Hlavní navigace

Na návštěvě meteoradaru Skalky: kde se berou radarové mapy srážek

Autor: Petr Novák, ČHMÚ
Petr Krčmář

Nebude za chvíli pršet? Obloha je sice bez mráčků, ale co když se to brzy přižene? Stačí se podívat do mobilu a víme to, protože máme přece radar. Jak ale mapy srážek vznikají? Byli jsme se na to podívat.

Doba čtení: 16 minut

Sdílet

Radar je velmi široký pojem, který může označovat vojenská zařízení, přístroje používané na letištích nebo třeba meteorologické radary. Ty se nejčastěji používají k detekci srážkové oblačnosti na velkých plochách. Jejich dosah se pohybuje v několika stovkách kilometrů a jsou schopny detekovat srážky různého druhu.

Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ) provozuje radary dva: na kopci Praha asi 60 km jihozápadně od Prahy a pak na kopci Skalky asi 35 km severně od Brna. Jednodušší je přístup k druhému jmenovanému, proto jsme se rozhodli jet na návštěvu právě tam.

Cesta z města

Po dvou a půl hodinách jízdy vlakem vystupujeme v obci Skalice nad Svitavou, kde nás vyzvedne Ondřej Fibich z ČHMÚ a veze nás na 20 kilometrů vzdálený kopec. Radar není skoro vidět, všude kolem něj je les, říká nám, když se během jízdy rozhlížíme po okolních kopcích.


Věž s meteoradarem

Během cesty se prudce mění počasí: nejdřív svítí sluníčko, pak chvíli prší a nakonec začne hustě sněžit. To asi aby nám počasí demonstrovalo všechny své podoby, když už míříme k meteorologickému radaru. Po půl hodině jízdy se před námi uprostřed lesa otevře malá mýtina s kruhovou budovou, z jejíhož středu vybíhá nahoru vysoká věž.

Před vchodem nás už vítá Petr Novák, vedoucí radarového oddělení ČHMÚ. Vede nás do budovy, ve které je zázemí radaru. V přízemí se nachází dieselagregát, zdroj záložního bateriového napájení, ale také ložnice i kuchyňka s kompletním vybavením. Zázemí využíváme při pravidelných měsíčních servisních výjezdech, vysvětluje Petr Novák a vaří nám kávu. Sedáme si, pozorujeme obrovské sněhové vločky za oknem a necháme zdejšího „velkého šéfa“, jak mu říkají kolegové, vyprávět.

Od ruční práce k digitalizaci

S prvními radarovými meteorologickými měřeními se v Československu začalo experimentovat v 60. letech na Milešovce. Od roku 1969 byl v Praze na Libuši na budově ČHMÚ instalován první radar Tesla RM-2. Pravidelně se na něm začalo měřit v roce 1971. Šlo o manuální měření prováděná jednou za hodinu. Z displejů se ručně překreslovaly odrazy na průsvitný papír a poté do připravených map. Ty pak byly odesílány pomocí faksimilového vysílání na letiště a na předpovědní pracoviště.

V Praze ale postupně rostla zástavba, takže na konci 70. let bylo rozhodnuto o vybudování věže, na kterou byl v roce 1979 umístěn nový radar. V rámci spolupráce se Sovětským svazem byl použit radar MRL-2, který byl o deset let později nahrazen modernějším MRL-5. Stále se ale měření prováděla manuálně na mřížce třicet krát třicet kilometrů.

V osmdesátých letech přibyly v Československu další dva civilní meteoradary. Nejdříve severně od Bratislavy na Malém Javorníku a později na Kojšovské holi u Košic. Tyhle tři radary pokrývaly Československo.

Manuální měření vydrželo až do 90. let, přestože po světě už probíhala postupná digitalizace. My jsme tu měli ale embargo na digitální technologie, takže jsme neměli přístup k moderním procesorům a nemohli jsme modernizovat. Slováci prý sice vyvíjeli vlastní digitální rozšíření svého radaru, ale kvůli technickým kompromisům jej nikdy v Praze nenasadili do praxe.

