RNDr. Milan Šálek Český hydrometeorologický ústav
salek(#)chmi.cz
Osnova předmětu
Q Úvod
tt Základy fyziky oblaků a srážek
tt Základy fyziky elektromagnetického záření, šíření elmg. vln v atmosféře.
tt Meteorologické družice
tt Radary a jejich použití v meteorologii (detekce a odhad srážek, měření větru)
tt Detekce a identifikace významných povětrnostních jevů
tt Integrace měřících metod
Předběžný program a místa konání přenášek
v r
C 2. 3.: Záření v atmosféře (CHMU)
ö 9.3. 12.30: Družicová meteorologie I. Systémy, technika, organizace, přenosy, zpracování
c Opět 9.3. Družicová meteorologie II. Základy multi spektrální a synoptické
v r
interpretace snímků (CHMU) - RNDr. Martin Setvák, CSc.
Předběžný program a místa konání přenášek
o 23. 3.: Základy radarové meteorologie (Brandlova)
o 30. 3.: Základy radarové meteorologie, odhady srážek (ČHMÚ)
v r
H Adresa CHMU, pobočky Brno: Kroftova 43
o Spojení: Trolejbus 36, případně tram 3,11, zastávka Sochorova, potom ulicemi Manicky a Navrátilova
Výukové materiály a používané programy pro cvičení
M Literatura:
■ Bednář, J., 1989. Pozoruhodné jevy v atmosféře. Optika, akustika a elektřina atmosféry. Akadémia, Praha, 236 s.
■ Salek, M., et al, 2004. Radar techniques f or identifying precipitation type and estimating quantity of precipitation. Document of COS T-717, http://www.smhi.se/cost717/doc/WDF 01 200407 1. pdf
Výukové materiály a používané programy pro cvičení (pokr.)
■ Meischner, P. (Ed.) et al., 2003. Weather Radar: Principles and Advanced Applications. Springer monograph series "Physics of Earth and Space Environment", 337p.
■ Další materiály (prezentace)
tt Cvičení:
■ gnuplot, popř. EXCEL nebo jiný tabulkový kalkulátor
Metody dálkové detekce
tx podle Meteorologického slovníku jsou podmnožinou sondáže ovzduší (do které patří i aerologická měření)
tt Pozorování a měření objektů na zem. povrchu a v atmosféře bez přímého fyzického kontaktu měřících zařízení s nimi. Angl. termín: remote sensing
tt Rozdělení:
■ pasivní (zařízení pouze zpracovává přijatý signál)
■ aktivní (zařízení signál též vysílá)
Metody dálkové detekce
tt Hlavní využití v meteorologii:
■ součást „klasického" monitoringu ovzduší, významná především v oblastech s nedostatkem „staničních" měřících systémů
■ základní výzkum (fyzika oblaků a srážek)
tt Nejdůležitější výhody metod dálkově detekce:
■ aktuálnost měření (dostupnost dat v řádu minut)
■ prostorová i časová rozlišovací schopnost měření
^a JSMeteoView - Viewer of Meteorological Data - Microsoft Internet Explorer - msn.atlas.cz
ORO|col j^UND|nv
ANTM: |1 s/irng ^LAST:| + 2s 31 AUTO UPDATE I Do not update PDUS T RAD 9 LIGHTNING r NWP
CHMI Radar Department
Every 6th | 3rd
±.
T
LOAD (156/156)
dBZ 60,0
52,
4-S.O 44,0 40.0 56,0 52,0
— ZöA I
ZA OYMj, none ZÁ
NÄVIG. red H LÔN 16.432
-90,0 -S0.0 -70,0 -60.0 -50,0 -40.0 -50,0 -20,0 D,0
LAT. 49.549
- CG neg + CG pas CC
Historická zmínka
tt poměrně mladý obor - počátek v polovině 20. století
tt první meteorologické družice - 60. léta, první met. radary - 50. léta, u nás 60.-70. léta
tt vývoj těchto metod svázán s celkovým rozvojem techniky
tt v posledních 20. letech je významný vliv informatiky
Vlhkost vzduchu
tt Parametry:
tt (parciální) tlak (napětí) vodní páry e
tt napětí nasycení tlaku vodní páry E
ö relativní vlhkost: r=e/E
tt spec. vlhkost: q=0.622e/(p-e)
tt poměr směsi: w=0.622e/(p-0.378.e)
tt Tlak nasycené vodní páry nad vodou E^:
■ tlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čisté vody za dané teploty a tlaku vzduchu.
