POROVNÁNÍ MĚŘENÍ SRÁŽEK SRÁŽKOMĚREM METRA 886 A AUTOMATICKÝM ČLUNKOVÝM SRÁŽKOMĚREM MR3H VE STANIČNÍ SÍTI ČESKÉHO HYDROMETEOROLOGICKÉHO ÚSTAVU

Transkript

1 POROVNÁNÍ MĚŘENÍ SRÁŽEK SRÁŽKOMĚREM METRA 886 A AUTOMATICKÝM ČLUNKOVÝM SRÁŽKOMĚREM MR3H VE STANIČNÍ SÍTI ČESKÉHO HYDROMETEOROLOGICKÉHO ÚSTAVU Barbora Kněžínková, Český hydrometeorologický ústav, Pobočka Brno, Kroftova 43, Brno, barbora.knezinkova@chmi.cz Rudolf Brázdil, Geografický ústav, Přírodovědecká fakulta MU, Kotlářská 2, Brno, brazdil@sci.muni.cz Petr Štěpánek, Český hydrometeorologický ústav, Pobočka Brno, Kroftova 43, Brno, petr.stepanek@chmi.cz Comparison of precipitation total measurements between the METRA 886 rain-gauge and the MR3H automatic tipping-bucket rain-gauge in the Czech Hydrometeorological Insitute station network. For standard measurement of precipitation within the CHMI network since 1999, the METRA 886 rain-gauge has been systematically replaced by the MR3H automatic tipping-bucket rain-gauge (types MR3H and MR3H-FC). A statistical analysis of differences between measurements taken by the two rain-gauges was performed, based on data from 26 meteorological stations. The MR3H rain-gauge gave generally lower precipitation totals than the METRA 886. Precipitation differences become greater with higher precipitation totals and increasing altitude of stations. The main measurement problems associated with the MR3H are related to technical operation, such as relatively frequent interruption of measurement, heating of the orifice area for measurement of solid precipitation or its filling up with extraneous matter. The information presented in this paper is also important for quality control and homogenisation of precipitation series. KLÍČOVÁ SLOVA: srážkoměr METRA 886 automatický člunkový srážkoměr MR3H chyby měření srovnávací měření statistické zpracování KEY WORDS: METRA 886 rain-gauge MR3H automatic tipping bucket rain-gauge measurement errors comparing measurements statistical analysis 1. ÚVOD Vývoj staniční sítě meteorologických měření Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) si vyžádal, stejně jako v jiných zemích světa, jejich postupnou automatizaci. Nahrazení manuálních měření automatickými však může nepochybně být zdrojem nehomogenit v odpovídajících meteorologických řadách, což je třeba brát v úvahu zejména v souvislosti se zvýšenými nároky na kvalitu meteorologických řad a jejich případnou homogenizaci se zřetelem na problematiku studia kolísání a změn klimatu [17]. V plné míře to platí také pro atmosférické srážky, jejichž homogenizace je ztížena velkou časoprostorovou variabilitou srážkového pole. K tomu navíc přistupuje značné množství chyb od náhodných až po chyby systematické, jimiž jsou měření zatížena, a které vznikají v důsledku činnosti pozorovatele, konstrukcí srážkoměru, nedodržením metodiky měření nebo technickými poruchami. Tyto chyby způsobují ve svém souhrnu ve většině případů podhodnocování měřených srážkových úhrnů, takže je třeba řešit případnou korekci takto zjištěných hodnot [1, 6, 16, 18, 19]. V síti ČHMÚ byly srážky měřeny dlouhou dobu standardním srážkoměrem METRA 886, který začal být od roku 1995 v souvislosti s postupnou automatizací meteorologických měření nahrazován automatickými srážkoměry. V současné době jsou z nich na vybraných stanicích v provozu váhový srážkoměr MRW500 firmy METEOSERVIS [14], dva typy člunkového srážkoměru MR3H (MR3H a MR3H- FC) firmy METEOSERVIS [11, 13] a člunkový srážkoměr RG13H firmy Vaisala [15]. Cílem předloženého příspěvku je statistické zhodnocení výsledků srovnávacích měření srážkových úhrnů prováděných srážkoměrem METRA 886 a automatickým člunkovým srážkoměrem MR3H na vybraných stanicích sítě ČHMÚ, na kterých byly za tímto účelem ponechány oba typy srážkoměrů i po převedení stanice na automatický provoz. 2. CHYBY PŘI MĚŘENÍ SRÁŽEK Jednoduchý způsob měření srážek srážkoměrem METRA 886 (obr. 1a; záchytná plocha 500 cm 2, výška 1 m nad zemí), kdy v ranním klimatologickém termínu se množství vody zachycené ve srážkoměrné nádobě měří v kalibrované odměrce s přesností na 0,1 mm [12], je zatíženo systematickými chybami plynoucími z aerodynamického efektu srážkoměru, smáčení konvice a výparu spadlé vody [1, 6, 16, 18]. Kvantifikace těchto chyb byla provedena na základě srovnávacích měření již v 80. letech 20. století v tehdejším Československu [8, 9, 10] a v řadě dalších zemí. Na základě nich pak byly stanoveny vztahy a metodika, podle nichž bylo možné naměřené úhrny srážek dodatečně korigovat [6, 7]. Tak např. Tihlárik [18] zpracoval metodiku korekce systematických chyb srážkoměru METRA 886, použitou později také při korekci srážek vybraných stanic v České republice [1, 2, 19]. Největší systematická chyba srážkoměru METRA 886 vzniká jako důsledek aerodynamického efektu srážkoměru, kdy část vypadávajících srážek je zesílením prouděním