Podívejte se na historické fotky z prvních radarových měření:

Digitalizace proběhla až v roce 1993, kdy byl v Maďarsku vyvinut modul pro radary typu MRL-5. Video signál se vytáhl do počítače, ve kterém byla digitalizační ISA karta. Uvnitř běžel DOS a v něm program, který data zpracovával a odesílal. Přestože šlo o poměrně primitivní řešení, znamenalo dramatické zlepšení. Najednou byla k dispozici data po deseti minutách s rozlišením dva krát dva kilometry.

Po rozdělení Československa bylo rozhodnuto o výstavbě nového radaru na Moravě. Už dřív bylo jasné, že Praha a Bratislava jsou příliš daleko a na Moravě chybí přesná data. Po rozdělení se navíc zhoršil přístup ke slovenským měřením, takže jsme museli postavit druhou lokalitu. Původní plány z osmdesátých let počítaly ještě s manuálním měřením a počítalo se s plnou obsluhou přímo na místě. V devadesátých letech se světě už ale stavěly bezobslužné radary řízené vzdáleně z centra.

Právě takto byl nakonec realizován i radar Skalky. V té době jsme byli už průkopníky Linuxu. První testy jsme dělali ještě na jádře 0.9, směje se Petr Novák. Běžely tu distribuce Slackware a SUSE, ale velmi rychle se přešlo na Red Hat Linux.

Radar byl tehdy připojen nespolehlivou modemovou linkou s rychlostí 19,2 kilobitů. Přenášeli jsme jen data se čtyřbitovým rozlišením, která nám stačila jen opravdu na základní produkty. Když bylo potřeba přenést objemnější data, používal se linuxový počítač s disky v šuplících, které se po měsíci vyměňovaly a odvážely do Prahy.

V roce 1999 skončila životnost radaru v Praze a bylo rozhodnuto o přesunu radaru do Brd. V té době se také dohodlo s armádou, že budeme provozovat jednu společnou srážkoměrnou radarovou síť. Zároveň zrychlily síťové spoje, bylo možné přenášet více dat a vytvářet více produktů. Díky internetu začala také mezinárodní spolupráce a máme přístup k mnoha dalším datům.

Poslední změna proběhla v roce 2015, kdy bylo potřeba obnovit a modernizovat oba radary. Měli jsme požadavek na dva stejné radary, protože praxe ukázala, že provozovat dva různé modely je problematické kvůli obsluze a náhradním dílům. V současné době jsou tedy v Brdech a na Skalkách radary Vaisala WRM200. Obnova radaru včetně všech prací stála přibližně 65 milionů korun a životnost je plánována opět přibližně na 20 let, přičemž během této doby se počítá s několika menšími upgrady.

Výpadek trval přibližně měsíc, ale byl částečně pokryt daty ze Slovenska a z Německa. Tato spolupráce už dnes běží trvale, používají se sloučená data z okolních zemí, takže v případě výpadku jednoho z radarů si běžný laik nevšimne rozdílu. Odborník to pozná, protože vzdálenější radar nevidí tak dobře slabší srážky uprostřed republiky, ale máme alespoň nějaká data.

Moderní radarové měření

Měření probíhá do vzdálenosti 260 kilometrů, okolní země to mají velmi podobně. Není to dáno technickými parametry radaru, ale zakřivením Země. Nejvíce nás zajímají mraky těsně nad zemí a jak jsou dál, schovávají se nám za obzor a my už je nevidíme nebo vidíme jen jejich horní část. Je to tedy dáno principem šíření paprsku.

Při vysílání je důležitá volba správné vlnové délky. Kdybychom ji měli příliš velkou, byly by pro nás drobné kapičky úplně neviditelné. Naopak příliš vysoká frekvence by způsobila výrazně vyšší útlum signálu ve srážkách. V takovém případě by radar získal informace jen z čela srážkové oblasti a neviděl by do hloubky. Radar nad naší hlavou vysílá na frekvenci 5645 MHz, jeho kolega v Brdech pak na 5630 MHz. V tropických oblastech se používají delší vlnové délky, protože tam jsou srážky s většími kapičkami a dochází k většímu útlumu.

