Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére

Átírás

1 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag NKFP-00028/2005 Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére I. Munkaszakasz Konzorciumvezető: Országos Meteorológiai Szolgálat Konzorciumi tagok: Eötvös Lóránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék Témavezető Nagy Zoltán 1

2 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Szakmai beszámoló A pályázat célja: az Országos Meteorológiai Szolgálat felszíni, automata meteorológiai mérőhálózatába integrálva, egy olyan háttérklíma hálózat létrehozása, amely a mérési körülmények, (területi reprezentativitás; természetes és mesterséges tereptárgyak zavaró hatásaitól mentes mérési körülmények, melyek hosszú távra is tervezhetők, illetve ismertek) az alkalmazott mérési módszerek és eszközök, valamint a mérésekhez kapcsolódó adatellenőrzési és karbantartási eljárások, a mérési eredmények olyan, korábban nem elérhető megbízhatóságát, pontosságát, illetve időbeli stabilitását biztosítja, ami szilárd alapot nyújt a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak lehető legpontosabb felméréséhez. A 2006-os év a hároméves projekt első éve, melyben a fő célkitűzés a mérőhálózat telepítéséhez kapcsolódó módszertani megalapozó tevékenység volt. A 2006-os évre kitűzött feladatok egy része szerves egységet képez, így az 1.b.1 1.b.2, valamint az 1.b.3 1.c.1 feladatokat egységesen, azonos fejezeten belül tárgyaljuk. (1. táblázat) Az egyes feladatokra vonatkozó részletesebb vizsgálati anyagokat az mellékletek tartalmazzák. 2

3 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Tartalomjegyzék 1.a részfeladat b.3 és 1.c.1 részfeladat. 6 1.b.1 és 1.b.2 részfeladat c.2 részfeladat b.4 részfeladat c.3 részfeladat

4 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag 1.a, A mérőhálózat optimális felépítésére vonatkozó módszertani vizsgálatok (Kiegészítő ábrák az 1. mellékletben.) Az állomás elhelyezésénél két tényezőt kell figyelembe venni: a természeti feltételeket, azaz egy-egy terület minél jobb leírhatóságát (nagy reprezentativitást), illetve előfeltételként nem tudunk eltekinteni a már létező állomáshálózattól, mivel a kiemelt éghajlati állomások adatait is ellenőrizni kell, ott is bekövetkezhet adatvesztés (ha rövidebb időre is, mint egy normál állomáson), bekövetkezhet előre nem tervezhető környezeti változás, ami hatásainak megszüntetéséhez a többi állomás adatait kell felhasználnunk. A jelen rész célja az, hogy megvizsgálja, milyen regionalitásokat érintő javaslatokat lehet kidolgozni a meteorológiai állomások telepítésére. Ehhez áttekintjük a hazai és külföldi körzetesítési tapasztalatokat, illetve felhasználjuk az OMSZ jelen állomáshálózatának méréseiből adódó tapasztalatokat. Hazai körzetesítési vizsgálatok Magyarországot sok szempont szerint körzetesítették: Az egyik legjobban elterjedt a Földrajztudományi Kutatóintézetben kidolgozott rendszer, amelyet kissé részletesebben is tárgyalunk. Ez a három tájnagyságot különböztet meg, a nagy-, a közép- és a kistájat. Ez a felosztás azért is hasznosítható számunkra, mert a nagytájak száma kevés, azaz összemérhető az állomástelepítési lehetőségeinkkel. Másik nagy, általánosan elterjedt körzetesítés az ország agroökológiai potenciáljának felmérésekor készült. Ez 36 régiót tartalmaz, ami jelen vizsgálatunk szempontjából túlságosan részletes. A sok, speciális körzetesítésből itt csak néhányat említünk meg: - az OMSZ előrejelzése által használt hatrégiós séma, ami elsősorban a szinoptikus rendszerek Magyarország felett való áthaladásának sajátosságaihoz készült; - a nagy hidegeket vizsgáló, a talaj fagyási mélysége szerinti osztályozást végző körzetesítés, ami elsősorban az alacsony hőmérsékletek jellemzőit veszi figyelembe. Még tovább is sorolhatnánk a különböző tematikus feldolgozásokat, azonban meg kell jegyezni, hogy ezek között a felosztások között a jelen projekt témáját tekintve nagy gyakorlati különbség nincsen. Az FKI tájosztályozása: Az éghajlat az éghajlati rendszer elemei kölcsönhatásának az eredménye. Ez a megfogalmazás kissé tautológikus, de mivel az éghajlatnak nincsen általánosan elfogadott definíciója, ezért jelen esetben ebből indulunk ki. Az éghajlati rendszerbe beletartoznak a geoszférák, mint a lito-, pedo-, bio-, hidro- és atmoszféra. Tehát, ahol egy viszonylag nagyobb területre reprezentatív állomást szeretnénk telepíteni, ott az atmoszférikus jellemzőkön kívül az egyéb, az éghajlattal kölcsönhatásban levő rendszereket is meg kell vizsgálni. Az FKI osztályozása szerinti 6 nagytáj (1. melléklet, 1. ábra): - Alföld - Kisalföld - Nyugat-magyarországi Peremvidék - Dunántúli-dombság - Dunántúli-középhegység - Észak-magyarországi Középhegység Ezek a körzetek a nagytáj definíció szerint kerültek kijelölésre. Ez azt jelenti, hogy kijelölése során nemcsak a természet-, hanem a társadalom-földrajzi viszonyokat is figyelembe vették. A természeti résznél szerepel geomorfológiai, éghajlati, vízrajzi, növényzeti, talajtani stb. szempont is. Ezen szempontok egy része csak közvetetten hat a meteorológiai mérésre, más része azonban közvetlenül és jelentősen. Ezek közé tartozik például a domborzati, vízrajzi, talajtani stb. szempont. Ezért gondoljuk, hogy a földrajzi osztályozás is egy fontos adalék a mérőhely kiválasztásánál. 4

