Meteorologie
INTERAKTIVNÍ PRŮVODCE · ŘÍJEN 2026

Meteorologie

Od tlakové níže
po předpověď počasí

Za textem se prohlubuje tlaková níže. Tenké čáry jsou izobary, modré stopy jsou částice vzduchu. Proudí kolem středu proti směru hodinových ručiček, jak to na severní polokouli způsobuje Coriolisova síla, a třením se stáčejí dovnitř. Čím víc tlak ve středu klesá, tím hustší jsou izobary a tím silnější je vítr.

tlak ve středu níže–
nejsilnější vítr (model)–
čas od začátku–
Úvodem

Jak průvodce používat

Meteorologie je fyzika atmosféry použitá na otázku, jaké bude počasí. Průvodce začíná tím, co vidí každý z okna – oblaky, vítr, déšť, bouřku – a postupně vede k látce úvodních vysokoškolských kurzů: k termodynamice vlhkého vzduchu, k silám, které řídí vítr, k numerickým modelům a k tomu, proč má každá předpověď svou mez a jak se s nejistotou zachází.

⛅

Tři patra každé kapitoly. Nahoře krátké vysvětlení a laboratoř, kde si jev vyzkoušíte posuvníky. Pod ní mise za XP. Dole rozbalovací teorie pro ty, kdo chtějí jít do hloubky: definice, vzorce, odvození, řešené příklady a příklady k procvičení s úplným řešením. Teorie je často o úroveň náročnější než úvodní text. Barevná tečka v obsahu ukazuje úroveň kapitoly. Postup se ukládá jen ve vašem prohlížeči.

Mapa průvodce

Tab. 0.1Kapitoly, úroveň a co se naučíte
KapitolaÚroveňCo se naučíte
1 Atmosféra: složení a vrstvyzákladyz čeho je vzduch, troposféra až termosféra, jak rychle klesá tlak a teplota s výškou, standardní atmosféra
2 Tlak, teplota a vlhkostzákladybarometr a přepočet tlaku na hladinu moře, nasycený vzduch, relativní vlhkost a rosný bod
3 Oblaka a srážkyzákladyadiabatický výstup a kondenzační hladina, deset druhů oblaků, jak vzniká déšť, sníh a kroupy, föhn
4 Vítr a síly v atmosféřestřední školatlakový gradient, Coriolisova síla, geostrofický vítr, tření, místní větry
5 Vzduchové hmoty, fronty a tlakové útvarystřední školateplá, studená a okluzní fronta, cyklóna a anticyklóna, co přinese přechod fronty
6 Všeobecná cirkulace atmosférystřední školanerovnoměrný ohřev Země, Hadleyova buňka, pasáty, tryskové proudění, západní proudění nad Evropou
7 Bouřky a extrémní jevystřední školainstabilita a CAPE, typy bouří, supercely, tornáda, přívalové a regionální povodně v Česku, bezpečné chování
8 Měření, družice a radarstřední školameteorologická stanice, radiosonda, družice, radar a odrazivost, dopplerovská rychlost
9 Synoptická mapa a analýzavysoká školastaniční model, izobary a izohypsy, výškové mapy, termický vítr, vorticita a vývoj níží
10 Numerická předpověď počasívysoká školarovnice atmosféry, mřížka a časový krok, podmínka CFL, parametrizace, asimilace dat
11 Chaos a ensemblová předpověďvysoká školaLorenzův model, citlivost na počáteční podmínky, mez předpověditelnosti, ensembly a pravděpodobnost
12 Klima, výstrahy a rozhodovánívysoká školapočasí vs. klima, normály a anomálie, výstrahy ČHMÚ, ověřování předpovědí, model nákladů a ztrát

Co budete potřebovat

Pro úvodní texty a laboratoře stačí procenta, čtení grafu a jednoduchá rovnice. Rozbalovací teorie od kapitoly 4 používá vektory, exponenciálu a logaritmus, místy derivaci a parciální derivaci; kdo je nezná, může odvození přeskočit a pracovat s výsledným vzorcem. Základy mechaniky a termodynamiky (tlak, ideální plyn, teplo) vykládá průvodce Fyzika, funkce a derivace průvodce Matematika.

  • Zeměpis a planeta Země (kapitoly 5 a 6) shrnuje základy počasí a vykládá do hloubky klima, klimatické pásy a klimatickou změnu. Tady se klimatu věnuje jen kapitola 12, a to z pohledu meteorologa.
  • Statistika a modely vykládá pravděpodobnost a ověřování modelů obecně; tady jen to, co potřebuje předpověď počasí.
  • Astronomie vysvětluje dráhu Země kolem Slunce, z níž plynou roční doby (kapitola 6 z ní přebírá jen výsledek).

Modelové předpoklady

Laboratoře pracují se zjednodušenými modely: s mezinárodní standardní atmosférou, se suchým a nasyceně adiabatickým výstupem vzduchové částice, s geostrofickou rovnováhou, s Lorenzovým modelem z roku 1963 a s jednorozměrnou advekcí. Nejsou to předpovědi skutečného počasí. Slouží k tomu, aby šlo vidět mechanismus: co se stane, když se změní jedna věc a ostatní zůstanou stejné. Skutečné údaje (rekordy, složení vzduchu, systém výstrah) mají v příloze C zdroj a datum.

Tab. 0.2Konstanty, se kterými průvodce počítá
VeličinaHodnota
tíhové zrychlení \(g\) (normální)9,806 65 m/s²
měrná plynová konstanta suchého vzduchu \(R_d\)287,05 J/(kg·K)
měrná tepelná kapacita suchého vzduchu \(c_p\)1 004,7 J/(kg·K)
skupenské teplo vypařování vody \(L_v\) (0 °C)2,501 · 10⁶ J/kg
úhlová rychlost rotace Země \(\Omega\)7,292 1 · 10⁻⁵ s⁻¹
střední poloměr Země6 371 km
tlak vodní páry při nasyceníMagnusův vzorec (kap. 2)

Čtyři druhy rámečků

Příklad Výpočet na číslech

Řešený příklad, který si můžete přepočítat. Všechna čísla v příkladech a procvičení jsou spočítaná skriptem.

Ve skutečnosti

Kde se myšlenka používá: v předpovědní službě, v letectví, v historii meteorologie, při skutečných událostech v Česku.

Pomůcka

Rychlé pravidlo nebo způsob, jak si věc zapamatovat.

Pozor

Místo, kde se nejčastěji chybuje, ve škole i v běžné řeči o počasí. Patří sem i bezpečnost při bouřce a povodni.

Studijní materiál, nenahrazuje učebnici ani výuku. Nenahrazuje ani aktuální předpověď a výstrahy: při nebezpečném počasí se řiďte výstrahami Českého hydrometeorologického ústavu a pokyny složek integrovaného záchranného systému; v ohrožení života volejte 112. Průvodce nejmenuje komerční produkty ani firmy. Údaje o rekordech, složení vzduchu a systému výstrah mají v příloze C zdroj a datum ověření (stav k 13. 10. 2026).

Rozsahem odpovídá: kapitoly 1–3 tématům atmosféry a počasí v RVP ZV (zeměpis, fyzika: tlak, skupenské přeměny); kapitoly 4–8 fyzikální a zeměpisné látce RVP G a maturitní úrovni, ve větší hloubce; kapitoly 9–12 a rozbalovací teorie úvodním vysokoškolským kurzům meteorologie a klimatologie, dynamické meteorologie a numerické předpovědi (úroveň učebnic Wallace a Hobbs, Ahrens, Holton, Kalnay).

Část IZáklady
1

Atmosféra: složení a vrstvyzáklady

Atmosféra je tenká slupka plynů, kterou drží u Země gravitace. Skoro všechno počasí se odehrává v její nejspodnější vrstvě, troposféře, která je silná jen asi 8 až 18 km. S výškou klesá tlak i hustota vzduchu, teplota se ale chová složitěji: podle toho, jak se mění, dělíme atmosféru do vrstev.

🍎

Kdyby Země byla velká jako jablko, celá troposféra by byla tenčí než jeho slupka. A přesto se v ní odehrávají bouřky, sněhové vánice i hurikány. Je to tenký film kapaliny na rotující kouli, ohřívaný zespodu – a právě tak se i chová.

020406080100 výška (km) −80−40040 °C troposféra stratosféraozonová vrstva(nejvíc ozonu 20–30 km) mezosféranejchladnější místometeory shoří termosférapolární záře tropopauza ≈ 11 kmstratopauza ≈ 50 kmmezopauza ≈ 85 km O₃ 15 °C u země
Obr. 1.1 Vrstvy atmosféry a průběh teploty s výškou (oranžově, přibližně podle standardní atmosféry). V troposféře teplota klesá, ve stratosféře roste díky pohlcování ultrafialového záření ozonem, v mezosféře znovu klesá a v termosféře prudce roste.
Výtah do standardní atmosféry
Posuvníkem vyjeďte do zvolené výšky. Graf ukazuje teplotu nebo tlak podle mezinárodní standardní atmosféry, dlaždice tlak, hustotu a kolik procent hmotnosti atmosféry máte pod sebou.
LABORATOŘ
Model: mezinárodní standardní atmosféra (ISA): u hladiny moře 15 °C a 1 013,25 hPa, v troposféře pokles teploty 6,5 °C/km, nad 11 km vrstvy s danými gradienty podle normy; tlak z hydrostatické rovnice pro suchý vzduch. Skutečná atmosféra se od ní každý den liší.
+Teorie: složení vzduchu, vrstvy, hydrostatická rovnováha a standardní atmosféra

1.1Z čeho je vzduch

Suchý vzduch je směs plynů, jejíž poměr je do výšky asi 80 km téměř stálý, protože ji promíchává turbulence: dusík 78,08 % objemu, kyslík 20,95 %, argon 0,93 %. Zbytek tvoří stopové plyny, z nichž pro počasí a klima nejvíc záleží na oxidu uhličitém, metanu a ozonu.dry air, trace gases

Vodní pára se do suchého vzduchu nepočítá, protože její množství kolísá od téměř nuly v mrazivém vzduchu po asi 4 % objemu ve vlhkých tropech. Je to nejdůležitější plyn meteorologie: když kondenzuje, vznikají oblaka a uvolňuje se teplo, které pohání bouřky.water vapour

dusík N₂ 78,08 %kyslík 20,95 % argon 0,93 % CO₂ 0,043 % (427 ppm, 2025) suchý vzduch, objemová procenta vodní pára navíc: 0 až asi 4 % podle teploty
Obr. 1.2 Složení suchého vzduchu. Oxid uhličitý je v grafu jen tenká čára; přesto má na energetickou bilanci Země velký vliv (podrobně průvodce Zeměpis a planeta Země, kapitola 6).
Ve skutečnosti

Roční průměr koncentrace CO₂ na observatoři Mauna Loa byl podle NOAA v roce 2024 424,61 ppm a v roce 2025 427,35 ppm (ppm = miliontina objemu). Měření tam začala v roce 1958 při zhruba 315 ppm. Na složení vzduchu v procentech to skoro není vidět, na pohlcování tepelného záření ano.

1.2Vrstvy atmosféry

Atmosféru dělíme podle průběhu teploty s výškou. Rozhraní se nazývají „pauzy“.troposphere, stratosphere, mesosphere, thermosphere

  • Troposféra sahá od země do 8 km nad póly a do 16 až 18 km nad rovníkem. Ohřívá se zespodu od zemského povrchu, proto teplota s výškou klesá, v průměru asi o 6,5 °C na kilometr. Je v ní většina hmoty vzduchu i téměř všechna vodní pára, a proto i oblaka a počasí.
  • Tropopauza je hranice, nad níž teplota přestane klesat. Působí jako víko: vrcholky bouřkových oblaků se o ni rozplácnou do tvaru kovadliny.
  • Stratosféra (asi do 50 km) se ohřívá, protože ozon pohlcuje ultrafialové záření Slunce. Teplý vzduch nahoře a studený dole je stabilní uspořádání, proto tu skoro nejsou oblaka ani svislé proudění.
  • Mezosféra (asi do 85 km) se s výškou ochlazuje; na mezopauze je nejchladnější místo atmosféry, kolem −90 °C. Shořívají v ní meteory.
  • Termosféra pohlcuje nejtvrdší ultrafialové a rentgenové záření, teplota molekul roste na stovky stupňů, ale vzduch je tak řídký, že by teploměr skoro nic neukázal. Vznikají v ní polární záře; ionizovaná část horní atmosféry se nazývá ionosféra.

1.3Stavová rovnice a hydrostatická rovnováha

Vzduch se chová jako ideální plyn. V meteorologii se stavová rovnice píše pro jednotku hmotnosti pomocí hustoty \(\rho\) a měrné plynové konstanty suchého vzduchu \(R_d\):equation of state

Stavová rovnice\[p = \rho\,R_d\,T\]

Tlak v určité výšce je tíha sloupce vzduchu nad jednotkovou plochou. Když vystoupíme o \(\mathrm{d}z\), máme nad sebou o vrstvu méně a tlak klesne o její tíhu. To je hydrostatická rovnováha, která ve velkých měřítkách platí velmi přesně:hydrostatic balance

Hydrostatická rovnice\[\frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}z} = -\rho\,g = -\frac{p\,g}{R_d\,T}\]

Pro izotermickou atmosféru (stálé \(T\)) vyjde řešením exponenciální pokles s výškou homogenní atmosféry (škálovou výškou) \(H\): na každých \(H\) metrů klesne tlak \(e\)-krát, tedy asi na 37 %.scale height

Barometrická rovnice (izotermická)\[p(z) = p_0\,e^{-z/H},\qquad H = \frac{R_d\,T}{g}\]
Příklad Škálová výška a hmotnost vzduchového sloupce

Při \(T = 288{,}15\) K: \(H = 287{,}05\cdot 288{,}15/9{,}806\,65 = 8\,434\) m, tedy asi 8,4 km. Sloupec vzduchu nad 1 m² při tlaku 1 013,25 hPa má hmotnost \(m = p/g = 101\,325/9{,}806\,65 = 10\,332\) kg – přes deset tun. Necítíme je, protože tlak působí ze všech stran a stejný tlak je i uvnitř těla.

1.4Mezinárodní standardní atmosféra

Mezinárodní standardní atmosféra (ISA) je dohodnutý průměrný profil, podle něhož se kalibrují výškoměry letadel a srovnávají měření. U hladiny moře má 15 °C a 1 013,25 hPa, v troposféře teplota klesá o 6,5 °C/km až na −56,5 °C v 11 km, pak zůstává stálá do 20 km a dále pomalu roste. V troposféře platí pro tlak vzorec, který vyjde z hydrostatické rovnice s lineárním poklesem teploty \(T = T_0 - \Gamma z\):International Standard Atmosphere (ISA)

Tlak v troposféře ISA\[p(z) = p_0\left(1 - \frac{\Gamma z}{T_0}\right)^{g/(R_d\Gamma)},\qquad \frac{g}{R_d\,\Gamma} = 5{,}256\]
Tab. 1.1Standardní atmosféra ve vybraných výškách (výpočet podle vzorců výše)
VýškaTeplotaTlakHustota
0 km (hladina moře)15,0 °C1 013,2 hPa1,225 kg/m³
1 km8,5 °C898,7 hPa1,112 kg/m³
1,603 km (Sněžka)4,6 °C834,9 hPa1,047 kg/m³
5,5 km−20,8 °C505,1 hPa0,697 kg/m³
8,849 km (Mount Everest)−42,5 °C314,4 hPa0,475 kg/m³
11 km (tropopauza ISA)−56,5 °C226,3 hPa0,364 kg/m³
20 km−56,5 °C54,7 hPa0,088 kg/m³
Pomůcka

V 5,5 km je tlak zhruba poloviční, tedy polovina hmotnosti atmosféry je pod touto výškou. Tlakovou hladinu 500 hPa proto meteorologové používají jako „střed“ troposféry (kapitola 9).

Pozor

Standardní atmosféra je průměr, ne skutečnost. V zimní anticyklóně může být u země −10 °C a v 1 km nad zemí +5 °C (inverze, kapitola 3). Výškoměr letadla, který měří tlak, proto v chladném vzduchu ukazuje víc, než je skutečná výška – piloti to korigují.

1.5Procvičení

1
Jaký tlak a teplotu dává standardní atmosféra na vrcholu Sněžky (1 603 m)?
\(T = 15 - 6{,}5\cdot 1{,}603 = 4{,}58\) °C, tedy asi 4,6 °C. \(p = 1\,013{,}25\,(1 - 0{,}0065\cdot 1\,603/288{,}15)^{5{,}256} = 834{,}9\) hPa. Skutečný tlak na Sněžce se podle počasí pohybuje zhruba o ±20 hPa kolem této hodnoty.
2
Jaká je škálová výška izotermické atmosféry o teplotě 250 K?
\(H = R_d T/g = 287{,}05\cdot 250/9{,}806\,65 = 7\,318\) m, asi 7,3 km. Ve studenějším vzduchu tlak s výškou klesá rychleji, protože studený vzduch je hustší.
3
Kolik procent hmotnosti standardní atmosféry leží nad tropopauzou v 11 km?
Podíl hmotnosti nad danou výškou je roven poměru tlaků: \(226{,}3/1\,013{,}25 = 0{,}223\), tedy 22,3 %. V troposféře standardní atmosféry je tedy 77,7 % hmotnosti vzduchu. Nad 31 km zbývá jen asi 1 % (\(9{,}7/1\,013{,}25\)).
4
Kolikrát méně kyslíku (hmotnostně) obsahuje litr vzduchu ve výšce 5,5 km než u hladiny moře podle ISA?
Podíl kyslíku je stejný (20,95 %), mění se hustota: \(0{,}697/1{,}225 = 0{,}569\). Litr vzduchu obsahuje asi 57 % kyslíku proti hladině moře, tedy asi 1,76krát méně. Proto se ve vysokých horách hůř dýchá, i když je „kyslíku pořád 21 %“.
5
Proč ve stratosféře téměř nejsou oblaka?
Ve stratosféře teplota s výškou roste (pohlcování UV záření ozonem). Vzduch, který by vystoupal, by byl studenější a těžší než okolí a vrátil by se zpět – zvrstvení je velmi stabilní (kapitola 3). Navíc tam skoro není vodní pára: vzduch do stratosféry vstupuje přes velmi studenou tropickou tropopauzu, kde většina páry vymrzne. Výjimkou jsou polární stratosférická oblaka v mimořádně chladných polárních zimách.
Co si odnést
  • Suchý vzduch: 78 % dusíku, 21 % kyslíku, 0,9 % argonu; vodní pára 0 až 4 % a je pro počasí nejdůležitější.
  • Počasí je v troposféře, kde teplota klesá s výškou v průměru o 6,5 °C/km; ve stratosféře ozon teplotu zvyšuje.
  • Tlak klesá s výškou zhruba exponenciálně, v 5,5 km je poloviční; platí hydrostatická rovnováha \(\mathrm{d}p/\mathrm{d}z = -\rho g\).
Část IZáklady
2

Tlak, teplota a vlhkostzáklady

Tři veličiny popisují stav vzduchu v každém místě: tlak, teplota a vlhkost. Tlak říká, kolik vzduchu je nad námi, teplota, jak rychle se pohybují jeho molekuly, a vlhkost, kolik vodní páry nese. Nejdůležitější myšlenka kapitoly: teplý vzduch unese mnohem víc páry než studený, a když se vzduch ochladí pod rosný bod, voda z něj vypadne.

