Srážkoměry a disdrometry

Jak se měří srážky

Srážkoměr je přístroj, který zachycuje déšť nebo sníh a měří množství vody spadlé na určitou plochu. Disdrometr měří vlastnosti jednotlivých padajících kapek či vloček, především jejich velikost a rychlost. Společně umožňují popsat, kolik vody při srážkách spadlo, jak rychle přibývala a z jakých částic srážky sestávaly. (WMO, svazek I, kapitola 6)

Váhový srážkoměr si vysvětlíme na přístroji Geonor T-200B v americké referenční klimatické síti USCRN, anglicky U.S. Climate Reference Network. Tento přístroj průběžně váží obsah sběrné nádoby. Potom se podíváme na optický disdrometr OTT Parsivel², který sleduje průchod částic pásem laserového světla.

Množství vody a síla deště

Při stejném dešti zachytí větší otvor více vody než menší. Abychom mohli výsledky porovnávat, dělíme zachycený objem plochou otvoru. Výsledek si můžeme představit jako výšku vodní vrstvy rozprostřené po této ploše. Nazývá se srážkový úhrn a obvykle jej udáváme v milimetrech. Jeden milimetr odpovídá jednomu litru vody na metr čtvereční. Jde o množství dopadající vody před odtokem, vsakem a výparem. Tento základ měření popisuje příručka Světové meteorologické organizace, svazek I, kapitola 6.

Objem můžeme odečíst přímo nebo jej získat vážením. K převodu hmotnosti na objem potřebujeme hustotu vody, tedy hmotnost připadající na jednotku objemu. Hmotnost vydělíme hustotou a získaný objem plochou otvoru. Obě cesty tak vedou ke stejnému vztahu:

P označuje srážkový úhrn, V zachycený objem a A plochu otvoru. Δm je hmotnost přidané vody a ρ její hustota. Značka Δ znamená změnu za sledovaný interval. Dosadíme-li objem v m³ a plochu v m², vyjde úhrn v metrech. Stejného výsledku dosáhneme s hmotností v kilogramech a hustotou v kg/m³. Násobením tisícem převedeme metry na milimetry. (WMO, kapitola 6)

Vážením lze měřit i zachycený sníh. Jeho hmotnost převedeme pomocí hustoty kapalné vody na objem, který by vznikl po roztání. Tak získáme vodní hodnotu sněhu. Výška samotné sněhové vrstvy je jiná veličina, protože mezi vločkami zůstává vzduch. (WMO, kapitola 6)

Úhrn vždy patří určitému místu a době. Chceme-li vyjádřit sílu deště, potřebujeme také vědět, jak rychle voda přibývala. Úhrn vydělíme délkou intervalu a dostaneme průměrnou intenzitu srážek:

R je průměrná intenzita a Δt délka intervalu. S úhrnem P v milimetrech a časem v hodinách vyjde intenzita v mm/h. Kratší intervaly podrobněji zachycují, kdy déšť zesílil a kdy zeslábl. Poznáme tak, zda hodinový úhrn vznikl rovnoměrným deštěm, nebo krátkou prudkou přeháňkou. (WMO, kapitola 6)

Váhový srážkoměr

Geonor T-200B má sběrný otvor o ploše 200 cm², tedy 0,02 m². Srážky jím padají do nádoby zavěšené na snímačích zatížení. V provedení USCRN nádobu společně nesou tři snímače. Kolem přístroje jsou větrolamy, které zpomalují proudění vzduchu nad otvorem. Vyhřívané ústí udržuje cestu do nádoby průchodnou i při namrzání a sněžení. Uspořádání zachycuje technický popis NOAA.

Uvnitř každého snímače je napnutá kovová struna. Přibývající voda zvětšuje zatížení, a tím i napnutí struny. Napjatější struna kmitá rychleji. Elektronický impulz ji rozkmitá a elektronika změří její frekvenci, tedy počet kmitů za sekundu. Jednotkou je hertz, značka Hz. Změnu hmotnosti tak přístroj nejprve zaznamená jako změnu frekvence. (Geonor, popis váhového snímače)

Abychom z frekvence zjistili množství vody, potřebujeme kalibraci. Při ní porovnáváme odezvu snímače se známým zatížením. Známou hmotnost můžeme podle plochy otvoru vyjádřit rovnou v milimetrech vody. Získáme tak dvojice hodnot: frekvenci a odpovídající obsah nádoby. Kalibrační vztah potom umožní převádět i hodnoty mezi těmito body. (Geonor, oddíl 7.2)