5 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag A hazai hőmérséklet- és csapadék trendek eloszlása A vizsgálatokhoz jól használható a hasonló melegedésű, nedvesedésű/szárazodású területek összevetése. (Hasonló osztályozások történtek például Svájcban.) Ez gondolatmenetileg illik a vizsgálatunk céljához: az éghajlatváltozás lehető legjobb megfigyeléséhez hazánk területén. Ha a melegedést vizsgáljuk, az elmúlt 100 év során az ország nyugati része jobban, a keleti kevésbé melegedett. (1. melléklet, 2. ábra) Az eredeti és a homogenizált évi középhőmérsékleti adatsorokhoz ( ) tartozó trendértékek becslései, valamint a 0,9 megbízhatósági szintű konfidencia-intervallumok: ÁLLOMÁS TRENDÉRTÉK ( C/100 év) Becslés 0,9 szintű konfidencia-intervallum Budapest 0,72 (0,35 ; 1,10) Debrecen 0,57 (0,17 ; 0,96) Kecskemét 0,62 (0,22 ; 1,02) Miskolc 0,59 (0,18 ; 1,00) M.m.óvár 0,85 (0,45 ; 1,25) Nyíregyháza 0,49 (0,07 ; 0,92) Pécs 0,76 (0,36 ; 1,17) Sopron 0,82 (0,43 ; 1,22) Szeged 0,60 (0,19 ; 1,01) Szombathely 0,72 (0,33 ; 1,11) Átlagsor 0,68 (0,29 ; 1,07) Az elmúlt 30 évben bekövetkezett melegedést figyelembe véve, az alábbi körzeteket tudjuk megkülönböztetni: - Alpokalja és a Kisalföld - Dunántúli-középhegység - Somogyi-dombság - Zalai-dombság déli része - Gödöllői-dombság - Északi-középhegység - Hajdúság - Duna-Tisza közének középső része és a Tiszazug Foltszerűen, kisebb régiót alkot a Mecsek és a Duna-Tisza köze déli részének középső területei. A csapadék változásához az elmúlt 54 éves időszak tendenciáit használtuk fel. (1. melléklet, 2. ábra) Eszerint az ország túlnyomó részén szárazodás következett be, kivéve a Hajdúság és Nyírség egy részét. Ezen kívül, a szárazodási területek az alábbiak: - Zalai dombság, Kisalföld déli része - Kisalföld többi része, Dunántúli-középhegység - Somogy, Baranya jelentős része - Budai-hegység - Bükk, Cserehát - Az Északi-középhegység többi része - Duna-Tisza közének közepe - Duna-Tisza közének többi része, Tiszazug - Szeged környéke 5

