En vejrballon stiger mod himlen.
Først er den let at følge med øjnene. Så bliver den til en lille prik. Til sidst er den væk.
Men den er ikke blevet tavs.
Under ballonen hænger et lille instrument, som måler atmosfæren og sender sine observationer tilbage til jorden med radio. Samtidig scanner vejrradarer himlen efter nedbør, og langt over os observerer meteorologiske satellitter enorme vejrsystemer.
Radioteknik findes overalt i moderne meteorologi.
Men radioens rolle er større end blot at overføre målinger fra ét sted til et andet. Radiobølger bruges også direkte som måleredskab. En radar kan eksempelvis sende et signal ud og undersøge det svage ekko, der kommer tilbage fra regn, sne eller hagl.
I meteorologien har radioteknik flere roller. Radiosonder sender måledata tilbage til jorden, radarer bruger elektromagnetiske bølger til at undersøge nedbør, og satellitter observerer atmosfæren med en række forskellige sensorer. Radio er derfor både kommunikationsmiddel og en del af selve måleteknikken.
Det begynder med observationer
En vejrudsigt starter ikke med en meteorolog, der kigger ud ad vinduet.
Den starter med målinger.
Temperatur, lufttryk, luftfugtighed, vind og nedbør er nogle af de størrelser, der fortæller, hvordan atmosfæren ser ud lige nu.
Problemet er, at vejret ikke kun foregår ved jordoverfladen.
Atmosfæren strækker sig mange kilometer op, og forholdene højere oppe kan have stor betydning for vejrets udvikling. Derfor er meteorologerne nødt til også at måle atmosfæren i højden.
En målestation på jorden kan fortælle, at temperaturen er 15 grader og vinden svag. Flere kilometer højere oppe kan luftens temperatur, fugtighed og bevægelse være helt anderledes. Hvis man vil forstå atmosfæren, må man derfor måle den i flere højder.
En lille radiosender under en stor ballon
En af de klassiske metoder til at undersøge atmosfæren er radiosonden.
Radiosonden er en forholdsvis lille instrumentpakke, som bæres op gennem atmosfæren af en vejrballon.
Under opstigningen foretager sonden meteorologiske målinger og sender data tilbage til en modtagestation på jorden via radio.
Typiske målinger omfatter temperatur og luftfugtighed. Oplysninger om tryk og højde kan også indgå, mens radiosondens position kan bruges til at bestemme vindens hastighed og retning under opstigningen.
Man behøver ikke nødvendigvis en lille vindmåler under ballonen. Når radiosondens position bestemmes løbende, kan dens bevægelse gennem atmosfæren bruges til at beregne vindens retning og hastighed i forskellige højder.
Ballonen kommer meget højere op end skyerne
En radiosonde stopper ikke, når den passerer skyerne.
Ballonen fortsætter opad, mens lufttrykket falder. Det får ballonen til at udvide sig mere og mere.
Til sidst bliver den så stor, at materialet ikke længere kan holde til belastningen, og ballonen brister.
Instrumentpakken falder derefter tilbage mod jorden, normalt bremset af en lille faldskærm.
På det tidspunkt har den allerede leveret en lodret profil gennem en stor del af atmosfæren.
Radiosonden kan betragtes som en lille flyvende vejrstation. I stedet for kun at måle forholdene ét sted ved jordoverfladen bevæger den sig op gennem atmosfæren og fortæller løbende, hvordan forholdene ændrer sig med højden.
Hvorfor bruger man stadig balloner?
Det kan virke gammeldags.
Vi har satellitter. Vi har radar. Vi har avancerede computermodeller.
Og så sender meteorologerne stadig balloner op med små instrumenter hængende nedenunder.
Forklaringen er, at radiosonder giver direkte målinger af atmosfæren i højden. De observationer er fortsat værdifulde som input til meteorologiske analyser og numeriske vejrmodeller.
Ny teknologi har altså ikke nødvendigvis gjort den gamle metode overflødig.
Grundprincippet er næsten forbavsende enkelt: Tag nogle måleinstrumenter, løft dem gennem atmosfæren og send resultaterne tilbage med radio. Sensorer, elektronik, positionering og databehandling er blevet langt mere avancerede, men selve idéen er stadig særdeles anvendelig.