při obtékání srážkoměru strhávána mimo záchytný otvor [1, 6, 19]. Její velikost roste v zimním období, a to následkem vyšší rychlosti větru a častého výskytu tuhých srážek. Ze stejného důvodu se zvyšuje i velikost chyby způsobené aerodynamickým efektem srážkoměru ve vyšších nadmořských výškách a na větrných místech. Velikost chyby způsobené omočením srážkoměru souvisí se zachycováním vody ve srážkoměrném válci nebo v konvici při vylévání do odměrky [10]. Je závislá především na počtu srážkových dnů s úhrny 0,1 mm. Její hodnota značně kolísá. Větší hodnoty však vykazuje v zimním období. Doba, po kterou setrvá voda ve srážkoměrném válci nebo v konvici, má vliv na chybu v důsledku výparu. U srážkoměru METRA 886 je v návaznosti na teplotu vzduchu největší v době změny letní a zimní verze srážkoměru v dubnu (břez- Meteorologické Zprávy, 63,

2 Porovnáním měření srážkoměru Metra 886, člunkového a váhového srážkoměru na observatoři Praha-Libuš v období od srpa) b) Obr. 1 a) Srážkoměr METRA 886; b) automatický člunkový srážkoměr MR3H (foto: archiv ČHMÚ). Fig. 1. a) The METRA 886 rain-gauge; b) the MR3H automatic tippingbucket rain-gauge (photos: CHMI archives). Obr. 2 Poloha a typ meteorologických stanic ČHMÚ použitých k analýze diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H. Fig. 2. Position and type of CHMI meteorological stations used for analysis of differences of daily precipitation totals as measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges. nu) a říjnu (listopadu). Podle Lapina a Priadky [9] je totiž při zimní verzi srážkoměru asi desetkrát větší plocha, z níž dochází k výparu srážkové vody, než při letní verzi. Pokud jde o automatický člunkový srážkoměr MR3H (obr. 1b) a jeho novější verzi MR3H-FC, spočívá měření v registraci každého překlopení člunku po jeho naplnění vodou, jejíž množství odpovídá 0,1 mm. Počet překlopení člunku srážkoměru se registruje v minutových intervalech a do databáze se zaznamenávají jak minutové úhrny tak také jejich suma ke každé patnácté (od roku 2010 na synoptických a automatizovaných klimatologických stanicích ke každé desáté) minutě dané hodiny. Tato automatická měření lze vedle zjištění celkového srážkového a úhrnu přímo použít i ke stanovení intenzity srážek. Výhodou automatického srážkoměru je vyloučení náhodných chyb měření způsobených pozorovatelem. Na druhé straně však tato měření mohou být zatížena problémy souvisejícími s nedokonalostí technických prostředků (např. poruchy překlápěcího mechanismu, poruchy přenosu dat, poruchy termostatu). Pokud není pozorovatelem prováděna průběžná kontrola srážkoměru MR3H, může navíc dojít i k ucpání nálevky nečistotami a tím i ke zkreslení měřených srážkových údajů. Systematické chyby srážkoměru MR3H byly popsány na základě systematických chyb registračních srážkoměrů, do jejichž skupiny tento přístroj náleží [16]. Chyba způsobená aerodynamickým efektem srážkoměru MR3H podléhá stejným zákonitostem jako tatáž chyba u srážkoměru METRA 886 (viz výše). Chyba v důsledku omočení srážkoměru bude u srážkoměru MR3H mírně vyšší než u srážkoměru METRA 886, a to kvůli větší ploše vnitřních stěn srážkoměru, na kterých může srážková voda ulpívat (člunek atd.). Výpar nastává u registračních srážkoměrů jen tehdy, pokud se v době trvání srážek nenaplní celá polovina člunku (tedy 0,1 mm) a srážková voda zůstane na člunku i po skončení srážek. Chyba způsobená výparem bude tedy v letním období pravděpodobně nižší než u srážkoměru METRA 886, a to díky lepší konstrukci srážkoměru MR3H. V zimních měsících však může z důvodu vytápění srážkoměru dosahovat daleko vyšších hodnot než u srážkoměru METRA 886. S vytápěním srážkoměru souvisejí i jiné chyby při měření srážek, jako například chyby spojené s opožďováním tání sněhu v záchytné nádobě (a tím ovlivněné změny intenzity srážek). U novějšího typu člunkového srážkoměru MR3H-FC je vytápěn nejen prostor pod nálevkou srážkoměru, ale ve dvou sekcích i samotná nálevka. Pomocí krátkodobého intenzivního šokového topení horního kruhu záchytné plochy v určeném čase a za určených podmínek by měla být u tohoto typu srážkoměru zaručena maximální účinnost při měření tuhých srážek při minimálním odparu [11]. Problémem srážkoměru MR3H je podle Sevruka [16] také podhodnocení srážkového úhrnu při intenzivních deštích, kdy se člunek nestačí dostatečně rychle překlápět a část srážkové vody je rozlita, a tudíž neměřena. Tento problém by však již u nového typu srážkoměru MR3H-FC měl být vyřešen dynamickou korekcí naměřených výstupních hodnot podle okamžité intenzity srážek [11]. 148 Meteorologické Zprávy, 63, 2010