🥤

Vytáhněte v létě z ledničky plechovku. Za chvíli je orosená, i když nikde neprší. Vzduch těsně u studeného kovu se ochladil pod svůj rosný bod a pára, kterou nesl, zkondenzovala. Stejně vzniká rosa na trávě, mlha v údolí i oblak nad kopcem.

Kolik páry unese vzduch
Křivka ukazuje největší možný tlak vodní páry při každé teplotě (nasycení). Tečka je váš vzduch: teplota vodorovně, skutečný tlak páry svisle. Vodorovně doleva od tečky leží rosný bod – teplota, při které by se vzduch nasytil.
LABORATOŘ
Model: tlak nasycené páry nad vodou podle Magnusova vzorce \(e_s = 6{,}1094\,\exp\!\big(17{,}625\,T/(T+243{,}04)\big)\) hPa; tlak vzduchu 1 000 hPa. Rosný bod nemůže být vyšší než teplota, laboratoř ho na ni případně omezí.
+Teorie: tlak a jeho redukce, teplota, míry vlhkosti a Clausiova–Clapeyronova rovnice

2.1Tlak vzduchu

Tlak vzduchu je síla, kterou vzduch působí na jednotku plochy; v meteorologii se udává v hektopascalech (1 hPa = 100 Pa, číselně stejně jako starší milibar). Průměrný tlak na hladině moře je asi 1 013 hPa, rozpětí na mapách bývá zhruba 950 až 1 050 hPa. Měří se barometrem: rtuťovým (výška sloupce, 1 013,25 hPa odpovídá 760 mm rtuti) nebo aneroidem a dnes hlavně elektronickým čidlem.air pressure, barometer, hectopascal

Tlak s výškou klesá u země asi o 1 hPa na 8,4 m (barometrický stupeň při 15 °C a 1 000 hPa: \(R_dT/(g\,p) = 8{,}4\) m/hPa). Stanice v Praze tak měří o desítky hPa méně než stanice u moře, i když je počasí stejné. Aby šlo tlak porovnávat, redukuje se na hladinu moře: dopočítá se, jaký tlak by byl na dně pomyslného sloupce vzduchu sahajícího od stanice dolů k moři.reduction to mean sea level

hladina moře stanice 300 mnaměřeno 980,0 hPa vrchol 1 603 masi 835 hPa po redukci 1 016,0 hPa
Obr. 2.1 Stanice ve výšce měří nižší tlak jen proto, že má nad sebou méně vzduchu. Redukce na hladinu moře přidá tíhu pomyslného sloupce vzduchu pod stanicí (příklad 2.1).
Redukce tlaku na hladinu moře (zjednodušeně)\[p_0 = p_s\,\exp\!\left(\frac{g\,z_s}{R_d\,\bar T}\right)\]

\(p_s\) je tlak na stanici, \(z_s\) její nadmořská výška a \(\bar T\) odhad střední teploty pomyslného sloupce (teplota na stanici zvýšená o polovinu standardního gradientu na výšku stanice). Meteorologické služby používají podrobnější postupy, které berou v úvahu i vlhkost a místní zvláštnosti.

Příklad 2.1 Stanice v 300 m

Stanice ve 300 m naměřila 980,0 hPa při 10 °C. Střední teplota sloupce \(\bar T = 283{,}15 + 0{,}0065\cdot 150 = 284{,}1\) K. \(p_0 = 980{,}0\cdot\exp\big(9{,}806\,65\cdot 300/(287{,}05\cdot 284{,}1)\big) = 1\,016{,}0\) hPa. Na mapě bude stanice ležet blízko izobary 1 016 hPa.

2.2Teplota vzduchu

Teplota je míra střední kinetické energie molekul. Meteorologie používá stupně Celsia, ve vzorcích kelviny (\(T[\mathrm K] = t[^\circ\mathrm C] + 273{,}15\)). Teplota vzduchu se měří ve stínu, ve výšce 2 m nad travnatým povrchem, v radiačním krytu, aby teploměr neohřívalo Slunce (kapitola 8).air temperature

Vzduch se neohřívá hlavně přímo od Slunce, ale od zemského povrchu, který pohlcuje sluneční záření. Proto má teplota typický denní chod: minimum kolem východu Slunce, maximum odpoledne, obvykle dvě až tři hodiny po poledni, protože povrch přijímá víc energie, než vyzařuje, ještě po vrcholu Slunce.diurnal cycle

0 h6 h12 h18 h24 h teplota: maximum odpoledneminimum kolem východu Slunce relativní vlhkost: minimumráno nejvyšší (rosa, mlha)
Obr. 2.2 Typický denní chod teploty (oranžově) a relativní vlhkosti (modře) za jasného dne beze změny vzduchové hmoty. Množství páry se přes den mění málo; relativní vlhkost kolísá hlavně proto, že se mění teplota.

Za jasných klidných nocí povrch vyzařuje a ochlazuje se; nejchladnější vzduch je pak u země a teplota s výškou roste. Takové zvrstvení se nazývá teplotní inverze. Studený vzduch stéká do údolí a kotlin, kde vznikají mrazové kotliny a v zimě smogové situace.temperature inversion

2.3Míry vlhkosti

Vodní pára přispívá k celkovému tlaku svým parciálním tlakem \(e\). Vzduch je nasycený, když se z vodní hladiny stejně molekul vypařuje, jako se vrací; tlak páry je pak roven tlaku nasycené páry \(e_s(T)\), který závisí jen na teplotě.vapour pressure, saturation vapour pressure

Magnusův vzorec (nad vodou, T ve °C, výsledek v hPa)\[e_s(T) = 6{,}1094\,\exp\!\left(\frac{17{,}625\,T}{T + 243{,}04}\right)\]
  • Relativní vlhkost \(f = e/e_s(T)\cdot 100\,\%\): jak blízko je vzduch nasycení. Mění se s teplotou, i když páry nepřibude.relative humidity
  • Rosný bod \(T_d\): teplota, na kterou by se vzduch musel ochladit (při stálém tlaku a obsahu páry), aby se nasytil; \(e = e_s(T_d)\). Je to nejlepší přímá míra obsahu páry.dew point
  • Směšovací poměr \(w = 0{,}622\,e/(p-e)\): gramy páry na kilogram suchého vzduchu. Při výstupu vzduchu bez kondenzace se nemění.mixing ratio
  • Absolutní vlhkost \(\rho_v = e/(R_v T)\), \(R_v = 461{,}5\) J/(kg·K): gramy páry v metru krychlovém.absolute humidity
Rosný bod z teploty a relativní vlhkosti (inverze Magnusova vzorce)\[T_d = \frac{243{,}04\,\alpha}{17{,}625 - \alpha},\qquad \alpha = \ln\frac{f}{100} + \frac{17{,}625\,T}{T+243{,}04}\]
Příklad 2.2 Letní odpoledne: 25 °C, rosný bod 15 °C

\(e_s(25) = 31{,}62\) hPa, \(e = e_s(15) = 17{,}02\) hPa, relativní vlhkost \(17{,}02/31{,}62 = 53{,}8\) %. Směšovací poměr při 1 000 hPa: \(w = 0{,}622\cdot 17{,}02/(1\,000 - 17{,}02) = 0{,}010\,77\), tedy 10,8 g/kg. Absolutní vlhkost \(1\,702/(461{,}5\cdot 298{,}15) = 0{,}012\,37\) kg/m³, tedy 12,4 g/m³. Když se v noci vzduch ochladí na 15 °C, relativní vlhkost dosáhne 100 % a začne se tvořit rosa nebo mlha.

2.4Clausiova–Clapeyronova rovnice

Proč roste \(e_s\) s teplotou tak strmě? Termodynamika fázového přechodu dává Clausiovu–Clapeyronovu rovnici; Magnusův vzorec je její přesná empirická aproximace:Clausius–Clapeyron equation

Clausiova–Clapeyronova rovnice\[\frac{\mathrm{d}e_s}{\mathrm{d}T} = \frac{L_v\,e_s}{R_v\,T^{2}}\quad\Longrightarrow\quad \frac{1}{e_s}\frac{\mathrm{d}e_s}{\mathrm{d}T}\approx 6\text{ až }7\,\%\text{ na kelvin}\]
Tab. 2.1Tlak nasycené vodní páry (Magnusův vzorec, nad vodou)
Teplota−10 °C0 °C10 °C20 °C30 °C40 °C
\(e_s\) (hPa)2,876,1112,2623,3342,3773,75
Ve skutečnosti

Při oteplení o 1 °C (z 20 na 21 °C) vzroste \(e_s\) o 6,4 %. Teplejší atmosféra proto může nést víc vody a vydatnější přívalové srážky – to je jeden z nejlépe fyzikálně podložených dopadů oteplování (podrobně průvodce Zeměpis, kapitola 6).

Pozor

Relativní vlhkost 90 % v mrazivém lednovém ránu znamená mnohem méně vody ve vzduchu než 50 % v letním odpoledni. Pro srovnání obsahu páry používejte rosný bod, ne relativní vlhkost. A „vzduch je nasycený, proto prší“ neplatí: déšť potřebuje oblak a růst kapek (kapitola 3).

2.5Procvičení

1
V pokoji je 22 °C a relativní vlhkost 50 %. Orosí se okno, jehož vnitřní sklo má 10 °C?
\(\alpha = \ln 0{,}5 + 17{,}625\cdot 22/265{,}04 = -0{,}693 + 1{,}463 = 0{,}770\), \(T_d = 243{,}04\cdot 0{,}770/(17{,}625 - 0{,}770) = 11{,}1\) °C. Sklo (10 °C) je chladnější než rosný bod, vzduch u něj se nasytí – okno se orosí.
2
Jaký je rosný bod vzduchu o teplotě 20 °C a relativní vlhkosti 60 %?
\(\alpha = \ln 0{,}6 + 17{,}625\cdot 20/263{,}04 = -0{,}511 + 1{,}340 = 0{,}829\); \(T_d = 243{,}04\cdot 0{,}829/16{,}796 = 12{,}0\) °C.
3
Jaká je relativní vlhkost vzduchu o teplotě 30 °C s rosným bodem 20 °C?
\(f = e_s(20)/e_s(30) = 23{,}33/42{,}37 = 0{,}551\), tedy 55,1 %. Přestože je relativní vlhkost „střední“, vzduch je dusný: rosný bod 20 °C znamená hodně páry.
4
Kolikrát víc páry unese nasycený vzduch při 30 °C než při 20 °C?
Poměr tlaků nasycené páry \(42{,}37/23{,}33 = 1{,}82\). O 10 °C teplejší vzduch unese asi o 82 % páry víc – v souladu s pravidlem 6 až 7 % na kelvin (\(1{,}063^{10} = 1{,}84\)).
5
Odpoledne je 25 °C a relativní vlhkost 54 %. Do rána se vzduch ochladí na 15 °C a páry neubude. Jaká bude ráno relativní vlhkost?
Rosný bod vzduchu s 25 °C a 53,8 % je 15 °C (příklad 2.2). Při ochlazení na 15 °C je teplota rovna rosnému bodu, relativní vlhkost 100 %. Vzniká rosa, případně mlha.
Co si odnést
  • Tlak se uvádí v hPa a pro mapy se redukuje na hladinu moře; u země klesá asi o 1 hPa na 8 m.
  • Tlak nasycené páry roste s teplotou exponenciálně, asi o 6 až 7 % na kelvin.
  • Rosný bod měří obsah páry; relativní vlhkost se mění i jen se změnou teploty.
Část IZáklady
3

Oblaka a srážkyzáklady

Oblak vznikne, když vzduch vystoupá. Při výstupu se rozpíná a chladne, až dosáhne rosného bodu a pára zkondenzuje na drobné kapičky. Zda oblak zůstane plochý, nebo vyroste v bouřkovou věž, rozhoduje stabilita atmosféry. A aby z oblaku pršelo, musí kapičky narůst milionkrát – k tomu nejčastěji pomáhá led.

🚲

Když pumpujete kolo, pumpička se zahřívá: stlačovaný vzduch se ohřívá. Funguje to i obráceně – vzduch, který se rozpíná, chladne. Bublina vzduchu stoupající nad rozpálenou silnicí se dostává do nižšího tlaku, rozpíná se a na každém kilometru zchladne skoro o 10 °C. Tak se ve výšce kolem 1 až 2 km objeví základna kupy.

Výstup vzduchové částice
Oranžová čára je teplota částice, která stoupá od země: nejdřív chladne o 9,8 °C/km, po dosažení kondenzační hladiny (začátek oblaku) pomaleji, protože kondenzace uvolňuje teplo. Modrá čára je teplota okolního vzduchu. Kde je částice teplejší než okolí, stoupá sama – zeleně vybarvená plocha je energie pro bouřku (CAPE).
LABORATOŘ
Model: částice začíná s teplotou okolí u země (výška 0), stoupá suchoadiabaticky (9,8 °C/km) do kondenzační hladiny, kterou určuje rosný bod klesající o 1,8 °C/km; nad ní nasyceně adiabaticky (vzorec v teorii 3.2). Okolí má stálý pokles teploty do 11 km, nad tím izotermii. Tlak z izotermické aproximace s \(H = 8\) km; vliv vlhkosti na hustotu, zatížení vodou a promíchávání s okolím model zanedbává, proto CAPE nadhodnocuje.
02612 km nízká patra do 2 kmstřední 2–7 kmvysoká 5–13 km Ci Cc Cs Ac As Ns Sc St Cu Cb
Obr. 3.1 Deset rodů oblaků podle Mezinárodního atlasu oblaků WMO. Vysoká: řasa (Ci), řasová kupa (Cc), řasová sloha (Cs); střední: vyvýšená kupa (Ac), vyvýšená sloha (As), dešťová sloha (Ns, často sahá až k zemi); nízká: slohová kupa (Sc), sloha (St); se svislým vývojem: kupa (Cu) a bouřkový oblak kumulonimbus (Cb). Výšky pater platí pro mírné šířky.
Minihra: do kterého patra patří oblak
Podle popisu zařaďte oblak. Pomůže obrázek 3.1 a pravidlo: vysoká oblaka jsou z ledových krystalků, jemná a průsvitná.
MINIHRA
0 / 10
+Teorie: adiabatické děje, kondenzační hladina, stabilita, druhy oblaků, vznik srážek a föhn

3.1Suchoadiabatický děj a potenciální teplota

Vzduchová částice, která stoupá, si s okolím teplo téměř nevyměňuje – děj je adiabatický. Rozpínáním koná práci a chladne. Z prvního termodynamického zákona a hydrostatické rovnice plyne, že nenasycený vzduch chladne o suchoadiabatický gradient:adiabatic process, dry adiabatic lapse rate

Suchoadiabatický gradient\[\Gamma_d = \frac{g}{c_p} = \frac{9{,}806\,65}{1\,004{,}7} = 9{,}76\ \mathrm{K/km}\approx 9{,}8\ \mathrm{K/km}\]

Užitečnou veličinou je potenciální teplota \(\theta\): teplota, kterou by částice měla, kdyby ji suchoadiabaticky přenesli na tlak 1 000 hPa. Při suchoadiabatických dějích se nemění, takže „označuje“ vzduchovou hmotu.potential temperature

Potenciální teplota (Poissonova rovnice)\[\theta = T\left(\frac{1\,000\ \mathrm{hPa}}{p}\right)^{R_d/c_p},\qquad \frac{R_d}{c_p} = 0{,}286\]
Příklad Studený vzduch ve výšce je „teplý“

Vzduch o teplotě −10 °C na hladině 700 hPa (asi 3 km): \(\theta = 263{,}15\cdot(1\,000/700)^{0{,}286} = 291{,}4\) K, tedy 18,2 °C. Kdyby sestoupil k zemi, ohřál by se stlačením na 18,2 °C.

3.2Kondenzační hladina a nasyceně adiabatický výstup

Rosný bod stoupající částice klesá jen asi o 1,8 °C/km (s klesajícím tlakem klesá i tlak páry). Teplota a rosný bod se tedy přibližují o zhruba 8 °C na kilometr a setkají se ve výstupné kondenzační hladině (LCL) – tam je základna kupovitého oblaku.lifting condensation level (LCL)

Odhad výšky kondenzační hladiny\[z_{\mathrm{LCL}} \approx 125\ \mathrm{m}\cdot(T - T_d)\]

Nad kondenzační hladinou pára kondenzuje a uvolňuje skupenské teplo; částice proto chladne pomaleji, nasyceně adiabaticky. Gradient závisí na teplotě a tlaku (\(r_s\) je směšovací poměr nasycení, \(\varepsilon = 0{,}622\)):saturated (moist) adiabatic lapse rate

Nasyceně adiabatický gradient\[\Gamma_s = g\,\frac{1 + \dfrac{L_v\,r_s}{R_d\,T}}{c_p + \dfrac{L_v^{2}\,r_s\,\varepsilon}{R_d\,T^{2}}}\]
Tab. 3.1Nasyceně adiabatický gradient (vzorec výše)
Teplota a tlak\(\Gamma_s\)
20 °C, 1 000 hPa4,2 K/km
10 °C, 850 hPa4,9 K/km
0 °C, 700 hPa5,8 K/km
−20 °C, 500 hPa7,7 K/km
−40 °C, 300 hPa9,0 K/km

V teplém vlhkém vzduchu je \(\Gamma_s\) menší než polovina suchoadiabatického, v chladném vzduchu ve výšce, kde je páry málo, se mu blíží.