Známé zatížení při kalibraci se opírá o doložený sled porovnání s referencemi pro měření hmotnosti. Tím se i odečet srážkoměru propojuje s referenčními měřeními. Tomuto propojení říkáme metrologická návaznost. (VIM, heslo 2.39 a poznámka 1)

Převod pro Geonor začíná odečtením frekvence prázdné nádoby od právě měřené frekvence. K rozdílu přiřadí množství vody pomocí dvou koeficientů, tedy čísel určených kalibrací konkrétního snímače. První člen roste přímo s rozdílem frekvencí, druhý zachycuje zakřivení převodního vztahu:

H je obsah nádoby vyjádřený výškou vody v milimetrech. Frekvence f je aktuální odečet a $f_0$ odečet prázdné nádoby při kalibraci, obě v Hz. Koeficient a má v tomto zápisu jednotku cm/Hz a b jednotku cm/Hz². Výraz v hranaté závorce proto dává centimetry a násobení deseti je převádí na milimetry. Koeficienty jsou v protokolu každého snímače. Rovnici uvádí oddíl 7.2 manuálu, kde jsou frekvence přibližně 1 000 Hz pro prázdnou a 3 000 Hz pro plnou nádobu.

Veličina H popisuje veškerý obsah nádoby v okamžiku odečtu. Srážkový úhrn za určitou dobu získáváme z jeho přírůstku. V síti USCRN každý ze tří snímačů poskytuje vlastní záznam obsahu nádoby, převedený vlastním kalibračním vztahem. Tyto záznamy se následně zpracují společně do pětiminutových úhrnů. (NOAA OAP 2.0)

Zpracování přírůstků vody

Při zpracování rozlišujeme přibývání srážek od kolísání odečtů. Nádoba se může chvět a elektronický signál obsahuje drobné výkyvy, kterým říkáme šum. Výpar zase pomalu ubírá vodu ze skutečného obsahu nádoby. Algoritmus NOAA OAP 2.0 z roku 2015 proto kombinuje údaje všech tří snímačů a využívá také samostatný detektor, který rozpoznává přítomnost padajících srážek.

Příspěvky tří snímačů mají různou váhu. Ta závisí na odchylkách přírůstků daného snímače od společného průměru tří snímačů. Zpracování obvykle používá aktuální a dvě předchozí hodiny. Snímač s menšími odchylkami má větší vliv. Algoritmus zároveň kontroluje chybné odečty a zohledňuje kladné i záporné změny. Při kolísání kolem stálého obsahu se totiž zdánlivé přírůstky a úbytky střídají. Zachování obou znamének umožňuje tyto výkyvy vzájemně vyrovnat. (NOAA OAP 2.0)

Velmi malé příspěvky se přenášejí do dalšího vhodného intervalu, dokud nahromaděné množství dosáhne vykazovacího prahu 0,2 mm. Práh tedy určuje, kdy se drobné množství objeví ve výsledku. Hotové úhrny se zapisují s krokem 0,1 mm. Tento krok určuje odstup sousedních zapisovaných hodnot. Zpracované pětiminutové úhrny už můžeme sčítat za delší dobu nebo převádět na průměrnou intenzitu deště. (NOAA OAP 2.0)

Optický disdrometr

Disdrometr sleduje srážkové částice během pádu. Optický OTT Parsivel² má proti sobě vysílač a přijímač. Mezi nimi prochází vodorovný pás laserového světla. Padající částice část světla na krátkou dobu zastíní. Přijímač převádí množství dopadajícího světla na elektrické napětí, takže průchod částice zaznamená jako krátký pokles napětí.

Velikost poklesu napětí nese informaci o velikosti částice. Větší částice zastíní větší část světla. Převod mezi zastíněním a velikostí se určuje kalibrací. Výrobce používá referenční částice o rozměrech 0,5, 1, 2 a 4 mm, jejichž známé velikosti porovnává s optickou odezvou. (Parsivel², popis měření a technické údaje)

Doba poklesu napětí ukazuje, jak dlouho částice procházela světelným pásem. Signál začne při vstupu částice a skončí, když pás celá opustí. K určení uražené dráhy proto potřebujeme rozměr částice i tloušťku pásu. Dráha dělená dobou průchodu pak dává rychlost pádu. (Parsivel², Measurement of particle speed)

Každou částici přístroj zařadí podle velikosti a rychlosti do příslušného rozmezí neboli třídy. Používá 32 velikostních a 32 rychlostních tříd. Výsledná tabulka má 1 024 polí pro jejich vzájemné kombinace. V každém poli je počet částic, které za sledovanou dobu měly současně danou velikost i rychlost. Sečtením počtů přes rychlostní třídy získáme, kolik částic připadlo na jednotlivá rozmezí velikosti.

