RNDr. Milan Šálek, Ph.D. milan.salek@email.cz  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 týdnů, max. měsíců. Využívá základní zákony klasické fyziky (zákony pohybu, zákony termodynamiky) a řeší je pomocí matematiky, případně s pomocí znalostí chování synoptických objektů (tlakové útvary, fronty, bouřky). ◦ U dlouhodobé předpovědi se využívají více klimatické údaje a vazby mezi jednotlivými složkami klimatického systému (např. teplotou povrchu oceánů a průměrnou teplotou v blízké oblasti). - Podle období (předstihu), místa a účelu - Také podle převažující technologie či zdrojových údajů - (numerické modely, pozorování, metody dálkové detekce apod.) I. Podle období, na které je vydána: 1) Velmi krátkodobá 0-12h, nowcasting 0-2h. - využití numerických modelů, metod dálkové detekce (radary, družice, systémy detekce blesků), koncepčních modelů (znalosti „chování“ určitých atmosférických struktur) 2) Krátkodobá: 1-2 dny (1-3 dny) - dominantní využití numerických modelů, částečně i koncepčních modelů, okrajově skupinové metody I. Podle období, na které je vydána (pokr.): 3) Střednědobá: 3-15 dnů (2-15 dnů) - dominantní využití numerických modelů, využívání poznatků z teorie deterministického chaosu k odhadu pravděpodobnosti jednotlivých scénářů vývoje (tzv. skupinové / ansámblové metody) I. Podle období, na které je vydána (pokr.): 4) Dlouhodobá - měsíční, sezónní – využívá numerické modely a tzv. skupinové předpovědi; větší vliv některých konzervativních faktorů na dlouhodobý režim počasí (teplota povrchu oceánů, zejména v tropech, a dále obsah vlhkosti v půdě a tloušťka sněhové pokrývky) I. Podle období, na které je vydána (pokr.): 5) Předpověď klimatu - předpověď dlouhodobého režimu počasí (klimatu) v časovém horizontu typicky roky až staletí, většinou desetiletí Pozor na záměnu s klimatickou „předpovědí“ počasí, tj. rámcovou „předpovědí“ (odhadem počasí) na základě znalosti klimatu dané oblasti II. Podle účelu: 1) Všeobecná - určená pro nejširší veřejnost, prezentovaná ve sdělovacích prostředcích 2) Speciální - pro specializované uživatele, jimž se přizpůsobuje obsah i forma předpovědi (předpovědi pro letectví, údržbu silnic, energetiku, zemědělské práce, stavebnictví atd.) III. Podle místa / oblasti: 1) Oblastní (pro administrativně nebo jinak specifikované území) 2) Liniová (traťová) - speciální předpověď zejména pro sféru dopravy - letectví, silnice. 3) Místní - předpověď pro určitou lokalitu (dnes je velmi rozšířená v mobilních zařízeních) Síť pozemních (oceánských) stanic o počtu kolem 10000: alespoň každé 3 hodiny, nejčastěji každou hodinu zpráva, t.č. SYNOP (přechází se na kód BUFR): 11624 11760 79901 10187 20179 39906 40184 57006 60051 72598 87500 333 55044 87656 555 395// = teplota vzduchu tlak na hladinu moře tlaková tendence průběh počasí význačné počasí v termínu pozorování Zápis stavu a průběhu počasí na přízemních povětrnostních mapách druh oblaků nejnižšího patra teplota rosného bodu 11723 11430 82607 10161 20151 39873 40064 51001 60051 79582 88900 333 55044 88933 555 395// = 2) Informace z aerologických stanic: 600-800 stanic na Zemi měří výškový profil základních meteorologických prvků (teplota, vlhkost, tlak vzduchu, vítr) alespoň 1x denně - formát zprávy: BUFR, „přežívající“ TEMP Vypouštění sondy  Účelové stanice dalších organizací (problémy s kvalitou dat)  Údaje z letadel (zprávy AMDAR – Aircraft Meteorological DAta and Reporting) 25 50 75 10 20 30 40 50 100 125255075100125 290 mph 600 mph DescentAscent +5min +10min +22min Aircraft Climb Rate: ~1.5kft/min Aircraft Descent Rate: ~1.0kft/min -28min -20min -10min +10min +20min +30min +50min +40min Avg Wind: 60 Kts 600 mph Aircraft Speed Kft Balloon Climb Rate: ~1.0kft/min Distance (NM) Distance (NM) 