3 Tab. 1 Přehled meteorologických stanic použitých pro analýzu srovnávacích srážkoměrných měření a jejich vybrané charakteristiky. Typ stanice: 1 synoptická, 2 klimatologická (základní), 3 srážkoměrná. Table 1. Meteorological stations used for analysis of comparative rain-gauge measurements and their selected characteristics. Station type: 1 synoptic; 2 climatological (basic); 3 rain-gauge. Název stanice Zkratka názvu Typ stanice Typ člunkového srážkoměru Počet měsíců srovnávacího měření Nadmořská výška (m) Doksany DOKS 1 MR3H Praha-Karlov PKAR 1 MR3H Brno-Žabovřesky BZAB 2 MR3H Ostrava-Poruba PORU 2 MR3H Praha-Libuš PLIB 1 MR3H Praha-Ruzyně PRUZ 1 MR3H Nové Syrovice NSYR 3 MR3H-FC Hradec nad Svitavou HRAS 3 MR3H-FC Přibyslavice BPRI 3 MR3H-FC Velká Bíteš VBIT 3 MR3H-FC Luká LUKA 1 MR3H Kocelovice KOCE 1 MR3H Český Rudolec CRUD 3 MR3H-FC Radostín RADO 3 MR3H-FC Přibyslav PPRI 1 MR3H Košetice KOSE 1 MR3H Vysoké Studnice VSTU 3 MR3H-FC Kostelní Myslová KMYS 1 MR3H Třešť TRES 3 MR3H-FC Nové Město na Moravě NMES 3 MR3H-FC Mariánské Lázně MLAV 2 MR3H Nedvězí NEDV 2 MR3H Červená CERV 1 MR3H Churáňov CHUR 1 MR3H Lysá hora LYSA 1 MR3H Šerák SERA 1 MR3H Výškový interval (m n.m.) do nad 1000 na 2005 do března 2006 se zabýval Burda [3]. Na základě tohoto porovnání srážkových úhrnů naměřených těmito třemi srážkoměry bylo konstatováno, že člunkový srážkoměr není v některých případech schopen eliminovat usazené srážky. V takovýchto situacích je často zaznamenáno překlopení člunku srážkoměru, zatímco úhrn srážkoměru METRA 886 je 0,0 mm. Podrobnější analýza pro větší počet stanic a delší období měření byla provedena Gajduškovou [4, 5], o jejíž rozšířené výsledky se zčásti opírá i tento příspěvek. 3. ÚDAJE POUŽITÉ PRO POROVNÁNÍ SRÁŽKOMĚRŮ Porovnání měření srážkoměru METRA 886 a automatického člunkového srážkoměru MR3H vycházelo z údajů 26 vybraných meteorologických stanic sítě ČHMÚ, na nichž souběžná měření oběma srážkoměry trvala alespoň 12 měsíců v období (obr. 2). S ohledem na závislost měřených úhrnů srážek a velikosti jejich chyb na nadmořské výšce byly použité stanice dále rozděleny do čtyř výškových skupin: do 400 m (6 stanic), m (15 stanic), m (2 stanice) a nad m (3 stanice) (tab. 1). Je zřejmé, že v obou posledních skupinách mohou být výsledky porovnání ovlivněny ve větší míře menším počtem stanic. Pro stanovení denního úhrnu srážek automatického srážkoměru MR3H byly použity součty patnáctiminutových srážkových sum od 7 hodin středoevropského času (SEČ) daného dne do 7 hodin SEČ následujícího dne, které byly do databáze uloženy přímo ze srážkoměru MR3H bez dodatečných úprav (zatímco denní úhrny srážek MR3H, které se v porovnání se srážkoměrem METRA 886 liší o více než 0,3 mm, jsou z důvodu nespolehlivosti srážkoměru MR3H v databázi opravovány na hodnotu úhrnu srážkoměru METRA 886). Denní srážkové úhrny srážkoměru METRA 886 zjišťované standardním způsobem byly převzaty z databáze ČHMÚ. Pro porovnání obou srážkoměrů byly použity pouze dny, kdy existovala data pro oba srážkoměry, tedy dny, kdy byl nenulový úhrn srážkoměru METRA 886 a zároveň nebyl v žádném patnáctiminutovém intervalu výpadek registrace srážek u automatického srážkoměru MR3H (dále uváděny jako srážkové dny). Z těchto hodnot pak byla pro každou stanici vypočtena řada odpovídajících diferencí denních srážkových úhrnů (METRA 886 mínus MR3H), která byla Meteorologické Zprávy, 63,

4 základem pro následnou statistickou analýzu. Kladná diference tedy udává vyšší úhrn srážek naměřený srážkoměrem METRA 886 a záporná diference srážkoměrem MR3H. Důvodem, proč byly zpracovávány pouze dny s nenulovým úhrnem srážkoměru METRA 886, je skutečnost, že tento srážkoměr je v síti ČHMÚ brán jako srovnávací a proto se předpokládá, že jím naměřený srážkový úhrn je správný. Případy, kdy pozorovatel nezapíše naměřený úhrn srážek přesto, že srážkoměr METRA 886 srážky zachytil, patří mezi náhodné chyby srážkoměru METRA 886 a neměly by proto být dávány do souvislosti se srážkoměrem MR3H. Případů, kdy podle srážkoměru METRA 886 nebyly žádné srážky nebo jejich množství bylo neměřitelné (0,0 mm) a srážkoměr MR3H zaznamenal současně nenulový úhrn bylo asi 23 %; ve 4,5 % případů se jednalo o situaci, kdy srážkoměr MR3H naměřil 0,1 nebo 0,2 mm, což může ukazovat na vyšší citlivost srážkoměru MR3H na usazené srážky (viz kap. 2). Vedle srážkových úhrnů byly k vzájemnému porovnání obou srážkoměrů využity rovněž další meteorologické veličiny. S ohledem na stanovení chyby způsobené výparem byla ve srážkových dnech brána v úvahu také teplota vzduchu ve 14 hodin středního místního času (SMČ) a maximální hodnota sytostního doplňku ze tří termínových klimatologických měření. Protože tyto charakteristiky se neměří na srážkoměrných stanicích (viz tab. 1), nemohly být některé analýzy pro ně zpracovány. K charakterizování závislosti diferencí mezi úhrny obou srážkoměrů na výskytu srážek v pevném skupenství a pro ověření opožďování registrace srážek srážkoměrem MR3H při sněžení byla využita výška nového sněhu v 7 hodin SMČ a dny s výskytem meteorologických jevů reprezentujících smíšené nebo tuhé srážky na jednotlivých stanicích. Pro stanovení změny diferencí srážkoměrů METRA 886 a MR3H mezi všemi srážkovými dny a dny s konvektivními srážkami, kdy se očekává velká intenzita srážek, byly zpracovány dny s blízkou bouřkou (tj. bouřka vyskytující se ve vzdálenosti 0 až 10 km od stanice). 