Kuidas näha tormi?

Meteoroloogiliste prognoosmudelite täpsus algab atmosfääri seisundi mõõtmistest. Ajalooliselt on sademeid mõõdetud maapealsete sademetemõõtjatega, mis tagavad õige paigutuse korral kõige kvaliteetsemad andmed konkreetse asukoha kohta. Nende ajaline lahutusvõime on küll paranenud (ulatudes sekundi suurusjärku), aga ruumiline lahutusvõime (ehk sademetemõõtjate arv pindalaühiku kohta) jääb piiratuks, sest nende paigaldus- ja halduskulud ei ole teatud piirist alates enam mõistlikud. 

Eestis on riiklikku meteoroloogilist seiret korraldava Keskkonnaagentuuri ametlikke sademete mõõtejaamasid 46, ehk umbes üks jaam 1000 km² kohta. Kui kõrvale võtta ohtlike äikesetormide tüüpiline suurus Eestis, milleks on 20−30 km², on selge, et enamik torme läheb jaamadest mööda. Mõõtmiste ruumilise skaala lünka sobib kõige paremini täitma kaugseire.

Ilmaradarite arengulugu sai alguse pooljuhuslikult II maailmasõja ajal. Radarisüsteeme kasutati erinevate missioonide juhtimiseks ja lennukite jälgimiseks, aga vahel märkasid operaatorid ekraanil kummalisi kõrvalisi kajasid. Pärast põhjalikumat uurimist selgus, et need olid põhjustatud sademetest. Sealtpeale hakkasid ka sõjaväe ilmateenistuste meteoroloogid neid kasutama. 

Kuna radareid ümbritses sõja ajal salastatus, on ilmaradarite algusaja kohta vähe teada. Peale sõja lõppu sai USA ilmateenistus sõjaväelt 25 AN/APS2-F radarit, mida asuti meteoroloogiliseks otstarbeks kohandama. Esimene ilmaradar WSR-1 paigaldati aastal 1947 Washingtoni rahvusvahelisse lennujaama ja järgmised mitmele poole üle USA. 

Ilmaradarite kasulikkus selgus kiiresti, kui nende abil aidati äikesetormide ajal lennukitel maanduda ja veelgi olulisemana – näha orkaane ja tornaadosid, mis võimaldas inimesi hoiatada ja vajadusel tormi teelt evakueerida.

Väga lihtsustatult koosnevad ilmaradarid neljast peamisest komponendist: saatjast, antennist, vastuvõtjast ja juhtserverist. Tööpõhimõte on püsinud sisuliselt sama algusest peale: saatjas tekitatakse lühike mikrolaineimpulss, mis suunatakse mööda lainejuhti antennile ja tagasi hajunud signaal suunatakse vastuvõtjasse, kus signaalitöötluse abil tehakse elektrisignaalidest inimesele interpreteeritavad andmed. 

Esimesed ilmaradarid suutsid määrata ainult sademete asukoha ja umbmääraselt sajutugevuse. Oluline uuendus oli 1950ndatel kasutusele võetud Doppleri efekt, mis võimaldas lisaks määrata sajuala liikumiskiiruse ja -suuna. Doppler-võimekusega radarivõrgustikud said vahemikus 1980-2000 arenenud riikides normiks. 

Järgmine suurem areng oli kaksikpolarimeetria kasutuselevõtt. Kui seni mõõtsid radarid signaali horisontaalses polarisatsioonis (elektriväli), siis kaksikpolarimeetrilistes radarites on signaal polariseeritud lisaks vertikaalselt. Tänu kahelt tasapinnalt saadud signaalidele saab hinnata mõõdetava objekti kuju, määrata sademete liiki ja efektiivsemalt filtreerida mitte-meteoroloogilisi objekte. Kaksikpolarimeetrilised radarid hakkasid operatiivses kasutuses levima 2000. aastate teises pooles ja muutusid normiks 2010ndate lõpuks.

Uueks tehnoloogiliseks läbimurdeks on saatjas SSPA (Solid State Power Amplifier) ehk pooljuhtvõimendite kasutamine magnetroni asemel. See tehnoloogia on juba mõnda aega olnud kasutusel nt telekommunikatsioonis ja militaarradarites. 

Ilmaradarites kasutamist on takistanud kõrgeid sagedusi ja võimsusi võimaldavate komponentide madal võimsustihedus, vähene saadavus ja suhteliselt kõrge hind. Tänu galliumnitriid (GaN) transistoride tehnoloogia arengule on need piiravad tegurid ületatud. 

SSPA-tehnoloogial on magnetroni ees mitmeid eeliseid. Üks peamisi on GaN transistoride pikk eluiga (teoreetiliselt üle 100 aasta võrrelduna magnetronide 1-5 aastaga). Samuti on selliste radarite töökindlus suurem – kuna SSPA mooduleid on ühes seadmes mitu, siis üks katkine moodul ei peata radari tööd. SSPA-radarite signaal on väga stabiilne ja laine kuju ideaalile palju lähedasem, mis tõstab mõõdetud andmete kvaliteeti. 

Märkimisväärne erinevus kahe tehnoloogia vahel on nende erinev raadiosageduslik väljundvõimsus, SSPA-saatjates on see mitukümmend korda madalam. Selleks, et saavutada vähemalt sama hea tundlikkus, kasutatakse SSPA-radarites oluliselt pikemaid mikrolaine impulsse. 