3) Informace získané metodami dálkové detekce (meteorologické družice, meteorologické radary)  meteorologické družice  meteorologické radary  sodary, lidary METEOSAT 8 (od r. 2003; 41.5º E ) METEOSAT 9 (od r. 2006; 3.5º E) METEOSAT 10 (od r. 2012, 9.0º E) METEOSAT 11 (od r. 2015, 0º)  Viditelná ( a blízká infračervená) část spektra (Visible, VIS) ◦ HRV (high resolution visible): ◦ VIS 0.6 ◦ VIS 0.8 ◦ 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 8.7 ◦ IR 10.8 ◦ IR 12.0  Pseudo sondáže atmosféry (Pseudo Sounding) ◦ IR 9.7 ◦ IR 13.4 1.6 mm 0.8 mm 0.6 mm Cb -32C FogSt AC Snow Cb -32C FogSt AC Snow Ci 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 záření 5. kanál 11.5 - 12.5 mikrometru tepelné záření - je zařízení, které vyzařuje směrovou anténou elektromagnetickou energii v krátkých časových pulsech do určité oblasti, přičemž objekty, ležící v dráze radarového paprsku, určitou část energie odrazí zpět. Ze zpoždění přijatého signálu oproti vyslanému a z množství přijaté energie lze získat informaci o poloze a vlastnostech objektu, případně o jeho pohybu. - více typů meteorologických radarů rozličných vlastností Radiolokační odrazivost z lze vypočítat podle radarové rovnice (ve zjednodušeném tvaru) : kde : Pr - přijatý výkon, ΠM- radarová „konstanta“ (meteorologický potenciál radaru), r - vzdálenost cíle. P z r r M=  . 2  Dopplerův efekt: využití Dopplerova efektu pro zjištění radiální složky rychlosti větru (tedy v jednom směru - od radaru, k radaru)  využití: zjištění pohybu, případně rotace oblačnosti, eliminace odrazů od pozemních cílů z a Rb = . Z odrazivosti meteorologického cíle z lze vypočítat intenzitu srážek R[mm/h] tzv. Marshall-Palmerovým vztahem: hodnoty a, b jsou vhodně zvolené konstanty, které se mohou lišit v závislosti na předpokládaném rozdělení velikosti kapek. Pro naše podmínky byly zvoleny a=200, b=1,6.  Brdy EEC DSWR-2501C  Skalky (Drahanská vrchovina): Gematronik Meteor 360 AC  (do roku 2000): Praha-Libuš: MRL-5 ◦ Oba radary dopplerovské a od roku 2015 polarimetrické (měří různé parametry na horizontální a vertikální polarizaci) Stanoviště Brdy-Praha Oblast středníČechy WMOindikativ 11480 Typradaru EECDWSR-2501C Zeměpisnášířka 49,658N Zeměpisnádélka 13,818E Nadmoř.výška 860m Výškaantényn.m. 916m Intervalměření 5min. RADAR Brdy V provozu od r. 2000 (postupně modernizace) Stanoviště SkalkyuProtivanova Oblast středníMorava WMOindikativ 11718 Typradaru GematronikMETEOR 360AC Zeměpisnášířka 49,501N Zeměpisnádélka 16,790E Nadmoř.výška 730m Výškaantényn.m. 767m Intervalměření 5min. RADAR SKALKY V provozu od r. 1995 (postupně modernizace)  detekce srážek (oblaků)  zjištění pohybu a vývoje oblačnosti  zjištění struktury oblačnosti  měření větru  velmi krátkodobá předpověď  odhady množství srážek  Pomocí vhodně rozmístěných detekčních čidel se zachycuje elektromagnetické záření, které se vyzařuje při bleskovém výboji  Čidla určí směr, ve kterém došlo k výboji, nebo dobu zachycení signálu 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), polaritu a velikost elektrického proudu ve výboji. 1) Norská (bergenská) škola - rozvíjená především v první polovině 20. století. - založená na teoretickém rozpracování termodynamiky a hydrodynamiky (aerodynamiky) vzduchových hmot, atmosférických front, tlakových níží a výší a všeobecné cirkulace atmosféry - v současnosti je tato škola téměř zcela nahrazena numerickým modelováním. 