4. POROVNÁNÍ SRÁŽKOVÝCH ÚHRNŮ NAMĚŘENÝCH SRÁŽKOMĚRY METRA 886 A MR3H Obr. 3 Krabicové grafy (medián, dolní a horní, 10. a 90. percentil) a extrémní kladné a záporné hodnoty (čísla) diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H na jednotlivých stanicích v letech (zkratky názvů stanic a typ člunkového srážkoměru viz tab. 1). Fig. 3. Box-plots (median, lower and upper quartile, 10th and 90th percentiles) and extreme positive and negative values (figures) of the differences in daily precipitation totals measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges at individual stations in (for abbreviations of station names and the type of tipping-bucket rain-gauge see Table 1). 4.1 Základní statistické charakteristiky diferencí denních srážkových úhrnů Rozdělení diferencí denních srážkových úhrnů srážkoměru METRA 886 a automatického člunkového srážkoměru MR3H vyjádřené krabicovým grafem na jednotlivých stanicích ukazuje obr. 3. Dobře patrná je převaha kladných diferencí, tedy převládající počet dnů s vyšším úhrnem naměřeným srážkoměrem METRA 886. Devět stanic měřících člunkovým srážkoměrem MR3H-FC (viz tab. 1) nevykazuje oproti měřením s MR3H nižší diference srážkových úhrnů, spíše naopak. Chyby způsobené podhodnocováním srážkového úhrnu při intenzivních deštích tedy pravděpodobně nejsou tak velké, aby jejich korekce výrazně zlepšila kvalitu měření srážek člunkovým srážkoměrem. Také vylepšení systému vytápění srážkoměru MR3H-FC pravděpodobně kvalitu měření srážek příliš nezlepšuje. V souhrnném hodnocení stanic podle čtyř zvolených výškových intervalů je zřejmá převaha kladných diferencí denních srážek ve výškách nad 400 m n. m., nejvýrazněji vyjádřená pro stanice v nadmořské výšce nad m, kde činí 66,7 % (tab. 2). Zde je také nejnižší podíl nulových diferencí (15,5 %), který dosahuje nejvyšší hodnoty pro stanice v intervalu m (45,0 %). Pro první tři výškové intervaly (obr. 4) leží % diferencí (postupně 57,5, 45,4 a 58,6 %) v intervalu hodnot 0,1 mm až 0,1 mm, tj. v rámci očekávaného rozptylu hodnot daného přesností měření MR3H a přesností odečtu úhrnu pozorovatelem pro srážkoměr METRA 886. Ve výškovém intervalu nad 1000 m n.m. činí tento podíl pouze 32,4 %, přičemž na největší diference 2,0 mm připadá více než pětina případů (21,5 %). Vysoké kladné hodnoty maximálních diferencí nastaly ve většině případů ve dnech, kdy došlo z různých důvodů k ucpání nálevky člunkového srážkoměru nečistotami nebo nahromaděným sněhem nebo k výpadkům elektrického proudu. Naopak vysoké záporné hodnoty maximálních diferencí mohly být způsobeny například opožděným táním sněhu v nálevce srážkoměru MR3H. Pro řady diferencí denních srážkových úhrnů obou srážkoměrů byly dále vypočteny základní statistické charakteristiky vždy pro všechny údaje v daném výškovém intervalu (tab. 3). Hodnota mediánu diferencí denních srážkových úhrnů se s nadmořskou výškou stanic nepatrně zvyšuje, stejně jako hodnota horního u a 90. percentilu. Na stanicích v nejnižších nadmořských výškách je hodnota mediá- Tab. 2 Relativní četnosti (%) záporných, nulových a kladných diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech Table 2. Relative frequencies (%) of negative, zero and positive differences in daily precipitation totals measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges for groups of stations at different altitudes in the period Diference srážek Výškový interval (m n. m.) Záporné 35,1 17,2 12,1 17,8 Nulové 31,5 24,9 45,0 15,5 Kladné 33,4 57,9 42,9 66,7 150 Meteorologické Zprávy, 63, 2010

5 Obr. 4 Relativní četnosti (%) rozdělení diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech Fig. 4. Relative frequencies (%) of the distribution of differences in daily precipitation totals measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges for groups of stations at different altitudes in the period nu 0,0 mm, na stanicích nad m 0,2 mm. ná denní diference s nadmořskou výškou stanic také roste, a sice od 0,0 mm na stanicích pod 400 m do 1,3 mm na stanicích nad m. Vyšší hodnota aritmetického průměru oproti mediánu napovídá, že většina diferencí leží v rozmezí 0,1 až 0,1 mm (viz výše), ale občasné velké rozdíly mezi denními úhrny srážkoměrů zvyšují hodnotu aritmetického průměru až k hodnotě horního u. Protože dolní je na stanicích v nadmořských výškách nad 400 m nulový, znamená to, že v 75 % všech srážkových dnů naměří srážkoměr MR3H nižší úhrn srážek než srážkoměr METRA 886. Kladné hodnoty koeficientu asymetrie (kromě kategorie nejníže ležících stanic) potvrzují převahu kladných diferencí denních srážek mezi oběma měřeními. Rozdělení diferencí vykazuje