Petr Novák z ČHMÚ.

Petr Novák z ČHMÚ

Jedná se o takzvaný pulzní radar, protože vysílá jen ve velmi krátkých impulzech. Pohybujeme se v rozmezí půl až dvou mikrosekund. Radar po tu dobu vysílá výkonem 250 kW a následně se přibližně na milisekundu přepne do přijímacího režimu a detekuje signál, který se vrací po odrazu od překážky. Část signálu se na srážkách pohltí a rozptýlí všemi směry, většina signálu putuje dál. My jsme schopni část rozptýleného signálu zachytit a tím detekovat srážky.

Podle času přijetí odraženého signálu je možné určit přesnou vzdálenost srážek, protože signál se šíří rychlostí světla. Podle azimutu a elevace antény pak známe směr. Máme tak přesné umístění ve trojrozměrném prostoru. Kromě toho je z charakteristiky signálu možné zjistit další podrobnosti.

Jednou z veličin je takzvaná radiolokační odrazivost, která určuje sílu cíle a podle ní se vrátí úměrné množství signálu. Zjistíme tak, jak moc nám srážky odráží náš signál. To je dáno hustotou deště, ale hlavně velikostí kapiček. Průměr kapičky má v rovnici šestou mocninu, takže to je nejdůležitější faktor.

Podívejte se na proces montáže současných radarů Vaisala WRM-200:

Fázový posun pak ukazuje radiální rychlost srážek. Pomocí dopplerovského efektu jsme schopni zjistit, kterým směrem se kapičky pohybují. Z toho usoudíme něco o proudění, ale také dokážeme odlišit meteorologické cíle od těch ostatních. Signál se totiž odráží i od dalších překážek, jako třeba vrcholků kopců. Srážky se obvykle pohybují a ostatní cíle ne, takže nám to umožňuje rozlišit jen to, co nás zajímá. To je přesnější metoda než použití takzvaných clutter map, které mapují okolní terén. Ten je sice možné staticky odečíst, ale pak bychom přišli i o zbytkové odrazy od skutečných srážek. Když ale nemáme k dispozici nic jiného, můžeme takto nezajímavé objekty z naměřených dat vynechat.

Nejnovější radary jsou polarimetrické – umožňují, aby polovina vysílaného výkonu byla vysílána s horizontální polarizací a druhá s vertikální. Kapička totiž nevypadá tak, jak se obvykle kreslí, se špičkou nahoru. Je naopak díky odporu vzduchu zploštělá. Odražený signál se pak vyhodnocuje zvlášť pro obě polarizace a podle drobných rozdílů v obou rovinách je pak možné detailněji vyhodnocovat tvar částic. Můžeme tak odlišit třeba déšť, kroupy, ledové krystalky nebo třeba nemeteorologické cíle.

Radar tedy provádí postupné měření v různých směrech a s různou elevací. Děláme tedy kuželové řezy atmosférou, zafixujeme anténu pod daným elevačním úhlem, poté proměříme 360 stupňů dokola, výšku posuneme a tak pořád dokola. Naměřená data se pak převádějí do kartézských souřadnic do mapové projekce. Měření probíhá v pětiminutových cyklech, během kterých se stihne dvanáct různých elevačních úhlů.


Výsledek měření u meteorologu a uživatelů

Rozlišení radaru je jeden stupeň, přičemž v každém směru je provedeno několik desítek měření. Anténa se neustále pomalu otáčí a paprsek má nějakou šířku. V rámci jednoho stupně stihneme vyslat zhruba tři desítky pulzů a nasbírat z nich odrazy. Pětiminutový měřicí cyklus začíná vždy nahoře a poté anténa postupně klesá, což má svůj důvod. Nejcennější jsou pro nás data o srážkách těsně nad zemí, takže ta máme po zpracování nejčerstvější. Data z horních vrstev atmosféry jsou tedy při předání uživatelům až pět minut stará.

