Wykład 8 Obserwacje rodzajów chmur oraz stopnia zachmurzenia Krzysztof Markowicz kmark@igf.fuw.edu.pl

Chmury, definicje Istnieje wiele kontrowersji dotyczących definicji chmur dlatego stosuje się różne definicje. Za chmurę uważa się np. zbiór widzialnych produktów kondensacji pary wodnej (kropelek wody lub kryształów lodu). Definicja ta nie jest ścisła gdyż to czy chmurę widzimy zależy od parametrów nie mających nic wspólnego z chmurami. Dzięki pomiarom satelitarnym odkryto chmury typu Ci subvisual, które są niewidoczne z powierzchni Ziemi. Inne definicje chmur opierają się o koncentrację kropelek czy grubość optyczną. Za chmurę przyjmuje się również smugę kondensacyjną Chmurą nie jest jednak pył wulkaniczny Chmura jest odzwierciedleniem dynamiki atmosfery i procesów fizycznych zachodzących w atmosferze. Chmury występują głównie w troposferze lecz bywają obserwowane w stratosferze czy mezosferze.

Chmury W każdej chwili około połowy naszej planety pokryta jest chmurami. Rozkład chmur w atmosferze zależy bardzo silnie od dynamiki Chmury są bardzo dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych, gdyż odbijają znaczną część padającego na nie promieniowania słonecznego (w zakresie fal widzialnych) z drugiej strony istotnie ograniczają wypromieniowanie długofalowe w kosmos. Chmury mają zatem duże znaczenie w kształtowaniu się bilansu radiacyjnego Ziemi. Ich obecność zwiększa albedo planetarne Ziemi z około 14 do 31% Chmury odgrywają istotną rolę w procesach chemicznych. Kondensacja oraz opad są podstawowymi mechanizmami usuwania różnych składników chemicznych z atmosfery

Rys historyczny Klasyfikacje chmur po raz pierwszy zastosował w 1802 roku Luke Howard, brytyjski farmaceuta. Zaproponowany przez niego opis przetrwał do dziś ale uległ znacznej modyfikacji

Podziały chmur Atlas chmur: http://www.chmury.pl Klasyfikacja chmur wg WMO Rodzaje chmur Gatunki chmur Odmiany chmur Chmury macierzyste Podział ze względu na pietra występowania: Chmury górne Chmury średnie Chmury niskie Chmury o budowie pionowej Atlas chmur: http://www.chmury.pl

Podział ze względu na sposób powstawania Chmury frontalne Ci, Cs, As, Ns, Ac Konwekcyjne Cu, Cb Falowe Sc Osiadania Ac, Cc Podział ze względu na produkty kondensacji Chmury mają bardzo szerokie spektrum kształtów, rozmiarów.

Chmury wysokie Chmury nie dające opadu, zbudowane wyłącznie z kryształków lodu. Występują w umiarkowanych szerokościach geograficznych pomiędzy wysokością 6-13 km. W tropikach mogą sięgać 18 km Kolor tych chmur jest zawsze biały Zaliczmy to nich: cirrus cirrocumulus cirrostratus

Chmury wysokie 6000m - 13000m Cirrus (Ci) - pierzaste 6km - 13km Cirrostratus (Cs) – pierzasto-warstwowe 7km - 13km Cirrocumulus (Cc) – pierzasto-kłębiaste 6km - 13km

Chmury średnie Chmury te mogą dawać opad, zbudowane są z przechłodzonych kropel lub kropel wody i kryształów lodu. Występują w umiarkowanych szerokościach geograficznych pomiędzy wysokością 2-5 km. Kolor tych chmur może być zarówno biały jak i szary Zaliczmy to nich: altostratus altocumulus

Chmury średnie 2500m - 6000m Altocumulus (Ac) – Altostratus (As) – średnie kłębiaste 2.5km - 6km Altostratus (As) – średnie warstwowe 2.5km - 5km

Chmury niskie Chmury te często dają opad deszczu, mżawki lub śniegu. Zbudowane są zarówno z kropel wody lub kryształów lodu lub jednych i drugich. Występują w umiarkowanych szerokościach geograficznych pomiędzy powierzchnia ziemi a wysokością 2-3 km. Przybierają zarówno kolory jasne i bardzo ciemne. Zaliczmy to nich: stratus stratocumulus nimbostratus

Chmury niskie 0m - 2500m Stratus (St) - warstwowe niskie 50m - 2km Stratocumulus (Sc) – warstwowo-kłębiaste niskie 200m - 3km Nimbostratus (Ns) - deszczowo-warstwowa 100m - 8km

Chmury o budowie pionowej Jedynie chmury Cb mogą dawać opad w postaci gradu. Zbudowane są z kropel wody a w górnej części z kryształów lodu. Występują w umiarkowanych szerokościach geograficznych od kilkuset metrów do tropopauzy. Kolor tych chmur może być zarówno biały jak i ciemny. Zaliczmy to nich: cumulus cumulonimbus