Vlhkost vzduchu (pokr.)
O Tlak nasycené vodní páry nad ledem Eiv:
■ tlak vodní páry, která je ve stavu termodynamické rovnováhy s rovným povrchem čistého ledu za dané teploty a tlaku vzduchu
■ přibližné vztahy:
8.5r 0 1 f\273.\6+t
9.1t — Zľ°1 fl273.16+r
E =£u10
wv wv
E =£u10
IV IV
El=EÍ=6.\\[hPa]
Základy fyziky oblaků a srážek
(viz Bednář, 1989)
o Srážky:
■ horizontální
■ vertikální
o Vznik vertikálních srážek:
■ dosažení stavu nasycení, případně přesycení vzduchu vodní parou ochlazením vzduchu na (a pod) teplotu rosného bodu
■ (zřejmě okrajový) vliv míšení vzduchových hmot
B Příčina ochlazení vzduchu
■ izobarické ochlazení (většinou vyzařování)
■ výstupné pohyby
■ velkoprostorové
■ konvektivní
Oblačnost vznikající izobarickým ochlazením
tt vznik podinverzní, případně inverzní oblačnosti (St, mlha), která se během dne může rozpustit
tt většinou není příčinou významných srážek
Vazba typu výstupných pohybů na druh oblačnosti
H velkoprostorové výstupné pohyby: především
Ci, Cs, As, Ns
tt konvekce (výsledek archimedovských vztlakových sil v atmosféře): Cu, Cb
tt poznámka: Termodynamické rozdělení srážek nemusí být vždy jednoznačné
Kondenzace vodní páry kondenzační j ádra
O vznik kapiček vody spontánním spojováním molekul v. páry je statisticky nepravděpodobné
tt v reálné atmosféře: kondenzace okamžitě po dosažení nasycení
tt klíčový význam kondenzačních j ader ■ velikost 10"8 - 10"6 m
CURVATURE EFFECT
Molecular Interpretation
e —e exp
sr soo r
yrj
\ y
A konst.
e tlak nasyc. v. páry nad kapičkou o poloměru r
■■■:.■■■ ' -.;■: ■;■. '---■:■..:■. ...■- .■-' l'-V.
sr
;oo
tlak nas. v. páry nad rovinným vodním povrchem
Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.)
ü mnohé aerosolové částice jsou tvořeny rozpustnými látkami (především mořské soli)
tt kapičky j sou roztokem určité látky
tt Raoultův zákon pro disoc. roztoky:
, ( n \
es = es --------
\n+krí)
tt ec tlak nasyc. v. páry nad čistou vodou
tt ec tlak nasyc. v. páry nad roztokem, obsahujícím v n
kilogrammmolekulách vody nf kilogrammmolekul rozpuštěné látky
Jt k van't Hoffuv faktor závislý mj. na disoc. látce
Kondenzace vodní páry, kondenzační jádra (pokr.)
