Vlhkost atmosféry

Co pozorujeme

Vlhkost atmosféry popisuje množství vodní páry ve vzduchu. U povrchu ji přístroje sledují v místě stanice, na lodi nebo bóji, radiosonda ji zaznamenává během letu vzhůru a družice či pozemní přijímače měří její množství v celém sloupci atmosféry. Výsledek proto vždy potřebuje název veličiny, místo nebo oblast, výšku a čas.

U povrchu se pro dlouhodobé sledování používají především měrná a relativní vlhkost. Měrná vlhkost říká, kolik gramů vodní páry připadá na kilogram vlhkého vzduchu. Relativní vlhkost vyjadřuje, jak blízko je vzduch nasycení při své současné teplotě. Stejný vzduch proto může mít nezměněné množství vodní páry, ale po změně teploty jinou relativní vlhkost. Vymezení obou veličin i způsob jejich výpočtu z teploty a rosného bodu popisuje přístrojová příručka WMO.

Dai v roce 2006 sestavil globální přehled měrné a relativní vlhkosti z více než 15 000 pozemních a lodních záznamů. Willett a kol. v roce 2008 vytvořili společný soubor HadCRUH pro pevninu i oceán. Následné práce oddělily podrobně zpracovaná měření nad pevninou a mořem do dnešního souboru HadISDH. Všechny tyto práce používají stejné základní rozlišení: množství vodní páry a míra nasycení vzduchu jsou dvě samostatně zveřejňované veličiny. Dai, 2006, Willett et al., 2008, Willett et al., 2014 a Willett et al., 2020

Radiosonda přidává třetí rozměr. Během výstupu měří tlak, teplotu a relativní vlhkost, takže pro každou dosaženou výšku vznikne samostatný údaj. Z těchto profilů lze také sečíst vodní páru mezi povrchem a zvolenou horní hladinou. Archiv IGRA uchovává původní profily i odvozené veličiny; přesnost dlouhodobého srovnání závisí na znalosti typu čidla a změn v provozu stanice. Durre et al., 2006 a Dirksen et al., 2014

Nad oceány se od roku 1987 sleduje také celkové množství vodní páry mikrovlnnými radiometry na družicích. Výsledek se uvádí v kg/m². Protože jeden kilogram vody rozprostřený na jednom metru čtverečním vytvoří vrstvu vysokou jeden milimetr, stejné číslo lze zapsat také v milimetrech. Mears a kol. takto spojili měření jedenácti družicových přístrojů do vzájemně kalibrovaného záznamu od ledna 1988. Mears et al., 2018

Historie měření

Horace-Bénédict de Saussure v roce 1783 vydal Essais sur l'hygrométrie, rozsáhlý popis vlasového vlhkoměru, jeho kalibrace i pozorování v různých podmínkách. Odmaštěný lidský vlas se při změně vlhkosti prodlužoval nebo zkracoval a přes páku pohyboval ručičkou. Přístroj umožnil opakovatelně sledovat změny vlhkosti, jeho stupnice však vyjadřovala odezvu konkrétního materiálu. de Saussure, 1783, digitalizovaný svazek

John Frederic Daniell v roce 1820 popsal kondenzační vlhkoměr. Jednu část přístroje ochlazoval odpařováním éteru a zaznamenal teplotu, při níž se na druhé baňce objevila rosa. Tím získal rosný bod, tedy veličinu založenou na pozorovaném okamžiku kondenzace. Dochovaný přístroj a odkaz na původní článek zveřejňuje Smithsonian Institution. Daniellův vlhkoměr, Smithsonian

V první polovině 19. století se rozšířil psychrometr se dvěma teploměry. Baňka jednoho zůstává suchá, druhou obaluje navlhčený knot. Odpařování ochlazuje vlhký teploměr a z rozdílu obou teplot se společně s tlakem vypočte vlhkost. Tento princip se stal základem velké části historických staničních i lodních měření a WMO jej dodnes popisuje jako jednu z referenčních měřicích metod. WMO, kapitola o měření vlhkosti