Radiosonder kan også være interessante for radioentusiaster
Radiosondens signal skal naturligvis kunne modtages fra jorden.
Det betyder samtidig, at radiosonder har fået deres egen lille niche blandt radio- og elektronikinteresserede, som følger og modtager signaler fra sonder.
Med egnet modtageudstyr, antenne og software kan radiosondesignaler i nogle tilfælde modtages og dekodes, så man kan følge sondens bevægelse og de transmitterede data.
Det gør meteorologien til et af de områder, hvor professionelle radiosignaler bogstaveligt talt kan komme flyvende hen over hovedet på radioentusiasten.
Radiosondetyper, sendefrekvenser og opsendelsespraksis kan ændre sig. Hvis man vil forsøge at modtage en bestemt meteorologisk sonde, bør man derfor finde aktuelle oplysninger om de sonder og frekvenser, der anvendes i det relevante område.
Vejrradaren gør noget helt andet
Radiosonden tager sine sensorer med ud i atmosfæren.
Vejrradaren bliver stående.
I stedet sender den korte elektromagnetiske impulser ud og undersøger det signal, der kommer tilbage.
Når radiobølgen møder nedbørspartikler, bliver en lille del af energien spredt tilbage mod radaren. Ved at analysere dette ekko kan radarsystemet få information om nedbøren.
Radaren sender en kort impuls ud. Signalet bevæger sig gennem atmosfæren og møder eksempelvis regndråber. En meget lille del af energien vender tilbage. Tiden fra udsendelse til modtagelse fortæller noget om afstanden, mens styrken og andre egenskaber ved ekkoet giver information om nedbøren.
Danmark dækkes af fem DMI-radarer
DMI's danske vejrradarnet består aktuelt af fem radarer.
De står ved Stevns Naturcenter, på Rømø, ved Sindal i Vendsyssel, i Almindingen på Bornholm og på Samsø.
Placeringen giver tilsammen radardækning af Danmark og områderne omkring landet, så nedbør kan observeres, når den bevæger sig ind fra forskellige retninger.
DMI's radarer er C-bånds Doppler-radarer med dual-polarisering. De kan registrere nedbør i op til 240 kilometers afstand ved de fulde scanninger, mens Doppler-scanningerne har kortere rækkevidde.
Radarens rækkevidde er begrænset, og Jordens krumning samt radarstrålens højde får betydning på større afstande. Derfor anvendes flere radarstationer, hvis målinger kan kombineres til et samlet billede.
Hvordan kan en radar se, hvor meget det regner?
Det billede, vi ser på en vejrradar, er ikke et fotografi.
Det er resultatet af målinger.
Et centralt mål er reflektiviteten – altså hvor kraftigt et radarekko nedbøren giver.
Kraftigere ekkoer kan hænge sammen med mere eller kraftigere nedbør, men omsætningen fra radarsignal til det, der faktisk falder på jorden, er ikke helt enkel.
Radarstrålen måler nemlig nedbøren oppe i atmosfæren. Det er ikke nødvendigvis præcis det samme, som en regnmåler registrerer ved jordoverfladen.
En vejrradar måler egenskaber ved nedbøren i atmosfæren og giver et detaljeret billede af dens geografiske fordeling. En nedbørmåler måler derimod det, der faktisk falder på et bestemt sted ved jordoverfladen. De to målemetoder supplerer derfor hinanden.
Dopplereffekten fortæller om bevægelse
Vejrradar kan mere end blot registrere, at der findes noget derude.
Dopplereffekten gør det muligt at undersøge bevægelse.
Princippet kendes også fra lyd. Når en ambulance med sirene passerer, ændrer den oplevede tonehøjde sig, fordi lydkilden bevæger sig i forhold til lytteren.
Ved radar handler det om ændringer i det reflekterede radiosignal.
Ved at analysere Doppler-information kan vejrradaren måle bevægelsen af nedbørspartikler mod eller væk fra radaren.
Radaren måler ikke blot en generel "vindhastighed" omkring sig. Dopplermålingen fortæller om bevægelseskomponenten langs retningen mellem radaren og det, der måles på. Det er en vigtig forskel, når radardata fortolkes meteorologisk.
Hvad betyder dual-polarisering?
DMI's radarer arbejder med dual-polarisering.