3.3Stabilita zvrstvení

O tom, zda vychýlená částice pokračuje ve výstupu, rozhoduje srovnání jejího gradientu s vertikálním teplotním gradientem okolí \(\Gamma\):environmental lapse rate, static stability

  • \(\Gamma < \Gamma_s\): absolutně stabilní zvrstvení – částice je vždy chladnější než okolí a vrací se. Vznikají vrstevnatá oblaka a mlhy, při inverzi se hromadí znečištění.
  • \(\Gamma > \Gamma_d\): absolutně instabilní – v přírodě jen v tenké vrstvě nad rozpáleným povrchem.
  • \(\Gamma_s < \Gamma < \Gamma_d\): podmíněně instabilní – nenasycená částice je stabilní, ale nasycená, která překoná hladinu volné konvekce (LFC), stoupá sama až do hladiny vyrovnání (EL), kde má stejnou teplotu jako okolí. To je typická situace letních bouřek.level of free convection, equilibrium level

3.4Druhy oblaků

Oblaka se třídí podle Mezinárodního atlasu oblaků Světové meteorologické organizace (WMO) do deseti rodů (obr. 3.1). Kupovitá oblaka (cumulus) vznikají při konvekci v instabilním vzduchu, vrstevnatá (stratus) při pomalém výstupu nebo ochlazení stabilního vzduchu. Vysoká oblaka jsou z ledových krystalků, nízká z kapiček, střední bývají smíšená.cloud genera, International Cloud Atlas

3.5Jak vzniká déšť a sníh

Kapka v oblaku vzniká kondenzací na kondenzačních jádrech (částečky soli, síranů, prachu) a má poloměr kolem 10 μm. Dešťová kapka má asi 1 mm, tedy stokrát větší poloměr a milionkrát větší objem. Samotnou kondenzací by narůstala hodiny; rychle rostou dvěma cestami:cloud condensation nuclei

  • Koalescence: větší kapky padají rychleji a pohlcují menší. Převládá v teplých tropických oblacích („teplý déšť“).collision–coalescence
  • Bergeronův–Findeisenův proces: v oblaku pod 0 °C bývají přechlazené kapky a ledové krystalky vedle sebe. Tlak nasycené páry nad ledem je nižší než nad vodou, takže krystalky rostou na úkor kapek. Narostlé krystaly padají jako sníh, v teplejším vzduchu pod oblakem roztají v déšť. Ve střední Evropě takto začíná většina srážek, i v létě.Wegener–Bergeron–Findeisen process

Druh srážky u země určuje teplotní profil pod oblakem: sníh (celý profil pod 0 °C), déšť (sníh roztaje v teplé vrstvě), mrznoucí déšť (teplá vrstva nahoře, tenká mrazivá u země: přechlazené kapky zmrznou až na povrchu a vytvoří ledovku) a zmrzlý déšť (mrazivá vrstva u země je silná a kapky stihnou zmrznout v letu). Kroupy rostou v silných výstupných proudech kumulonimbů, kde je několikrát vynesou vzhůru přes oblast přechlazených kapek (kapitola 7).freezing rain, ice pellets, hail

3.6Föhn

15 °C, rosný bod 9 °C500 m základna oblaku 1 250 m7,7 °C hřeben 2 000 m: asi 3,6 °C 18,3 °C, suchý vítr500 m nasyceně adiabatickysuchoadiabaticky +9,8 °C/km
Obr. 3.2 Föhn. Na návětrné straně vzduch stoupá, nad základnou oblaku chladne pomaleji a ztrácí vodu ve srážkách. Na závětrné straně sestupuje bez oblaku, a ohřívá se proto suchoadiabaticky celou cestu dolů. Ve stejné výšce je o 3,3 °C teplejší a mnohem sušší (čísla z procvičení 3.7).

3.7Procvičení

1
U země je 20 °C a rosný bod 12 °C. V jaké výšce bude základna kupovitých oblaků?
\(z_{\mathrm{LCL}} \approx 125\cdot(20 - 12) = 1\,000\) m nad zemí. Teplota na základně: \(20 - 9{,}8\cdot 1{,}0 = 10{,}2\) °C.
2
V horkém suchém odpoledni je 30 °C a rosný bod 10 °C. Kde bude základna oblaku a co to znamená?
\(125\cdot 20 = 2\,500\) m. Vysoká základna znamená suchou spodní vrstvu: srážky z případné bouřky se cestou k zemi z velké části odpaří, ochlazený vzduch padá dolů a mohou vznikat silné nárazy větru (downburst) i bez vydatného deště.
3
Vzduch ve výšce 500 m má 15 °C a rosný bod 9 °C a přetéká horský hřeben ve výšce 2 000 m. Jakou teplotu bude mít ve výšce 500 m na závětrné straně?
Kondenzační hladina \(500 + 125\cdot 6 = 1\,250\) m, teplota tam \(15 - 9{,}8\cdot 0{,}75 = 7{,}65\) °C. Do 2 000 m nasyceně adiabaticky (průměrný gradient asi 5,4 K/km, numericky podle vzorce v 3.2) na asi 3,6 °C. Sestup 1 500 m suchoadiabaticky: \(3{,}6 + 9{,}8\cdot 1{,}5 = 18{,}3\) °C. Vzduch je o 3,3 °C teplejší a rosný bod má nižší, protože část vody spadla na návětří.
4
Jaká je potenciální teplota vzduchu, který má na hladině 850 hPa teplotu 5 °C?
\(\theta = 278{,}15\cdot(1\,000/850)^{0{,}286} = 291{,}4\) K, tedy 18,2 °C.
5
Proč z oblaku složeného jen z přechlazených kapek často neprší, ale jakmile se v něm objeví led, začne sněžit?
Kapky o velikosti 10 μm padají tak pomalu, že je vzestupné proudy udrží, a samotnou kondenzací rostou pomalu. Objeví-li se ledové krystalky, tlak nasycené páry nad ledem je nižší než nad vodou: vzduch nasycený vzhledem k vodě je vůči ledu přesycený, krystalky rychle rostou, kapky se vypařují (Bergeronův–Findeisenův proces). Za desítky minut z nich vyrostou sněhové vločky dost těžké na to, aby padaly.
Co si odnést
  • Stoupající vzduch chladne o 9,8 °C/km, po nasycení pomaleji; základna kupy je asi 125 m na každý stupeň rozdílu teploty a rosného bodu.
  • Podmíněná instabilita: nasycená částice teplejší než okolí stoupá sama – zdroj kup a bouřek.
  • Většina srážek ve střední Evropě začíná jako led (Bergeronův proces); druh srážky u země určuje teplotní profil.
Část IIStřední škola
4

Vítr a síly v atmosféřestřední škola

Vítr vzniká, protože vzduch tlačí z místa s vyšším tlakem k nižšímu. Na rotující Zemi ho ale Coriolisova síla stáčí, až nad mezní vrstvou proudí skoro rovnoběžně s izobarami: kolem tlakové níže na severní polokouli proti směru hodinových ručiček. U země ho tření zpomalí a natočí zpět k nízkému tlaku.

🎠

Zkuste si na kolotoči hodit míč kamarádovi naproti. Z vašeho pohledu se míč stočí stranou, i když letí rovně – to vy jste se mezitím otočili. Země je obrovský pomalý kolotoč, a proto vzduch, který vyrazí k tlakové níži, do ní nevletí přímo, ale začne ji obkružovat.

Rovnováha sil na větru
Izobary jsou vodorovné čáry, nízký tlak nahoře. Šipky: síla tlakového gradientu (modrá), Coriolisova síla (oranžová), tření (šedá) a výsledný ustálený vítr (zelená). Zvyšte tlakový gradient, změňte zeměpisnou šířku a povrch.
LABORATOŘ
Model: přímé izobary, hustota vzduchu 1,2 kg/m³, ustálený stav. Tření je lineární odpor \(-k\vec v\) s úhlem stočení přes izobary 15° nad mořem a 30° nad pevninou (typické hodnoty pro vítr v 10 m). Blízko rovníku, kde je Coriolisova síla slabá, geostrofická rovnováha neplatí – laboratoř ukazuje, jak vítr „utíká“ k nerealistickým hodnotám.
Nníže (cyklóna) Vvýše (anticyklóna) modře: vítr nad mezní vrstvou (podél izobar) oranžově: přízemní vítr (tření ho stáčí do níže a z výše)
Obr. 4.1 Proudění na severní polokouli. Kolem níže proti směru hodinových ručiček, kolem výše po směru. U země tření stáčí vítr přes izobary: do níže se vzduch sbíhá a stoupá (oblačnost), z výše se rozbíhá a klesá (jasno).
+Teorie: tlakový gradient, Coriolisova síla, geostrofický a gradientový vítr, tření a místní větry

4.1Síla tlakového gradientu

Rozdíl tlaku na dvou stranách krychličky vzduchu ji tlačí k nižšímu tlaku. Na jednotku hmotnosti je síla tlakového gradientu úměrná tomu, jak rychle se tlak mění se vzdáleností – na mapě tedy tomu, jak husté jsou izobary:pressure gradient force

Síla tlakového gradientu (na jednotku hmotnosti)\[\vec a_p = -\frac{1}{\rho}\,\nabla p\]
Příklad Typický gradient na synoptické mapě

Izobary po 4 hPa vzdálené 300 km: \(a_p = 400/(1{,}2\cdot 300\,000) = 0{,}001\,1\) m/s². Je to nepatrné zrychlení, ale za hodinu by vzduchu dodalo 4 m/s a za den přes 90 m/s – kdyby nic jiného nepůsobilo.

4.2Coriolisova síla

V soustavě rotující se Zemí působí na pohybující se vzduch zdánlivá Coriolisova síla. Je kolmá na směr pohybu, na severní polokouli doprava, na jižní doleva; rychlost nemění, jen směr. Její velikost je \(f\,v\), kde Coriolisův parametr závisí na zeměpisné šířce \(\varphi\):Coriolis force, Coriolis parameter

Coriolisův parametr\[f = 2\,\Omega\sin\varphi,\qquad \Omega = 7{,}292\cdot 10^{-5}\ \mathrm{s^{-1}}\]
Tab. 4.1Coriolisův parametr
Šířka10°30°50°60°90°
\(f\) (10⁻⁴ s⁻¹)0,2530,7291,1171,2631,458

4.3Geostrofický vítr

Nad mezní vrstvou (zhruba nad 1 km) je tření zanedbatelné. Vzduch, který se dá do pohybu k nízkému tlaku, Coriolisova síla stáčí, dokud se obě síly nevyrovnají. Výsledný geostrofický vítr vane rovnoběžně s izobarami, nízký tlak má na severní polokouli po levé ruce (Buys-Ballotův zákon):geostrophic wind, Buys-Ballot's law

Geostrofický vítr\[f\,v_g = \frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial n}\quad\Longrightarrow\quad v_g = \frac{1}{\rho f}\,\frac{\Delta p}{\Delta n}\]
Příklad Vítr nad Českem

Při 50° s. š., \(\rho = 1{,}2\) kg/m³, izobary po 4 hPa vzdálené 300 km: \(v_g = 400/(1{,}2\cdot 1{,}117\cdot 10^{-4}\cdot 300\,000) = 9{,}9\) m/s, asi 36 km/h.

Kdy geostrofická rovnováha platí, ukazuje Rossbyho číslo \(Ro = U/(fL)\), poměr setrvačnosti a Coriolisovy síly. Pro tlakovou níži (\(U = 10\) m/s, \(L = 1\,000\) km) je \(Ro = 0{,}09\) – rotace Země dominuje. Pro tornádo (\(U = 50\) m/s, \(L = 100\) m) je \(Ro \approx 4\,500\): Coriolisova síla je bezvýznamná.Rossby number

Pozor

Směr víru vody vytékající z umyvadla Coriolisova síla neurčuje: \(Ro\) je tam řádově desetitisíce, rozhoduje tvar nádoby a zbytkové proudění. Pokusy, které ji ukázaly, potřebovaly velkou nádrž, hodiny klidu a pečlivé podmínky.

4.4Gradientový a cyklostrofický vítr

Při zakřiveném proudění je potřeba ještě dostředivá síla. Gradientový vítr je rovnováha tlakového gradientu, Coriolisovy a odstředivé síly. Kolem níže je slabší než geostrofický (subgeostrofický), kolem výše silnější. Proto bývají ve výších i při hustých izobarách jen mírné větry a tlakový gradient v jejich středu je malý. U malých silných vírů (tornádo, prachový vír) Coriolisova síla nehraje roli a tlakový gradient vyrovnává jen odstředivá síla – cyklostrofický vítr; takové víry se mohou točit oběma směry.gradient wind, cyclostrophic wind

4.5Tření a mezní vrstva

V nejspodnějším kilometru, planetární mezní vrstvě, vítr brzdí tření o povrch a turbulence. Pomalejší vítr má menší Coriolisovu sílu, rovnováha se poruší a vítr se stočí přes izobary k nižšímu tlaku – nad mořem zhruba o 10 až 20°, nad členitou pevninou o 25 až 45°. S výškou se směr postupně stáčí doprava ke geostrofickému (Ekmanova spirála). Sbíhavé přízemní proudění v níži vynucuje výstup vzduchu, rozbíhavé ve výši sestup.planetary boundary layer, Ekman spiral

4.6Místní větry a Beaufortova stupnice

  • Bríza: ve dne se pevnina ohřeje víc než voda, nad ní vzduch stoupá a od vody vane chladnější mořská bríza; v noci naopak.sea breeze, land breeze
  • Horský a údolní vítr: ve dne proudí vzduch podél vyhřátých svahů vzhůru, v noci chladný vzduch stéká do údolí a kotlin.valley and mountain winds
  • Föhn (kapitola 3) a bóra (studený padavý vítr) jsou větry přetékající horské hřebeny.
Tab. 4.2Beaufortova stupnice (průměrná rychlost v 10 m, WMO)
StupeňOznačením/sProjevy na souši
0bezvětří0–0,2kouř stoupá kolmo
2vánek1,6–3,3vítr cítíme ve tváři, listí šelestí
4mírný vítr5,5–7,9zvedá prach a papíry, pohybuje větvičkami
6silný vítr10,8–13,8pohybuje silnými větvemi, deštník se těžko drží
8bouřlivý vítr17,2–20,7ulamuje větve, chůze proti větru je obtížná
10vichřice24,5–28,4vyvrací stromy, škody na stavbách
12orkánod 32,7rozsáhlé škody

4.7Procvičení

1
Izobary po 8 hPa jsou od sebe 400 km, šířka 50°, \(\rho = 1{,}2\) kg/m³. Jaký je geostrofický vítr?
\(v_g = 800/(1{,}2\cdot 1{,}117\cdot 10^{-4}\cdot 400\,000) = 14{,}9\) m/s, asi 54 km/h (7. stupeň Beaufortovy stupnice, prudký vítr).
2
Stejný gradient jako v příkladu (4 hPa na 300 km), ale na 30° s. š. Jaký je geostrofický vítr?
\(f = 0{,}729\cdot 10^{-4}\) s⁻¹; \(v_g = 400/(1{,}2\cdot 0{,}729\cdot 10^{-4}\cdot 300\,000) = 15{,}2\) m/s. Při menší Coriolisově síle musí vítr být rychlejší, aby ji vyrovnal s tlakovým gradientem.
3
Geostrofický vítr je 12 m/s. Jaký bude ustálený vítr nad pevninou v modelu laboratoře, kde se stáčí o 30° přes izobary?
V lineárním modelu tření je rychlost \(v = v_g\cos\alpha = 12\cdot\cos 30^\circ = 10{,}4\) m/s. Skutečný vítr v 10 m nad pevninou bývá ještě slabší, asi polovina geostrofického, protože tření není lineární.
4
Jak dlouho trvá jeden setrvačný kruh (inerciální perioda \(2\pi/f\)) na 50° s. š.?
\(2\pi/(1{,}117\cdot 10^{-4}) = 56\,240\) s, tedy 15,6 h. Vzduch nebo voda, které se pohybují jen setrvačností, opíší kruh za necelých 16 hodin – tyto setrvačné oscilace se pozorují v oceánu i v nočním tryskovém proudění.
5
Stojíte zády k větru na severní polokouli. Kde je tlaková níže?
Podle Buys-Ballotova zákona je nízký tlak po levé ruce, kvůli tření mírně vpředu vlevo; vysoký tlak vpravo a mírně vzadu.
Co si odnést
  • Vítr pohání tlakový gradient; Coriolisova síla \(f v\) ho na severní polokouli stáčí doprava.
  • Nad mezní vrstvou platí geostrofická rovnováha: vítr podél izobar, tím silnější, čím hustší izobary.
  • Tření u země stáčí vítr do níže; sbíhání vzduchu v níži znamená výstup a oblačnost, ve výši sestup a jasno.
Část IIStřední škola
5

Vzduchové hmoty, fronty a tlakové útvarystřední škola

Nad velkými plochami pevniny nebo oceánu získá vzduch typickou teplotu a vlhkost – vznikne vzduchová hmota. Kde se dvě hmoty potkají, leží fronta: úzké pásmo, ve kterém se počasí mění skokem. Fronty se vinou kolem tlakových níží mírných šířek, které přinášejí do Česka většinu deště.

🚪

Když v zimě otevřete dveře do vytopené místnosti, studený vzduch se plazí po podlaze dovnitř a teplý uniká horem ven. Tak se chovají i fronty: studený vzduch se jako klín vtlačuje pod teplý, teplý vzduch klouže po studeném vzhůru. Při výstupu chladne a vytváří oblaka.

Přechod fronty přes stanici
Posuvníkem posouvejte čas kolem okamžiku, kdy fronta projde nad stanicí (0 h). Graf ukazuje teplotu (oranžově) a tlak (modře), dlaždice počasí, které by pozorovatel viděl.
LABORATOŘ
Model: stylizovaný průběh v zimním půlroce ve střední Evropě, fronta postupuje rychlostí asi 40 km/h. Skutečné fronty se liší rychlostí, ostrostí i oblačností; studená fronta v létě může přinést bouřky, v zimě sněhové přeháňky.
studený vzduchteplý vzduch klouže vzhůrustudený vzduch Cb Ns As Cs Ci studená frontastrmá, přeháňky, bouřky ← teplá fronta: mírný sklon 1 : 100 až 1 : 200
Obr. 5.1 Řez frontální soustavou (svislé měřítko silně zvětšené). Teplá fronta se ohlašuje řasami (Ci) stovky kilometrů předem, pak houstne oblačnost až po dešťovou slohu (Ns) s trvalým deštěm. Studená fronta je strmější a rychlejší, vytlačuje teplý vzduch prudce vzhůru, proto přináší kupovitou oblačnost, přeháňky a bouřky.
+Teorie: vzduchové hmoty, fronty, životní cyklus cyklóny, anticyklóny a tlakové útvary

5.1Vzduchové hmoty

Vzduchová hmota je rozsáhlé těleso vzduchu (stovky až tisíce kilometrů) s přibližně stejnou teplotou a vlhkostí ve vodorovném směru. Vlastnosti získá ve zdrojové oblasti, nad níž se dlouho zdržuje. Podle zeměpisné šířky se rozlišuje vzduch arktický, mírných šířek (polární) a tropický, podle povrchu mořský (vlhký) a pevninský (suchý). Při putování se vzduchová hmota postupně přetváří.air mass, source region

  • Mořský vzduch mírných šířek od Atlantiku: v létě chladno a přeháňky, v zimě obleva a mlhy. Do Česka proudí nejčastěji.
  • Pevninský arktický nebo polární vzduch od severovýchodu: v zimě silné mrazy, jasno.
  • Tropický vzduch od jihu a jihozápadu: v létě vedra, dusno, bouřky.