Měření ve volné atmosféře umožnily radiosondy. V roce 1930 vznikly přístroje, které rádiem předávaly údaje o tlaku, teplotě a vlhkosti během letu na balónu; v prosinci 1931 vypustil první finskou radiosondu Vilho Väisälä. Pravidelné výstupy se během dalších desetiletí staly součástí meteorologických sítí. Historii jednotlivých konstrukcí shrnuje přehled vývoje atmosférických pozorovacích systémů a vlastní měření dnes uchovává archiv IGRA. Fleming et al., 2018

Další dva způsoby rozšířily měření celého sloupce atmosféry. Družicový radiometr SSM/I začal pravidelně pracovat v červenci 1987 a jeho nástupci poskytují mikrovlnná měření nad oceány. Bevis a kol. v roce 1992 ukázali, že množství vodní páry lze určit také ze zpoždění rádiového signálu mezi navigační družicí a přesně zaměřeným přijímačem na zemi. NOAA SSM/I a Bevis et al., 1992

Jak se vlhkost měří

Stanice, lodě a bóje

Meteorologická stanice obvykle zaznamenává teplotu vzduchu a jeden přímý vlhkostní údaj: relativní vlhkost, rosný bod nebo rozdíl mezi suchým a vlhkým teploměrem. Moderní elektronické čidlo mění svou elektrickou kapacitu či odpor podle množství pohlcené vodní páry. Kondenzační vlhkoměr naopak ochlazuje zrcátko a měří teplotu, při které se na jeho povrchu vytvoří rosa nebo jinovatka. Z teploty, tlaku a jednoho takového údaje lze podle standardních vztahů vypočítat další vlhkostní veličiny. WMO Guide No. 8

Čidlo potřebuje proudící okolní vzduch, ochranu před srážkami a slunečním zářením a známou výšku nad povrchem. Nad pevninou se běžně pracuje s měřením přibližně ve dvou metrech. Na lodích se výška přístroje mezi plavidly liší a s výměnou lodního parku se v čase měnila; HadISDH.marine proto používá informace o výšce a typu ventilace při korekci známých rozdílů. Willett et al., 2020

Radiosonda

Malou sondu vynese balón obvykle do výšky přes 25 kilometrů. Přístroj během letu opakovaně vysílá tlak, teplotu, relativní vlhkost a polohu. Z každé sekundy letu tak vzniká bod s časem a výškou; spojením bodů vznikne svislý profil. Ve studii Durre a kol. byly z teploty, tlaku a poklesu rosného bodu vypočteny také součty vodní páry mezi povrchem a tlakovou hladinou 500 hPa. Durre et al., 2009

Vlhkostní čidlo radiosondy reaguje pomaleji v chladném vzduchu a za dne jej ovlivňuje sluneční záření. Jednotlivé typy sond mají odlišnou kalibraci a v minulosti se velmi nízké hodnoty někdy vůbec nehlásily. Referenční síť GRUAN proto ke každému profilu připojuje korekce i nejistotu závislou na výšce. Dirksen a kol. u sondy Vaisala RS92 popsali například opravu suchého zkreslení způsobeného zářením a porovnání s přesnějšími mrazovými vlhkoměry. Dirksen et al., 2014

Mikrovlnný radiometr na družici

Povrch oceánu a atmosféra vyzařují mikrovlnné záření. Radiometr měří jeho intenzitu v několika přesně zvolených frekvenčních pásmech, z nichž některá jsou citlivá na vodní páru. Výpočet hledá takové množství vodní páry, při kterém modelované záření nejlépe odpovídá měření. Nad nezamrzlým oceánem lze zároveň odhadnout vliv kapalné vody v oblacích, větru a teploty mořské hladiny. Mears et al., 2018

Jedna družice nepokrývá celé sledované období. Soubor Remote Sensing Systems proto převádí přístroje SSM/I, SSMIS, AMSR-E, WindSat a další na společnou kalibraci, porovnává jejich souběžná měření a teprve poté skládá denní a měsíční mapy. Výsledkem je pozorování celkové vodní páry nad nezamrzlými oceány od ledna 1988 v buňkách o velikosti jednoho stupně. RSS TPW Version 7 Release 1