pro všechny čtyři výškové intervaly kladnou špičatost (zejména pro interval m n. m.). V ročním chodu diferencí měsíčních úhrnů srážek (obr. 5) lze pozorovat obecně větší diference srážkoměrů v listopadu až dubnu, kdy automatický srážkoměr MR3H naměří v porovnání s obdobím od května do října mnohem méně srážek než srážkoměr METRA 886. Větší diference jsou přitom zaznamenávány na stanicích ve vyšších nadmořských výškách (hlavně nad 1000 m). Vzhledem ke skutečnosti, že v měsíčních sumách srážek by se již neměly projevovat rozdíly způsobené opožďováním tání sněhu v nálevce srážkoměru a opožďováním registrace srážek, mohl by tento fakt znamenat například Tab. 3 Statistické charakteristiky diferencí denních srážkových úhrnů (mm) měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech Table 3. Statistical characteristics of differences in daily precipitation totals (mm) measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges for groups of stations at different altitudes in the period Výškový interval (m n. m.) Počet měření 10. percentil 90. percentil Koeficient asymetrie Koeficient špičatosti ,0-0,4-0,1 0,0 0,1 0,4-3,7 118, ,4-0,2 0,0 0,1 0,5 1,6 12,0 379, ,4-0,1 0,0 0,0 0,4 1,2 4,6 56, ,3-0,3 0,0 0,2 1,4 4,7 1,1 59,4 Meteorologické Zprávy, 63,

6 Obr. 5 Roční chod diferencí měsíčních úhrnů srážek (mm) měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých výškových intervalech (1 400 m n. m., m n. m., m n. m., m n.m.) v letech Fig. 5. Annual variation of differences in monthly precipitation totals (mm) measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges for groups of stations at different altitudes (1 400 m; m; m; m) in the period problémy automatického srážkoměru MR3H při intenzivním a dlouhodobém vypadávání tuhých srážek, kdy se zcela zaplní nálevka a další tuhé srážky již nemohou být zachyceny. Dalším možným důvodem velkých diferencí měsíčních sum srážek jsou zřejmě poruchy automatického srážkoměru MR3H, kdy tento srážkoměr několik dnů za sebou neregistruje žádné srážky i přesto, že podle měření srážkoměru METRA 886 srážky vypadávaly. Porucha automatického srážkoměru má pravděpodobně za následek i velmi vysoké průměrné diference srážek na horských stanicích v srpnu a listopadu, kdy po několik dnů za sebou při vysokých úhrnech srážek naměřených srážkoměrem METRA 886 udával srážkoměr MR3H nulové hodnoty a v listopadu nebyl úhrn doregistrován (což by mohlo indikovat ucpání srážkoměru nebo opožděné tání tuhých srážek v nálevce srážkoměru). V ročním chodu měsíčních diferencí jsou patrné také menší rozdíly mezi srážkoměry v jarních a podzimních měsících (duben, květen, září, říjen), dokonce i ve prospěch MR3H. Pokud se vztáhnou diference denních úhrnů obou srážkoměrů k velikostním intervalům měřených denních srážek, zaznamenává srážkoměr MR3H podobné srážkové úhrny jako srážkoměr METRA 886 při denních srážkách 0,1 0,9 mm, přičemž s jejich rostoucí velikostí narůstají diference výrazněji ve prospěch klasického srážkoměru (tab. 4). To platí zejména pro dny s úhrny 10,0 mm a nejvýše ležící stanice (např. pro tyto úhrny činí průměrná diference stanic v intervalu m n. m. 1,7 mm a pro stanice nad m n. m. již 5,4 mm). S ohledem na největší diference denních srážek pro vyšší srážkové úhrny se také sledovala vazba na intenzivní srážky konvektivního původu. Podhodnocování srážek srážkoměrem MR3H při bouřkách se však neprokázalo (tab. 5 6), neboť na některých stanicích se průměrná diference srážkoměrů ve dnech s bouřkou oproti všem srážkovým dnům zvýšila, zatímco na jiných se naopak snížila. Z hodnocení diferencí větších než 5,0 mm nebo menších než 5,0 mm pak vyplynulo, že přibližně v 10 % případů se tento velký rozdíl vyskytuje ve dnech, kdy přes stanici přešla bouřka, přičemž více těchto případů bylo zaznamenáno jen na stanicích v nižších nadmořských výškách. Z provedených analýz ale nelze dost dobře najít příčinné objasnění této skutečnosti. Poměrně velké procento případů s vysokými diferencemi srážkoměrů patří dnům bez srážek podle měření MR3H a také dnům, kdy byla zaznamenána nová sněhová pokrývka (na stanicích v nadmořských výškách nad m připadá na tyto dny až 78,3 % zmíněných případů viz tab. 5). Důvodem nezaznamenaných srážek automatického srážkoměru může být porucha srážkoměru, ucpání nálevky srážkoměru nečistotami (listí, hmyz atd.), nebo zatuhnutí (drhnutí) vaničky člunku (při dlouhých rekalibračních lhůtách), kdy voda protéká bez registrace. Teoreticky může dojít také k zamrznutí vody z roztátých tuhých srážek v překlopném člunku srážkoměru (např. z důvodu poruchy termostatu). K zamrznutí tuhých srážek v člunku mohlo dojít ve dnech se zápornou teplotou, jichž je na všech skupinách stanic přibližně polovina z těch, kdy úhrn srážkoměru MR3H byl nulový. Tab. 4 ná diference denních srážkových úhrnů (mm) měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H podle velikostních