Polarimetrické veličiny, které lze získat z radarů, které měří ve dvou polarizacích (horizontální a vertikální), výrazně ulehčují meteorologům jejich práci. Nejen, že jsme schopni se pomocí těchto veličin dozvědět základní mikrofyzikální charakteristiky, ale také poskytují základní stavební kámen pro tzv. meteorologické produkty, které již operativně využívají meteorologové. Do nich totiž vstupují polarimetrické produkty různou váhou a mohou v kombinaci s dalšími daty (například z numerického modelu předpovědi počasí) poskytnout komplexní a velmi užitečný přehled o situaci, kterou radar naměřil. Pojďme se podívat společně na to, jak jsou definovány jednotlivé polarimetrické veličiny a co jejich hodnoty v praxi znamenají.
Princip dvojité polarizace. Zdroj: https://www.weather.gov
Radarová odrazivost
Je základním radarovým produktem, kdy je zobrazena maximální radarová odrazivost ze všech elevací, které radar měří. Nižší hodnoty do 20 dBZ označují oblasti, kde slabě prší. Hodnoty 20 až 40 dBZ pak charakterizují srážky střední intenzity. Odrazivost nad 40 dBZ je charakteristická pro srážky konvektivního charakteru (silnější přeháňky nebo bouřky). Velmi nízké hodnoty odrazivosti (pod 10 dBZ) mohou být spjaty s odrazy od ptáků nebo hmyzu.
Radarová odrazivost na příkladu různých linií konvektivních bouří (squall line) nad Brisbane.
Radiální rychlost
Je radarovým produktem, jehož principem je Dopplerův jev. Označuje rychlost srážkových částic v horizontálním směru ve vztahu k radaru. Červená barva nám říká, že se srážkové částice vzhledem k radaru vzdalují, zelená barva pak značí oblasti, kde se srážky k radaru přibližují. Používá se pro detekci oblastí s rotací zejména u konvektivních bouří. Jsou-li v rámci bouřek viditelné výrazné změny v radiálních rychlostí v řádu několika kilometrů výšky (v několika elevacích) na menší ploše, je velmi pravděpodobné, že se jedná o supercelu. Více o Dopplerovském radaru jsme psali zde.
Radiální rychlost v rámci levostáčivé supercely ze dne 24. 7. 2023 v elevaci 3,5° (výška přibližně 6,5 km).
Korelační koeficient (CC)
Tento produkt dvojité polarizace udává, jak jsou cíle tvarově a velikostně rozdílné v horizontálním a vertikálním směru. V případě vodních kapek udává korelační koeficient informaci o jejich velikosti. Nabývá hodnot od 0 do 1. Vodní kapka má tvar koule, je tedy symetrická v obou směrech. Korelační koeficient pak dosahuje hodnoty velmi blízko 1. Nižší hodnoty okolo 0,8 až 0,9 značí přítomnost velkých krup u konvektivních bouří. V zimních měsících pak označují oblasti s tajícími sněhovými vločkami. Nižší hodnoty než 0,8 označují nemeteorologické cíle, tedy hmyz nebo ptáky, ale rovněž zvířené trosky v okolí tornáda.
Tabulka typických hodnot korelačního koeficientu pro jednotlivé typy detekovaných jevů a procesů.
Vrstva tání viditelná jako soustředný kruh nižších hodnot korelačního koeficientu okolo radaru ve vyšších eleavacích
Matice snímků zobrazující korelační koeficient v různých elevacích. Na snímku je pohled na levostáčivou supercelu. V elevacích 2,4°až 4,7°je patrný tzv. prstenec nižšího RhoHV (RhoHV ring) značící výskyt krup v oblasti okolo výstupného proudu.
Rozdílová odrazivost (ZDR)
Tento produkt je logaritmickým podílem odrazivosti horizontální a vertikální polarizace. Kladné hodnoty značí výskyt vodních kapek. Čím je hodnota větší, tím je i vodní kapka větší. Velké kroupy bývají v rámci konvektivních bouří vyjádřeny hodnotami okolo 0 dB s tím, že v jejich okolí jsou hodnoty mnohem vyšší. Rozmezí hodnot s výskytem krupek je pak nejčastěji od -1 do 2 dBZ. Hodnoty od -0,5 do 3 dBZ jsou charakteristické pro sněhové vločky, přičemž čím je sníh vlhčí, tím jsou hodnoty vyšší. Z biologických cílů pak ptáci mají kladnou hodnotu ZDR, proměnlivou vzhledem k poloze svého těla vůči radaru. Hmyz pak má většinou velmi vysoké hodnoty nad 7 dBZ. Rozdílová odrazivost se používá také pro detekci výstupných proudů. V oblastech silných výstupných proudů dosahují hodnoty více než 2 dBZ oproti svému okolí ve vyšších výškách.
Tabulka typických hodnot rozdílové odrazivosti pro jednotlivé typy detekovaných jevů a procesů.
Příklad hodnot ZDR v rámci low-topped supercely. Výrazně vyšší hodnoty ZDR jsou v oblasti výstupných proudů kvůli koalescenci.
Specifická rozdílová fáze (KDP)
Produkt vychází z posunu fáze pro horizontálně a vertikálně polarizované pulzy radaru. Zvyšující se hodnoty KDP svědčí o zvyšující se koncentraci a velikosti srážkových částic. Hodnoty se pohybují od -2 do 7 °/km. Hodnoty v rámci krystalů a krup se pohybují v hodnotách 0 až 1 °/km. Oblasti, kde se v rámci konvektivních bouří vyskytují kroupy, mají oproti oblastem s velkými kapkami nízké hodnoty KDP.
Příklad nízkých hodnot KDP na supercele doprovázené kroupami o průměru až 10 cm nedaleko Brisbane. Přítomnost krup rovněž potvrzuje tzv. hailspike na radarové odrazivosti (vlevo)
Matice snímků radarové odrazivosti (nahoře) specifické rozdílové fáze (dole). Vysoké hodnoty KDP značí intenzivní přívalový déšť s možností výskytu spíše menších krup.
Šířka spektra (SW)
Šířka spektra udává, jak rozdílná je radiální rychlost částic v každém pixelu. Vyšší hodnoty značí větší rozdíly v rychlosti a směru proudění v rámci několika set metrů a můžeme tak detekovat například, squall line nebo tornáda. Ve většině případů se SW ve srážkách pohybuje do hodnot kolem 1 m/s. Vyšší hodnoty do 5 m/s se vyskytují na okrajích radarových odrazů, nebo při přechodu front, v případě tornáda mohou hodnoty přesáhnout 10 m/s.
Radiální rychlost (Doppler) a šířka spektra na příkladu přechodu výraznější studené fronty. Čára fronty je zde viditelná jak na Doppleru tak i na šířce spektra v podobě úzkého pásu vysokých hodnot okolo 5 m/s.