5.2Fronty

Atmosférická fronta je přechodová zóna mezi dvěma vzduchovými hmotami, široká desítky kilometrů, v níž se mění teplota, vlhkost, směr větru a tlaková tendence. Protože je studený vzduch hustší, plocha fronty je skloněná a studený vzduch vždy leží pod teplým jako klín.front, frontal zone

  • Teplá fronta: teplý vzduch postupuje a vysouvá se po ustupujícím klínu studeného. Sklon 1 : 100 až 1 : 200. Před ní klesá tlak, zvolna houstne oblačnost (Ci, Cs, As, Ns) a v pásu širokém stovky kilometrů trvale prší nebo sněží. Po přechodu se otepluje, vítr se stáčí z jihovýchodu na jihozápad.warm front
  • Studená fronta: studený vzduch se vtlačuje pod teplý. Sklon 1 : 50 až 1 : 100, postupuje rychleji. Přináší kupovitá oblaka, přeháňky a bouřky, náraz větru, prudké ochlazení, stočení větru na severozápad a vzestup tlaku. Rozlišují se fronty 1. druhu (pomalejší, oblačnost i za frontou) a 2. druhu (rychlé, s čárou bouřek před frontou).cold front
  • Okluzní fronta vzniká, když rychlejší studená fronta dostihne teplou a teplý vzduch je vytlačen do výšky. Počasí kombinuje obě fronty.occluded front
  • Stacionární fronta se téměř nepohybuje; podél ní mohou postupovat vlny a vydatně pršet.
Příklad Za jak dlouho přijde déšť

Plocha teplé fronty má sklon 1 : 150 a řasy se objevují ve výšce asi 9 km. Přízemní fronta je tedy \(9\cdot 150 = 1\,350\) km daleko. Při rychlosti 40 km/h dorazí za \(1\,350/40 = 33{,}75\) h, asi za den a půl. Trvalý déšť začíná zhruba 300 až 400 km před frontou, tedy asi 8 až 10 hodin před jejím přechodem.

5.3Životní cyklus cyklóny

N teplý sektor teplá frontastudená fronta studený vzduch před teplou frontoustudený vzduchza studenou frontou postup soustavy
Obr. 5.2 Frontální cyklóna mírných šířek v mapě (severní polokoule). Teplá fronta se značí půlkruhy, studená trojúhelníky, obojí na straně, kam fronta postupuje. Mezi frontami leží teplý sektor.

Podle norského modelu (Bjerknes a Solberg, 1922) vzniká cyklóna jako vlna na frontě oddělující studený a teplý vzduch. Vlna se prohlubuje, vznikne teplý sektor ohraničený teplou a studenou frontou, studená fronta postupně dostihne teplou a cyklóna se okluduje; teplý vzduch je vytlačen do výšky a níže vyplňuje. Celý cyklus trvá obvykle několik dní. Energii dodává pokles těžiště: studený vzduch se podsouvá, teplý stoupá – potenciální energie se mění v kinetickou (baroklinní instabilita, kapitola 9).Norwegian cyclone model, baroclinic instability

Ve skutečnosti

Nejničivější povodně v Česku v letech 1997 a 2002 způsobily cyklóny postupující ze severní Itálie přes Panonskou pánev k severu (dráha označovaná podle van Bebberovy klasifikace z roku 1891 jako Vb). Přinášejí teplý vlhký vzduch od Středozemního moře a na jejich severní straně vane vítr ze severu proti horám; vzduch je tak nucen stoupat a srážky jsou dlouhotrvající a vydatné.

5.4Anticyklóny a další tlakové útvary

V anticyklóně (tlakové výši) vzduch pomalu klesá a ohřívá se stlačením; oblaka se rozpouštějí. V létě to znamená jasno a teplo, v zimě často inverzní počasí: nad studeným vzduchem u země leží teplejší, v kotlinách drží nízká oblačnost, mlhy a znečištění. Stacionární výše může na týdny zablokovat postup níží (blokující anticyklóna), což vede k suchu nebo naopak k opakovaným srážkám na jejím okraji.anticyclone, subsidence, blocking

  • Brázda nízkého tlaku: protáhlá oblast nižšího tlaku vybíhající z níže; často s frontou.trough
  • Hřeben vysokého tlaku: výběžek výše, zpravidla se zlepšením počasí.ridge
  • Tlakové sedlo: oblast mezi dvěma nížemi a dvěma výšemi, se slabým větrem.col
Pomůcka

Rychle klesající tlak (víc než asi 1 hPa za hodinu) ohlašuje blížící se níži nebo frontu; vzestup po přechodu studené fronty znamená zlepšení. Starý domácí barometr byl dobrým přístrojem, pokud se sledovala změna, ne údaj sám.

5.5Procvičení

1
Řasy teplé fronty jsou ve výšce 8 km, sklon fronty 1 : 120 a fronta postupuje rychlostí 30 km/h. Za jak dlouho projde nad stanicí?
Vzdálenost \(8\cdot 120 = 960\) km, čas \(960/30 = 32\) h.
2
Studená fronta má sklon 1 : 80. Jak vysoko je frontální plocha 100 km za přízemní frontou?
\(100/80 = 1{,}25\) km. Studený vzduch tam tvoří vrstvu silnou asi 1,25 km.
3
Ráno je jasno a 2 °C, po poledni přibývá vysoké oblačnosti, tlak klesá o 1,5 hPa za 3 hodiny a vítr se stáčí na jihovýchod. Co čekáte a proč?
Blíží se teplá fronta: Ci a Cs jsou její předvoj, klesající tlak a jihovýchodní vítr odpovídají přední straně níže. Během 12 až 24 hodin lze čekat trvalé srážky (v zimě sníh, při oteplování ve výšce i mrznoucí déšť) a po přechodu fronty oteplení a stočení větru na jihozápad.
4
Proč na studené frontě vznikají přeháňky a bouřky, kdežto na teplé frontě trvalý déšť?
Studená fronta je strmá (1 : 50 až 1 : 100) a postupuje rychle, teplý vzduch je vytlačován prudce vzhůru na krátké vzdálenosti – vzniká kupovitá oblačnost a při instabilitě bouřky. Na teplé frontě (1 : 100 až 1 : 200) teplý vzduch stoupá pomalu po mírném svahu na velké ploše, vzniká vrstevnatá oblačnost se slabšími, ale dlouhotrvajícími srážkami.
5
Proč bývá v zimní anticyklóně v kotlinách mlha a smog, zatímco na horách svítí slunce?
Ve výši vzduch klesá a ohřívá se, zatímco u země se za dlouhých nocí ochlazuje vyzařováním. Vznikne teplotní inverze: teplejší vzduch nad studeným. Zvrstvení je velmi stabilní, studený vlhký vzduch zůstane v kotlinách, kondenzuje v mlhu či nízkou oblačnost a nepromíchává se – hromadí se v něm znečištění. Hory vyčnívají nad inverzi do suchého slunečného vzduchu.
Co si odnést
  • Vzduchová hmota nese vlastnosti své zdrojové oblasti; fronta je rozhraní dvou hmot, studený vzduch je vždy dole.
  • Teplá fronta: pozvolna houstnoucí oblačnost, trvalý déšť, oteplení. Studená: přeháňky, bouřky, náraz větru, ochlazení, vzestup tlaku.
  • Cyklóny mírných šířek se rodí jako vlny na frontách a zanikají okluzí; anticyklóny přinášejí sestup vzduchu a v zimě inverze.
Část IIStřední škola
6

Všeobecná cirkulace atmosférystřední škola

Rovník dostává od Slunce víc energie, než vyzáří, póly méně. Atmosféra a oceán ten rozdíl vyrovnávají: přenášejí teplo k pólům. Na rotující Zemi to nejde jednou velkou smyčkou, ale soustavou pásů – pasáty v tropech, západní větry v mírných šířkách, tryskové proudění ve výšce. Česko leží v pásu západního proudění, a proto k nám počasí přichází většinou od Atlantiku.

🍲

Hrnec na plotně ohřívaný jen uprostřed dna: voda nad plotýnkou stoupá, u okrajů klesá a vznikne pravidelný koloběh. Zemi „ohřívá plotýnka“ u rovníku. Kdyby se netočila, stačil by jeden koloběh od rovníku k pólu. Rotace ho ale rozláme na tři buňky a víry.

Kolik sluneční energie dopadá
Křivka je denní průměr slunečního záření na horní hranici atmosféry podle zeměpisné šířky pro zvolený den v roce; čárkovaně roční průměr. Měňte den a šířku a sledujte, proč je v létě na pólu víc energie než na rovníku, ale v ročním průměru je to naopak.
LABORATOŘ
Model: sluneční konstanta 1 361 W/m², kruhová dráha Země (výstřednost zanedbána, ta mění záření v průběhu roku asi o ±3,4 %), sklon osy 23,44°, deklinace Slunce \(\delta = 23{,}44^\circ\sin\big(2\pi(d-80)/365\big)\). Hodnoty platí nad atmosférou; k zemi dorazí asi polovina.
Hadleyovabuňka Ferrelovabuňka polární buňka subtropický jet polární frontální jet 0°30°60°90° ITCZsubtropické výšepolární frontapolární výše ← pasáty (od SV)západní větry →← východní větry Česko 50° tropopauza vyšší u rovníku
Obr. 6.1 Tříbuňkový model severní polokoule v poledníkovém řezu (zjednodušeno, svisle silně zvětšeno). V Hadleyově buňce vzduch stoupá u rovníku a klesá kolem 30°; mezi 30° a 60° převládá západní proudění s putujícími nížemi a výšemi (Ferrelova buňka je jen průměrem jejich působení). Tečky ukazují polohu tryskových proudění, která vanou od západu, tedy „ze stránky ven“ ke čtenáři.
+Teorie: radiační bilance, Hadleyova buňka, moment hybnosti, tryskové proudění a cirkulace nad Evropou

6.1Radiační bilance a poledníkový přenos energie

Na horní hranici atmosféry dopadá kolmo na plochu 1 361 W/m² (sluneční konstanta, přesněji celkové sluneční záření). Země nastavuje Slunci kruh \(\pi R^2\), ale povrch má \(4\pi R^2\); průměrně tedy připadá \(1\,361/4 = 340\) W/m². Rozložení je ovšem nerovnoměrné: v ročním průměru dostává rovník 415 W/m², 50° šířky 284 W/m² a pól 174 W/m², tedy asi 2,4krát méně než rovník.total solar irradiance, radiation budget

pólrovníkpól přebytekschodekschodek pohlcené slunečnívyzářené tepelné přenos tepla k pólům
Obr. 6.2 Schéma roční radiační bilance (bez měřítka). Tropy pohltí víc slunečního záření, než vyzáří, vysoké šířky méně. Rozdíl přenáší atmosféra (zhruba dvě třetiny až tři čtvrtiny přenosu ve středních šířkách) a oceánské proudy.

Kdyby se teplo nepřenášelo, rovník by se ohříval a póly ochlazovaly. Celkový poledníkový přenos energie atmosférou a oceánem dosahuje maxima kolem 35° šířky na každé polokouli, řádově 5 až 6 PW (petawattů).meridional energy transport

6.2Hadleyova buňka a pasáty

V tropech je Coriolisova síla slabá a přenos zajišťuje přímá tepelná cirkulace, Hadleyova buňka (George Hadley ji navrhl v roce 1735 k vysvětlení pasátů). Vzduch stoupá v intertropické zóně konvergence (ITCZ) s mohutnými kumulonimby a lijáky, ve výšce proudí k pólům, kolem 30° klesá a vrací se při zemi k rovníku. Sestupná větev vytváří subtropické anticyklóny (například azorskou výši) a pásmo pouští. Přízemní větry vracející se k rovníku Coriolisova síla stáčí – na severní polokouli vanou od severovýchodu jako pasáty.Hadley cell, intertropical convergence zone, trade winds

6.3Proč Hadleyova buňka nesahá k pólu: moment hybnosti

Vzduch, který se ve výšce pohybuje k pólu, se přibližuje k ose rotace. Zachovává-li moment hybnosti vůči ose Země, musí se vůči povrchu roztáčet k východu, podobně jako krasobruslařka, která přitáhne ruce. Pro vzduch, který začal v klidu na rovníku, vychází na šířce \(\varphi\) západní vítr:angular momentum conservation

Vítr ze zachování momentu hybnosti (start v klidu na rovníku)\[u(\varphi) = \Omega\,a\,\frac{\sin^{2}\varphi}{\cos\varphi}\]
Příklad Zrod subtropického tryskového proudění

\(\Omega a = 7{,}292\cdot 10^{-5}\cdot 6\,371\,000 = 464{,}6\) m/s. Na 20°: \(u = 464{,}6\cdot 0{,}117/0{,}940 = 57{,}8\) m/s; na 30°: \(u = 464{,}6\cdot 0{,}25/0{,}866 = 134{,}1\) m/s. Skutečné proudění je slabší (tření, víry), ale vysvětluje, proč na okraji Hadleyovy buňky kolem 30° vzniká silné subtropické tryskové proudění a proč buňka nemůže dosáhnout pólu – rychlosti by byly nereálné a proudění by se rozpadlo na víry.

6.4Mírné šířky: západní proudění, víry a tryskové proudění

Mezi 30° a 60° je poledníkový teplotní gradient největší. Teplo zde nepřenáší uzavřená buňka, ale putující cyklóny a anticyklóny (kapitola 5): na přední straně níže proudí teplý vzduch k pólu, na zadní studený k rovníku. V průměru vychází nepřímá Ferrelova buňka se západními větry u země.Ferrel cell, westerlies

Ve výšce 9 až 12 km se nad frontální zónou soustřeďuje polární frontální tryskové proudění s rychlostmi často přes 50 m/s. Je to důsledek termického větru: čím větší je vodorovný rozdíl teplot, tím rychleji západní vítr s výškou sílí (kapitola 9). Tryskové proudění se vlní v Rossbyho vlnách o délce tisíců kilometrů; v jejich brázdách se rodí níže, v hřebenech výše.polar front jet stream, Rossby waves

Ve skutečnosti

Lety z Ameriky do Evropy trvají obvykle kratší dobu než opačným směrem, protože letadla využívají západní tryskové proudění. Při silném proudění může rozdíl dosáhnout víc než hodiny.

6.5Sezónní posuny, monzuny a cirkulace nad Evropou

Celý systém se během roku posouvá za Sluncem: ITCZ v létě severní polokoule míří k severu, nad Indií až k 25° s. š. Velký rozdíl ohřevu pevniny a oceánu tam vytváří monzun – sezónní obrat větru s vlhkým letním obdobím. Ve střední Evropě se v létě častěji uplatňuje vliv azorské výše, v zimě proudění od Atlantiku a občas vpády mrazivého vzduchu z východu. Kolísání tlakového rozdílu mezi azorskou výší a islandskou níží popisuje index severoatlantické oscilace (NAO): při kladné fázi bývají zimy v Evropě mírné a vlhké, při záporné častější mrazivé epizody.monsoon, North Atlantic Oscillation

Pozor

Tříbuňkový model je průměr přes dny a délky. V konkrétní den se nad Českem může vzduch pohybovat jakkoli, i od východu. „Převládající západní proudění“ znamená, že je nejčastější, ne stálé.

6.6Procvičení

1
Jak vysoko nad obzorem je polední Slunce na 50° s. š. v den letního a zimního slunovratu?
Výška Slunce v poledne \(h = 90^\circ - |\varphi - \delta|\). Léto: \(90 - (50 - 23{,}44) = 63{,}44^\circ\). Zima: \(90 - (50 + 23{,}44) = 16{,}56^\circ\).
2
Kolik slunečního záření dopadá v denním průměru na horní hranici atmosféry nad 50° s. š. v den letního a zimního slunovratu? Jak dlouhý je den?
Podle vzorce v příloze B: 21. 6. asi 498 W/m² při délce dne 16,1 h, 21. 12. asi 83 W/m² při 7,9 h. Rozdíl je šestinásobný, proto se v mírných šířkách tolik střídají roční doby.
3
Proč dostává severní pól v den letního slunovratu víc energie (541 W/m²) než rovník (398 W/m²)?
Na pólu svítí Slunce 24 hodin, i když nízko (23,44° nad obzorem). Rovník má jen 12 hodin dne. Delší den převáží nízký úhel. V ročním průměru ale pól dostává jen 174 W/m² proti 415 W/m² na rovníku, protože půl roku je polární noc.
4
Jaký západní vítr by měl vzduch, který vyrazil v klidu z rovníku, na 20° šířky, kdyby zachoval moment hybnosti?
\(u = 464{,}6\cdot\sin^2 20^\circ/\cos 20^\circ = 464{,}6\cdot 0{,}117\,0/0{,}939\,7 = 57{,}8\) m/s.
5
Proč jsou kolem 30° šířky velké pouště (Sahara, Arabský poloostrov, australské pouště)?
Kolem 30° klesá sestupná větev Hadleyovy buňky. Klesající vzduch se stlačením ohřívá, jeho relativní vlhkost klesá a oblaka se rozpouštějí; vznikají stálé subtropické anticyklóny s malým úhrnem srážek. Vodu ze vzduchu navíc „vyždímala“ už konvekce v ITCZ.
Co si odnést
  • Tropy mají přebytek energie, vysoké šířky schodek; atmosféra a oceán přenášejí teplo k pólům.
  • Hadleyova buňka: výstup v ITCZ, sestup kolem 30° (pouště), pasáty; zachování momentu hybnosti dává subtropické tryskové proudění.
  • V mírných šířkách přenášejí teplo putující níže a výše v západním proudění; jejich dráhy řídí tryskové proudění a Rossbyho vlny.
Část IIStřední škola
7

Bouřky a extrémní jevystřední škola

Bouřka potřebuje tři věci: vlhký vzduch při zemi, instabilní atmosféru a něco, co vzduch zvedne. Jak silná a jak dlouhá bude, rozhoduje hlavně energie instability (CAPE) a to, jak se mění vítr s výškou. Ze silného střihu větru se rodí supercely – bouře s rotujícím výstupným proudem, které dávají největší kroupy a tornáda. Do Česka patří i povodně: přívalové z bouřek a rozsáhlé z několikadenních dešťů.

⚡

Když po blesku napočítáte do tří, hrom přišel z kilometru. Zvuk letí asi 343 m/s, světlo prakticky okamžitě. Slyšíte-li hrom vůbec, jste na dosah blesku – ten umí udeřit i 10 km před bouřkou, z modré oblohy.