Pozemní přijímač navigačních družic

Rádiový signál navigační družice se ve vlhké atmosféře zpozdí. Přesně zaměřený přijímač GNSS změří celkové zpoždění, z tlaku u stanice se vypočte jeho suchá část a zbývající část se převede na množství vodní páry nad přijímačem. Potřebná je také teplota, která tento převod zpřesňuje. Metodu formulovali Bevis a kol.; dnešní sítě poskytují téměř souvislá měření za každého počasí. Bevis et al., 1992

Jak vzniká zveřejněný záznam

1. Z původního hlášení vzniknou vlhkostní veličiny

Pozemní a lodní hlášení obsahuje čas, polohu, teplotu, tlak a rosný bod nebo relativní vlhkost. HadISDH provádí převody už z jednotlivých hodinových hodnot. To je důležité, protože vztahy mezi teplotou, rosným bodem a relativní vlhkostí nejsou lineární; měsíční průměr jedné veličiny proto nelze beze zbytku převést na měsíční průměr jiné. Willett et al., 2014

2. Automatické kontroly označí nepravděpodobná měření

Kontroluje se platnost polohy a času, fyzikálně možné meze, náhlé opakování stejné hodnoty, neobvyklý skok i soulad se sousedními stanicemi. Podezřelý údaj dostane příznak kvality a do klimatického výpočtu nevstoupí. Původní hlášení přitom zůstává oddělené od opraveného souboru, takže lze zpětně zjistit, co kontrola vyřadila. Dunn et al., 2012

3. Změny přístroje a stanice se hledají v sousedních záznamech

Přestěhování stanice, změna denní doby odečtu nebo výměna psychrometru za elektronické čidlo mohou vytvořit skok, který nepatří skutečné změně okolního vzduchu. HadISDH hledá takové zlomy porovnáním stanice s okolními místy a používá údaje o známých změnách provozu. U lodí se samostatně opravuje výška měření a nedostatečné proudění vzduchu kolem některých přístrojů. Pevnina a oceán

4. Měsíční hodnoty se ukládají do zeměpisné mřížky

HadISDH zprůměruje platná měření stanice nebo lodi za měsíc a poté je spojí v buňkách širokých pět stupňů zeměpisné délky i šířky. Zveřejňuje skutečné hodnoty i odchylky od průměru let 1991–2020. Prázdná buňka zůstane prázdná; HadISDH do ní nedopočítává chybějící pozorování. Globální průměr proto popisuje dostupné buňky mezi 70° jižní a 70° severní šířky, nikoli rovnoměrně pozorovaný celý povrch.

5. Družicová měření se nejprve sjednotí mezi přístroji

Radiometry se liší oběžnou dráhou, frekvencemi i dobou místního přeletu. RSS porovnává současně pracující přístroje, opravuje vzájemné posuny a z výsledků vytváří mapy se stejnou mřížkou. Měření nad pevninou, mořským ledem a při silném dešti jsou z klimatického souboru mikrovlnné vodní páry vynechána, protože odezvu povrchu a kapalné vody nelze stejným postupem spolehlivě oddělit. Mears et al., 2018

6. Nejistota se počítá pro měření i pro nepozorovaná místa

U HadISDH se odděleně vyčísluje nejistota přístroje, zaokrouhlení starých hlášení, výpočtu referenčního průměru, úprav známých zkreslení, zastoupení jednotlivých dnů v měsíci a zeměpisného pokrytí. U družicového souboru přibývá nejistota kalibrace, převodového výpočtu a spojení jednotlivých radiometrů. Proto je vedle samotného čísla podstatná i verze souboru, maska dostupných míst a interval nejistoty.

Zveřejňovaná data

Následující soubory zveřejňují přímo měřenou vlhkost nebo výsledek odvozený z konkrétního přístrojového signálu. Každý má jiný prostorový rozsah, počátek i časové rozlišení.