SSPA-saatjate kasutamine võimaldab radari arhitektuuri märgatavalt lihtsustada. Varem oli saatja jaoks vaja eraldi konditsioneeritud ruumi, mis toob kaasa pikemad lainejuhid (täiendav signaalikadu) saatjast antennini, võimsa dehüdraatori lainejuhis ühtlase rõhu ja niiskustaseme hoidmiseks ja mitmeid liikuvaid osi (nt lainejuhi pöörlev liigend jne). SSPA-radari disain on kompaktsem: saatja, vastuvõtja ja kõik seotud komponendid saab asetada antenni tagaküljele, eraldi ruumis paikneb ainult juhtserver.

Eesti ilmaradarid

Eesti ilmaradarite ajalugu ulatub 1975. aastasse, mil Tallinn-Harku aeroloogiajaama paigaldati Nõukogude Liidus toodetud X-riba (9,6 GHz) MRL-2 ilmaradar, mis oli kasutusel 25 aastat. Aastal 2000 asendati see kaasaegsema Saksamaal toodetud Doppler-võimekusega Gematronic Meteor 500C radariga. 

Kuigi selle mõõteraadius oli sõltuvalt seadistusest umbes 250 km, ei ulatunud praktiliselt kasutatav ulatus üldjuhul kaugemale Kesk-Eestist – kuna antenn paiknes otse hoone katusel, umbes 7 m kõrgusel maapinnast. 

Eestis tekkis kaasaegne ilmaradarite võrgustik aastal 2008, kui teine ilmaradar paigaldati Kesk-Eestisse Sürgaverre 26,5 m kõrguse torni otsa. See oli Euroopa esimene operatiivkasutuses C-riba kaksikpolarimeetriline Doppler-võimekusega ilmaradar.

Samasugune Soomes toodetud Vaisala WRM200 radar paigaldati 2009. aastal Tallinn-Harku jaama uue 14 m torni tippu. Järgmine suurem tehnoloogiline uuendus toimus aastal 2024, kui Eesti võttis esimesena Euroopas operatiivkasutusse uue põlvkonna C-riba SSPA-radari ja Keskkonnaagentuuri Tallinn-Harku jaama paigaldati Vaisala toodetud WRS300. Ka see radar paigaldati uue ja kõrgema (35 m maapinnalt) torni tippu, kuna eelmise torni kõrgus ei taganud piisavalt puhast horisonti. 

2026. aasta aprilli seisuga on pooleli Lääne-Saaremaale Eesti kolmanda ilmaradari paigaldamine. Lähiaastatel on Keskkonnaagentuuril kavas ilmaradarite võrgustiku täiendav laiendamine ja uute radarite paigaldamine Kagu- ja Ida-Eestisse. 

Uute radarite paigaldamine on vajalik, et katta suurem osa riigist kvaliteetsete andmetega, sest kuigi C-riba radarite maksimaalne tööraadius on 250 km, siis Maa kumeruse tõttu jääb optimaalne mõõteraadius sõltuvalt ilmasituatsioonist 70-100 km ulatusse.

Ilmaradarite peamine eesmärk on sademete mõõtmine ja sellest lähtuvalt on valitud ka kasutatavad sagedused. Euroopas enim levinud C-riba ilmaradarid (5,6 GHz) ei näe pilvi, nagu vahel eksikombel arvatakse, vaid veepiiskasid, mis on piisavalt suured, et sademetena maapinnale langeda (0,1-10 mm). Radar mõõdab tagasihajunud signaali, millest arvutatakse sajuintensiivsus. 

Eesti C-riba radarid 4,5 m antennidega „näevad“ korraga väga kitsast koonust (1°) atmosfäärist. Et saada infot võimalikult suurest osast atmosfäärist, pannakse antenn pöörlema ja iga täispöörde järel suunatakse järgmisele kõrgusnurgale. Ühes mõõtmistsüklis, mis kestab 5 minutit, mõõdetakse olenevalt seadistusest 8-12 erinevat kõrgusnurka. Mõõdetud andmetest pannakse tarkvara abil kokku mitmeid radariprodukte, mida saab eristada nii selle järgi, kuidas andmeid ruumiliselt esitatakse kui ka selle poolest, mis andmeid kuvatakse. 

Kõige klassikalisem on PPI (Plan Position Indicator) ehk ringikujuline ühe kõrgusnurga kuva. Erinevate ilmalehtede levinuim on PCAPPI (Pseudo Constant Altitude PPI) ehk mõõtmistulemused ühel fikseeritud kõrgusel, kasutades lähima PPI andmeid (kui vastavas punktis mõõtmist ei toimunud, siis interpoleeritakse lähimatest mõõtmistulemustest). 

Lennumeteoroloogias on levinud MAX (Maximum Reflectivity) produkt, mis kuvab kõige tugevama peegelduvuse, mis õhusambas mõõdeti. 

Detailseima vertikaalse läbilõike atmosfäärist annab RHI (Range Height Indicator), selle jaoks peab radar ka vastava mõõtmise tegema, kus radar suunatakse konkreetsesse asimuudinurka ja antenni liigutatakse mõõtmise ajal vertikaaltasapinnas.

Eesti ilmaradarite reaalajas andmeid koos järgmise 1,5 tunni lühiennustusega näeb Keskkonnaagentuuri veebilehelt www.ilmateenistus.ee. Masinloetavas formaadis on igaühel võimalik Eesti ilmaradarite andmeid alla laadida Keskkonnaportaalist: https://avaandmed.keskkonnaportaal.ee/.

Keskkonnaagentuuri meteoroloogiajaamasid (Tallinn-Harku ja Tartu-Tõravere) ning Sürgavere radarijaama saavad huvilised külastada 16. mail toimuva Muuseumiöö raames. Täpsem info on vahetult enne ürituse toimumist leitav Keskkonnaagentuuri veebilehelt ja sotsiaalmeediast või Muuseumiöö programmist.[TV1]