intervalů denních srážek naměřených srážkoměrem METRA 886 na stanicích v různých výškových intervalech v období Table 4. Mean differences in daily precipitation totals (mm) measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges according to intervals of daily precipitation totals measured by METRA 886 for groups of stations at different altitudes in the period Výškový interval (m n.m.) Počet dnů 5,0 9,9 mm 10,0 mm Počet dnů ,1 0,0 0,0-0, ,2 0,0 0,1-0, ,0 0,0 0,2 0, ,0 0,1 0,6 0, ,0 0,0 0,1 0, ,0 0,0 0,5 0, ,0 0,0 0,1-0, ,0 0,3 1,2 0,5 Výškový interval (m n.m.) Počet dnů 5,0 9,9 mm 10,0 mm Počet dnů ,4 0,0 0,2-0, ,3 0,1 0,9 0, ,0 0,2 1,0 0, ,2 1,0 2,7 2, ,0 0,0 0,3 0, ,0 0,3 1,5 1, ,0 0,3 1,6 1, ,3 2,2 9,6 5,4 152 Meteorologické Zprávy, 63, 2010

7 Tab. 5 Počet dnů s diferencí denních úhrnů srážek 5,0 mm a percentuální podíly (%) dnů s jejich možnými příčinami (a podíl dnů, kdy srážkový úhrn srážkoměru MR3H je nulový; b podíl dnů s nenulovou výškou nové sněhové pokrývky; c podíl dnů, kdy srážkový úhrn srážkoměru MR3H je nulový a zároveň teplota vzduchu ve 14 h SMČ byla záporná; d podíl dnů s výskytem blízké bouřky) pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech Table 5. Number of days with differences of daily precipitation totals 5.0 mm and percentage proportions (%) of days, with possible causes (a proportion of days without precipitation according to MR3H; b share of days with the depth of new snow cover above zero; c proportion of days without precipitation according to MR3H and air temperature at 14 h mean local time negative; d proportion of days with the occurrence of nearby thunderstorm) for groups of stations at different altitudes in the period Výškový interval (m n. m.) Počet dnů s diferencí 5,0 mm a b c d ,4 36,4 18,2 27, ,3 34,6 17,9 5, ,0 70,0 50,0 5, ,1 78,3 28,3 2,9 Tab. 6 Počet dnů s diferencí denních srážek 5,0 mm a percentuální podíly (%) dnů s blízkou bouřkou pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech Table 6. Number of days with differences of daily precipitation totals 5.0 mm and percentage proportions (%) of days with nearby thunderstorm for groups of stations at different altitudes in the period Výškový interval (m n. m.) Počet dnů s diferencí 5,0 mm Podíl dnů s blízkou bouřkou (%) , , , ,7 4.2 Porovnání systematických chyb srážkoměrů METRA 886 a MR3H Systematická chyba způsobená aerodynamickým efektem je podle analogického tvaru obou srážkoměrů a provedených analýz pravděpodobně u obou srážkoměrů velmi podobná. Důvodem k pochybám by mohla být snad jen odlišná výška srážkoměrného válce [16]. Pro přesné stanovení chyby způsobené aerodynamickým efektem srážkoměru by však muselo být patrně provedeno matematicko-fyzikální modelování ve větrném tunelu. Analýzou denních úhrnů obou typů srážkoměrů se potvrdila hypotéza o odlišném chodu systematické chyby v důsledku výparu u každého z nich. Nejvyšší hodnoty systematické chyby způsobené výparem ze srážkoměru METRA 886 se vyskytují za slunečných a teplých dnů v měsících září, říjen, duben a květen, kdy je používána zimní verze srážkoměru (obr. 6). V takovýchto dnech je diference srážkoměrů METRA 886 a MR3H většinou velmi blízká 0,0 mm. Toto však neplatí v takové míře na stanicích v nížinách, a to pravděpodobně proto, že na těchto stanicích dochází k pozdější (v jarním období dřívější) výměně letní verze srážkoměru za zimní (v jarním období zimní za letní). Přesné datum výměny letní verze srážkoměru METRA 886 (s nálevkou) za zimní verzi srážkoměru METRA 886 (bez nálevky) a naopak nebylo možné pro účely Obr. 6 Chod průměrných diferencí měsíčních srážkových úhrnů (mm) METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých nadmořských výškách (1 400 m n.m., m n. m., m n.m., m n. m.) v období říjen 2005 až duben 2007 (v těchto měsících probíhalo souběžné měření oběma srážkoměry na všech 26 vybraných stanicích). Fig. 6. Variation of mean differences in monthly precipitation totals (mm) measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges for groups of stations at different altitudes (1 400 m; m, m, m) in the period October 2005 April 2007 (parallel measurements with both types of rain-gauges were provided in these months at all 26 selected stations). této práce použít, neboť tato výměna probíhá na každé stanici individuálně podle potřeby a každý rok se mění. Obecně menší diference jsou mezi úhrny naměřenými klasickým a automatickým srážkoměrem v období duben až říjen (s výjimkou srpna 2006 na stanicích nad m n. m., kde došlo pravděpodobně k poruše srážkoměru MR3H na stanici Šerák, viz kap. 4.1, obr. 5) což souvisí pravděpodobně s nižší poruchovostí automatického srážkoměru v tomto období a s nepřítomností tuhých srážek, které by mohly způsobovat ucpání srážkoměru a opožděné odtávání sněhu v nálevce. Systematická chyba srážkoměru MR3H související s výparem je pravděpodobně