6 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Az OMSZ állomáshálózata segítségével végzett reprezentativitás vizsgálat A jelen esetben a reprezentativitást az (1-hiba)/szórás kifejezéssel becsüljük. Az 1 a nagyon jó, a 0 a teljesen rossz érték. A hőmérséklet esetben a reprezentativitás sokkal stabilabb, viszonylag szűkebb határok között mozog, míg a csapadék esetében a térbeli eloszlás, illetve a kapott reprezentativitás értékek jelentős évi menettel rendelkeznek. A hőmérséklet ábráján (1. melléklet, 4. ábra) jól látszik, hogy még júliusban is a hőmérsékleti adatok mezoreprezentációja (a térkép felbontása mintegy fél kilométerszer fél kilométer) egyenletesen magas, három kiváló területtel (Alföld közepe, Budapesttől K-ÉK-re, illetve a Kisalföld nyugati felében. A DNy-i határ mentén van egy még jó reprezentativitású, de a többinél valamivel gyengébb terület. A csapadék sajátosságai miatt, a téli időszakban magasabbak a reprezentativitás értékek, amikor a csapadék nagyobb része frontális eredetű, a kisebbek nyáron, amikor a konvektív eredetű csapadékok túlsúlya jellemző. Általában elmondható, hogy a térbeli mintázat sokkal szaggatottabb, mint a hőmérséklet esetében. (1. melléklet, 3.a - d ábrák) A januári értékek még elég magasak, ezen belül is elsősorban a Duna-Tisza közén, a Tiszántúlon és az Északi középhegység egyes területein, míg rosszabb a helyzet a Dunántúlon, ahol csak a Kisalföld és a Balaton déli részein, illetve a Tolnai-dombságban van valamivel jobb reprezentativitás. A februári értékek hasonlítanak a januárihoz, bár a magasabb reprezentativitású területek kissé nyugatra tolódtak. Megmaradt a jó részek között a Nyírség, a Dél-Tiszántúl, a Duna-Tisza köze, illetve javult az Északi-középhegység helyzete. A Dunántúl keleti részén is emelkedtek az értékek, hasonlóan a Kisalföld nagy részéhez. Nem változott a helyzet a Dunántúl DNy-i részén. Márciusban már romlik a helyzet. Magasabb értékek maradnak a nyírség egyes részein és a hozzá kapcsolódó északi-középhegységi területeken, illetve a Dél-Tiszántúlon. Alacsonyabb értékek jelennek meg a Dunántúlon, különösen a Bakony és az Alpokalja egyes területein. Áprilisban a helyzet jelentősen rosszabb, mint márciusban. A jobb értékek most átkerülnek az ország Ny-i, ÉNy-i területére (Kisalföld, Zalai-dombság), míg ezek a relatíve magasabb értékek csak foltokban vannak meg a Duna másik felén (Gödöllői-dombság, Kecskemét környéke, Nyírség egyes részei), és alacsony értékek jelennek meg a keleti határszélnél (ami lehet a határhatás ), a Mátra DNy-i előterében. Májusban az alacsonyabb átlagoktól való eltérés már csak foltszerűen jelenik meg. Valamivel magasabb értékek az Alpokalja, Kisalföld, Bakony, Kecskemét térsége és a Gödöllői-dombság területén vannak, míg a rosszabbak a Zempléni-hegység előterében és Békéscsabától délre. Júniusban az erős konvektivitás miatt foltokban rosszabb a helyzet az Alföld egyes területein és az Északi-középhegységben. Júliusban a helyzet Sopron környékén, a Kisalföld és a Dunántúli-középhegység egyes részein javul, az Alföld egyes területein (Északi-középhegység előtere, Duna-Tisza közének egyes részei és a keleti határvidék) jelentősen romlik. Augusztusban a helyzet tovább javul a Dél-Dunántúlon (Somogy, Észak-Baranya), illetve a konvekció miatti alacsony reprezentativitású foltok csak a Duna-Tisza közének egyes részein maradnak meg. Szeptemberben ismét magas értékek jelennek meg Sopron, Kecskemét és Budapest környékén, a Bakonyban, de jó a helyzet szinte az egész Dunántúlon, a Tiszántúl és a Nyírség jelentős részén és az Északi-hegység előterében. Októberben szinte az egész országban jó a helyzet. Novemberben is, kivétel a Börzsöny és az Alpokalja egy része. Decemberre valamit romlik a helyzet. Elsősorban az ország középső kétharmadában marad jó, viszont a Börzsönyben és az Alpokalja egyes részein tovább romlik. Következtetés A fentiekből következik, hogy a referencia állomások telepítésének a helye egy kompromisszumos döntés, hiszen szinte nincsen olyan hely, ami valamennyi szempont szerint megfelelne a kritériumoknak. Fontos továbbá megjegyezni, hogy legalább egy (maximum kettő) állomást hegyi 6