2) Numerické modelování (NWP - Numerical Weather Prediction) - klíčová součást nynější tvorby předpovědi počasí - umožněno pokrokem ve výpočetní a telekomunikační technice - podnítilo vznik teorie deterministického chaosu „Technologická linka “ předpovědi s pomocí numerických modelů: 1) Měření stavu atmosféry (600-800 aerologických stanic), zakódování do zpráv BUFR (TEMP) apod., další informace z metod dálkové detekce (především z met. Družic i radarů), z pozemních měření SYNOP/BUFR i z dalších zdrojů (AMDAR) 2) Pomocí telekomunikačních linek distribuce údajů po celém světě, zejm. v meteorologických centrech (Offenbach, Reading, NOAA/NCEP atd.) „Technologická linka “ předpovědi s pomocí numerických modelů (pokrač.): 3) Výpočet budoucího stavu atmosféry v centrech pomocí NWP modelů na (super)počítačích 4) Rozesílání předpovědí prostřednictvím telekomunikačních linek 5) Zpracování těchto dat pomocí „malé“ výpočetní techniky (PC, popř. prac. stanice UNIX, v graf. podobě i mobilní telefony, tablety)  1901 Cleveland Abbe (USA), 1904 Vilhelm Bjerknes (Norsko) navrhli možnost řešit hydrodynamické a termodynamické rovnice a vytvořit objektivní předpověď.  1922 Lewis F. Richardson provedl první výpočet budoucího stavu atmosféry. Zjednodušené rovnice vývoje atmosféry řešil numericky metodou grafické integrace, ale dopustil se při tom porušení důležitého pravidla mezi vzdáleností sousedních uzlů a časovým krokem integrace, čímž se výsledky lišily od skutečnosti o řády. Uvedený neúspěch na čas ochladil zájem meteorologů o tyto metody. Rozvoj NWP modelů nastal až s vývojem prvních počítačů na sklonku 40. a počátku 50. let (J. von Neumann, J. Charney, C.G. Rossby, H. Panofsky) - nejdříve barotropní model (kde hustota závisí pouze na tlaku), poté baroklinní modely (hustota závislá na tlaku i teplotě). Dnes se v NWP modelech používají základní (nespr. „primitivní“) rovnice.  Lewis Fry Richardson ,  Čtyři zkušení pracovníci řídícího pultu shromažďují předpověď počasí tak rychle, jak je počítána, a posílají jí potrubní poštou do speciální místnosti. Tady bude kódována a telefonována na rádiovou vysílací stanici (výpočetní svita, prognóza, média, …)  Papíry s výpočty budou uschovány ve sklepních prostorách (archív).  V sousední budově bude oddělení výzkumu, kde se budou vymýšlet zlepšení systému. Ale než jakákoliv změna bude udělána v komplexní rutině výpočetního amfiteátru, bude muset být podrobena řadě experimentů (paralelní testy).  Venku budou hřiště, domy, hory a jezera, protože bylo myšleno na ty, kteří předpovídají počasí, aby si jej mohli užívat plnými doušky.  Rozvoj numerického modelování od experimentů z 50. let do až do dnešní podoby rutinního používání numerických modelů Vývoj v ČR: MF UK, prof. Brandejs, 50. léta  První studie týkající se problematiky numerického modelování (Kibelův model, Sutcliffova vývojová teorie atd.)  Na konci 50. a během 60. let první pokusy o rutinní výpočty  Problém: omezenost výpočetní techniky (Ural 1 …)  V 70-80. letech zastavení výpočtů  Na konci 80. let jejich obnovení - model ČHMÚ  Na počátku 90. let se ČSFR a později ČR aktivně zúčastnila vývoje moderního numerického modelu ALADIN. Objektivní analýza, asimilace dat - jako tzv. předběžné pole se používá výstup z předchozího běhu modelu (obvykle výstup 6h, případně 12h starý), do kterého se matematickými technikami zavádějí nově naměřené hodnoty a pole meteorologických veličin se tímto opravuje. - moderní trend: asimilace dat i mimo standardní pozorovací termíny (např. z letadel, družic s polární drahou atd.) Pohybové rovnice (rovnice impulsu, dynamická část modelu):  v  g - vektor větru - gravitační zrychlení Země   - úhlová rychlost rotace Země - tlak vzduchu  F - síla tření (včetně vnitřního tření) p - hustota vzduchu Rovnice kontinuity       ++==+++ z w y v x u dt d z w y v x u t                 d v v dt t      = +  = −  První věta termodynamická, přepsaná do následujícího tvaru: Tp F dt dT c +=  T - teplota vzduchu [K] Cp - měrné teplo při konstantním tlaku  = dp dt - generalizovaná vertikální rychlost  - měrný objem vzduchu FT - dodaná tepelná