Uvedené obrázky reprezentujú meranie bez akýchkoľvek úprav a opráv. Je to to, čo naozaj radar „vidí“ a poskytuje. Všetko ostatné je už vecou spracovania dát.
PMO v tomto momente obsahuje len relevantné informácie a je možné ju zobraziť ako priemety maximálnych hodnôt Z [mm6m3] alebo ľubovoľné rezy hodnotami Z alebo ako trojrozmerný pohľad, teda 3D. Čo to je Z ? Veličina Z je tzv. radarová odrazivosť. Je to akoby množsto fotónov, ktoré sa vrátia do radaru po „odraze“ od oblaku. Veličinu Z si predstavte ako hustotu oblaku. Tam, kde je jadro oblaku, je najvyššia hustota a veľkosť častíc tvoriacich oblak.
Keďže je PMO po meraní objemovo naplnená, tak je možné po krokoch zobraziť rezy kolmé na osi x, y a z. Zobrazia sa roviny kolmé na smer východ-západ alebo kolmé na smer sever-juh. Zároveň je možné vytvárať rezy kolmé na vertikálnu os z. PMO ( valec ) je vždy vysoká 16 km, hoci málokedy naplnená po vrch oblakmi. Ľubovolne zvolenou trasou cez PMO je vertikálna plocha zobrazená napr.na obrázku 5. Takto je možné prezrieť si vnútrajšok oblačných systémov.
Údaje skySCANneru sú ukladané pri meraní a pri spracovaní do trojrozmernej matice PMO. To umožňuje v reálnej prevádzke zobrazovať aktuálny trojrozmerný 3D pohľad 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 namerané oblaky pri pohľade povedzme - z vrtuľníku. 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
Takto získavame predstavu o tom, čo vidíme z oblaku po priemete z 3D do plochy 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.
Všimnite 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 samozrejme zobrazia len väčšie hodnoty, teda zelené.
Bledé zelené a šedé farby sú na vrcholoch oblakov a tam, kde končia, je horná hranica oblaku. 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 a zobraziť časovú animáciu následných meraní.
Ukázali sme si ako dáta očistené od balastu 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 jeho časťami, ktoré k sebe prináležia. Je to zosúvisenie vyhodnocovaných dát, teda vytvorenie RMO ( Radarový Meteorologický Objekt - digitálna verzia analógového oblaku, teda to, z čoho pozostáva oblak „videný“ radarom ).
Výsledkom bude analýza :
Ako rozumieť informáciám poskytovaným aplikáciou mySKYwatch bude pojednané o pár stránok ďalej.
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 ). Je spojený s intenzívnymi zrážkami a elektrickými javmi, teda je to búrka. Na tropopauze sa vytvára tzv. kovadlina – vrch oblaku sa „rozteká“. Pri tomto pohľade je vidno komplikovaný tvar na hornej hranici - okraji oblaku. Súvisí to so stúpajúcimi ( konvektívnymi ) tokmi vo vnútri oblaku. V kažom mieste je výška iná. Podľa fotografie ju môžeme len odhadovať.
Ak sa pozrieme na cumulonimbus zo stanice ISS, tak uvidíme vďaka osvetleniu Slnkom tiene, ktoré vytvoria predstavu o morfológii povrchu oblaku, ale výšku neodhadneme …
Ak však chceme určiť vlastnosti oblaku - cumulonimbu - je potrebné meranie v oblasti elektromagnetic-kého 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 fotóny a dáta v číselnej podobe odosiela do prijímacieho pracoviska na Zemi, kde sa nie jednoduchými algoritmami spracováva, určí sa štruktúra oblaku a je možné určiť aj hornú hranicu aj intenzity zrážok.
Tu je potrebné si uvedomiť, že rádiometer pasívne sníma povrch, nevysiela signál, len sníma fotóny, resp. „teplo“, 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 A po Z.
Schématický obrázok ideálnej oblačnosti studeného frontu podľa Stueveho. Vidno tu dve kovadliny Cb ( prešiel cez obe tropopauzy ) a pod najmohutnejšou časťou na čele frontu s Cb vypadávajú zrážky.
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. Odrazivosť Z ( „hustota“ ) závisí od veľkosti, zloženia a množstva častíc, ktoré sa zasluhujú o návrat fotónov do prijímača. Potom takáto schéma vyjadrená vo „videní“ mikrovlnami/radarom vyzerá nasledovne.
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. No a naostatok sa pozrieme na oblak radarom :
Na obrazovke sú viditeľné konvektívne bunky. Obrazce vysvecované na okrúhlej sklenenej obrazovke sa ručne zakresľovali na priesvitné plexisklové šablóny mastnou ceruzkou pri rôznych náklonoch antény a pomocou utlmovacích členov sa zisťovala hodnota odrazivosti Z. Meranie trvalo, podľa množstva objektov, niekedy až 45 minút. A meralo sa každých šesdesiat minút. Obrysy a hodnoty 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 (z latinského NIČ, keď bola porucha radaru). 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.
Takto vyzerala zlúčená rádiolokačná analyzovaná mapa ešte v poslednej štvrti 20-teho storočia - bratislavský a pražský radar.
… a teraz vyzerá napríklad takto …