Většina států provozuje několik radarů, aby pokryly dostatečně svá území. My máme v současné době dva, což nám stačí. Navíc přebíráme data od okolních zemí. Mezi sousedními státy existují dohody o výměně dat, stejně tak se informace předávají i do celoevropského projektu, v rámci kterého vznikají celoevropské radarové mapy.

Data pro veřejnost i letecký provoz

Nejrozšířenějším produktem jsou známé mapy srážek, které jsou k vidění na webových stránkách ČHMÚ a v mobilních aplikacích. Ty zobrazují data maximálních odrazivostí, tedy nejvyšší naměřenou hodnotu v zobrazovaném bodě, který pokrývá oblast o velikosti jeden krát jeden kilometr. Když máme k dispozici v daném místě měření z více radarů, použijeme opět nejvyšší naměřenou hodnotu napříč elevacemi.

Takto vytvářené mapy ale mají tendence nadhodnocovat srážky, protože často zobrazují kapičky vysoko v atmosféře. Ty ale nemusí ve skutečnosti dopadnout na zem. Během těch několika kilometrů se toho může ještě hodně stát, třeba se kapičky zase vypaří. Takže radar může ukazovat srážky, ale dole je sucho. Často je proto lepší podívat se na hodnoty odrazivosti v nižších hladinách.

ČHMÚ vytváří na základě svých radarových měření několik desítek produktů, nejčastěji jsou používané tři. Máme ale třeba zvlášť měření v různých hladinách, výstup z algoritmu pro detekci krup a podobně. Radar jen měří a samotné zpracování dat pak probíhá až po přenosu do Prahy. Ale i tady máme základní zobrazení naměřených dat, nejsme tu slepí.

Boj s rušením

Radary měří v pásmu 5 GHz, kde vysílá také Wi-Fi. ČHMÚ tedy bohužel neustále bojuje s rušením. Nové radary nám ho umožňují docela dobře odfiltrovat, ale to neznamená, že jde o vyřešený problém. Špatně nakonfigurované a namířené pojítko vytvoří v datech výrazné rušení ovlivňující celý jeden směr měření. Máme velkou anténu s vysokým ziskem a náš přijímač je hodně citlivý, měříme až na úroveň –115 dBm.

Moderní Wi-Fi přístupové body obsahují funkci DFS (Dynamic Frequency Selection), která při výběru kanálu hlídá, zda na něm nevysílá meteorologický radar. Starší zařízení ale DFS neobsahují a u některých novějších je ho možné vypnout, stěžuje si Petr Novák. Někteří provozovatelé podle něj také nedodržují normu pro maximální vysílaný výkon.


Rušení se projevuje chybami v naměřených datech.

Radar se snaží tyto zdroje rušení odfiltrovat, k čemuž používá korelační koeficient obou přijímaných signálů. Ten vlastně říká, jak moc se nám podobá signál z vertikálního a horizontálního kanálu. Přestože kapičky a krystalky jsou nesymetrické, jsou si signály velmi podobné. Korelační koeficient je v takovém případě nad 0,98. Naopak Wi-Fi obvykle vysílá jen s jednou polarizací, takže koeficient je výrazně nižší. Přesto nám to dělá problémy, když se překrývají data ze srážek s rušením. Vznikají pak různé díry a v některých oblastech získáváme nekvalitní data.

ČHMÚ se tedy neustále snaží s rušením bojovat a pokud možno se s poskytovateli připojení dohodnout po dobrém. Jsme schopni v rámci servisního zásahu odpojit měření, připojit k naší anténě běžnou Wi-Fi a načíst si, jaké sítě vidíme. Data včetně SSID a MAC jsou pak předávána poskytovatelům, aby změnili nastavení. Pokud to nepomůže, přijde ke slovu ČTÚ.

Je to nekončící boj za kvalitní meteorologická data. Rušící Wi-Fi nás připravují o důležitá data, protože nám mizí oblasti s nejsilnějšími srážkami. Ty jsou ale důležité například při vyhodnocování povodňového nebezpečí. Nevzdáváme to, situace se postupně lepší, ale nemůžeme říct, že máme vyhráno.