7 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag (legalábbis magyar értelemben vett hegyi) körülmények közé kell helyezni. Ezen állomás elhelyezésénél már jelenleg is felhívjuk a figyelmet a lokális tényezők körültekintő megválasztására a konkrét hely kijelölésénél. A legjobbnak tartott körzetek a következők: - Debrecen és környéke - A Kisalföld déli, délnyugati része, ahol az Alpokaljával érintkezik - Kecskemét és környéke - A beérkező mediterrán ciklonok vonalán vagy Barcs, vagy a Mecsek északi része, vagy Szekszárd környéke A hegyi állomásnak mindenképpen Kékestető megtartása mellett a Bükk fennsíkon egy további állomás telepítése. Amennyiben még valamilyen erőforrás marad, a Bakony középső részén levő mérés is értékes eredményeket szolgáltathat. 1.b.3, A kiemelt háttérklíma állomáshoz kapcsolódó, a közvetlen környezet hatásait elemző vizsgálatok módszertani megalapozása 1.c.1, A talajfelszín hatása az alapvető klímaparaméterek méréseiben (Részletes vizsgálati anyag a 2. mellékletben.) Az állámások elhelyezésével kapcsolatos általános követelmények A tervezett állomásokat homogén, sík felszínek felett kell elhelyezni. Hasonlóan más nemzetközi mérésekhez itt is követelmény, hogy a mérőkertben a növényzet magassága kisebb legyen 15 cm-nél, valamint a szenzortól legalább 100 m-re nem lehet mesterséges hő kibocsátó, vagy visszaverő felület (pl. épület, beton), illetve olyan akadály, ami a csapadékmérést, illetve a sugárzásmérést akadályozza. A 10 m-es szinten folytatott szélmérés minimális követelménye, hogy a szenzort környező felszín magasságváltozása 5 m-nél kisebb egy 300 m sugarú körön belül. A szenzor az akadályoktól, az akadályok magasságánál legalább 10-szer nagyobb távolságra van. Az akadály magassága kisebb 5 m- nél egy 150 m-es körön belül és kisebb 7 m-nél egy 300 m-es körön belül. A szenzor egy környező akadály-csoport (pl. facsoport) szélességénél legalább 15-ször nagyobb távolságra helyezkedik el. Ezek standard mérési követelmények, de betartásukra e mérési programban külön is törekedni kell. A környezet hatása a meteorológiai elemekre A mért meteorológiai érték a mérőműszerre ható összes tényező eredőjeként áll elő. Ezek között vannak olyanok, amelyeket gyakorlatilag mindig elhanyagolunk, vannak, amelyeket valamilyen módon figyelembe tudunk venni és vannak, amelyeket általában igyekszünk figyelembe venni. Az adatminőség ellenőrzése bonyolult feladat, ami az elektronikus szenzorok esetében még nehezebb. Az ellenőrzött adatokon még homogenitás vizsgálatot szoktak végezni, különösen akkor, ha a mérés körülményeiben bizonyíthatóan változás állt be. Általában nincs korrekció a hőmérsékletmérések esetében, ez a mennyiség jól homogenizálható. Az európai meteorológiai szolgálatok túlnyomó többségénél nincsen korrekció a csapadék mérésére, pedig a látszólagos egyszerűsége ellenére ez a mérés jelentős hibákkal bír. A környezet pedig jelentősen hat a szélre. A szélmérések pontosságát még az is rontja, hogy a szélmérő magassága nagyon különböző szokott lenni, néha jelentősen eltér a WMO ajánlásaitól. Itt a két leginkább érintett elemet vizsgáljuk, a csapadékot és a szelet. Szélmérés A szél a környezeti hatásokra az egyik legérzékenyebb meteorológiai elem. Így az állomáson mért érték alapvetően két fő részből áll: egyrészt, az időjárási rendszerek által meghatározott szélsebességből és irányból, másrészt, a környezetnek erre az időjárási szélre gyakorolt hatásából. A környezet alatt értjük a domborzatot, ami a minőségétől függően akár több 10 km távolságból is hathat 7

8 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag a mérésre, az állomás környezetének érdességét, azaz a felszínborítást, illetve a szél útjában álló különböző akadályokat. Elvileg megkövetelhetjük, hogy a meteorológiai állomásnak lehetőség szerint olyan területen kell állnia, amely minél nagyobb területre jellemző, minél kevésbé háborítsák a közelben levő akadályok, ez azonban a szél esetében meglehetősen nehéz, különösen a talaj közeli légrétegekben. Az egyes akadályok hatása függőlegesen akár a magasságuk három-, vízszintesen szorosára is kiterjedhet. Ennek különösen akkor van jelentős hatása, ha a mérések időtartama alatt az akadály változik, vagy változhat. Így például fák esetében nagy valószínűséggel változik és változni is fog, építmények esetében azok jellegétől függően időben hosszabb ideig állandó lehet. Bár a környezetben lezajló változások kiszűrésére már léteznek statisztikai módszerek, ezek csak megközelítő jellegűek lehetnek. Amely helyen, időben és adott körülmények között nem mértünk, ott a mérési eredményt pontosan soha sem fogjuk tudni, viszont általában kielégítően jó megközelítéssel becsülhetjük. Ezért fontos, hogy a lehetőségekhez mérten kíséreljük meg a szélárnyékoló hatást elkerülni. Akadályok Az akadály hatása a szélmérésre függ: - az akadálytól való távolságtól, - az akadály magasságától, - a mérés magasságától, - az akadály hosszától, - az akadály porozitásától. Ezen utóbbi azt mutatja, hogy az akadály mennyire átjárható a légmozgás szempontjából. Ez az épületek esetében 0, fák esetében mintegy 0,5. Ha azonos házak soráról van szó, amelyek között az épületek harmadának megfelelő tér van, akkor a porozitás mintegy 0,33. Első közelítésben a szélsebesség korrekciója (1-porozitás) tényezővel szorzódik meg. A 0 porozitású akadály szélsebesség csökkentő hatása százalékban, az akadály magassága szerinti egységekben Még egy kisebb domb is jelentős sebességnövekedést okoz a csúcs közelében a szél felőli oldalon, míg a széltől védett részen lényegében ez a növekedés a domb aljáig megmarad. Ez előtt és ez után a sebesség lecsökken. Előtte a domb okozta torlódás, utána a csúcs okozta turbulencia okozza ezt a jelenséget. A csúcson akár 80 % -kal is megnőhet a sebesség. 8