nejvyšší v zimním období, kdy nejspíše v některých případech dochází k akumulaci tuhých srážek v nálevce srážkoměru a k opožďování registrace srážek. Ve dnech s tuhými srážkami a výškou nové sněhové pokrývky nad 5 cm naměřil srážkoměr METRA 886 na stanicích nad 1000 m n. m. průměrně o 5,0 mm větší srážkový úhrn než automatický srážkoměr MR3H (tab. 7), na stanicích Tab. 7 né diference denních srážkových úhrnů (mm) měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H podle skupenství srážek (a kapalné, b smíšené, c tuhé, d tuhé a zároveň výška nové sněhové pokrývky 5 cm, e bez rozlišení druhu) pro skupiny stanic v různých nadmořských výškách v letech Table 7. Mean differences in daily precipitation totals (mm) measured by METRA 886 and MR3H rain-gauges according to precipitation type (a liquid; b mixed; c solid; d solid with the depth of new snow cover 5 cm; e all precipitation) for groups of stations at different altitudes in the period Výškový interval (m n. m.) a b c d e 400 0,0 0,0 0,1 0,9 0, ,3 0,4 0,8 2,0 0, ,1 0,4 1,0 3,0 0, ,6 1,4 2,0 5,0 1,3 Meteorologické Zprávy, 63,

8 do této úrovně pak o 0,9 3,0 mm větší srážkový úhrn. Výška sněhu nad 5 cm byla pro tyto analýzy stanovena jako dostatečná hodnota pro riziko nahromadění sněhu v nálevce automatického srážkoměru. Analýzy však prokázaly, že ani opožděně není ve většině případů doregistrována celá hodnota srážkového úhrnu naměřená srážkoměrem METRA 886. To může být způsobeno výparem srážek z nálevky srážkoměru MR3H z důvodu vyhřívání. Pravděpodobně ale může nastat také situace, kdy se při intenzivním a dlouhodobém vypadávání tuhých srážek zcela zaplní nálevka automatického srážkoměru a další tuhé srážky již nemohou být zachyceny. Nejvíce podhodnocuje srážkoměr MR3H tuhé srážky ve vysokých nadmořských výškách, což je logicky způsobeno vyššími úhrny srážek, větším počtem dnů s tuhými srážkami a nižšími teplotami vzduchu ve vyšších polohách. Část problémů s měřenými hodnotami MR3H patrně souvisí s jejich nedůslednou kontrolou pozorovateli (např. ucpání nečistotami). Vedle možného výpadku termostatu může být dalším problémem volba teploty vyhřívání srážkoměru MR3H (4 C), volené jako jistý kompromis pro zajištění tání tuhých srážek na straně jedné a co nejmenšího výparu na straně druhé. Pokud jde o možné systematické podhodnocení měření srážkoměrem MR3H při intenzivních srážkách (viz kap. 4.1), měla by být vypočtena tzv. kalibrační křivka srážkoměru, která by stanovila, jak velké je podhodnocení (příp. nadhodnocení srážkových úhrnů) při jednotlivých intenzitách srážek [16]. Ke konstrukčnímu snížení takovéto chyby by mohl přispět co nejmenší průměr odtokové trubice nálevky srážkoměru. této trubice musí být však stanoven velmi citlivě tak, aby nedocházelo k jejímu častému zanášení nečistotami. 5. ZÁVĚR Obecně lze konstatovat, že na základě provedených srovnávacích měření patří mezi nevýhody srážkoměru MR3H zejména poměrně časté výpadky v měření (chyby vzniklé přímo při měření nebo chyby v přenosu údajů do databáze), nespolehlivost termostatu (a s tím spojené chyby způsobené špatným nebo dokonce úplně chybějícím vytápěním nálevky srážkoměru) a nutnost poměrně časté kontroly, zda nálevka srážkoměru není zanesena nebo ucpána nečistotami. Jistým problémem dat z automatických srážkoměrů může být i absence synchronizace času stanice a času obslužného počítače s občanským časem (v minulosti činil rozdíl na některých stanicích až 20 minut). Jako nevýhodná se jeví také vyšší citlivost srážkoměru MR3H na usazené srážky nebo opožděná registrace srážek související s postupným odtáváním tuhých srážek v nálevce srážkoměru. Ani nový typ automatického srážkoměru MR3H-FC se softwarovou korekcí intenzivních srážek a vylepšeným systémem vytápění neznamená podle provedených analýz výrazné zlepšení kvality měření. Na druhé straně, velkou výhodou automatického srážkoměru MR3H je dostupnost údajů v téměř reálném čase a vyloučení náhodných chyb měření plynoucích z menší pečlivosti pozorovatele (např. kdy pozorovatel srážky vůbec nezaznamená). Z klimatologického hlediska by byla další výhodou (za předpokladu správnosti dat) snadná dostupnost minutových (nebo deseti- či patnáctiminutových) intenzit srážek. I při vyřešení výše uvedených problémů by ale srážkoměr MR3H mírně podhodnocoval měřené srážkové úhrny v porovnání se srážkoměrem METRA 886, i když rozptyl diferencí mezi oběma typy srážkoměrů by se zajisté zmen- šil. Také stanovení korekcí měření by v takovém případě bylo daleko jednodušší než za stávající situace. Ve shrnutí Mezinárodní meteorologické organizace (WMO) k výsledkům laboratorního srovnávání měření intenzity srážek více než deseti automatickými srážkoměry [20] bylo konstatováno, že při dodržování určitých doporučení by automatický člunkový srážkoměr MR3H, resp. nově vyvinutý typ MR3H-FC, měl být schopen dostatečně spolehlivě měřit srážkové