Vzhůru k radaru

Zvedáme se a vyrážíme přímo k radaru. K němu vede točité schodiště uvnitř věže, uprostřed kterého vede nákladní výtah. Ten my ale použít nemůžeme, takže nás čeká několik stovek schodů nahoru. Tam vycházíme do kruhové místnosti s technikou.

Samotný radar je umístěn ve dvoumetrové rackové skříni, ze které vede vlnovod nahoru k anténě. Vlnovodná trasa musí být perfektně sestavená, protože se přes ni přenášejí vysoké výkony. Jsou tam těsnicí kroužky, celá cesta je natlakovaná a detekujeme případné úniky. Tlakuje se vysušeným vzduchem a uvnitř vlnovodu je umístěn detektor jiskření.

Na vlnovodu jsou vidět také páčky sloužící k ladění trasy. Kdybychom měli neoptimálně naladěný vlnovod, odrážela by se nám část výkonu zpět a radar by mohl shořet. Naštěstí je proti tomu chráněn a sám by se při detekci problémů s trasou vypnul. Cílem je, aby byly ztráty co nejnižší a co nejvíce signálu se vyzářilo.

Podívejte se, jak vypadá meteoradar Skalky dnes:

Magnetron generující signál je umístěn úplně vespod skříně, ze které vychází hlasité pískání, které se jednou za čas změní. To je opakovací frekvence, se kterou probíhá vysílání. Ta se postupně mění od 576 do 1180 Hz podle aktuálního způsobu měření.

O řízení radaru se stará linuxový počítač, který plní několik funkcí najednou. Musí přijímat naměřená data, přidávat k nim informaci o aktuálním směrování antény a zároveň musí řídit servomotory pro nastavení elevace a směru. Všechno to poskládá dohromady a přidá k tomu spoustu servisních dat o funkci celého radaru. Všechna tato data jsou pak předávána do Prahy.

Meteorologové kolem radaru. Zleva Ondřej Fibich, Petr Novák a Vladimír Šimko.

Meteorologové kolem radaru. Zleva Ondřej Fibich, Petr Novák a Vladimír Šimko.

Zpracování dat probíhá v Linuxu na distribuci CentOS. Většina kódu je napsaná v céčku, ale používáme i Python a R. Pro distribuci dat uživatelům se používá také CentOS s web serverem Apache a PHP. Pak tu máme routery, web kamery a servery pro zpracování dat. Vše je zálohováno bateriemi a vlastním diesel agregátem, který je schopen pokrýt běžné výpadky elektrické energie.

Probíhají tu pravidelné měsíční servisní výjezdy, při kterých se kalibruje, čistí a promazává. Zároveň se na osciloskopu měří přesnost vysílané frekvence, výkon a tvar vysílaných pulzů. Akutní výjezdy jsou potřeba minimálně, většinu jsme toho schopni vyřešit na dálku.

Kolem antény ven

Ve stropě jsou malá dvířka, ke kterým vede schodiště. Tam je velká anténa, která je zásadní součástí radaru. Na dvířkách jsou výrazné varovné cedule a spínače hlídající zavření. Pokud je radar v provozu, nahoru se samozřejmě nesmí. Jednak kvůli velkému výkonu, ale také kvůli neustále se pohybující anténě. Kdyby někdo dveře otevřel za provozu, rozepnou se spínače a radar se odstaví. Máme tu i bezpečnostní vypínač, abychom si byli jisti, že to opravdu stojí.

Sledujeme vypnutí radaru, které poznáme podle ticha – opakovací frekvence už není slyšet, přestalo se vysílat. Teď už je to bezpečné, můžeme jít nahoru, říká nám Ondřej Fibich. Sám vystupuje po schůdkách, otevírá dveře a vystupuje na nejvyšší patro k anténě.