tt vliv elektrického náboje (snižuje napětí nasycení v. páry především u kapiček do r=10"6 m)
tt vznik el. náboje: absorbování částice s el. nábojem, vznik el. nábojů zejm. v bouřkových oblacích
Nasycení/přesycení v. páry nad
kapičkou roztoku
KOEHLER CURVES 1 in *■i n %
'4i— Kelvin Limit !Z
/—vľ. for pure water ^—"
1- f/^sl^ 3) -i—" ca li ■._____ H) Cl Z5
/10 / >^ /*
o / /107 /
CG / / r° i
o 0.90-"5 j í /l0~16 rnol per drop -10 !Z O
"5 / / Solute Content -1—1 ca -i—i CD í/5 03
0.80- lili [Z ZJ -20
0.01 0.1 1 10
Drop Diameter, Lim
Velikosti kapiček
Relative Sizes of Cloud Particles
Koalescence v oblacích
tt Narůstání v. kapek:
■ kondenzace
■ koalescence (splývání)
tt Koalescence:
■ spontánní (Brownův pohyb) - nevýznamná
■ gravitační (při dostatečném „rozrůznění" velikosti kapek)
■ elektrostatická
■ turbulentní
■ hydrodynamická (zhuštění proudnic u souhlasně se pohybujících kapek)
Vznik ledových částic v oblacích
tt Mrznutí vodních kapiček:
■ vodní kapičky zůstávají v kapalné fázi při až do -42 st. C.
■ úloha krystalizačních (ledových) jader
tt Ledové částice v oblacích:
■ jednotlivé led. částice: -5°C
■ vzrůst s poklesem teploty, avšak počet kapiček je několikařadově vyšší až do teplot -30 až -40°C
tt Přímá sublimace (depozice) v atmosféře je krajně nepravděpodobnou příčinou vzniku ledových částic (nikoliv narůstání)
Occu rance of Supercooled Clouds
Germany
^ ^ 0.4 h N
° 3
b
Ice
Supercooled
Minnesofa
0.0
0 -4 -8 -12
-16 -20 -24 -28 Temperalu r e (ÜC)
-32 -36 -40
Tvary ledových krystalků
ö sloupek
ö destička
*t dendrit
O Závislost na teplotě:
■ 0 až -5°C: převládají segmenty šestibokých destiček, dendrity
■ -5 až -10°C: sloupky, tenké jehlice
■ -10 až -25°C: šestiboké destičky
■ kolem -14°C: dendrity
■ -25 až -40°C: sloupky, složitější agregáty
Plates
Columns
Plates
Columns and Plates
0.3
0,2-Dendrites
Needles
Water saturation
Hollow columns
f. \
V - narůstání ledových krystalků na
úkor ledových kapiček, příp. mrznutí <
kapiček ledu na krystalcích ledu (angl. Cf Vv
riming) C ^
■ tento mechanismus vysvětluje vznik c vert, srážek v mírných šířkách
■ předpokladem je tzv. koloidní nestabilita
;
*
! !
Bergeronova-Findeisenova teorie
EFFECT OF PHASE DIFFERENCE
c jBHRäfl
-
Pha:o by R. P tier
DRIVING hüKCb
r 1000 ta
/ 1% _ vi o Tu _ Tu CO
0 -20 -10 0 1
Temperature, ° C
CE GROWTH RATES AT LIQUID WATER SATURATION
in
$S
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Temperature, °C
ViJa lilted from G vers {15 g 5)
RIMING
- Ice Growth by Collection -
*
C
*
*
C
c
*
#
#
'Hole-punch' - neobvyklý důsledek koloidní nestability
Teorie vzniku srážek (pokr.)
ö v tropech: intenzívní srážky z „teplých" konvekčních oblaků (oblaka bez podstatné ledové fáze)
tt koalescenční teorie srážek:
■ obří kond. jádra (10'6m a větší), zřejmě tvořené mořskými solemi => kapičky „větší než obvyklé", tudíž začíná „pracovat" gravitační koalescence
■ kapičky padají dolů, narůstají a rozpadávají se, mohou být dále unášeny nahoru výstupnými pohyby (v tropech j sou konvektivní bouře symetričtěj ší)
■ oslabení výstupného proudu - vypadávání srážek
Teorie vzniku srážek (pokr.)
o 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
B Tyto procesy se mohou objevit i mimo tropické šířky
Pádová rychlost srážkových elementů
o Závislá na fázi a velikosti částic a tlaku vzduchu
tt Déšť: při zemi do cca 9 m/s, typicky kolem 4-5 m/s (při průměru kapky cca 1-1.5 mm)
tx Sníh: při zemi do cca 2 m/s
3 ■p -H Ü o QJ > líi 1£ -11 — 10 -9 -3 -? -5 -5 -4 -3 -2 -1 -n /s Vertical velocity versus Diameter Gunn S Kinzer v(D) D . . ¥ . . *9-S5-10.3*eip(-O.e*D) diameter in mm velocity in m/s
L L L, „.......... ___^_------------■--------■--------
_ :: -L= £— ~- ■
! ijsss;..'^1 .