Jaká bouře vznikne
Nastavte energii instability (CAPE) a střih větru mezi zemí a 6 km. Tečka v diagramu ukazuje typ bouře, který při takových podmínkách převládá; dlaždice teoretickou nejvyšší rychlost výstupného proudu.
LABORATOŘ
Model: hrubé hranice z předpovědní praxe (střih pod 10 m/s jednoduché bouřky, 10–20 m/s multicely, nad 20 m/s možné supercely; CAPE pod 100 J/kg bouřky nevzniknou). Výstupný proud podle teorie částice \(w_{\max} = \sqrt{2\,\mathrm{CAPE}}\); skutečný bývá zhruba poloviční (promíchávání, zatížení vodou). Ke vzniku bouřky je potřeba i výstupný impuls, který model nepočítá.
Jak daleko je bouřka
Posuvníkem nastavte, kolik sekund uplynulo mezi bleskem a hromem.
LABORATOŘ
Model: rychlost zvuku 343 m/s (20 °C). Hrom bývá slyšet do vzdálenosti asi 15 km; za větru a v hluku města méně.
Pozor: bezpečnost při bouřce a povodni
  • Bouřka: slyšíte-li hrom, jděte do budovy nebo do auta s plechovou karoserií a zavřenými okny. Vyhněte se osamělým stromům, vrcholům, rozhlednám, vodní hladině, kovovým plotům a otevřeným plochám. Jste-li venku bez úkrytu, nelehejte si; dřepněte s nohama u sebe na nízkém místě, mimo skupinu lidí. S návratem ven počkejte asi 30 minut po posledním hromu.
  • Povodeň: sledujte výstrahy ČHMÚ a pokyny obce a hasičů, při výzvě k evakuaci odejděte včas s evakuačním zavazadlem (doklady, léky, telefon, voda). Nikdy nevstupujte ani nevjíždějte do proudící vody: podle amerického NWS může dospělého srazit už asi 15 cm proudící vody a auto odnést zhruba 30 cm. Nezdržujte se u rozvodněných toků a mostů, nevstupujte do zatopených sklepů s elektřinou.
  • V ohrožení života volejte 112 (jednotné evropské číslo), případně 150 (hasiči), 155 (záchranná služba), 158 (policie).
+Teorie: instabilita a CAPE, typy bouří, supercely a tornáda, kroupy a nárazy větru, povodně v Česku

7.1Podmínky vzniku bouřky a CAPE

Bouřka je kumulonimbus s elektrickými výboji. Vzniká, když se sejdou vlhkost v nízkých hladinách, podmíněná instabilita (kapitola 3) a výstupný impuls, který částici zvedne k hladině volné konvekce: ohřátý povrch, fronta, konvergence větru, svah hor.moisture, instability, lift

Energii, kterou částice získá při výstupu od hladiny volné konvekce (LFC) po hladinu vyrovnání (EL), měří CAPE (konvektivní dostupná potenciální energie). Energii, kterou je naopak potřeba vynaložit, aby částice LFC vůbec dosáhla, měří CIN (konvektivní zádrž). Vysoká CIN může bouřky dlouho „zamykat“ – a když ji něco prolomí, vznikají izolované, o to silnější bouře.convective available potential energy, convective inhibition

CAPE a horní odhad výstupného proudu\[\mathrm{CAPE} = g\int_{z_{\mathrm{LFC}}}^{z_{\mathrm{EL}}}\frac{T_{v,\mathrm{č}} - T_{v,\mathrm{ok}}}{T_{v,\mathrm{ok}}}\,\mathrm{d}z,\qquad w_{\max} = \sqrt{2\,\mathrm{CAPE}}\]

\(T_v\) je virtuální teplota (teplota upravená o vliv vlhkosti na hustotu), index č označuje částici a ok okolí.

Příklad Výstupný proud v bouřce

Při CAPE 1 000 J/kg: \(w_{\max} = \sqrt{2\,000} = 44{,}7\) m/s, při 3 000 J/kg \(77{,}5\) m/s. Skutečné výstupné proudy dosahují zhruba poloviny, ale i 20 až 40 m/s udrží v oblaku kroupy velikosti několika centimetrů.

1 kupovité stadium2 zralé stadium3 rozpad jen výstupvýstup i sestup,déšť, kroupy, bleskyjen sestup
Obr. 7.1 Životní cyklus jednoduché (jednobuněčné) bouřky, asi 30 až 60 minut. Ve slabém střihu větru padá déšť do výstupného proudu a bouřka se sama „udusí“.

7.2Typy bouří a střih větru

Vertikální střih větru je změna rychlosti a směru větru s výškou. Nakloní bouřku, takže sestupný proud se srážkami nepadá do výstupného, a bouře žije déle.vertical wind shear

  • Jednobuněčné bouřky – slabý střih, krátké trvání, typické odpolední „bouřky z tepla“.
  • Multicely – střední střih; nové buňky vznikají na čele studeného výtoku (gust front) starých. Mohou se řadit do čar bouřek a velkých mezoměřítkových konvektivních systémů; dlouhá čára s rozsáhlými škodami větrem se nazývá derecho.multicell, squall line, mesoscale convective system
  • Supercely – silný střih (zhruba nad 20 m/s v 0–6 km); výstupný proud rotuje (mezocyklóna). Trvají hodiny a dávají velké kroupy, ničivý vítr a většinu silných tornád.supercell, mesocyclone
přestřelující vrchol mezocyklóna krupobití, přívalový déšť sestupný proud, nárazy stěnový oblak tornádo kovadlina na tropopauze vlhký přítok
Obr. 7.2 Supercela (zjednodušeno, pohled z boku). Rotující výstupný proud (mezocyklóna) vynáší vzduch až nad tropopauzu (přestřelující vrchol). Krupobití a hlavní srážky padají vedle výstupného proudu; tornádo vzniká obvykle pod základnou v oblasti stěnového oblaku.

7.3Tornáda

Tornádo je rotující vzdušný vír spojený s konvektivním oblakem, který se dotýká země. Většina silných tornád vzniká v supercelách, kde se rotace mezocyklóny při zemi soustředí a zesílí. Intenzita se odhaduje zpětně podle škod: v Evropě se od roku 2023 používá mezinárodní Fujitova stupnice (IF) Evropské laboratoře pro silné bouře (ESSL), v USA rozšířená Fujitova stupnice (EF).tornado, International Fujita scale

Ve skutečnosti

Dne 24. 6. 2021 zasáhlo Břeclavsko a Hodonínsko tornádo o síle IF4, nejsilnější zdokumentované v novodobé historii Česka. Podle společného průzkumu ESSL a ČHMÚ měla jeho dráha délku 27,1 km a šířku až asi 2,8 km; zahynulo 6 lidí a stovky byly zraněny. Tornáda se v Česku vyskytují každý rok, většinou slabá; ČHMÚ je eviduje a ověřuje.

7.4Kroupy, blesky a nárazy větru

Kroupy rostou nabalováním přechlazených kapek, když je silný výstupný proud drží v oblaku nebo opakovaně vynáší vzhůru. Blesk je výboj mezi prostorovými náboji, které vznikají při srážkách ledových částic a krup v oblasti kolem −10 až −20 °C. Downburst je prudký sestupný proud ochlazeného vzduchu, který se u země roztéká do všech stran a může způsobit škody srovnatelné se slabým tornádem.hail, lightning, downburst

7.5Povodně a extrémy v Česku

Přívalové povodně způsobují bouřky, které vypustí desítky milimetrů vody za hodinu na malé povodí; voda přijde během minut až hodin a těžko se předpovídá místo. Regionální povodně přicházejí po několikadenních vydatných deštích nad velkým územím, často s cyklónou typu Vb (kapitola 5) nebo s tlakovou níží, která se dlouho nehýbe.flash flood, riverine flood

Tab. 7.1Vybrané extrémy počasí v Česku (zdroje v příloze C, stav k 13. 10. 2026)
JevHodnotaMísto a datum
nejvyšší teplota vzduchu41,9 °CDoksany (Litoměřicko), 28. 6. 2026
předchozí rekord40,4 °CDobřichovice, 20. 8. 2012
nejnižší teplota vzduchu−42,2 °CLitvínovice u Českých Budějovic, 11. 2. 1929
nejvyšší denní úhrn srážek385,6 mmLoučná nad Desnou-Švýcárna, 14. 9. 2024
úhrn za epizodu povodně 2024704,2 mmŠvýcárna, 11.–16. 9. 2024
nejsilnější tornádoIF4Břeclavsko a Hodonínsko, 24. 6. 2021
Ve skutečnosti

Při povodni v září 2024 spadlo v průměru na celé území Česka za měsíc 179 mm srážek, 298 % normálu 1991–2020; doba opakování úhrnů přesáhla na řadě stanic 200 let (ČHMÚ). Předchozí denní rekord 345,1 mm z Nové Louky v Jizerských horách (29. 7. 1897) vydržel 127 let.

7.6Procvičení

1
Jaký je teoretický výstupný proud při CAPE 2 000 J/kg?
\(w_{\max} = \sqrt{2\cdot 2\,000} = \sqrt{4\,000} = 63{,}2\) m/s. Skutečný bude zhruba poloviční, asi 30 m/s.
2
Mezi bleskem a hromem uplynulo 10 s. Jak daleko udeřil blesk a co máte dělat?
\(10\cdot 343 = 3\,430\) m, asi 3,4 km. Bouřka je velmi blízko; okamžitě vyhledejte budovu nebo auto, vyhněte se vyvýšeným místům a osamělým stromům.
3
Ráno předpověď uvádí CAPE 2 500 J/kg a střih 0–6 km 25 m/s, ale také silnou inverzi (vysoká CIN). Co lze čekat?
Energie i střih podporují supercely. Silná CIN ale bouřky dlouho potlačuje: pokud ji večer prolomí fronta nebo konvergence, vzniknou ojedinělé, ale velmi silné supercely s velkými kroupami a nebezpečím tornád. Pokud ne, bouřky nemusí vzniknout vůbec. Proto bývají výstrahy na bouřky pravděpodobnostní.
4
Proč je těžší předpovědět místo přívalové povodně než regionální povodně?
Přívalovou povodeň způsobí jedna nebo několik bouřek o rozměru jednotek kilometrů, jejichž přesná poloha závisí na drobných rozdílech teploty a vlhkosti (kapitola 11); modely umí určit oblast a pravděpodobnost, ne konkrétní obec. Regionální povodeň vyvolá rozsáhlá a pomalá synoptická situace, kterou modely zachytí dny předem.
5
O kolik procent překonal denní úhrn 385,6 mm z roku 2024 předchozí rekord 345,1 mm?
\(385{,}6/345{,}1 = 1{,}117\), tedy o 11,7 %.
Co si odnést
  • Bouřka = vlhkost + instabilita + výstupný impuls. CAPE měří energii, střih větru rozhoduje o typu a délce života bouře.
  • Supercely mají rotující výstupný proud a dávají největší kroupy a tornáda; i v Česku (IF4 v roce 2021).
  • Slyšíte hrom – ukryjte se. Do proudící vody nevstupujte. V ohrožení života volejte 112.
Část IIStřední škola
8

Měření, družice a radarstřední škola

Předpověď je jen tak dobrá, jak dobře známe dnešní stav atmosféry. Ten měří tisíce přízemních stanic, balony s radiosondami, letadla, družice a radary. Každý přístroj vidí něco jiného: stanice přesně, ale jen v jednom bodě; družice celou planetu, ale nepřímo; radar srážky v detailu, ale jen do určité vzdálenosti a výšky.

🔦

Radar funguje jako baterka v mlze: vyšle krátký záblesk mikrovln a poslouchá ozvěnu. Z doby návratu pozná vzdálenost, ze síly ozvěny, kolik vody je v kapkách, a z posunu frekvence, zda se kapky blíží, nebo vzdalují. Jeho paprsek ale letí rovně, zatímco Země se pod ním zakřivuje.

Co vidí meteorologický radar
Graf ukazuje výšku osy paprsku nad zemí (oranžově) a jeho šířku (pás) podle vzdálenosti od radaru. Nastavte elevaci antény, vzdálenost srážek a naměřenou odrazivost v dBZ.
LABORATOŘ
Model: standardní lom paprsku (Země s efektivním poloměrem 4/3 skutečného), šířka svazku 1°, anténa u země. Intenzita deště podle Marshallova–Palmerova vztahu \(Z = 200\,R^{1{,}6}\); pro sníh, kroupy a konvektivní srážky platí jiné koeficienty a radar k tomu měří i další veličiny (dvojí polarizace).
radiační krytteplota a vlhkost ve 2 m 2 m srážkoměr 1 m anemometrrychlost a směr větru v 10 m tlak, záznam, přenos čidlo slunečního svitu
Obr. 8.1 Meteorologická stanice podle standardů WMO (schéma). Teplota a vlhkost se měří ve stínu ve 2 m nad krátce střiženým trávníkem, vítr ve 10 m nad terénem bez překážek. Měření jsou v celé síti srovnatelná jen proto, že všude probíhají stejně.
+Teorie: přízemní a aerologická měření, družice, radar a dopplerovská rychlost

8.1Přízemní stanice

Profesionální stanice měří tlak, teplotu a vlhkost vzduchu, vítr, srážky, sluneční svit, sněhovou pokrývku a dohlednost; dnes většinou automaticky v minutových intervalech. Hlavní synoptické termíny pro mezinárodní výměnu zpráv jsou 00, 06, 12 a 18 UTC; mapy proto ukazují stav ve stejný okamžik na celé planetě, nezávisle na místním čase. Zprávy se šíří Globálním telekomunikačním systémem WMO.synoptic station, observation times, UTC

Pozor

Teplota „na slunci“ není teplota vzduchu. Teploměr na přímém slunci měří hlavně vlastní ohřev zářením a může ukazovat o 10 °C i víc než teploměr ve stínu. Proto se srovnávají jen údaje z radiačního krytu. Stejně tak se nesrovnává teplota nad asfaltem ve městě s měřením nad trávou.

8.2Aerologie: měření ve výšce

Radiosonda je lehký přístroj zavěšený pod balonem plněným vodíkem nebo heliem. Během výstupu, obvykle do 25 až 35 km, vysílá každé dvě sekundy tlak, teplotu, vlhkost a polohu ze satelitní navigace, z níž se počítá vítr. Hlavní vypouštění jsou ve 00 a 12 UTC. Výsledek – svislý profil – se kreslí do aerologického diagramu, z něhož se čte stabilita, CAPE, výška nulové izotermy či tropopauzy. Další svislé profily dávají dopravní letadla a pozemní dálkoměrné přístroje.radiosonde, sounding, thermodynamic diagram

8.3Družice

  • Geostacionární družice obíhají nad rovníkem ve výšce 35 786 km s periodou rovnou rotaci Země, „visí“ stále nad stejným místem a snímají celý disk po 10 až 15 minutách (rychlé snímání Evropy i častěji). Ukazují vývoj oblačnosti a bouřek. Nad Evropu je provozuje organizace EUMETSAT.geostationary satellite
  • Polární družice obíhají ve výšce kolem 800 km přes póly; každé místo vidí dvakrát denně, zato v detailu. Nesou sondážní přístroje, z jejichž infračervených a mikrovlnných měření se odvozují profily teploty a vlhkosti – nejdůležitější zdroj dat pro numerické modely nad oceány.polar-orbiting satellite
  • Kanály: viditelný (odražené světlo, jen ve dne), infračervený (teplota horní hranice oblaků – čím chladnější, tím vyšší oblak) a absorpční pás vodní páry (vlhkost ve střední troposféře).

8.4Meteorologický radar

Radar vysílá pulzy mikrovln (vlnová délka v Evropě obvykle asi 5 cm, pásmo C) a měří odraz od srážkových částic. Radarová odrazivost \(Z\) je součet šestých mocnin průměrů kapek v jednotce objemu, proto ji určují hlavně velké kapky a kroupy. Udává se logaritmicky v dBZ:radar reflectivity, dBZ

Odrazivost a intenzita deště (Marshall–Palmer)\[Z = \sum D^{6}\ [\mathrm{mm^6/m^3}],\qquad \mathrm{dBZ} = 10\log_{10} Z,\qquad Z = 200\,R^{1{,}6}\ \Rightarrow\ R = \left(\frac{10^{\mathrm{dBZ}/10}}{200}\right)^{1/1{,}6}\]
Tab. 8.1Odrazivost a intenzita deště podle Marshallova–Palmerova vztahu
dBZ203040505560
mm/h0,652,711,548,699,9205

Hodnoty nad asi 55 dBZ v létě obvykle znamenají kroupy, ne extrémní déšť – vztah \(Z\text{–}R\) pro ně neplatí. Moderní radary s dvojí polarizací vysílají vodorovně i svisle kmitající vlny a z rozdílu odrazů rozliší kapky, kroupy, sníh i ptáky.dual polarization

Výška paprsku nad zemí roste se vzdáleností \(r\) dvojím způsobem: anténou skloněnou o elevaci \(\theta\) a zakřivením Země. Se standardním lomem v atmosféře se počítá s efektivním poloměrem \(kR\), \(k = 4/3\):

Výška osy radarového paprsku\[h = \sqrt{r^{2} + (kR)^{2} + 2\,r\,kR\sin\theta} - kR\]
Příklad Co radar vidí 200 km daleko

Při elevaci 0,5° je osa paprsku ve 200 km ve výšce 4,1 km (při 0° stále 2,35 km). Svazek široký 1° tam měří asi 3,5 km. Mělkou oblačnost s mrholením nebo sněžením pod touto výškou radar nevidí – proto mají státy sítě radarů vzdálených od sebe zhruba 150 až 250 km. ČHMÚ provozuje dva radary, na Praze v Brdech a na Skalkách u Boskovic.