Chmury o budowie pionowej   Cumulus (Cu) - kłębiaste 600m - 12km Cumulonimbus (Cb) – kłębiasto-deszczowa 300m - 6,5km

Rodzaj Gatunek 3 pierwsze litery Odmiana 2 pierwsze litery Zjawiska Towarzyszące Chmura macierzysta Cirrus, Ci Pierzasta Fibratus Uncinus Spissatus Castellanus Floccus Intortus Radiatus Vertebratus Duplicatus mamma (mam) Cu, Cb, Ac Cirrocumulus, Cc Pierzasto- klebiasta Stratioformis Lenticularis Flocus Undulatus Lacunosus mamma virga Ns, Cu, Cb Cirrostratus, Cs Pierzasto- warstwowa Nebulosus -

Rodzaj Gatunek 3 pierwsze litery Odmiana 2 pierwsze litery Zjawiska Towarzyszące Chmura macierzysta Altocumulus Ac Średnia kłębiasta Stratioformis Lenticularis Castellanus Flocus Translucidus Perlucidus Opacus Duplicatus Undulatus Radiatus Lacunosus mamma virga Cu, Cb Altostratus As Średnia pierzasta --------------- Virga Praecipitatio Mamma Pannus Ac, Cb

Rodzaj Gatunek 3 pierwsze litery Odmiana 2 pierwsze litery Zjawiska Towarzyszące Chmura macierzysta Nimbostratus Ns warstwowo-deszczowa Fibratus Uncinus Spissatus Castellanus Flocus Intortus Radiatus Vertebratus Duplicatus Praecipitatio virga Pannus Cu, Cb StratocumulusSc Stratioformis Lenticularis Te same co w Ac As, Cs, Cb Stratus St Nebulosus Fractus Opacus Translucidus Undulatus Ns, Cu, Cb

Rodzaj Gatunek 3 pierwsze litery Odmiana 2 pierwsze litery Zjawiska Towarzyszące Chmura macierzysta Cumulus Cu Humilis Mediocris Congestus Fractus Radiatus Pileus Velum Virga Arcus Pannus Tuba Cumulonimbus Cb Calvus Capillatus ------------- Praecipitatio Incus Mamma Arcus, tuba Ns, Cu, Sc, As, Ac

Zjawiska Towarzyszące Nazwa skrót Opis Pannus Pan Poszarpane szczepy poniżej głównej warstwy chmur Pileus Pil Czepek lub czapka chmury ponad wznosząca się komórką Velum Vel Cienka, rozległa warstwa chmur, przez która mogą przebijać się najsilniejsze komórki konwekcyjne

Zjawiska Towarzyszące Nazwa skrót Opis Arcus Arc Chmura w kształcie luku lub walu Incus Inc Chmura w kształcie kowadła mamma mam Wypukłości u podstawy chmury Praecipitatio Pre Opad docierający do powierzchni ziemi Tuba Tub Chmura w postaci kolumny lub leja Virga Vir Smugi opadów niedopierające do powierzchni ziemi

Odmiany chmur Nazwa skrót Opis Duplicatus Du Dwie lub więcej warstw Intortus In Splatana lub nieregularnie pozaginana Lacunosus La Cienkie chmury z otworami w równych odstępach, wyglądają jak siec Opacus Op Grube, zasłaniające całkowicie Księżyc i Słonce Perlucidus Pe Rozległa warstwa z przerwami, przez które widać niebo, Księżyc lub Słonce Radiatus Ra Rozchodzące się promieniście z jednego punktu nieba Translucidus Tr Chmura półprzezroczysta, przez którą widać położenie Słońca i Księżyca Undulatus Un Warstwa lub ławica chmur wyraźnie pofalowanych Vertebratus Ve Rzędy chmur wyglądające jak żebra, kręgosłup lub rybie ości

Gatunki chmur Nazwa skrót Opis Calvus Cal Wierzchołki wznoszących się komórek tracą wyraźnie zarysy i staja się gładkie Capillatus Cap Wierzchołki wznoszących się komórek stają się wyraźnie włókniste lub prążkowane, może pojawić się cirrus Castellanus Cas Wyraźnie ukształtowane wieżyczki wznoszące się z rozciągniętej podstawy lub szeregu chmur Congestus Con Chmury rozbudowujące się wzwyż, wyraźny szybki wzrost o wierzchołku wyraźnie zarysowanym w kształcie kalafiora Fibratus Fib Włókniste chmury, zwykle proste lub jednolicie zakrzywione, brak wyraźnych połączeń Floccus Flo Pojedyncze kępki chmur o postrzępionej podstawie, czasem z wyraźnymi smugami Fractus Fra Poszarpana chmura o postrzępionych brzegach i podstawie