Manuál z února 2024 uvádí měřicí plochu 180 × 30 mm, tedy 54 cm². Pokrývá velikosti kapalných částic od 0,2 do 8 mm, pevných od 0,2 do 25 mm a rychlosti od 0,2 do 20 m/s. Velikostní i rychlostní třídy mají různou šířku, takže částice seskupují s různou podrobností v různých částech rozsahu. (Parsivel², technické údaje a třídění)

Velikost a rychlost společně pomáhají rozlišovat i druh srážek. Přístroj porovnává zastoupení částic v tabulce s pravidly pro déšť, sníh a další druhy. Označení druhu srážky tak vzniká zpracováním těchto dvou měřených vlastností. (Parsivel², rozpoznávání druhu srážek)

Úhrn deště z počtu a velikosti kapek

Z počtů kapek můžeme získat také množství vody. Nejprve však zpracování odděluje padající déšť od kapek vzniklých rozstřikem na okolních předmětech. Takové kapky se mohou pohybovat jinak než déšť. Tokay, Wolff a Petersen popisují filtr, který vyřazuje nepravděpodobné kombinace velikosti a rychlosti. Teprve přijaté počty vstupují do výpočtu úhrnu.

Pro každou velikostní třídu potřebujeme objem jedné kapky. Malé kapky jsou přibližně kulové, větší jsou zploštělé. Při převodu používáme průměr koule, která má stejný objem jako kapka. Tento průměr se proto nazývá objemově ekvivalentní. Zpracování každé třídě přiřadí jeden takový průměr, který při výpočtu zastupuje kapky v daném rozmezí velikostí. (Tokay a kol., oddíl 2)

Objem koule o průměru D je $\pi D^3/6$. Symbol π označuje číslo přibližně 3,1416 a třetí mocnina znamená součin tří stejných hodnot průměru. Objem jedné kapky vynásobíme počtem kapek příslušné třídy. Tím získáme objem vody připadající na kapky v této třídě za sledovanou dobu.

Stejně jako u sběrné nádoby převádíme objem na úhrn dělením plochou. Zde používáme účinnou měřicí plochu: část světelného pásu, ve které lze kapku dané velikosti správně započítat. U okrajů pásu může být zastínění neúplné, proto se plocha upravuje podle velikosti kapek. Následující vztah sami odvodíme součtem objemů kapek přes všechny třídy:

Index i označuje velikostní třídu. $n_i$ je počet jejích kapek za sledovaný interval, $D_i$ jejich reprezentativní objemově ekvivalentní průměr a $A_i$ účinná plocha pro tuto velikost. Symbol Σ znamená součet přes všechny třídy. S průměrem v milimetrech a plochou v mm² vyjde úhrn P v milimetrech. Dělením dobou v hodinách získáme intenzitu v mm/h. (Tokay a kol., oddíl 5: účinná měřicí plocha)

Rovnice ukazuje geometrický základ převodu kapalného deště. Konkrétní zpracování přístroje k němu přidává svá pravidla pro okraje pásu, třídění a filtrování. U sněhu potřebujeme navíc vztah mezi rozměrem a hmotností vločky. Teprve hmotnost umožní určit vodní hodnotu sněžení. (Parsivel², měření kapalných a pevných částic)

Využití měření v klimatologii

Srážkoměr poskytuje místní úhrn a při častém odečítání i časový průběh deště. Disdrometr k němu přidává rozdělení velikostí a rychlostí částic. Tato měření slouží také ke kontrole radarových odhadů srážek. Radar sleduje odraz vyslaného záření od částic ve vzduchu, zatímco pozemní přístroje zachycují srážky dopadající na měřicí místo. (Tokay a kol., úvod)

Pro klimatologii spojujeme místní měření do dlouhých řad a porovnáváme je mezi stanicemi. Diamond a spoluautoři popsali USCRN jako referenční síť se stabilně volenými místy, opakovaným měřením a evidencí provozu. Záznamy o změnách stanice pomáhají udržet srovnatelnost měření v čase. Srovnatelné pokrytí území pak umožňuje porovnávat srážkové poměry různých období.

Z dlouhých řad lze určit, jak často přicházejí silné deště, jak dlouho trvají a jakou mívají intenzitu. Takové ukazatele obsahuje GSDR-I, globální soubor popsaný Pritchardem a spoluautory v roce 2023. Vychází z 18 591 staničních záznamů s intervaly kratšími než den. Před výpočtem autoři kontrolovali mimo jiné záměnu denního úhrnu za hodinový, podezřele dlouhá období nul a nesoulad se sousedními stanicemi.