úhrny i intenzitu srážek. Mezi doporučení patří například pravidelné provádění kalibrací automatických srážkoměrů, stanovení metodiky korekcí systematických chyb měření a využívání měření referenčním srážkoměrem [21]. Přesto se v současné době započalo s výměnou člunkových srážkoměrů za váhové srážkoměry MRW500 firmy METEOSERVIS (zpočátku hlavně na synoptických stanicích) z důvodu jejich údajné větší spolehlivosti. Protože však člunkový automatický srážkoměr MR3H bude jistě po nějakou dobu na mnoha stanicích ČHMÚ dále využíván, měl by být i nadále kladen důraz na podrobnou znalost systematických i jiných chyb tohoto srážkoměru a na jejich následnou eliminaci. Například v červnu 2010 probíhala souběžná měření srážek automatickým a klasickým srážkoměrem na 26 % z celkového počtu 139 stanic (včetně synoptických stanic) v působnosti brněnské pobočky ČHMÚ. Pro největší část těchto souběžných měření (67 %) byl využíván srážkoměr MR3H, pro 30 % nový typ tohoto srážkoměru MR3H- FC a na jedné stanici (3 %) automatický váhový srážkoměr MRW500. Přestože některé problémy s měřením srážek naznačené v tomto příspěvku zůstaly ne zcela uspokojivě zodpovězeny, což může souviset i s rozsahem zpracovávaných souborů, mají získané poznatky zásadní význam pro homogenitu (a následnou homogenizaci) srážkových řad a jejich využitelnost ke studiu kolísání a změn srážek v České republice. Poděkování: Článek vznikl díky finanční podpoře Grantové agentury České republiky pro řešení grantu č. P209/10/0605 Kolísání klimatu České republiky v období přístrojových pozorování na základě homogenních sekulárních řad. Za korekci angličtiny patří poděkování panu Tony Longovi (Svinošice). Zvláštní dík autorů patří recenzentovi článku Ing. Pavlu Lipinovi (ČHMÚ Ostrava), který přispěl k jeho zkvalitnění řadou zpřesňujících připomínek. Literatura [1] BRÁZDIL, R. ŠTĚPÁNKOVÁ, P., Korekce systematických chyb při měření srážek na Milešovce v období Meteorologické Zprávy, roč. 51, č. 5, s ISSN [2] BRÁZDIL, R. ŠTEKL, J., eds., Klimatické poměry Milešovky. Praha: Academia. 433 s. ISBN X. [3] BURDA, V., Porovnání srážkoměrů na observatoři Libuš srpen 2005 březen [Zpráva ČHMÚ.] Praha. [4] GAJDUŠKOVÁ, B., Hodnocení systematických chyb při měření srážek na stanicích ČHMÚ standardním staničním a automatickým srážkoměrem. [Bakalářská práce.] Brno: Masarykova univerzita. 41 s. [5] GAJDUŠKOVÁ, B., Porovnání manuálních a automatických měření vybraných meteorologických prvků v síti stanic ČHMÚ. [Diplomová práce.] Brno: Masarykova univerzita. 80 s. [6] LAPIN, M. FAŠKO, P. KOŠŤÁLOVÁ, J., Zhod- 154 Meteorologické Zprávy, 63, 2010

9 notenie zrážkových pomerov na území Slovenska po korekcii systematických chýb meraní zrážok. Meteorologické zprávy, roč. 43, č. 4, s ISSN [7] LAPIN, M. FAŠKO, P. KOŠŤÁLOVÁ, J. ŠAMAJ, F., Zrážkové pomery na Slovensku po oprave systematických chýb meraní atmosférických zrážok. Vodohospodársky časopis, roč. 39, č. 3 4, s ISSN [8] LAPIN, M. LEDNICKÝ, V. PRIADKA, O., Upresnenie systematických chýb československých štandardných zrážkomerov METRA 886. [Záverečná správa výskumnej úlohy II-5-1/01.] Bratislava: SHMÚ. [9] LAPIN, M. PRIADKA, O., Korekcie systematických chýb merania atmosferických zrážok. Meteorologické zprávy, roč. 40, č. 1, s ISSN [10] LEDNICKÝ, V. PRIADKA, O., Straty zrážok vzniklé omočením srážkoměrných nádob zrážkomera METRA 886. In: Práce a štúdie 21. Bratislava: HMÚ, s [11] MR3H-F (MR3H-FC) Rain Gauge. METEOSERVIS, 2008, 2 s. [12] Návod pro pozorovatele meteorologických stanic. Metodický předpis č. 13, Ostrava, ČHMÚ [13] Příručka uživatele. METEOSERVIS, 2004, s [14] Příručka uživatele Váhový srážkoměr MRW500. METEO- SERVIS, 2008, 90 s. [15] RG13, RG13H Rain Gauge. Vaisala [on-line] [cit ] Dostupné na: < pdf>. [16] SEVRUK, B., Niederschlag als Wasserkreislaufelement. Theorie und Praxis der Niederschlagsmessung. Zurich-Nitra: Eigenverlag ETH Zurich. 200 s. ISBN [17] Solomon, S. Qin, D. Manning, M. Marquis, M. Averyt, K., et al, eds., Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge: Cambridge University Press. 996 s. ISBN [18] TIHLÁRIK, R., Chyby meraní zrážok a ich korekcie. [Dizertačná práca.] Bratislava: Slovenská technická univerzita. 164 s. [19] TOLASZ, R. et al., eds., Atlas podnebí Česka. Praha Olomouc: Český hydrometeorologický ústav, Univerzita Palackého. 255 s. ISBN [20] LANZA, L. Leroy, M. Alexandropoulos, C. Stagi, L. Wauben, W., WMO Laboratory Intercomparison Of Rainfall Intensity Gauges, 2005 [on-line] [cit ]. Dostupné na: < IMOP/reports/ /RI-IC_Final_Report.pdf>. [21] WMO No. 8 Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, Chapter 6 Measurement of Precipitation. 7th Edition, 2008 [on-line] [cit ]. Dostupné na: < www/imop/publications/cimo-guide/cimo%20 Guide%207th%20Edition,%202008/CIMO_Guide-7th_ Edition-2008.pdf >. Lektor (Reviewer) Ing. P. Lipina. Meteorologické Zprávy, 63,