9 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Az alsó grafikon egy 100 m magas domb keresztmetszetét ábrázolja. A vízszintes tengelyen a csúcstól való távolságot találhatjuk, m-ben. A felső grafikon pedig a relatív sebességet mutatja. A szélprofilok különbsége a feláramlási oldalon és a csúcson idealizált esetben. A domborzat és az érdesség együttes hatása. Bal oldalon egy nagy sík felszín (jelen esetben a tenger) található. Az ettől való távolsággal a sebesség csökken, de a csökkenés során jól követi a domborzati változásokat. 9

10 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Csapadékmérés A csapadékmérés hibája jelentős mértékben a széltől függ, melynek részletesebb tárgyalását az 1.c.3 feladatnál találhatjuk. Elöljáróban annyit, hogy a szél okozta eltérés mértéke nagyon nagy is lehet. Mivel mértéke erősen változik, ezért a meteorológiai szolgálatok nem szokták figyelembe venni. Egy nyugat-európai körkérdés során a válaszadók közül egyedül a svédek említették meg, hogy alkalmaznak korrekciót. A hiba meghatározásánál legnagyobb problémát az okozza, hogy a csapadékmérő magasságában általában nincsen szélmérés. (A mérési program ismertetésénél már láthattuk, hogy a csapadékmérés magasságánál, vagyis 1 m-es magasságban tervezzük a szélsebesség mérését.) A csapadék fajtája szerint is jelentősek az eltérések (hó, eső és havas eső, amely különböző mértékben tartalmazhatja a havat és a vizet), amelyet a csapadékmérő geometriája még növelhet. A hiba megállapítására a svájciak hidrodinamikai modellt alkalmaztak és az alábbi következtetésekre jutottak (a havas esőt félig hónak, félig esőnek tekintették): Összességében 18 %-ot tett ki a csapadékkorrekció. A magas mérőhelyeken a hó és a viharok együttes hatásaként a korrekció elérte a 320 %-ot is, de a vizsgálatba bevont csapadékmérők egyharmada esetében meghaladta a 100 %-ot. Mivel a csapadék magasságtól való függése gyakran nem volt megfigyelhető (például inverziók esetében), ezért az interpolációs hiba a napok több mint 88 %-ában meghaladta a 10 % -ot. A mérőműszerek hatásterülete (a horizontális reprezentativitás kérdése) A tervezett állomások működése során a 1,5-2,5 km-es környezetében bekövetkező változásokat kell folyamatosan nyomon követni. Hozzávetőlegesen ez az a távolság, amelyről érkező hatások megjelennek az alsó 10 m-es réteg méréseiben. Ez az ún. footprint. Arról tájékoztat, hogy az aktuális mérések legyen az, meteorológiai állapotjelző, vagy turbulens áram milyen területet reprezentálnak. E vizsgálatokat a mikrometeorológiai mérések (meteorológiai állapotjelzők, momentum és hő áram) ismeretében végezhetjük el. Az erre kifejlesztett programok az EU5- GREENGRASS program eredményeként rendelkezésre állnak, de felhasználható a számításokhoz az Internetről szabadon letölthető EDIRE programcsomag is. ( az Edinbourgh-i Egyetem a 2011-ig folyó NitroEurope program egyik résztvevője kutatási partnerünk.) A mérési szintek tervezésénél fő szabályként azt mondhatjuk, hogyha a homogén felszín kiterjedése az adott irányban x méter, akkor a reprezentatív magasság (h), ahol az esetek többségében (az időszak kis hányadában előforduló erősen stabilis rétegződésű, nagy szeles helyzeteket kivéve) az adott felszínre jellemző karakterisztikákat mérjük, h = 0,3 x. 10 m-es standard meteorológiai mérőtoronnyal számolva a homogén terület mérete a mérőoszlop ~1 km-es környezete. A mikrometeorológiai mérések számára kritikus turbulens árammérések (szonikus anemométer) elhelyezésére javasolt 4-5 m-es magasságra ez az érték m. Ez az a minimális homogén terület (fetch), aminek a biztosítására törekedni kell. A műszerek optimális magassága (vertikális reprezentativitás) A horizontális homogenitás és a hatásterület után a következő kérdés a műszerek optimális magasságának meghatározása. Ez a standard meteorológiai méréseknél nem jelent problémát. A WMO előírások szerint standard szinteken kell mérni (Az állomások egyenszilárdságúak a hazai szinoptikus főállomásokkal.) A sugárzásméréseknél a hazai gyakorlatot alapul véve a 2 m-es magasságot javasoljuk. A direkt áramméréseket olyan szintben kell elhelyezni, hogy a felszíni hatások már ne befolyásolják a méréseket. Ez az érdességi magasságnak (ami alacsony vegetáció esetén cm-es nagyságrendű legalább) szerese. A fluxus mérésekre tehát a 4-5 m-es szintet javasoljuk. Itt a felszín feletti turbulens örvények már m-es nagyságrendűek, a 10 Hz-es mérési felbontás (szonikus anemométerek) már megfelelőek. Ezt a stratégiát követtük az EU4 GRAMINAE és az EU5 GREENGRASS programban is. 10