Gatunki chmur cd Nazwa skrót Opis Humilis Hum Chmura o ograniczonych zasięgu pionowym, długość większa niż wysokość Lenticularis Len Niezmieniające położenia chmury w kształcie soczewki lub migdała Mediocris Med. Chmury o umiarkowanym zasięgu pionowym, rozwijająca się wzwyż Nebulosus Neb Bezkształtne warstwy chmur o wyraźnej strukturze Spissatus Spi Gęste chmury, oglądane pod Słońcem są szare Stratioformis Str Chmura w postaci rozległej warstwy Uncinus Unc Wyraźnie haczykowate, często bez wyraźnej początkowej „główki”

Pomiary-obserwacje chmur Ocena zachmurzenia Rozpoznawanie rodzajów, gatunków i odmian chmur Określanie kierunku napływu chmur Określanie prędkości ruchu chmur Pomiar podstawy chmur.

Pomiary zachmurzenia Nie ma standardowych przyrządów służących do określania rodzajów chmur dlatego obserwacje wykonywane są przez obserwatora. Podobnie ma się rzecz z określaniem zachmurzenia. Jednak w ostatnich latach pojawiły się przyrządy pozwalające rejestrować je w sposób ciągły. Przyrządy te wykonują zdjęcia nieboskłonu w przypadku pomiarów naziemnych lub zdjęcia satelitarne w przypadku pomiarów orbitalnych. Na podstawie pomiarów satelitarnych powstała 20-letnia baza danych własności optycznych chmur: ISCC – International satellite cloud climatology

Problem z definicją stopnia zachmurzenia Definicja stopnia zachmurzenia nie określa wpływu ściśle wpływu położenia chmur na nieboskłonie na wartość zachmurzenie. Mówi jedynie o stopniu pokryciu chmurami całego nieboskłonu. Problem położenia chmur pojawia się w przypadku chmur konwekcyjnych. Zakładając jednorodny rozkład chmur Cu na nieboskłonie efekt 3D prowadzi do tego, iż blisko horyzontu nie widzimy już błękitnego nieba. Tym samym szacując stopień pokrycia chmurami powinno się uwzględniać obszar zenitalny z największą wagą.

Wyznaczanie stopnia zachmurzenia Element kąta bryłowego na nieboskłonie Rzut na powierzchnie poziomą Stopień zachmurzenia Ncloudy Ntotal – liczba pikseli chmurowych i wszystkich na zdjęciu nieboskłonu. Waga

Symulacja zachmurzenia - GLOBIE osoba KM LB AJ AZ AS właściwe zachm. X

Kamera nieba (Whole Sky Camera) W kamerach nieba wykorzystuje się matryce CCD do obrazowania cyfrowego nieboskłonu. Stosuje się dwie metody obrazowania nieboskłonu przy pomocy obiektywu rybie oko lub zwierciadła. Dodatkowo w celu zasłonięcia tarczy słonecznej stosuje się ruchomy przysłony. Przy użyciu odpowiednich algorytmów szacuje się stopień pokrycia nieba chmurami. Największym problem są wysokie cienkie chmury które często mogą być zakwalifikowane jako warstwa aerozolu lub odwrotnie.

Kamera nieba

Algorytmy detekcji chmur Większość algorytmów wykorzystuje fakt, iż chmury rozpraszają niezależnie od długości fali podczas gdy obszary bezchmurne znacznie silniej rozpraszają fale krótsze. R, G, B składowe spektralne zdjęcia cyfrowego Detekcja obszarów chmurowych opiera się na progowej wartości odpowiedniego indeksu.

Balans Bieli – kalibracja matrycy CCD Jeden w większych problemów stanowi kalibracja kanałów R, G, B matrycy CCD. Dzięki właściwej kalibracji – balansowi bieli barwy na zdjęciu są rzeczywiste. Najczęściej wykorzystuje się w nich fakt, iż biała kartka papieru widoczna za pośrednictwem oczu i po analizie w mózgu widoczna jest jako białą niezależnie od jej oświetlenia. W rzeczywistości białą kartka oświetlona światłem czerwonym ma odcień czerwony. Tak, więc stosowany w aparatach balans bieli jest mało użyteczny w przypadku kamer nieba.

Automatyczny balans bieli Korekcja balansu bieli

Pomiary podstawy chmur CEILOMETR LIDAR Metoda opiera się o pomiar czasu po jakim powraca wysłany uprzednio impuls promieniowania elektromagnetycznego

Inne pomiary chmur- pomiary mikrofizyczne Ze względu na silną degradacje sygnału lidarowego w chmurach, nie może być on używany do pomiarów mikrofizycznych chmur. W tym celu stosuje się radary O radach będzie mowa w dalszej części wykładu Pomiary samolotowe (koncentracja kropel, albedo chmury)