Vypnutí jednoho radaru ještě neznamená výpadek dat pro uživatele, protože se použijí údaje z radarů v sousedních státech. Systém ve zpracovatelském centru zjistí, že nemá data a začne je přebírat z mezinárodní sítě. Pokud se neobjeví nějaký výjimečný problém, bývá dostupnost dat z radaru vyšší než 99 %. Zbytek spadá na pravidelné servisní zásahy, kdy je potřeba radar alespoň na krátkou dobu odstavit.

Zářič před parabolou.

Zářič před parabolou v ochranné kopuli.

Dostáváme se do ochranné kopule, která je zvenčí vidět na vrcholku věže. Chrání anténu před deštěm a nárazy větru, které by měly neblahý vliv na její životnost. K parabolické anténě o průměru pěti metrů vedou přes rotační spojku vlnovody. Přes parabolu vede obyčejný provázek, na který se ptáme. To je základní měřidlo, kterým kontrolujeme nulovou elevaci, je to vlastně olovnice, směje se Petr Novák. Kalibrace polohy antény se pak dolaďuje podle polohy Slunce, které je zdrojem trvalého záření. Radar je schopen sluneční záření detekovat, ze známé polohy a aktuálního času vypočítá jeho aktuální polohu a poté proskenuje okolí a hledá místo nejvyššího přijatého výkonu, kde je sluneční kotouč. Povolená tolerance je pět setin stupně.

Kolem antény pak procházíme k výlezu, který otevíráme a můžeme se vysoukat na ochoz. Je odtud krásný výhled na okolní lesy a kopce. Je tu i webkamera, která zabírá neustále okolí věže a její výstup je veřejně dostupný. Rozhlédneme se, uděláme pár fotek a utíkáme se zase schovat do tepla. Dnešní počasí je nepříjemně větrné a proměnlivé.

Petr Novák a Ondřej Fibich z ČHMÚ.

Petr Novák a Ondřej Fibich z ČHMÚ.

Po cestě zpět ještě Ondřej Fibich přímo u antény přepne vypínač, poté za námi bezpečně zavře dvířka s čidly a jde k ovládacímu panelu. Tady musím ještě tři sekundy držet tohle tlačítko, houká zvukový signál a tím teprve umožním zapnutí systému. Po této bezpečnostní proceduře si Petr Novák sedne k ovládací konzoli radaru a znovu ho spustí. Ozve se opakovací frekvence a na monitoru můžeme sledovat měnící se směr antény, kterou už ale v pohybu nevidíme.

Povodně i letecký provoz

Tohle všechno je tedy potřeba k tomu, abychom znali přesné informace o srážkách. Z nich se vytvářejí mapy pro veřejnost, které dnes známe zejména z mobilních telefonů. Zároveň ale informace dostává integrovaný záchranný systém a například v případě povodní také starostové obcí.

Velkým odběratelem je také řízení letového provozu, které potřebuje data co nejčerstvější, takže je ČHMÚ dodává v pětiminutových intervalech. Data samozřejmě pro své účely dostává také armáda, která se na měření podílí svým telekomunikačním řešením.

Pro nekomerční účely jsou data k dispozici po deseti minutách pod licencí Creative Commons (Uveďte původ — Neužívejte dílo komerčně — Nezasahujte do díla). ČHMÚ je příspěvková organizace, která je hrazená ze státního rozpočtu jen částečně a na zbytek provozu si musí vydělat. Binární data či specializované produkty proto zákazníkům prodává.

Diners Vánoce 2019

ČHMÚ do budoucna uvažuje nad zpřesněním měření z jednoho kilometru přibližně na polovinu. Umožňuje to především výkonnější výpočetní technika, která musí být schopna vyšší objem dat dostatečně rychle zpracovat. Nechceme to ale dělat kvůli přesnější lokalizaci deště. Zajímavější je pro nás to, že bychom pak viděli lépe strukturu uvnitř bouřek.

Loučíme a zase nám na hlavu padá sníh. Sedáme do auta a jedeme zpět na nádraží. Po cestě si ještě nad lesem vyfotíme kopuli radaru a už nás čeká jen cesta domů. Kam pojedeme příště? Máte nápad? Napište nám do redakce.