11 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag A felszínközeli réteg profiljai a légköri stabilitásról, a turbulens kicserélődés erősségéről tájékoztatnak. A hasonlósági elmélet alapján különböző stabilitási viszonyok mellett (eltérő impulzus szenzibilis és latens hőáramok feltételezésével, kis érdességi magasság mellett) A modellszámítások szerint a 10 m-es szint felett már nem számíthatunk jelentős szél, hőmérséklet és nedvességi gradiensre. Az általunk javasolt 4 mérési szint az 1 m, 2 m, 4,5 m és 10 m. Itt a gradiensek közel azonos nagyságúak és a relatív nedvesség kivételével jól mérhető (logaritmikus mérési szintek). Modellszámításaink alapján a nedvesség-gradiens pontos meghatározására harmatpont mérést javaslunk. A 10 m-es szint felett a nagy hatásterület és a kis gradiensek esetén már nem kapunk lényegesen több információt. A következő szint m-en lenne optimális, a profil szempontjából, de telepítését a kiemelt állomáson kívül nem javasoljuk hiszen e szint stabilis rétegződés esetén már kívül eshet a felszín közeli rétegen, erősen labilis rétegződés esetén, pedig a mért gradiensek gyakran a standard mérőműszerek hibahatárán belül vannak. A 10 m-es standard mérőárboc optimális megoldás a profilmérésekhez, a közvetlen felszíni hatások kizárásához. Fontos eleme a mérőrendszernek a víz- és hőforgalom mérése a talajban. Itt az optimális megoldás a talajvíz-tükörtől induló talajhőmérséklet és talajnedvesség mérés. A felszín alatti első szintre az 5 cm-t javasoljuk. Fontos szint a -30 cm és az -1 m is. A méréseket a területre jellemző homogén talajban kell végezni. A talaj hőáram mérésére az 10 és a 30 cm-es mélységet feltétlenül javasoljuk. 1.b.1, Háttérklíma állomások standard mérési programjának meghatározása 1.b.2, A kiemelt háttérklíma állomás mérési programjának meghatározása (A feladatokra vonatkozó részletes jelentés a 2. mellékletben található.) A kitűzött feladatok esetében első lépésként áttekintettük más országok hasonló mérőhálózatainak a működését (2. melléklet, 1. fejezet), részletesebb képet kapva például az USA, Kanada, Ausztrália, Németország, Tibet mérőhálózatainak felépítéséről, illetve ugyancsak információt kaphatunk azon nemzetközi megállapodásokról, programokról melyekhez mérőhálózatunk működése a jövőben kapcsolódhat. A nemzetközi kitekintés két szempontból is fontos, mivel egyrészt más országok hasonló mérőhálózataiban a mérési körülmények valamint a műszerezettség kialakítása mintául szolgálhat a magyarországi mérőhálózat számára, másrészt egyértelmű, hogy a magyarországi mérőhálózat hosszú távú működtetésekor alapvető fontosságú a szoros nemzetközi együttműködés kiépítése, amely esetében a mérések összehasonlíthatósága, egyenszilárdsága meghatározó szempont. A kitekintés alapján a következőket állapíthatjuk meg: Egységes a nemzetközi akarat az éghajlatváltozás nyomon követésére szolgáló jobb monitoring rendszerek kidolgozására; Néhány fejlett országban az ezredfordulón kezdődött el a konkrét gyakorlati munka az éghajlati rendszer jobb megismerését szolgáló mérőhálózatok kidolgozására; A célzott mérőrendszer kialakításának koncepciója harmonizál Magyarországnak az említett nemzetközi együttműködésekben történő részvételével; A célzott mérőrendszer tervezett telepítési körülményei, illetve mérési programja, más országok mérőhálózataihoz képest gyakorlatilag tökéletes illeszkedést mutat. A nemzetközi áttekintés alapján, más országok mérőrendszereinek másolásával elméletileg lehetséges lenne a magyarországi célzott mérőhálózatunk mérési programjának meghatározása. Ennek ellenére egyértelműen fontosnak tartottuk, hogy a mérőhálózat telepítését, hazai kutatási eredményeket felhasználó, megalapozó módszertani vizsgálatokkal támasszuk alá, melyek alapvetően a mikrometeorológiai kutatások (felszín közeli rétegek turbulens kicserélődési folyamatai) témaköréhez tartoznak. Ezen vizsgálatokkal azon kérdésekre is választ kaphatunk, hogy a talajfelszín hatása hogyan és meddig befolyásolja az alapvető klímaparaméterek mérését, amely alapvető információ lehet a szüksége mérési szintek meghatározásánál. A részletes vizsgálati eredményeket a 2. melléklet, 2.2 és 2.3 fejezetei tartalmazzák, melyek összefoglaló eredményei a következők: 11