Dopplerovský radar měří i radiální rychlost částic z fázového posunu mezi pulzy. Jednoznačně změří jen rychlosti do \(v_{\max} = \lambda\,\mathrm{PRF}/4\) a vzdálenosti do \(r_{\max} = c/(2\,\mathrm{PRF})\), kde PRF je opakovací frekvence pulzů. Zvýšení PRF zlepší rychlosti, ale zkrátí dosah – tzv. dopplerovské dilema, které se řeší střídáním dvou frekvencí. Rotace mezocyklóny se projeví jako dvojice sousedních oblastí s pohybem k radaru a od radaru.Doppler radar, radial velocity, Nyquist velocity

8.5Procvičení

1
Radar ukazuje 40 dBZ. Jaká je intenzita deště podle Marshallova–Palmerova vztahu?
\(Z = 10^{4} = 10\,000\); \(R = (10\,000/200)^{1/1{,}6} = 50^{0{,}625} = 11{,}5\) mm/h – silný déšť.
2
Jak se změní intenzita deště, když odrazivost vzroste o 10 dBZ?
\(Z\) vzroste desetkrát, \(R\) vzroste \(10^{1/1{,}6} = 10^{0{,}625} = 4{,}22\)krát. Například z 2,7 mm/h při 30 dBZ na 11,5 mm/h při 40 dBZ.
3
V jaké výšce je osa paprsku při elevaci 0,5° ve vzdálenosti 100 km?
\(kR = 4/3\cdot 6\,371 = 8\,494{,}7\) km; \(h = \sqrt{100^2 + 8\,494{,}7^2 + 2\cdot 100\cdot 8\,494{,}7\cdot\sin 0{,}5^\circ} - 8\,494{,}7 = 1{,}46\) km.
4
Dopplerovský radar s vlnovou délkou 5,3 cm pracuje s opakovací frekvencí 1 000 Hz. Jakou nejvyšší rychlost a vzdálenost změří jednoznačně?
\(v_{\max} = 0{,}053\cdot 1\,000/4 = 13{,}25\) m/s; \(r_{\max} = 3\cdot 10^{8}/(2\cdot 1\,000) = 150\,000\) m = 150 km. Rychlejší pohyb se „přeloží“ (aliasing) a musí se opravit algoritmem.
5
Proč na infračerveném snímku z družice vypadají vrcholky bouřek jasně bílé a mlha v nížině téměř neviditelná?
Infračervený kanál měří teplotu vyzařujícího povrchu; v běžné barevné stupnici je chladné bílé. Vrcholky bouřek u tropopauzy mají −50 °C i méně, jsou tedy jasně bílé. Mlha má skoro stejnou teplotu jako zem pod ní, proto v IR splývá; ve viditelném kanálu ve dne je naopak dobře vidět.
Co si odnést
  • Přízemní měření jsou standardizovaná: teplota ve 2 m ve stínu, vítr v 10 m, synoptické termíny v UTC.
  • Radiosondy dávají svislý profil, družice globální pokrytí, radar srážky po minutách.
  • Radar měří odrazivost (dBZ) a dopplerovskou rychlost; se vzdáleností jeho paprsek stoupá a přízemní srážky přehlíží.
Část IIIVysoká škola
9

Synoptická mapa a analýzavysoká škola

Synoptická mapa je okamžitý snímek atmosféry nad velkým územím: tisíce měření ze stejného okamžiku zakreslené do map, z nichž meteorolog vyčte tlakové útvary, fronty a proudění. Přízemní mapa ukazuje počasí u země, výškové mapy proudění, které ho řídí. Vztahy mezi nimi – termický vítr, vorticita, divergence – vysvětlují, proč se níže prohlubují a kam putují.

🗺️

Izobary na mapě jsou jako vrstevnice na turistické mapě: kde jsou husté, je terén strmý. Jen tady „kopce“ a „údolí“ tlaku zároveň putují a vzduch nestéká přímo dolů, ale obtéká je – kvůli rotaci Země proudí podél vrstevnic.

Kreslíme izobary
Na mapě 2 000 × 1 200 km je tlaková níže a výše. Izobary jsou po 4 hPa, šipky ukazují geostrofický vítr (délka podle rychlosti). Oranžový bod je stanice. Měňte tlak ve středech a polohu níže a sledujte vítr na stanici.
LABORATOŘ
Model: tlak = 1 013 hPa + dvě gaussovské „čepice“ s poloměrem 650 km (níže) a 750 km (výše); geostrofický vítr pro 50° s. š. a hustotu 1,2 kg/m³ z numerických derivací. Bez tření a zakřivení, takže u středu níže vítr nadhodnocuje.
149 132−12 ↘ • teplota 14 °C(vlevo nahoře) vítr od JZ 25 uzlůdvě celá a půl pírka tlak 1 013,2 hPa(kód 132) tendence −1,2 hPaza 3 h, klesá rosný bod 9 °C oblačnost 4/8
Obr. 9.1 Staniční model (zjednodušeno). Vítr se kreslí jako „ocásek“ ve směru, odkud vane; celé pírko je 10 uzlů, půl pírka 5 uzlů, praporek 50 uzlů (1 uzel = 0,514 m/s). Tlak se zapisuje třemi číslicemi bez úvodní 9 nebo 10 a bez desetinné čárky. Tečka vlevo je symbol slabého deště.
Minihra: přečtěte tlak ze staniční mapy
Kód tlaku má tři číslice: desítky, jednotky a desetiny hPa. Začíná-li 5 až 9, doplňte vpředu 9, jinak 10. Zařaďte každý kód.
MINIHRA
0 / 8
+Teorie: přízemní a výškové mapy, hypsometrická rovnice, termický vítr, vorticita a vývoj níží

9.1Přízemní synoptická mapa

Do přízemní mapy se vynášejí staniční modely ze synoptického termínu, tlak redukovaný na hladinu moře se analyzuje izobarami (podle zvyklosti služby po 4 nebo 5 hPa), vyznačí se středy níží a výší a fronty. Analýza je interpretace: fronta se hledá podle skoků teploty a rosného bodu, stáčení větru, tlakové tendence a pásu oblačnosti a srážek z družic a radarů.surface analysis, isobar

9.2Výškové mapy a hypsometrická rovnice

Ve výšce se nekreslí tlak v dané výšce, ale výška dané tlakové hladiny – mapy absolutní topografie 850 hPa (asi 1,5 km), 500 hPa (asi 5,5 km), 300 hPa (asi 9 km). Výška se udává v geopotenciálních dekametrech, čáry stejné výšky jsou izohypsy. Geostrofický vítr vane podél izohyps, tím rychleji, čím jsou hustší; nízké výšky odpovídají brázdám a nížím ve výšce.constant-pressure chart, geopotential height, contour

Vzdálenost dvou tlakových hladin – relativní topografie čili tloušťka vrstvy – závisí jen na střední teplotě vrstvy. Plyne to z hydrostatické a stavové rovnice:thickness, hypsometric equation

Hypsometrická rovnice\[\Delta z = z_2 - z_1 = \frac{R_d\,\bar T_v}{g}\,\ln\frac{p_1}{p_2}\]
Příklad Tloušťka vrstvy 1 000–500 hPa

Při střední teplotě vrstvy 0 °C: \(\Delta z = 287{,}05\cdot 273{,}15/9{,}806\,65\cdot\ln 2 = 5\,542\) m, tedy 554 dam. Při −10 °C 5 339 m (534 dam), při −20 °C 5 136 m (514 dam). Teplý vzduch má tlakové hladiny „roztažené“ – proto jsou ve výšce nad teplým vzduchem hřebeny a nad studeným brázdy.

9.3Termický vítr

Rozdíl geostrofického větru mezi dvěma hladinami se nazývá termický vítr. Vane podél izoterm (izočar tloušťky) a studený vzduch má na severní polokouli po levé ruce. Protože je v mírných šířkách na severu chladněji, západní vítr s výškou sílí až k tryskovému proudění pod tropopauzou.thermal wind

Termický vítr (vrstva mezi \(p_0\) a \(p_1\))\[\vec v_T = \vec v_g(p_1) - \vec v_g(p_0) = \frac{R_d}{f}\,\ln\frac{p_0}{p_1}\;\vec k\times\nabla\bar T\]
Příklad O kolik zesílí vítr mezi 1 000 a 500 hPa

Střední teplota vrstvy klesá k severu o 10 K na 1 000 km, šířka 50°: \(v_T = 287{,}05/(1{,}117\cdot 10^{-4})\cdot 10^{-5}\cdot\ln 2 = 17{,}8\) m/s. Západní vítr bude v 500 hPa o 17,8 m/s silnější než u země.

Pokud se vítr s výškou stáčí doprava (ve směru hodinových ručiček), proudí do oblasti teplý vzduch – teplá advekce; stáčení doleva značí studenou advekci. Z jediné radiosondy tak lze poznat, jaký vzduch přichází.warm and cold advection, veering and backing

9.4Vorticita a Rossbyho vlny

Relativní vorticita \(\zeta = \partial v/\partial x - \partial u/\partial y\) měří rotaci proudění (kladná = cyklonální na severní polokouli). Absolutní vorticita přičítá rotaci Země, \(\eta = \zeta + f\). V jednoduchém (barotropním, nedivergentním) proudění se absolutní vorticita částice zachovává: když vzduch putuje k severu, roste \(f\), a proto musí klesnout \(\zeta\) – proudění se stočí zpět k jihu. Vznikají Rossbyho vlny, které na západním proudění postupují pomaleji než vítr, nebo stojí:relative vorticity, absolute vorticity, Rossby wave

Rychlost Rossbyho vlny a stacionární vlnová délka\[c = U - \frac{\beta\,\lambda^{2}}{4\pi^{2}},\qquad \lambda_s = 2\pi\sqrt{\frac{U}{\beta}},\qquad \beta = \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{2\Omega\cos\varphi}{a}\]
Příklad Vlny v západním proudění na 50° s. š.

\(\beta = 2\cdot 7{,}292\cdot 10^{-5}\cdot\cos 50^\circ/6{,}371\cdot 10^{6} = 1{,}47\cdot 10^{-11}\) m⁻¹s⁻¹. Při \(U = 15\) m/s je stacionární vlnová délka \(2\pi\sqrt{15/1{,}47\cdot 10^{-11}} = 6\,344\) km. Vlna dlouhá 4 000 km postupuje rychlostí \(15 - 1{,}47\cdot 10^{-11}\cdot(4\cdot 10^{6})^2/(4\pi^2) = 9{,}0\) m/s.

9.5Proč se níže prohlubují

brázda (500 hPa)hřeben divergence ve výšce N přízemní níže konvergence, sestup, přízemní výše proudění
Obr. 9.2 Přízemní níže se prohlubuje pod oblastí divergence ve výšce, tedy před (východně od) výškovou brázdou. Odčerpávání vzduchu ve výšce je silnější než přítok u země, tlak ve středu klesá.

Tlak u země klesne, když z celého sloupce odtéká víc vzduchu, než přitéká. Přízemní níže proto zesiluje tam, kde je ve výšce divergence, tedy před výškovou brázdou, kde proudění přechází z cyklonálního na anticyklonální zakřivení. Kvazigeostrofická teorie to formalizuje rovnicí pro vertikální pohyb (omega rovnicí): výstup vzduchu podporuje advekce cyklonální vorticity rostoucí s výškou a teplá advekce. Energii dodává baroklinní instabilita: ve frontální zóně se studený vzduch podsouvá pod teplý a dostupná potenciální energie se mění v kinetickou energii vírů o rozměru 2 000 až 4 000 km.upper-level divergence, quasi-geostrophic theory, baroclinic instability

Ve skutečnosti

Silné níže, které se prohloubí o víc než 24 hPa za 24 hodin (přepočteno na 60° šířky), se nazývají „explozivní cyklogeneze“ nebo meteorologické bomby. Nad Atlantikem se vyskytují hlavně v zimě, kdy je teplotní kontrast největší, a přinášejí do Evropy vichřice.

9.6Procvičení

1
Staniční model ukazuje kód tlaku 982 a 045. Jaké jsou tlaky?
982 začíná 9, doplníme 9: 998,2 hPa. 045 začíná 0, doplníme 10: 1 004,5 hPa.
2
Větrný ocásek má jeden praporek a dvě celá pírka. Jaká je rychlost v m/s?
\(50 + 2\cdot 10 = 70\) uzlů; \(70\cdot 0{,}514 = 36{,}0\) m/s.
3
Tloušťka vrstvy 1 000–500 hPa je 534 dam. Jaká je střední teplota vrstvy?
\(\bar T = g\,\Delta z/(R_d\ln 2) = 9{,}806\,65\cdot 5\,340/(287{,}05\cdot 0{,}693\,1) = 263{,}2\) K, tedy asi −10,0 °C.
4
Jaká je stacionární vlnová délka Rossbyho vln na 50° s. š. při západním proudění 10 m/s a 20 m/s?
\(\lambda_s = 2\pi\sqrt{U/\beta}\): pro 10 m/s 5 180 km, pro 20 m/s 7 325 km. Silnější proudění „unese“ delší stojící vlny.
5
Radiosonda ukazuje u země vítr od jihu, v 3 km od jihozápadu a v 5 km od západu. Jaká advekce probíhá?
Vítr se s výškou stáčí ve směru hodinových ručiček (z jihu přes jihozápad na západ). Na severní polokouli to znamená teplou advekci – přichází teplejší vzduch, typicky před teplou frontou.
Co si odnést
  • Přízemní mapa: izobary, fronty, staniční modely; výškové mapy: výšky tlakových hladin (izohypsy), podél nichž vane geostrofický vítr.
  • Tloušťka vrstvy měří její střední teplotu; termický vítr vysvětluje, proč západní vítr s výškou sílí.
  • Níže se prohlubují pod výškovou divergencí před brázdou; zdrojem energie je baroklinní instabilita.
Část IIIVysoká škola
10

Numerická předpověď počasívysoká škola

Předpověď počasí je dnes výpočet: atmosféra se rozdělí na stovky milionů buněk, do nich se vloží co nejlepší odhad současného stavu z měření a fyzikální rovnice se krok za krokem integrují do budoucnosti. Kvalita výsledku závisí na třech věcech – na počátečním stavu (asimilace dat), na numerice (mřížka, časový krok) a na tom, jak model popíše děje menší než jeho buňka (parametrizace).

🧮

Lewis Fry Richardson za první světové války počítal ručně šestihodinovou předpověď tlaku pro dva body nad Německem. Trvalo mu to týdny a výsledek – vzestup tlaku o 145 hPa za 6 hodin – byl nesmyslný. Metoda byla správná; chyba byla v nevyrovnaných počátečních datech. Snil o „továrně na počasí“ s 64 000 počtáři. Dnes ji nahrazuje superpočítač.

Advekce na mřížce a podmínka CFL
Vlna (například teplý vzduch) se přenáší větrem doprava a po obvodu oblasti se vrací. Čárkovaně je přesné řešení, oranžově řešení na mřížce. Měňte Courantovo číslo (o kolik buněk se vlna posune za jeden časový krok) a numerické schéma.
LABORATOŘ
Model: jednorozměrná lineární advekce \(\partial q/\partial t + u\,\partial q/\partial x = 0\) na periodické mřížce o 100 bodech s počáteční gaussovskou vlnou. Upwind je prvního řádu (stabilní pro \(C \le 1\), tlumí), Lax–Wendroff druhého řádu (stabilní pro \(C \le 1\), zvlňuje), centrované schéma s dopředným časem je nestabilní pro každé \(C\). Amplituda se v laboratoři omezuje, aby graf zůstal čitelný.
záření (krátkovlnné a dlouhovlnné) konvekce a oblaka menší než buňka turbulence v mezní vrstvě mikrofyzika srážek povrch: půda, sníh, vegetace, moře Δx (např. 9 km)
Obr. 10.1 Model dělí atmosféru na sloupce a vrstvy (globální model ECMWF má 137 vrstev). Rovnice pohybu se řeší pro průměry v buňkách; děje menší než buňka – oblaka, konvekce, turbulence, záření – se popisují zjednodušenými vztahy, parametrizacemi.
+Teorie: historie, primitivní rovnice, diskretizace a CFL, parametrizace a asimilace dat

10.1Od Bjerknese k superpočítačům

Vilhelm Bjerknes v roce 1904 formuloval předpověď počasí jako úlohu matematické fyziky: znát stav atmosféry a zákony jeho změny. Lewis Fry Richardson ji v knize Weather Prediction by Numerical Process (1922) poprvé zkusil vyřešit ručním výpočtem; jeho výsledek zkazily nevyvážené počáteční údaje, které vybudily rychlé gravitační vlny. První úspěšnou počítačovou předpověď spočítali v roce 1950 na počítači ENIAC Jule Charney, Ragnar Fjørtoft a John von Neumann s jednoduchou barotropní rovnicí vorticity. Od té doby se úspěšnost předpovědí zlepšuje zhruba o jeden den za desetiletí: dnešní předpověď na pět dní je asi tak dobrá jako předpověď na jeden den v 80. letech.numerical weather prediction (NWP)

10.2Primitivní rovnice

Globální modely řeší soustavu primitivních rovnic – zákonů zachování hybnosti, hmoty, energie a vody pro rotující Zemi:primitive equations

Pohybová rovnice (vodorovně), hydrostatika, rovnice kontinuity\[\frac{\mathrm{D}\vec v}{\mathrm{D}t} = -\frac{1}{\rho}\nabla p - f\,\vec k\times\vec v + \vec F,\qquad \frac{\partial p}{\partial z} = -\rho g,\qquad \frac{\partial\rho}{\partial t} + \nabla\cdot(\rho\vec u) = 0\]
Termodynamická rovnice, rovnice pro vlhkost a stavová rovnice\[c_p\frac{\mathrm{D}T}{\mathrm{D}t} - \frac{1}{\rho}\frac{\mathrm{D}p}{\mathrm{D}t} = Q,\qquad \frac{\mathrm{D}q}{\mathrm{D}t} = S_q,\qquad p = \rho R_d T_v\]

\(\mathrm{D}/\mathrm{D}t = \partial/\partial t + \vec u\cdot\nabla\) je derivace podél pohybu částice, \(\vec F\) tření, \(Q\) ohřev (záření, kondenzace), \(S_q\) zdroje a propady vlhkosti. Nelineární člen \(\vec u\cdot\nabla\) – vzduch přenáší sám sebe – je zdrojem chaosu (kapitola 11). Modely s jemnou mřížkou (asi pod 5 km) opouštějí hydrostatické přiblížení a řeší plnou rovnici pro svislý pohyb, aby popsaly konvekci.

10.3Mřížka, časový krok a podmínka CFL

Rovnice se řeší na mřížce s krokem \(\Delta x\) a časovým krokem \(\Delta t\) (nebo spektrálně, rozkladem do kulových funkcí). Explicitní schéma je stabilní jen tehdy, když za jeden krok informace neuteče dál než o jednu buňku – podmínka Courantova–Friedrichsova–Lewyho (CFL):Courant–Friedrichs–Lewy condition

Podmínka CFL\[C = \frac{c\,\Delta t}{\Delta x} \le 1\]
Příklad Kolik bodů a jak krátký krok

Globální mřížka 9 km: povrch Země \(4\pi\cdot 6\,371^2 = 5{,}10\cdot 10^{8}\) km², sloupců \(5{,}10\cdot 10^{8}/81 = 6{,}3\) milionu, se 137 vrstvami \(8{,}6\cdot 10^{8}\) bodů. Pro zvukové a rychlé gravitační vlny (\(c \approx 300\) m/s) by explicitní schéma potřebovalo \(\Delta t \le 9\,000/300 = 30\) s. Semi-implicitní semi-lagrangeovská schémata, která tyto vlny zpomalí a počítají po trajektoriích, dovolí krok několikanásobně delší.