Det betyder, at radaren sender og modtager elektromagnetiske bølger med både vandret og lodret polarisation.
Forskellene mellem de returnerede signaler kan fortælle noget om nedbørspartiklernes egenskaber og form.
Regndråber, sne og hagl opfører sig ikke nødvendigvis ens over for radarsignalet.
Det hjælper med at klassificere, hvilken type nedbør radaren observerer.
Større regndråber bliver typisk lidt fladtrykte, mens eksempelvis hagl har en anden form og radarsignatur. Ved at sammenligne radarens målinger i forskellige polarisationer får meteorologerne mere information end ved kun at måle styrken af ét enkelt radarekko.
Radar kan også tage fejl
Det er fristende at se et farvet radarbillede og betragte det som en perfekt gengivelse af virkeligheden.
Men radiosignaler kan reflekteres og spredes af andet end den nedbør, meteorologen ønsker at måle.
Jordoverfladen, havet, bygninger og andre objekter kan give uønskede ekkoer. Atmosfæriske forhold kan også påvirke signalernes udbredelse.
Derfor behandles radardata, så uønskede signaler så vidt muligt identificeres og filtreres fra.
De farvede nedbørsområder på en vejrtjeneste er ikke det rå signal direkte fra antennen. Radaren producerer måledata, som efterfølgende behandles, klassificeres og kombineres, før de bliver til det overskuelige billede, brugeren ser.
Satellitten ser vejret ovenfra
Radiosonden ser atmosfæren på sin vej op.
Radaren undersøger nedbøren omkring sig.
Satellitten ser vejrsystemerne ovenfra.
Meteorologiske satellitter er blevet en afgørende del af det globale observationssystem. De kan observere enorme områder, som ville være umulige at dække alene med målestationer på jorden.
For Europa spiller EUMETSAT en central rolle i driften af meteorologiske satellitsystemer.
Geostationære meteorologiske satellitter befinder sig sådan i forhold til Jordens rotation, at de kontinuerligt kan observere det samme store område. Polar-orbiterende satellitter flyver meget tættere på Jorden og passerer over forskellige områder, efterhånden som Jorden roterer under dem. De to principper giver forskellige typer observationer og supplerer hinanden.
Satellitter ser mere end almindelige billeder
Et satellitbillede med skyer er den mest synlige del af meteorologisk satellitteknik.
Men satellitinstrumenter kan måle langt mere end det, det menneskelige øje ville se fra rummet.
Instrumenter arbejder i forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum og kan levere information om blandt andet atmosfæren, skyerne, havet og jordoverfladen.
Nogle instrumenter måler infrarød stråling. Andre arbejder med mikrobølger.
Dermed kommer vi til en lidt overraskende del af radiospektret.
Passive mikrobølgeinstrumenter kan måle naturlig elektromagnetisk stråling fra Jorden og atmosfæren uden først at sende et radarsignal ud. Det svarer principielt mere til en meget avanceret modtager end til en radar.
En meget følsom radiomodtager har brug for ro
Passive meteorologiske målinger viser, hvorfor frekvensforvaltning kan være vigtig på en måde, man ikke umiddelbart tænker over.
Hvis et instrument forsøger at måle meget svag naturlig elektromagnetisk stråling, kan menneskeskabte radiosignaler i problematiske frekvensområder forstyrre observationerne.
Radiointerferens handler derfor ikke kun om, at to mennesker hører hinanden oven i en walkie-talkie.
Et uønsket radiosignal kan i princippet også påvirke et videnskabeligt instrument, der forsøger at måle noget i atmosfæren eller ved Jordens overflade.
Nogle passive radiotjenester er afhængige af at kunne registrere ekstremt svage naturlige signaler. Beskyttelse af sådanne frekvensområder er en del af den internationale frekvensforvaltning og viser, at radiospektret også bruges til observation – ikke kun til kommunikation.
Men laver radaren så vejrudsigten?
Nej.
Og det er en vigtig forskel.
Radaren fortæller først og fremmest noget om nedbøren, som observeres nu eller meget nyligt. Satellitter, radiosonder, jordstationer, fly, bøjer og mange andre observationssystemer bidrager med andre oplysninger.
Disse data kan blandt andet indgå i numeriske vejrmodeller.