Výsledky GSDR-I jsou dostupné také v prostorové mřížce, tedy v soustavě buněk pokrývajících území. Hodnoty mezi stanicemi vznikají odhadem z okolních měření. Dlouhodobé změny srážek, včetně pokrytí území daty, rozebírá článek Srážky a přívalové srážky. (Pritchard a kol., metody)

Měření padajícího sněhu určuje, kolik vody do krajiny přibývá sněžením. Na zemi potom sníh taje, přesouvá se větrem a slehává. Výsledná sněhová pokrývka proto vyžaduje další měření, která sledují její vývoj po dopadu. (WMO, kapitola 2)

Další provedení a vývoj záznamu

Nejjednodušší srážkoměr tvoří sběrná nádoba, jejíž objem pozorovatel ručně odečítá, obvykle jednou denně. Automatický překlápěcí srážkoměr zachycuje vodu do malých nádobek. Naplněná nádobka se překlopí a přístroj zaznamená impuls. Počet impulsů násobený objemem na jedno překlopení dává zachycený objem. Dělením plochou otvoru opět získáme úhrn. Konstrukce popisuje příručka WMO.

Časový průběh lze zaznamenávat také plovákovým srážkoměrem. Přibývající voda zvedá plovák a jeho pohyb se přenáší na pero nebo elektronický snímač. Po naplnění může vodu odvést sifon, trubice sloužící k vyprázdnění nádoby. Tento princip popisuje WMO v oddílu 6.2.4.

Rozvoj elektronického záznamu umožnil častější odečty a společné zpracování více snímačů. Původní dokumentace NOAA OAP 2.0 z roku 2015, úvod, uvádí pětiminutová měření USCRN od let 2004–2005. Novější algoritmus vznikl po zjištění, že předchozí postup někdy podhodnocoval celkový úhrn nebo vykazoval nereálnou intenzitu na začátku deště. Ukazuje tak, že přesnější výsledek může přinést také nové zpracování záznamů ze stejné konstrukce přístroje.

Nejistoty a omezení

U srážkoměru je významný vliv větru, zvláště při sněžení. U disdrometru záleží na převodu zastínění na velikost částic a na jejich třídění. Porovnání Parsivelu² s překlápěcími srážkoměry poskytlo pro úhrny celých dešťových událostí průměrnou absolutní odchylku přibližně 6 %. Tento výsledek patří konkrétní zkoušce a nelze jej přenést na každou minutu měření.

Skutečný příklad: déšť na Blue Hill

Stanice MA Blue Hill 0 W v Massachusetts zaznamenala 7. června 2025 mezi 14:00 a 15:00 místního standardního času (UTC−5) úhrn 9,2 mm. Projdeme dvanáct pětiminutových úhrnů, abychom zjistili, jak se síla deště během hodiny měnila. Používáme pětiminutový soubor NOAA a odpovídající hodinový záznam, stažené 4. října 2026.

Sloupec PRECIPITATION v souboru obsahuje již zpracované úhrny v milimetrech. Odtud začíná náš výpočet. Čas každého řádku označuje konec předchozích pěti minut, takže 14:30 patří dešti od 14:25 do 14:30. (USCRN: formát pětiminutových dat)

Sečtením dvanácti úhrnů získáme 9,2 mm. Stejnou hodnotu obsahuje pole P_CALC v hodinovém souboru. Podle popisu formátu NOAA toto pole udává úhrn za hodinu končící uvedeným časem. Porovnání tedy potvrzuje, že jsme vybrali a sečetli odpovídající intervaly.

Nejsilnější pětiminutový úsek nastal od 14:25 do 14:30, kdy spadlo 2,6 mm. Pro průměrnou intenzitu tento úhrn P vydělíme dobou Δt v hodinách. Pět minut je 5/60 hodiny, tedy její dvanáctina:

Výsledek 31,2 mm/h vyjadřuje rychlost přibývání vody během těchto pěti minut. Kdyby déšť pokračoval stejnou průměrnou intenzitou celou hodinu, spadlo by 31,2 mm. Ve skutečnosti déšť během hodiny zesiloval a slábl. Celkových 9,2 mm za jednu hodinu proto odpovídá hodinové průměrné intenzitě 9,2 mm/h.

Každá intenzita v tabulce shrnuje celý pětiminutový úsek. I uvnitř něj mohl déšť kolísat. Pro jeho podrobnější průběh bychom potřebovali úhrny za ještě kratší intervaly.

Shrnutí