energie p RT = Stavová rovnice: R = 287 Jkg-1K-1 - plynová konstanta pro suchý vzduch. Rovnice bilance vodní páry (rovnice kontinuity vodní páry): dQ dt FQ= Q - směšovací poměr (hmotnost vodní páry / hmotnost suchého vzduchu) FQ- změna množství vodní páry způsobená výparem nebo kondenzací vody.  pouze numericky: 1) metodou konečných diferencí 2) spektrálními metodami Meteorologické veličiny a jejich změny (derivace) v prostoru jsou vyjádřeny konečnými rozdíly:  proměnné se reprezentují na základě konečného, diskrétního Furierova rozvoje (konečného součtu sinusoid)  v současné době převažují nad metodami konečných diferencí  Globální modely  Local Area Model - LAM modely, modely na omezené oblasti; okrajové podmínky se přebírají z globálních modelů  V současné době jsou typické tyto série modelů: Globální model na cca H+0-168 (240) h, LAM model s jemným rozlišením na H+48 (72) h Unified Model UK MetOffice (stav v r. 2016) Main Operational Model Configurations Global UKV Resolution ~17 km in mid- lats 1.5 km inner 4 km outer (EURO4) model size 1536 x 1152 744 x 928 Model Levels 70 70 Forecast length 144 hrs 36 hrs Systém model Německé povětrnostní služby  Mezinárodním týmem byl pod patronací METEO France vyvinut LAM model ALADIN, který se nyní využívá též Českým hydrometeorologickým ústavem  Horizontální rozlišení: 4,7 km (od října 2010 do března 2019)  Horizontální rozlišení: 2,3 km (od března 2019)  Počet hladin: 87 Nadmořská výška terénu v modelu ALADIN (rozlišení 9 km, 43 hladiny) Nadmořská výška terénu v modelu ALADIN (rozlišení 4,7 km, 87 hladin)  přímo předpovídané veličiny: ◦ směr a rychlost větru ◦ teplota ◦ přízemní tlak ◦ měrná vlhkost  odvozené veličiny: ◦ geopotenciál ◦ přízemní teplota, vítr a vlhkost ◦ srážky (déšť x sníh, konvektivní x velkoprostorové) ◦ vertikální rychlost  ◦ oblačnost (L, M, H, C) ◦ toky tepla, hybnosti a vlhkosti z parametrizací M. Šálek, ČHMÚ Brno 1997/07/06 234 133 - srážky „velkoprostorové“ se počítají z vertikálních rychlostí a vlhkosti vzduchu „odstraněním“ specifické vlhkosti, která přesáhla určitou kritickou velikost (vlhkost, při které je vzduch nasycen vodní parou). Takto „odstraněná“ voda propadává níže a podle konkrétních podmínek v níže ležících hladinách se vypařuje nebo narůstá a výsledné množství se na zemi počítá jako srážky. - srážky konvektivní („subgridové“) jsou počítány pomocí tzv. konvektivní parametrizace, což je schéma, které se snaží zjednodušeněji zachytit velmi komplexní jevy spojené s konvekcí - např. přenos vlhkosti, tepla, interakce mezi jednotlivými konvektivními proudy apod.  Důležitou vlastností základních (parciálních diferenciálních) rovnic popisujících dynamiku a termodynamiku atmosféry je jejich nelinearita, jejíž výsledkem je citlivá závislost na počátečních podmínkách  efekt motýlích křídel, tzn., že o málo pozměněné vstupní údaje (např. pole tlaku, teploty apod.) se mohou promítnout do zcela rozdílných scénářů vývoje (takto vznikla v 60. letech též díky meteorologu E. Lorenzovi teorie chaosu). Zmíněná vlastnost těchto modelů vedla k postupům, kdy více modelových výpočtů s lehce pozměněnými (perturbovanými) vstupními údaji podává informaci o pravděpodobnosti scénářů vývoje počasí Takto získané předpovědi získaly jméno skupinové (slangově ansámblové). Z praktických výpočtů pak vyplývá, že model (modely) je vhodné počítat pouze na nejvýše 10-15 dnů dopředu. Na následujících obrázcích jsou křivky, které přibližně představují proudnice ve výšce asi 5,5 km nad Evropou Přesněji: předem stanovené hodnoty izohyps geopotenciálu hladiny 500 hPa: 516, 556, 572 Z 50 předpovědí s perturbovanými počátečními podmínkami, počítanými v Evropském středisku pro střednědobou předpověď (ECMWF), je možno odhadnout rozdělení pravděpodobností meteorologických prvků. Následují ukázky těchto předpovědí.  