Modellerne beskriver atmosfæren matematisk og beregner, hvordan dens tilstand forventes at udvikle sig fremad i tiden.
Observationer fortæller os noget om atmosfærens aktuelle tilstand. En numerisk vejrmodel beregner den forventede udvikling. Den moderne vejrudsigt bygger derfor på samspillet mellem observationer, databehandling, modeller og meteorologisk vurdering.
Alligevel kan radaren kigge lidt frem
På meget kort tidsskala kan bevægelsen af observeret nedbør bruges til at lave en fremskrivning.
DMI viser eksempelvis en radarfremskrivning for de kommende 90 minutter, hvor den seneste observerede nedbør bevæges frem ud fra dens udvikling og bevægelse.
Det kan være nyttigt, hvis spørgsmålet er meget konkret: Hvornår når den regnbyge, jeg kan se vestpå, frem?
Jo længere frem man ønsker at kigge, desto vigtigere bliver de egentlige vejrmodeller.
Radaren registrerer en byge. Målingerne viser, hvor den befinder sig og hvordan den bevæger sig. En korttidsfremskrivning kan give et bud på dens videre bevægelse. Til sidst står informationen på en skærm hos en person, der bare vil vide, om regnjakken skal med ud ad døren.
Hvorfor skal så mange forskellige målinger kombineres?
Fordi ingen enkelt måleteknik fortæller hele historien.
Radiosonden giver meget detaljerede målinger op gennem atmosfæren, men kun langs sin egen rute.
Vejrradaren kan kortlægge nedbør over et stort område, men måler ikke det samme som en vejrstation ved jordoverfladen.
Satellitten giver et enormt geografisk overblik, men observerer atmosfæren på en helt anden måde.
Jordstationer giver præcise lokale observationer, men de står kun på bestemte steder.
Styrken ligger ikke i ét perfekt instrument, men i kombinationen af mange forskellige observationsmetoder. Når målinger fra jord, atmosfære, radar og satellit kombineres, får meteorologerne et langt bedre billede af atmosfærens tilstand.
Fra måling til varsel
Når kraftigt vejr nærmer sig, bliver hele kæden vigtig.
Observationer viser, hvad der sker.
Vejrmodeller beregner, hvad der sandsynligvis vil ske.
Meteorologerne vurderer udviklingen.
Og hvis vejret forventes at nå et niveau, hvor der er behov for varsling, kan informationen formidles videre til myndigheder, medier, virksomheder og borgere.
Det er derfor lidt upræcist at sige, at radiokommunikation i sig selv varsler os om vejret.
Radio- og sensorteknikken leverer derimod en del af det observationsgrundlag, som gør moderne vejrudsigter og varsler mulige.
Det er nyttigt at skelne mellem de forskellige led. Instrumenterne observerer atmosfæren. Data behandles og indgår blandt andet i meteorologiske modeller. Meteorologerne vurderer udviklingen, og relevante varsler kan derefter udsendes. Hvert led har sin egen funktion.
Fra en lille radiosonde til et globalt observationssystem
Vi begyndte med en ballon.
Et lille instrument steg op gennem atmosfæren og sendte sine målinger ned med radio.
Men radiosonden er kun ét punkt i et enormt observationssystem.
På jorden drejer vejrradarernes antenner rundt og sender elektromagnetiske impulser gennem atmosfæren. Højt over dem passerer meteorologiske satellitter med instrumenter, der kan observere vejret på tværs af lande og kontinenter.
Data fra mange forskellige systemer samles, behandles og bruges til at forstå atmosfæren.
Næste gang du ser et radarbillede med regn på telefonen, er der en direkte forbindelse tilbage til radioteknikken: En radar har sendt elektromagnetisk energi ud i atmosfæren, modtaget bittesmå ekkoer fra nedbøren og omsat målingerne til data, som til sidst er blevet til det billede, du ser.
Vi tænker sjældent over det, når vejrudsigten fortæller, at regnen kommer om en time.
Men bag de små skyer og regndråber på skærmen findes sensorer, antenner, radiosignaler, satellitter, computermodeller og enorme mængder data.
Vejret er stadig lige så svært at kontrollere som altid.
Vi er bare blevet langt bedre til at lytte til atmosfæren.
Copyright © Kinaradio.dk