■ T«™fc-;T- -ní jB*: ''.■■'.'-■ fiÉlř-l-'-f *• ?i • * . 4."l ■ . ■
í. Mil 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 M 1 I 1 1 1 M 1 1 1 1 I M M M 1 1 1 I 1 M 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 E 7 Diameter l i l i l | l l l l i l i l i j l l l l l l 8 9 I I I I nm 10
Vertical velocity versus Diameter
Gunn & Kinzer
V(D)=9.65-1Q,3*exp<-0.6*0)
D . .. diameter in nun v ... velocity in m/s
Diameter
Tvar kapky deště při pádu
Beard and Chuang (1987) Equilibrium Axis Ratios (computed)
Fig. 7.1, Equilibrium drop shapes Ioľ diop diameters of 1—6 mm. From ßcaid and Chuang (1967).
BC2001
Dashed= D Solid= D
eq
ÍHI'JI i i Y» l * i «
ŕo-static forces within the ncuís are able to maintain spherical shape aga^st external futŕ; s."
Drop Size
In the
Characteristic Actual Shape Movement
Kapka dosahuje maximálního průměru kolem 5mm; při dosažení či překročení tohoto průměru se rozpadá
A very slit)hl sfiortefling af the vertical axis and the drei
.50 mm
vertical axis is a bau í 98% offtie horizontal axis.
Flattening ai bases begins
Concavity ľ' the flattened base begins.
1,4 m
'S
03
« o
«
c o
o
a o
m
c
-I o
At Sním the ^orce of the air through
wŕiio^i ihs falling causes tha
^rcp to brea^ op.
.
Rozpad kapky při pádu
ú .:'.'• >ji S-'fM
&..:.'•.<■•>•
äfS-.;.^4 ■& ■*■■ ?-: : -- -i
£•-*• ;^... >>r^>íSÁTíiAKs;::vftr':'---
ífi cifn
-. ■ .v." ■*•:•;
Ovlivňování srážek
tt umělé srážky:
tx infikování oblaku kondenzačními a krystalizačními jádry
tt aplikace Agl
ö V současné době: potlačování ničivých krupobití (obřích krup)
■ Předpoklad: aplikací Agl do vtoku vzduchu do Cb vede k urychlení vzniku většího počtu menších krup
■ V praxi: Francie, Chorvatsko, USA, Řecko ...
Příklad umělé infekce oblačnosti
Konvektivní (konvekční) oblačnost
tt Příčina:
■ archimedovské vztlakové síly
■ podmíněná (příp. potenciální) instabilita
o Tvar konvekční oblačnosti:
■ za ideálních podmínek symetrický tvar (šestiúhelníkové Bénardovy buňky)
■ v reálné atmosféře vlivem střihu větru asymetrický tvar+proces
.'■h ■ Jf ■ Li J;y..'řmt H.-:'.i'-!;: ^''^í
Baaasaaffla
wsaassieeBSSgaBKs^
N MECHANISMS
Homogeneous Freezing Nucleation
Vapor Deposition
Hetenogeneous $ Ice Nucleation
H20(v)
í
Updraft
Particles {^CN
Collision- » coalescence 0
Condensation
Ů
CCN Activation
■m
Úkoly pro cvičení
i
r
tx 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.
8.5ř 9.7/
'0 77O
E =£°1027316+ř E = £°1027316+ř Ewv=Elv=6.U[hPa\
WV WV IV IV
H in i
H Úkoly pro cvičeni
c 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 tnasvs=f(E).