Laboratoř ukazuje i numerickou difuzi a disperzi. Upwind schéma se chová, jako by k rovnici přidalo difuzi s koeficientem \(K = u\,\Delta x\,(1-C)/2\) – vlna se rozmazává. Schéma druhého řádu ji nerozmazává tolik, ale za vlnou nechává falešné zvlnění. Žádné schéma není dokonalé; volba je kompromis přesnosti, stability a ceny.numerical diffusion, dispersion

10.4Parametrizace a druhy modelů

Děje menší než buňka model nevidí, ale jejich souhrnný účinek je zásadní: konvekce přenáší teplo a vlhkost vzhůru, oblaka mění záření, turbulence míchá mezní vrstvu. Parametrizace je vyjadřují pomocí veličin na mřížce. Jsou největším zdrojem chyb modelů, zvlášť u konvekce.parameterization

  • Globální modely počítají celou Zemi s krokem kolem 9 až 25 km na 10 až 15 dní dopředu. Evropské centrum pro střednědobé předpovědi počasí (ECMWF) od června 2023 počítá deterministickou i ensemblovou předpověď s krokem asi 9 km a 137 vrstvami.global model
  • Regionální modely počítají menší území s krokem 1 až 3 km, na hranicích dostávají data z globálního modelu. Při takovém rozlišení už bouřky přímo modelují (convection-permitting). ČHMÚ provozuje regionální model ALADIN, vyvíjený v mezinárodním konsorciu.limited-area model
  • Modely založené na strojovém učení se učí z desítek let analýz a předpověď spočítají za zlomek času. Od roku 2025 je provozuje i ECMWF vedle fyzikálního modelu; zatím je fyzikální modely a asimilace dat stále potřebují jako zdroj počátečních podmínek a pro ověření.

10.5Asimilace dat

Měření jsou nerovnoměrná a zatížená chybami. Asimilace dat kombinuje první odhad (krátkodobou předpověď z minulého běhu, \(x_b\)) s měřeními \(y\) tak, aby výsledná analýza \(x_a\) měla co nejmenší chybu. V jednom bodě s jedním měřením a nezávislými chybami s rozptyly \(\sigma_b^2\) a \(\sigma_o^2\):data assimilation, background, analysis

Optimální interpolace v jednom bodě\[x_a = x_b + w\,(y - x_b),\qquad w = \frac{\sigma_b^{2}}{\sigma_b^{2} + \sigma_o^{2}},\qquad \sigma_a^{2} = (1-w)\,\sigma_b^{2}\]
Příklad Model říká 10 °C, teploměr 12 °C

\(\sigma_b = 2\) °C, \(\sigma_o = 1\) °C: \(w = 4/(4+1) = 0{,}8\), \(x_a = 10 + 0{,}8\cdot 2 = 11{,}6\) °C, \(\sigma_a = \sqrt{0{,}2\cdot 4} = 0{,}89\) °C. Analýza je přesnější než první odhad i než samotné měření.

měřenístanice, sondy, družice analýzanejlepší odhad stavu předpověďna dny dopředu krátká předpověď = první odhad pro další analýzu (6–12 h)
Obr. 10.2 Cyklus asimilace dat. Model běží neustále: každá krátkodobá předpověď slouží jako první odhad, který měření opraví. Varianta 4D-Var hledá počáteční stav, z něhož model nejlépe vystihne všechna měření v časovém okně.

10.6Procvičení

1
Regionální model má krok 2,3 km a nejrychlejší vítr ve výšce 50 m/s. Jaký nejdelší časový krok dovolí podmínka CFL pro advekci?
\(\Delta t \le \Delta x/u = 2\,300/50 = 46\) s.
2
První odhad tlaku je 1 012 hPa (\(\sigma_b = 1\) hPa), barometr ukazuje 1 015 hPa (\(\sigma_o = 1\) hPa). Jaká je analýza a její chyba?
\(w = 1/(1+1) = 0{,}5\); \(x_a = 1\,012 + 0{,}5\cdot 3 = 1\,013{,}5\) hPa; \(\sigma_a = \sqrt{0{,}5\cdot 1} = 0{,}71\) hPa.
3
Jaký koeficient numerické difuze vnáší upwind schéma při \(u = 10\) m/s, \(\Delta x = 9\) km a \(C = 0{,}5\)?
\(K = u\,\Delta x\,(1-C)/2 = 10\cdot 9\,000\cdot 0{,}5/2 = 22\,500\) m²/s. To je mnohem víc než skutečná vodorovná turbulentní difuze v této škále; proto se upwind prvního řádu v moderních modelech používá jen omezeně.
4
Kolikrát víc výpočtů vyžaduje zjemnění vodorovné mřížky z 18 na 9 km při stejném počtu vrstev?
Počet sloupců vzroste \(2^2 = 4\)krát a kvůli podmínce CFL se musí zkrátit i časový krok zhruba na polovinu. Celkem asi \(4\cdot 2 = 8\)krát víc výpočtů.
5
Proč globální model s krokem 9 km potřebuje parametrizaci konvekce, ale model s krokem 1 km ji (z větší části) nepotřebuje?
Bouřkové výstupné proudy mají šířku řádově 1 až 10 km. V buňce 9 km je jedna bouřka menší než buňka, model ji nevidí a její účinek musí odhadnout parametrizací. Při kroku 1 km je bouřka popsána několika body, model ji řeší přímo z rovnic (i když drobné turbulentní víry stále parametrizuje).
Co si odnést
  • Model integruje primitivní rovnice na mřížce; časový krok omezuje podmínka CFL.
  • Děje menší než buňka se parametrizují – zdroj velké části chyb, zvlášť u bouřek.
  • Asimilace dat kombinuje první odhad s měřeními podle jejich přesnosti; dobrý počáteční stav je polovina předpovědi.
Část IIIVysoká škola
11

Chaos a ensemblová předpověďvysoká škola

Atmosféra je deterministický, ale chaotický systém: nepatrná nepřesnost v počátečním stavu roste, až po čase předpověď ztratí cenu. Edward Lorenz to objevil v roce 1963 na modelu se třemi rovnicemi. Meteorologie na to odpověděla ensembly: místo jedné předpovědi spočítá desítky mírně odlišných a z jejich rozptylu určí, jak moc lze předpovědi věřit a s jakou pravděpodobností nastane déšť, vichřice nebo mráz.

🦋

Lorenz jednou chtěl zopakovat výpočet a opsal počáteční čísla z výpisu, zaokrouhlená na tři desetinná místa místo šesti. Nová „předpověď“ se zpočátku shodovala, pak se začala odchylovat a nakonec neměla s původní nic společného. Rozdíl menší než jedna tisícina stačil. Později se zeptal, zda mávnutí motýlích křídel v Brazílii může spustit tornádo v Texasu.

Lorenzův atraktor
Dvě řešení Lorenzových rovnic startují z bodů, které se liší jen o zvolenou maličkost. Sledujte, kdy se rozejdou. V zobrazení atraktoru uvidíte „motýlí křídla“, mezi nimiž stav přeskakuje.
LABORATOŘ
Model: Lorenzovy rovnice s \(\sigma = 10\), \(\beta = 8/3\) a volitelným \(\rho\) (Lorenz použil 28), integrace Rungeovou–Kuttovou metodou 4. řádu s krokem 0,01 do času 40 (bezrozměrný čas modelu). Počáteční stav (1; 1; 20), druhé řešení posunuté v \(x\). Pro \(\rho < 24{,}74\) se řešení po čase ustálí v jednom z bodů rovnováhy a chaos zmizí.
Ensemblová předpověď v malém
„Skutečnost“ (černě) je jedno řešení Lorenzova modelu. Ensemble (modře) startuje z odhadů, které se od ní liší náhodnou chybou dané velikosti; oranžově průměr ensemblu. Na zvolené době předpovědi dlaždice ukazují rozptyl a pravděpodobnost jevu \(x > 0\) („pravé křídlo“, třeba „bude pršet“).
LABORATOŘ
Model: Lorenzův systém (\(\rho = 28\)) jako „atmosféra“ i jako „model“ (dokonalý model, chyba jen v počátečních podmínkách). Poruchy normálně rozdělené ve všech třech složkách, deterministický seed, který mění tlačítko. Skutečné ensembly navíc perturbují model (stochastická fyzika) a pracují s miliony proměnných.
+Teorie: Lorenzův model, Ljapunovův exponent, mez předpověditelnosti, ensembly a pravděpodobnost

11.1Lorenzův model

Edward Lorenz (MIT) zjednodušil rovnice konvekce ve vrstvě kapaliny ohřívané zespodu na tři obyčejné diferenciální rovnice a publikoval je v článku Deterministic Nonperiodic Flow (Journal of the Atmospheric Sciences, 1963). \(x\) odpovídá intenzitě konvekčního proudění, \(y\) a \(z\) teplotním rozdílům:Lorenz system

Lorenzovy rovnice\[\dot x = \sigma\,(y - x),\qquad \dot y = x\,(\rho - z) - y,\qquad \dot z = x\,y - \beta\,z\]

Pro \(\rho > 1\) má systém kromě počátku dva body rovnováhy \(C_\pm = \big(\pm\sqrt{\beta(\rho-1)},\ \pm\sqrt{\beta(\rho-1)},\ \rho-1\big)\), kolem nichž se točí „křídla“. Pro \(\sigma = 10\), \(\beta = 8/3\) jsou nestabilní od \(\rho \approx 24{,}74\) a řešení pak neperiodicky přeskakuje mezi křídly po podivném atraktoru s fraktální strukturou. Systém je plně deterministický – žádná náhoda – a přesto se dlouhodobě nedá předpovědět.strange attractor, deterministic chaos

doba předpovědichyba (logaritmicky) nasycení: chyba jako mezi dvěma náhodnými dny exponenciální růstzdvojení za stálou dobu mez předpověditelnosti menší počáteční chyba
Obr. 11.1 Typický růst chyby v chaotickém systému. Přesnější počáteční stav (zeleně) posune mez předpověditelnosti jen o několik dob zdvojení – desetkrát menší chyba přidá asi 3,3 doby zdvojení, ne desetkrát delší předpověď.

11.2Ljapunovův exponent a doba zdvojení

Malá odchylka \(\delta\) roste v průměru exponenciálně, \(\delta(t) \approx \delta_0\,e^{\lambda t}\), kde \(\lambda\) je největší Ljapunovův exponent. Pro Lorenzův systém se standardními parametry je \(\lambda \approx 0{,}91\) (numerický výpočet). Doba zdvojení chyby je \(\ln 2/\lambda\).Lyapunov exponent, error doubling time

Mez předpověditelnosti\[T \approx \frac{1}{\lambda}\,\ln\frac{\delta_{\max}}{\delta_0}\]
Příklad Kolik získáme lepším měřením

Při \(\lambda = 0{,}906\) je doba zdvojení \(\ln 2/0{,}906 = 0{,}77\) časové jednotky. Počáteční chyba \(10^{-6}\) dosáhne velikosti 10 (rozměr křídla) za \(\ln(10^{7})/0{,}906 = 17{,}8\) jednotky. Zmenšíme-li chybu tisíckrát, získáme jen \(\ln 1\,000/0{,}906 = 7{,}6\) jednotky.

11.3Mez předpověditelnosti počasí

V atmosféře rostou nejrychleji chyby v malých měřítkách (konvekce, hodiny), pak se přelévají do větších (Lorenz 1969). Proto je předpověď jednotlivé bouřky omezená na hodiny, kdežto polohu tlakové níže lze předpovědět na mnoho dní. Pro synoptická měřítka se teoretická mez předpověditelnosti odhaduje zhruba na dva týdny; skutečná užitečnost předpovědí je kratší a liší se podle situace – někdy je atmosféra „klidná“ a předvídatelná, jindy citlivá.predictability limit

Pozor

„Předpověď na měsíc“ nemůže říct, zda bude 17. den pršet. Dlouhodobé předpovědi udávají jen pravděpodobnost, že bude měsíc teplejší nebo sušší než obvykle; jejich zdrojem jsou pomalé složky systému (teplota oceánu, půdní vlhkost, sněhová pokrývka), ne počasí samotné.

11.4Ensemblová předpověď

Ensemble je soubor předpovědí z mírně odlišných počátečních stavů (a variant modelu). Poruchy se nevolí náhodně, ale tak, aby pokryly nejistotu analýzy a nejrychleji rostoucí chyby (singulární vektory, ensemble asimilace dat). Střednědobý ensemble ECMWF má 51 členů: kontrolní běh a 50 perturbovaných, od roku 2023 s krokem asi 9 km.ensemble prediction system, control run, perturbed members

dny předpovědi 0 až 10 rozptyl malý: předpověď spolehlivávelký rozptyl: nejistota průměr ensemblu
Obr. 11.2 Ensemblový „trychtýř“ (například teplota v Praze). Na začátku jsou členové blízko sebe, s časem se rozbíhají. Rozptyl ukazuje nejistotu konkrétní situace; podíl členů s jevem dává jeho pravděpodobnost.
  • Průměr ensemblu bývá v průměru přesnější než jednotlivá předpověď, protože odfiltruje nepředvídatelné detaily; sám ale není možným stavem atmosféry (vyhlazuje extrémy).ensemble mean
  • Rozptyl (spread) má odpovídat chybě: v dobře kalibrovaném ensemblu je průměrná chyba průměru zhruba rovna rozptylu.spread–skill relationship
  • Pravděpodobnost jevu = podíl členů, v nichž jev nastal. „Pravděpodobnost srážek 30 %“ znamená, že v podobných situacích prší zhruba ve třech případech z deseti.

11.5Procvičení

1
Najděte body rovnováhy Lorenzova systému pro \(\rho = 28\), \(\beta = 8/3\).
\(\dot x = 0 \Rightarrow x = y\); \(\dot z = 0 \Rightarrow z = x^2/\beta\); \(\dot y = 0 \Rightarrow x(\rho - 1 - z) = 0\). Kromě počátku \(z = \rho - 1 = 27\), \(x = y = \pm\sqrt{\beta\cdot 27} = \pm\sqrt{72} = \pm 8{,}49\).
2
Z 50 členů ensemblu ukazuje 12 v Brně zítra víc než 10 mm srážek. Jaká je pravděpodobnost?
\(12/50 = 0{,}24\), tedy 24 %. Ensemble s 50 členy rozliší pravděpodobnosti po 2 %; u vzácných jevů je tato „zrnitost“ i výběrová chyba podstatná.
3
Chyba počátečního stavu Lorenzova systému je \(10^{-3}\) a za neužitečnou považujeme předpověď s chybou 1. Jak dlouho je předpověď užitečná při \(\lambda = 0{,}906\)?
\(T = \ln(1/10^{-3})/0{,}906 = 6{,}91/0{,}906 = 7{,}6\) časové jednotky, tedy asi deset dob zdvojení (0,77).
4
V atmosféře se doba zdvojení chyb synoptických útvarů odhaduje řádově na 1,5 až 2 dny. O kolik prodlouží předpověď zmenšení počáteční chyby na polovinu?
Polovina chyby = o jedno zdvojení méně. Předpověď se prodlouží jen o jednu dobu zdvojení, tedy řádově o 1,5 až 2 dny – a to jen v ideálním případě, kdy chyby rostou přesně exponenciálně a model je dokonalý.
5
Proč není dobrý nápad kreslit do předpovědi průměr ensemblu u srážek z bouřek?
Jednotliví členové umísťují bouřky na různá místa. Průměr je rozmaže do velké plochy se slabými srážkami, které ve skutečnosti nikde nenastanou: podcení maxima a nadhodnotí plochu se srážkami. Pro takové jevy jsou užitečnější pravděpodobnosti překročení prahu (například 20 mm/h) nebo jednotlivé scénáře.
Co si odnést
  • Deterministický chaos: malé chyby rostou exponenciálně, mez předpověditelnosti je logaritmicky citlivá na přesnost měření.
  • Malé děje (bouřky) jsou předvídatelné na hodiny, velké (níže) na dny; teoretická mez pro synoptická měřítka asi dva týdny.
  • Ensembly převádějí nejistotu na pravděpodobnost; rozptyl ukazuje, jak moc věřit konkrétní předpovědi.
Část IIIVysoká škola
12

Klima, výstrahy a rozhodovánívysoká škola

Počasí je to, co se děje dnes, klima je jeho statistika za desítky let. Mezi nimi stojí otázky praxe: jak dobré předpovědi jsou, jak se ověřují a kdy se vyplatí podle nich jednat. Výstrahy Českého hydrometeorologického ústavu převádějí předpověď nebezpečných jevů do tří stupňů. Model nákladů a ztrát ukazuje, proč se má podle pravděpodobnostní předpovědi rozhodovat každý jinak.

☂️

Klima je to, co čekáte, počasí to, co dostanete. Podle klimatu si koupíte zimní bundu, podle počasí si ji ráno vezmete. A jestli si při 30% pravděpodobnosti deště vezmete deštník, záleží na tom, co vás stojí nošení deštníku a co promoknutí.

Vyplatí se chránit?
Pořadatel venkovní akce může za cenu \(C\) postavit stany. Pokud nepostaví a přijde bouřka, ztratí \(L\). Předpověď dává pravděpodobnost bouřky \(p\). Graf ukazuje očekávané náklady obou rozhodnutí podle pravděpodobnosti.
LABORATOŘ
Model: jednoduchý model nákladů a ztrát (cost–loss): ochrana vždy zabrání celé ztrátě, předpověď je spolehlivá (při p = 30 % jev opravdu nastává ve 30 % případů), rozhodovatel minimalizuje očekávané náklady a nemá averzi k riziku. Částky jsou modelové.
ledenčervenecprosinec počasí: jednotlivé dnyklima: normál a obvyklé rozpětí
Obr. 12.1 Klima a počasí (schéma průběhu denní teploty během roku). Modrá čára je dlouhodobý průměr (normál), pás obvyklé rozpětí; oranžová čára konkrétní rok. Jeden horký týden o klimatu nic neříká; o klimatu vypovídá změna normálu a četnosti extrémů za desetiletí.
Minihra: počasí, nebo klima?
Rozhodněte, zda tvrzení mluví o počasí (stav v určitý okamžik a místo), nebo o klimatu (dlouhodobá statistika).
MINIHRA
0 / 8
+Teorie: klima a normály, doba opakování, ověřování předpovědí, výstrahy ČHMÚ a model nákladů a ztrát

12.1Počasí a klima

Počasí je okamžitý stav atmosféry v určitém místě. Klima je statistický popis počasí – průměry, rozptyl, četnost extrémů – za dlouhé období, podle Světové meteorologické organizace obvykle 30 let. Referenční třicetiletí se nazývá normálové období; aktuálně se používá 1991–2020. Odchylka od normálu je anomálie. Klimatické pásy, skleníkový efekt, zpětné vazby a klimatickou změnu vykládá do hloubky průvodce Zeměpis a planeta Země (kapitola 6); tady jde o to, jak meteorolog s klimatem pracuje.weather, climate, climate normal, anomaly

U extrémů se používá doba opakování \(N\): jev, který v průměru nastane jednou za \(N\) let, má v každém roce pravděpodobnost \(1/N\). Pravděpodobnost, že nastane aspoň jednou za \(n\) let, je \(1 - (1 - 1/N)^{n}\).return period

Příklad Stoletá voda za 30 let

\(1 - 0{,}99^{30} = 0{,}260\): asi 26 %. Za 100 let je to 63,4 %, ne jistota. „Stoletá voda“ neznamená, že další přijde za sto let. A v měnícím se klimatu se doby opakování odhadnuté z minulosti samy mění.