předpověď na 0-12 hodin (nowcasting 0-2 h) - extrapolační předpovědi; Nowcasting pro předpověď srážek je založen na detekci srážkově významné oblačnosti (radarem, družicí) a extrapolaci jejich pohybu pomocí vektoru větru z numerického modelu nebo podle jejich předchozího pohybu - Nyní větší využívání umělé inteligence - Problémy: nerovnoměrnost (nelinearita) pohybu význačných oblaků, zejména konvektivních buněk; bouřky mohou vznikat a zanikat velmi rychle. - Využitelný předstih předpovědi bouřek: do 30-60 minut, u větších komplexů bouřek hodiny - Výsledky extrapolačního nowcastingu jsou nyní i v některých mobilních aplikacích Základem bouřky je lokální výstupný proud (na obrázku bude označen červeně), který „zavede“ teplejší vzduch do větších výšek, kde se ochladí a vlhkost v něm obsažená kondenzuje. Srážky při svém pádu „strhávají“ a ochlazují vzduch pod sebou a vytvářejí sestupný proud (modře). Ten se může při zemi projevit silnými nárazy větru (húlavou). Vývoj bouřkového oblaku v oblasti Zlatých Hor (severního okraje Jeseníků); od počátku do plného rozvoje bouřkového oblaku uplynulo pouhých dvacet minut. Bouřkové buňky byly již dostatečně vyvinuté, jejich prediktabilita vyšší, jejich pohyb se v některých případech odchyloval od řídícího jihozápadního proudění:  Trendem v meteorologii je nyní současné využívání (integrace) více informačních zdrojů (např. měření + NWP modely + dálková detekce)  Automatizace rutinních činností (robotizace duševní práce, nástup strojového učení)  Rychlá aktualizace údajů, nowcasting  Pravděpodobnostní výstupy  Přechod na místní předpovědi, vliv používání chytrých telefonů a tabletů Silné bouřky Následují obrázky krup ze 30.6.1997 u Žďáru nad Sázavou a jejich následků.  Tornáda jsou atmosférické víry o typickém rozměru několik desítek m až stovek m. Vznikají při silných bouřích v oblastech subtropů a mírných šířek. Nejvíce tornád na km2 je hlášeno z Velké Británie, ale nejsilnější tornáda vznikají v oblasti Spojených států amerických.  Malý (a většinou neškodný) příbuzný tornád je tzv. čertík (=rarášek), což je vír s vertikální osou vznikající za málo oblačné oblohy v jarních, případně letních měsících, kdy se přehřátý vzduch z přízemních vrstev atmosféry „zavrtává“ do horních chladnějších vrstev. Ano, též u nás se tornáda vyskytují, ale naštěstí většinou nejsou příliš silná. Přesto mohou způsobit velké škody, jak ukáží další snímky. První dva snímky se týkají tornáda v Lanžhotě 26.5.1994, další popisují následky tornáda v polesí Teplá (západní Čechy) 21. 7. 1998. Tornádo u Světlé nad Sázavou 31. 5. 2001 Tornádo u Světlé nad Sázavou 31. 5. 2001 31. května 2001 video závěrečné fáze tornáda, savé víry konec dubna 2004 – tři roky „poté“… Tornádo u Brna 20. 7. 2002 Tornádo u Brna 20. 7. 2002 Tornádo 19. dubna 2000 u obce Studnice, okres Vyškov Litovel, 9. 6. 2004 Litovel, 9. 6. 2004 Litovel, 9. 6. 2004 Litovel, 9. 6. 2004 Litovel, 9. 6. 2004 Předpověď tornáda je jeden z nejsložitějších úkolů meteorologie. V praxi se děje pouze u povětrnostní služby USA, která využívá vysoce výkonné dopplerovské radary detekující radiální složky proudění v měřítku stovek metrů. Takto se podařilo detekovat pravděpodobný vznik tornáda a varovat veřejnost v Oklahomě 3.5.1999 20-30 minut před vlastním příchodem ničivého víru. Tornadoes 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 -42 deaths -7000 homes destroyed Tropické cyklóny Velikost: stovky km Trvání: několik dnů Karibik: hurikán Pacifik: tajfun Vznikají v subtropických mořích při teplotě povrchu oceánu nad 26 st. a ohrožují zejména oblasti Karibského moře a tropického Pacifiku i oblasti Afriky. Indický oceán: cyklon Austrálie: willy-wily