Srovnání dat

HadISDH sleduje vzduch přibližně ve dvou metrech nad pevninou a kolem deseti metrů nad oceánem. Družicové a GNSS soubory sčítají vodní páru v celé výšce atmosféry. Radiosonda mezi těmito pohledy ukazuje, ve kterých výškách se vodní pára nacházela. Shodný směr změny těchto výsledků je vzájemně podpůrný, jejich číselné trendy se však přímo odečítat nebo průměrovat nesmějí.

Pozorovací soubor ponechává nepozorovaná místa prázdná. Reanalýza naproti tomu kombinuje rozmanitá měření s výpočtovým modelem a vytváří souvislou mapu. Allan a kol. ukázali, že změna zeměpisného pokrytí může ovlivnit globální průměr HadISDH; proto vedle čistě pozorovaných buněk porovnávali i variantu doplněnou reanalýzou. Zpráva za rok 2024 z téhož důvodu ukazuje ERA5 jak na celé ploše, tak pouze v místech pokrytých HadISDH. Allan et al., 2022

Relativní vlhkost nad oceánem je nejobtížnější součást srovnání. Lodní přístroje pracovaly v různých výškách a s různým prouděním vzduchu, pokrytí jižních oceánů je řídké a jednotlivé reanalýzy se v meziročním průběhu rozcházejí. Zpráva State of the Climate in 2024 proto u oceánské relativní vlhkosti neuvádí dlouhodobý rekord a výslovně označuje její nejistotu za velkou.

Rozložení změn u povrchu

Mapa měrné vlhkosti odpovídá na otázku, kde se mezi lety 1973 a 2024 měnilo množství vodní páry v jednom kilogramu vzduchu. Zelené buňky mají kladný trend a hnědé záporný. Bílá místa nemají dostatek pozorování pro výpočet; neznamenají nulovou změnu.

a) Mapa. Každý barevný čtverec je trend v jedné buňce 5° × 5° v g/kg za desetiletí. Ohraničené buňky mají devadesátiprocentní interval spolehlivosti celý na jedné straně nuly.

b) Zeměpisné šířky. Tečky jsou jednotlivé buňky, černá čára jejich průměr v dané šířce. Šedé plochy ukazují dostupnou zeměpisnou plochu a její skutečně pozorovanou část.

Relativní vlhkost odpovídá na jinou otázku: jak se změnila míra nasycení vzduchu při teplotě, kterou měl v okamžiku měření. Hnědé buňky na druhé mapě tedy označují pokles relativní vlhkosti, nikoli automaticky úbytek vodní páry. Právě proto jsou obě mapy zveřejněny vedle sebe a používají rozdílné jednotky.

a) Mapa. Barva udává změnu relativní vlhkosti v procentních bodech za desetiletí. Hnědá znamená pokles, zelená vzestup a bílá chybějící výpočet.

b) Zeměpisné šířky. Černá čára shrnuje pozorované buňky v každém šířkovém pásu. Rozsah osy je jiný než u předchozí mapy, protože jednotkou jsou procentní body.

Pozorování

Přímá měření u povrchu ukazují, že od roku 1973 vzrostlo množství vodní páry v pozorovaných částech pevniny i oceánu. Relativní vlhkost se vyvíjela odlišně: v globálním souhrnu pozemních stanic poklesla, zatímco nad oceány zůstává její dlouhodobá změna podstatně méně jistá. Družicová měření současně ukazují růst celkového množství vodní páry ve sloupci nad nezamrzlými oceány od roku 1988.