12 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Mérési program, mérési szintek, műszerezettség Célzott mérőhálózatunk mérési programját a nemzetközi mérési programok tapasztalatai alapján (NitroEurope, FLUXNET) és a hazai éghajlati mérőhálózat ismeretében, állítottuk össze (Gyuró és Nagy, 2006; Oncley, et al., 2006; Barcza et al., 2006). A tervezett mérőrendszernek természetesen teljesítenie kell a jelenlegi OMSZ főállomások mérési és adatgyűjtési programját, mérési pontosságát. Az alap-műszerezettség tekintetében az OMSZ-nál meglevő szenzorok alkalmazásából kell kiindulni. Fontos a felszínközeli réteg profiljainak, stabilitási viszonyainak mérése is. A 10 m-es mérőárboc felműszerezését javasoljuk. Kiemelt fontosságú a sugárzási mérleg komponensek mérése is. Erre a Kipp and Zonen cég CNR-1 műszerét javasoljuk. Egy ilyen szenzort már beszereztünk 2006-ban (GVOP környezettudományi laborfejlesztés). A tapasztalatok kedvezőek. Lényegesnek tartjuk a talaj energia- és vízháztartásának nyomon követését amennyiben szükséges a talajvíz-tükörtől. Optimális esetben az alap- mérőállomásokat is úgy kívánjuk kiépíteni, hogy alkalmasak legyenek a módosított Bowen-arány módszerrel (szonikus anemometer, nedvesség gradiens) az energiaháztartási mérésekre. Az elmondottak, illetve a 2. melléklet részletes vizsgálatai alapján a mérőhálózatunk mérési programjára, a mérési szintekre vonatkozó javaslatunk a következő: Mérőrendszer Mért mennyisége Mérési szintek (m) Standard mérések (Egyenszilárdságú az OMSz mérőrendszerével) Felszíni kiegészítő mérések hőmérséklet, nedvesség szélsebesség, szélirány légnyomás csapadék fűszinti hőmérséklet csapadék státus felszíni hőmérséklet hó vastagság 10 m-es mérőtorony hőmérséklet, nedvesség szélsebesség Talajmérések talajhőmérséklet talajnedvesség talaj-hőáram Sugárzási mérések rövid- és hosszú-hullámú komponensek PAR bejöv Talajvíz szint talajvízmérő kút Fluxusmérések, impulzus, szenzibilis hő, vagy latens hő, CO 2 fluxus impulzus, szenzibilis hő, Módosított Bowen-arány hőmérséklet és nedvesség gradiens , ; 4,5; 10 1; 4,5-0,05; -0,1; -0,2-0,3; -0,5; -1,0-0,05; -0,15; -0,3-0.1; táblázat. Az alap éghajlati mérőállomás műszerezettsége. Az egymás alatti sorok a mérések fontosságát is mutatják. A szürkével jelzett mérési program megvalósítása feltétlenül javasolt. A szonikus anemométeres mérek beindítása a lehetőségek függvényében javasolt. A PAR, illetve a napfénytartammérő, opcionális. A központi állomásra eddy-kovariancia mérőrendszert (szonikus anemométer + LI-7500) javaslunk. Optimálisnak tűnne egy legalább 25 m-es mérőtorony használata. A 10 m után ez lenne a következő profilmérésre alkalmas szint (szélsebesség, szélirány, hőmérséklet nedvesség). 2 4,5 4,5 4,5 12

13 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Hiba! Az alap éghajlati mérőállomások 10 m-es mérőárboca teljes kiépítettségben. Az alap éghajlati mérőállomások talaj mérései (víz- és hő forgalom). 13