12.2Jak se ověřují předpovědi

Předpověď ano/ne (bude/nebude bouřka) se ověřuje kontingenční tabulkou: zásahy, minutí, plané poplachy a správná „ne“. Z ní se počítá pravděpodobnost detekce POD = zásahy/(zásahy + minutí) a podíl planých poplachů FAR = plané poplachy/(zásahy + plané poplachy). Obě míry jdou proti sobě: kdo varuje častěji, zachytí víc jevů, ale vydá víc planých poplachů.contingency table, probability of detection, false alarm ratio

Pravděpodobnostní předpověď se ověřuje Brierovým skóre (střední kvadratická chyba pravděpodobnosti \(f_i\) proti výsledku \(o_i \in \{0, 1\}\)) a jeho relativním zlepšením proti klimatologii (Brier skill score):Brier score, skill score

Brierovo skóre a skóre dovednosti\[BS = \frac{1}{N}\sum_{i=1}^{N}(f_i - o_i)^{2},\qquad BSS = 1 - \frac{BS}{BS_{\mathrm{klim}}}\]
Příklad Pět dní předpovědí srážek

Předpovědi 0,9; 0,7; 0,2; 0,1; 0,6, pršelo v prvních dvou dnech. \(BS = (0{,}01 + 0{,}09 + 0{,}04 + 0{,}01 + 0{,}36)/5 = 0{,}102\). Klimatologická předpověď 0,4 každý den: \(BS_{\mathrm{klim}} = (0{,}36\cdot 2 + 0{,}16\cdot 3)/5 = 0{,}24\). \(BSS = 1 - 0{,}102/0{,}24 = 0{,}575\).

Dobrá pravděpodobnostní předpověď má být spolehlivá (ze všech dní s předpovědí 30 % prší asi ve 30 %) a ostrá (často blízko 0 nebo 1). Spolehlivost se kontroluje diagramem spolehlivosti.reliability, sharpness

12.3Výstrahy ČHMÚ

V Česku vydává výstrahy Systém integrované výstražné služby (SIVS), který společně zajišťují ČHMÚ a vojenská hydrometeorologická služba. Výstrahy mají tři stupně nebezpečí: nízký (žlutá), vysoký (oranžová) a extrémní (červená); zelená znamená, že výstraha neplatí. Stupeň se určuje z kombinace očekávané intenzity jevu a pravděpodobnosti jeho výskytu. Výstrahy se šíří i ve strojově čitelném formátu CAP, přes média, aplikace a složky IZS.warning system, severity levels

bez výstrahyzelená nízký stupeňžlutá vysoký stupeňoranžová extrémní stupeňčervená roste intenzita, pravděpodobnost a očekávané dopady stupně povodňové aktivity (SPA) vyhlašují povodňové orgány zvlášť
Obr. 12.2 Stupně nebezpečí výstrah ČHMÚ. Od 1. 7. 2026 se podle ČHMÚ kritéria zaměřují na očekávané dopady jevu (například námraza v ranní špičce nebo déšť na nasycenou půdu), tři barevné stupně zůstávají.

ČHMÚ oznámil, že od 1. 7. 2026 přechází na výstražný systém zaměřený na dopady (impact-based warnings) místo převážně klimatologických prahů; sněhové jevy se sloučí do skupiny „Sníh“, námraza se rozdělí na silnice a nadzemní objekty a výstrahy před vedry se rozdělí podle dopadů na zdraví a na infrastrukturu. Aktuální kritéria a výstrahy vždy ověřte přímo na webu ČHMÚ. Od výstrah SIVS je třeba odlišit stupně povodňové aktivity (bdělost, pohotovost, ohrožení), které vyhlašují povodňové orgány podle vodních stavů a které spouštějí opatření obcí.impact-based warning

Pozor

Výstraha neříká „něco se stane přesně u vás“, ale „v tomto území hrozí jev, který může ohrozit zdraví nebo majetek“. Žlutá výstraha před bouřkami znamená být připraven a sledovat radar a vývoj; oranžová a červená vyžaduje řídit se doporučeními úřadů. V ohrožení života volejte 112.

12.4Model nákladů a ztrát

Uživatel může za cenu \(C\) přijmout ochranné opatření; bez něj při výskytu jevu utrpí ztrátu \(L > C\). Při pravděpodobnosti \(p\) jsou očekávané náklady ochrany \(C\) a bez ochrany \(pL\). Chránit se tedy vyplatí, kdyžcost–loss model

Rozhodovací pravidlo modelu nákladů a ztrát\[p\,L > C\quad\Longleftrightarrow\quad p > \frac{C}{L}\]

Každý uživatel má jiný poměr \(C/L\). Silničář, kterého posyp stojí málo proti nehodám, má nízký práh; zemědělec, kterému sklizeň v předstihu sníží kvalitu, vysoký. Proto je pravděpodobnostní předpověď hodnotnější než kategorická „bude/nebude“: každý si práh nastaví sám. Hodnota předpovědi se měří úsporou proti nejlepšímu rozhodnutí podle samotné klimatologie, vztaženou k úspoře, kterou by přinesla dokonalá předpověď.

Příklad Práh 4 %

\(C = 2\,000\) Kč, \(L = 50\,000\) Kč, práh \(C/L = 0{,}04\). Při \(p = 10\) % jsou očekávané náklady bez ochrany \(0{,}1\cdot 50\,000 = 5\,000\) Kč, s ochranou 2 000 Kč – chránit. Při \(p = 2\) % bez ochrany 1 000 Kč – nechránit.

12.5Procvičení

1
Jaká je pravděpodobnost, že padesátiletá povodeň (doba opakování 50 let) nastane během deseti let aspoň jednou?
\(1 - (1 - 1/50)^{10} = 1 - 0{,}98^{10} = 0{,}183\), tedy 18,3 %.
2
Za rok bylo 40 zásahů, 10 minutí, 20 planých poplachů a 930 správných „ne“. Spočítejte POD, FAR a podíl správných předpovědí.
POD = 40/50 = 0,80; FAR = 20/60 = 0,33; podíl správných = (40 + 930)/1 000 = 0,97. Vysoký podíl správných je zavádějící: u vzácných jevů ho zajistí i předpověď „nikdy“ (950/1 000 = 0,95).
3
Spočítejte Brierovo skóre pro předpovědi 0,8; 0,3; 0,1; 0,6, když jev nastal v 1. a 4. případě.
\(BS = (0{,}04 + 0{,}09 + 0{,}01 + 0{,}16)/4 = 0{,}30/4 = 0{,}075\).
4
Ochrana stojí 500 Kč, ztráta je 2 000 Kč, předpověď dává 30 %. Chránit?
Práh \(C/L = 500/2\,000 = 0{,}25\). Protože \(0{,}30 > 0{,}25\), chránit: očekávaná ztráta bez ochrany \(0{,}3\cdot 2\,000 = 600\) Kč je vyšší než 500 Kč.
5
Proč je chybou tvrdit „letos byla studená zima, takže se klima neotepluje“?
Jedna sezóna je počasí, ne klima. Meziroční kolísání je velké (například podle fáze severoatlantické oscilace) a dlouhodobý trend se pozná až ze změny průměru a četnosti extrémů za desítky let. Podobně ani jedno horké léto samo o sobě oteplení nedokazuje; dokládají ho dlouhé řady měření (průvodce Zeměpis, kapitola 6).
Co si odnést
  • Klima je statistika počasí za 30 let (normál 1991–2020); doba opakování N let znamená pravděpodobnost 1/N v každém roce.
  • Předpovědi se ověřují (POD, FAR, Brierovo skóre); výstrahy ČHMÚ mají tři stupně a od 1. 7. 2026 se zaměřují na dopady.
  • Podle pravděpodobnostní předpovědi se vyplatí jednat, když \(p > C/L\) – práh je pro každého jiný.
PřílohaA

Slovníček

PřílohaB

Vzorce na jednom místě

Stav vzduchu a statika (kapitoly 1–3)

Stavová rovnice, hydrostatika, škálová výška\[p = \rho R_d T,\qquad \frac{\mathrm{d}p}{\mathrm{d}z} = -\rho g,\qquad p = p_0 e^{-z/H},\quad H = \frac{R_d T}{g}\]
Tlak v troposféře ISA\[p(z) = 1\,013{,}25\left(1 - \frac{0{,}0065\,z}{288{,}15}\right)^{5{,}256}\ \mathrm{hPa}\]
Magnusův vzorec, relativní vlhkost, směšovací poměr\[e_s = 6{,}1094\,e^{17{,}625\,T/(T+243{,}04)},\qquad f = \frac{e}{e_s(T)},\qquad w = 0{,}622\,\frac{e}{p-e}\]
Rosný bod\[T_d = \frac{243{,}04\,\alpha}{17{,}625-\alpha},\qquad \alpha = \ln\frac{f}{100} + \frac{17{,}625\,T}{T+243{,}04}\]
Suchoadiabatický gradient, potenciální teplota, kondenzační hladina\[\Gamma_d = \frac{g}{c_p} \approx 9{,}8\ \mathrm{K/km},\qquad \theta = T\left(\frac{1\,000}{p}\right)^{0{,}286},\qquad z_{\mathrm{LCL}} \approx 125\,(T - T_d)\ \mathrm m\]

Dynamika (kapitoly 4, 6 a 9)

Coriolisův parametr a geostrofický vítr\[f = 2\Omega\sin\varphi,\qquad v_g = \frac{1}{\rho f}\frac{\partial p}{\partial n},\qquad Ro = \frac{U}{fL}\]
Denní průměr slunečního záření nad atmosférou\[\bar Q = \frac{S_0}{\pi}\left(h_0\sin\varphi\sin\delta + \cos\varphi\cos\delta\sin h_0\right),\qquad \cos h_0 = -\tan\varphi\tan\delta\]
Hypsometrická rovnice a termický vítr\[\Delta z = \frac{R_d\bar T}{g}\ln\frac{p_1}{p_2},\qquad \vec v_T = \frac{R_d}{f}\ln\frac{p_0}{p_1}\,\vec k\times\nabla\bar T\]
Rossbyho vlny\[c = U - \frac{\beta\lambda^2}{4\pi^2},\qquad \beta = \frac{2\Omega\cos\varphi}{a}\]

Bouřky, radar, modely, předpověditelnost (kapitoly 7–12)

Výstupný proud z CAPE, vzdálenost bouřky\[w_{\max} = \sqrt{2\,\mathrm{CAPE}},\qquad d \approx 343\ \mathrm{m/s}\cdot\Delta t\]
Radar: Marshall–Palmer, výška paprsku, Nyquistova rychlost\[Z = 200R^{1{,}6},\qquad h = \sqrt{r^2 + (kR)^2 + 2rkR\sin\theta} - kR,\qquad v_{\max} = \frac{\lambda\,\mathrm{PRF}}{4}\]
Podmínka CFL a optimální interpolace\[\frac{c\,\Delta t}{\Delta x}\le 1,\qquad x_a = x_b + \frac{\sigma_b^2}{\sigma_b^2+\sigma_o^2}(y - x_b)\]
Lorenzovy rovnice a růst chyby\[\dot x = \sigma(y-x),\ \ \dot y = x(\rho - z) - y,\ \ \dot z = xy - \beta z,\qquad \delta(t)\approx\delta_0 e^{\lambda t}\]
Brierovo skóre, doba opakování, model nákladů a ztrát\[BS = \frac1N\sum(f_i-o_i)^2,\qquad P_n = 1-\left(1-\frac1N\right)^n,\qquad \text{chránit, když } p > \frac{C}{L}\]
PřílohaC

Zdroje a předpoklady

Údaje s datem (stav k 13. 10. 2026)

  • Koncentrace CO₂ – NOAA Global Monitoring Laboratory, roční průměry Mauna Loa (co2_annmean_mlo): 2024 424,61 ppm, 2025 427,35 ppm. Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Teplotní maximum Česka 41,9 °C, Doksany, 28. 6. 2026; ČHMÚ označil měření za spolehlivé (zprávy ČTK z 28.–29. 6. 2026). Předchozí rekord 40,4 °C, Dobřichovice, 20. 8. 2012. Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Teplotní minimum −42,2 °C, Litvínovice, 11. 2. 1929 – ČHMÚ, tisková zpráva „Únor 1929 – teplotní rekord“ (2019). Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Denní úhrn 385,6 mm, Loučná nad Desnou-Švýcárna, 14. 9. 2024; předchozí rekord 345,1 mm, Bedřichov-Nová Louka, 29. 7. 1897 – ČHMÚ, tisková zpráva o extrémním denním úhrnu (2024). Úhrn 704,2 mm za 11.–16. 9. 2024, průměr ČR za září 179 mm (298 % normálu 1991–2020) – ČHMÚ, Informace o povodni v září 2024. Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Tornádo 24. 6. 2021 – ESSL a ČHMÚ, zpráva o společném průzkumu škod (2022): IF4, dráha 27,1 km, šířka až asi 2,8 km; počet obětí 6 podle souhrnných zdrojů. Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Výstrahy – Systém integrované výstražné služby (ČHMÚ a vojenská hydrometeorologická služba): tři stupně nebezpečí (nízký, vysoký, extrémní); přechod na systém zaměřený na dopady od 1. 7. 2026 podle informace ČHMÚ z tiskové konference (zpráva z 25. 5. 2026). Podrobná kritéria se mohou měnit – ověřujte na chmi.cz. Ověřeno 15. 10. 2026.
  • ECMWF – cyklus IFS 48r1 (zaveden 27. 6. 2023): ensemble i deterministická předpověď s rozlišením asi 9 km (TCo1279), 137 vrstev; střednědobý ensemble 51 členů. ECMWF Newsletter č. 176 (2023). Ověřeno 15. 10. 2026.
  • Tísňová čísla: 112 jednotné evropské číslo tísňového volání, 150 hasiči, 155 záchranná služba, 158 policie.

Normy a standardy

  • ICAO (1993): Manual of the ICAO Standard Atmosphere, Doc 7488/3; ISO 2533:1975 Standard Atmosphere.
  • WMO: International Cloud Atlas (online vydání 2017); WMO-No. 8 Guide to Instruments and Methods of Observation; WMO-No. 1203 Guidelines on the Calculation of Climate Normals (2017).

Literatura

  • Wallace, J. M., Hobbs, P. V. (2006): Atmospheric Science: An Introductory Survey. 2. vyd. Academic Press.
  • Holton, J. R., Hakim, G. J. (2013): An Introduction to Dynamic Meteorology. 5. vyd. Academic Press.
  • Ahrens, C. D., Henson, R.: Meteorology Today. Cengage (více vydání).
  • Markowski, P., Richardson, Y. (2010): Mesoscale Meteorology in Midlatitudes. Wiley-Blackwell.
  • Kalnay, E. (2003): Atmospheric Modeling, Data Assimilation and Predictability. Cambridge University Press.
  • Kopáček, J., Bednář, J. (2005): Jak vzniká počasí. Karolinum.
  • Sobíšek, B. a kol. (1993): Meteorologický slovník výkladový a terminologický. Academia a MŽP ČR.
  • Bjerknes, J., Solberg, H. (1922): Life cycle of cyclones and the polar front theory of atmospheric circulation. Geofysiske Publikasjoner 3(1), 1–18.
  • Richardson, L. F. (1922): Weather Prediction by Numerical Process. Cambridge University Press.
  • Charney, J. G., Fjørtoft, R., von Neumann, J. (1950): Numerical integration of the barotropic vorticity equation. Tellus 2(4), 237–254.
  • Lorenz, E. N. (1963): Deterministic Nonperiodic Flow. Journal of the Atmospheric Sciences 20(2), 130–141. – Lorenz, E. N. (1969): The predictability of a flow which possesses many scales of motion. Tellus 21(3), 289–307.
  • Bauer, P., Thorpe, A., Brunet, G. (2015): The quiet revolution of numerical weather prediction. Nature 525, 47–55.
  • Marshall, J. S., Palmer, W. M. (1948): The distribution of raindrops with size. Journal of Meteorology 5, 165–166.
  • Alduchov, O. A., Eskridge, R. E. (1996): Improved Magnus form approximation of saturation vapor pressure. Journal of Applied Meteorology 35, 601–609.
  • Trenberth, K. E., Caron, J. M. (2001): Estimates of meridional atmosphere and ocean heat transports. Journal of Climate 14, 3433–3443.
  • Brier, G. W. (1950): Verification of forecasts expressed in terms of probability. Monthly Weather Review 78(1), 1–3. – Murphy, A. H. (1977): The value of climatological, categorical and probabilistic forecasts in the cost-loss ratio situation. Monthly Weather Review 105, 803–816.

Modelové předpoklady

Laboratoře jsou výukové modely. Výtah do atmosféry používá standardní atmosféru; výstup částice zanedbává vliv vlhkosti na hustotu a promíchávání, a proto CAPE nadhodnocuje. Rovnováha sil počítá s přímými izobarami a lineárním třením, mapa izobar s gaussovskými tlakovými útvary. Průběh fronty je stylizovaný. Diagram typů bouří používá orientační prahy z předpovědní praxe, ne pevná pravidla. Radar předpokládá standardní lom a vztah Marshall–Palmer. Advekční laboratoř řeší jednorozměrnou rovnici na 100 bodech. Lorenzův model a jeho ensemble jsou „hračkou“ atmosféry se třemi proměnnými. Model nákladů a ztrát předpokládá spolehlivou předpověď a neutrální postoj k riziku. Animace v záhlaví je níže s gaussovským tlakovým polem a gradientovým větrem se zjednodušeným třením.

Interaktivní průvodce Meteorologie (říjen 2026). Studijní materiál, nenahrazuje učebnici ani výuku ani aktuální předpověď a výstrahy ČHMÚ. V ohrožení života volejte 112.