Konečná verze HadISDH za období 1973–2024 uvádí pro pozorované pozemní buňky trend měrné vlhkosti +0,10 g/kg za desetiletí s devadesátiprocentním intervalem od +0,08 do +0,12 g/kg. Nad oceánem vychází stejná střední hodnota +0,10 g/kg za desetiletí, interval je širší: +0,07 až +0,12 g/kg. Čísla se vztahují k dostupným buňkám mezi 70° jižní a 70° severní šířky a zahrnují opravu časové závislosti ročních hodnot. HadISDH.land 4.6.1.2024f a HadISDH.marine 1.6.1.2024f

U relativní vlhkosti nad pevninou uvádí HadISDH v témže období trend −0,17 procentního bodu za desetiletí, s intervalem −0,28 až −0,07. Oceánský výsledek je −0,07 procentního bodu za desetiletí s intervalem −0,14 až 0,00. Oceánský interval dosahuje nuly a jednotlivé datové soubory se v průběhu relativní vlhkosti nad mořem neshodují natolik, aby zpráva za rok 2024 označila dlouhodobý oceánský trend za spolehlivě určený.

Rok 2024 měl v HadISDH průměrnou měrnou vlhkost nad pevninou o 0,49 g/kg a nad oceánem o 0,56 g/kg vyšší než průměr let 1991–2020. Obě hodnoty byly v daných souborech nejvyšší od začátku záznamu v roce 1973. Ostatní produkty uvedené ve State of the Climate in 2024 rovněž označily rok 2024 za nejvyšší: odchylky měrné vlhkosti se pohybovaly od 0,32 do 0,58 g/kg nad pevninou a od 0,35 do 0,56 g/kg nad oceánem. Willett et al., 2025, tabulka 2.6

Relativní vlhkost nad pevninou zůstala v roce 2024 u všech produktů kromě MERRA-2 pod průměrem let 1991–2020. HadISDH uvádí odchylku −0,13 procentního bodu. Nad oceánem měla v témže souboru hodnotu +0,71 procentního bodu, zatímco ERA5 uváděla +0,03. Tento rozdíl je konkrétním příkladem nejistoty, kvůli které nelze oceánskou relativní vlhkost shrnout jediným jistým dlouhodobým číslem.

Mikrovlnné radiometry nad nezamrzlými oceány poskytují další, přístrojově nezávislé pozorování. Mears a kol. pro období 1988–2017 vypočetli trend celkové vodní páry +0,436 kg/m² za desetiletí, tedy +1,49 % za desetiletí. Aktualizované srovnání ve zprávě za rok 2024 uvádí pro období 1991–2024 +0,48 ± 0,07 kg/m² za desetiletí, neboli +1,64 ± 0,25 % za desetiletí. Mears et al., 2018 a State of the Climate in 2024, tabulka 2.8

Zpráva za rok 2024 porovnala také tři reanalýzy, rádiové zákryty GNSS a 166 pozemních přijímačů GNSS. Všechny soubory označily rok 2024 za rok s nejvyšším množstvím vodní páry ve sloupci ve svém období. Globální odchylka mezi 60° jižní a 60° severní šířky dosáhla přibližně pěti procent nad průměr let 1991–2020. Pro období 1991–2024 leží trendy tří reanalýz mezi 0,37 a 0,42 kg/m² za desetiletí; družicový mikrovlnný výsledek nad oceány je uveden výše.

Radiosondy poskytují delší místní profily, ale jejich globální využití omezuje výměna čidel a nerovnoměrné pokrytí. Durre a kol. po úpravě zdokumentovaných i nezaznamenaných zlomů zjistili v přibližně 300 stanicích severní polokoule mezi roky 1973 a 2006 trend vodní páry od povrchu do 500 hPa +0,45 mm za desetiletí. Výsledek se vztahuje pouze k pevninským oblastem zastoupeným těmito stanicemi a k vymezené části atmosféry. Durre et al., 2009

Zeměpisné mapy doplňují globální čísla. Měrná vlhkost v letech 1973–2024 rostla ve velké většině dobře pozorovaných buněk severní polokoule a v mnoha tropických oblastech; jednotlivé záporné oblasti se vyskytují zejména tam, kde je pozorování řídké nebo místně odlišné. Relativní vlhkost nad pevninou naopak v rozsáhlých částech středních zeměpisných šířek klesala, zatímco v některých tropických a oceánských buňkách vzrostla. Bílé plochy na obou mapách zůstávají bez závěru.

Prameny, data a licence