14 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Adatfeldolgozási stratégia Az új mérőállomások az OMSz adatgyűjtő és adatfeldolgozó rendszeréhez kapcsolódnak. Olyan terepi adatgyűjtő-tároló egységre van szükség (lehetőség szerint Campbell CR-5000), ami a műszerek érzékenységéhez igazodva 1-10 s-os mintavételi gyakorisággal gyűjti a szenzorok adatait. A talajnedvesség, talajhőmérséklet, illetve a talajvízszint adatoknál ritkább mintavételezés is elegendő. A meteorológiai állapotjelzők átlagos értékei és szórásai 10 perces, 30 perces átlagolási idővel kerülnek rögzítésre. A gyors szenzorok (szonikus anemométer, LI-7500) jelei legalább 10 Hz-es mintavételezési frekvenciával kerülnek összegyűjtésre. Az adatgyűjtőnek képesnek kell lennie az összes nyers fluxus adat rögzítésére, továbbá a 30 perces átlagolással készített nyers fluxusok, illetve második momentumok kiszámítására, s legalább 1 hónapig tárolni a nyers adatokat, illetve továbbítani a feldolgozott meteorológiai méréseket (beleértve a korrigált fluxusokat). A mért meteorológiai adatokból és a fluxusokból további leszármaztatott mennységek is előállíthatók. Ezek külön archiválását azonban nem tartjuk szükségesnek. A leszármaztatott mennyiségek között van többek között a profil adatokból számítható: gradiens Richardson-szám, a széladatokból kapott Β hatványkitevő, a meteorológiai adatokból (szélsebesség, sugárzás, hőmérsékleti gradiens) származtatható Pasquill-féle stabilitási kategória, vagy a sugárzási komponensekből kapható rövid- és hosszúhullámú mérleg, a sugárzási egyenleg, illetve az albedó, továbbá a talajhőmérséklet, talajnedvesség és talaj hőáram adatokból a talaj paraméterek ismeretében előállítható felszíni talajhőáram. Szintén fontos levegőkörnyezeti karakterisztika a szélirány és szélsebesség szórása. A direkt árammérések nyers adataiból (> 10 Hz) szükség szerint számíthatók a második és a magasabb momentumok. A nyers fluxusok, illetve az utófeldolgozott minőségbiztosított mérési adatok előállítására az EUROFLUX módszertan használatát javasoljuk (Aubinet et al., 2000, Barcza et al., 2006), kiegészítve a korábbi mérési expedíciók (GREENGRASS, EBEX-2000, Weidinger et al., 2002, Weidinger et al., 2004, Oncley et al., 2007) tapasztalataival. A mérőhelyek kiválasztásánál a mérési program, és a minőségbiztosítási rendszer kialakításánál a hazai FLUXNET mérőhelyeket üzemeltetőkkel kialakítandó együttműködés (OMSZ, Szent István Egyetem, ELTE Meteorológiai Tanszék) indokolt biztosítva számukra a folyamatos meteorológiai információkat, a fluxus számításoknál és a minőségbiztosítási eljárások kialakításánál pedig együttműködési készség esetén számítunk tapasztalataikra. A mérő-adatgyűjtő és -feldolgozó rendszer kialakításánál támaszkodunk a Bayreuth-i Egyetem Mikrometeorológiai Tanszékével és a DWD (Német Meteorológiai Szolgálat) Lindenbergi Obszervatóriumával kialakított együttműködésre is. Ez adja a pályázat 2. évének legfontosabb K+F feladatát. 1.c.2, A napsugárzás által okozott hiba a léghőmérséklet mérések eredményeire (A feladathoz kapcsolódó mérések első összefoglaló eredményeit a 3. mellékletben található cikk tartalmazza.) A léghőmérséklet az egyik legalapvetőbb klímaparaméter, így a légkör klímájának változására vonatkozó megállapítások döntő többsége a hőmérsékleti adatsorok tanulmányozására támaszkodik. Nyilvánvaló, hogy a légkör klímájára vonatkozó reális kép kialakításához döntő fontosságú a léghőmérséklet mérések megbízhatósága. Méréstechnikai szempontból a léghőmérséklet mérések pontosságát alapvetően két tényező befolyásolja. Az egyik, az alkalmazott mérőszenzor mérési képessége, másrészről, a szenzorok elhelyezésére szolgáló árnyékolók milyensége, melyek egyrészt, védik a szenzorokat az időjárás viszontagságaitól, másrészt, kiszűrik a napsugárzás (rövid és hosszúhullámú komponensek) által 14

15 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag okozott zavaró hatásokat. (A harmadik tényezőtől, vagyis a szenzorok jeleit fogadó mérő-adatgyűjtő rendszer által a mérésekben jelentkező hibától, a megfelelő adatgyűjtő típusok és szakszerű kábelezés esetén eltekintünk.) Mérési pontosság Az első tényező esetében aránylag egyszerű a megoldás a megfelelő mérési pontosság elérése érdekében, mivel a kereskedelmi forgalomban könnyen hozzájuthatunk a megfelelő méréspontossággal rendelkező hőmérő érzékelőkhöz (esetünkben kizárólag ellenállás hőmérők jöhetnek számításba), melyek mérési képességének hosszú távú stabilitását egy megfelelően felszerelt kalibráló laboratóriumban végzett rendszeres kalibrálások biztosíthatják (ilyen kalibráló laboratóriummal az Országos Meteorológiai Szolgálat rendelkezik). Csupán a mérőszenzort tekintve a ± 0.1 ºC mérési bizonytalanság hosszú távú biztosítása a teljes mérési tartományra vonatkozóan nem egy túlzó elvárás. Hőmérő árnyékolók Nehezebb helyzetben vagyunk, amikor a hőmérő árnyékolók által okozott hibát próbáljuk csökkenteni, ugyanis a kereskedelmi forgalomban kapható árnyékoló eszközök, típustól (fizikai méretek, anyag, felépítés) függően a szenzoroknak tulajdonítható hiba többszörösét okozhatják, esetenként elérve az egy nagyságrendi különbséget is. Egyértelmű tehát, hogy a léghőmérséklet mérések esetében a gyenge láncszemet az árnyékolók okozzák, így a mérőhálózatunk felépítésénél a megfelelő, legkisebb hibát okozó árnyékoló szerkezet kiválasztása meghatározó fontosságú a léghőmérséklet mérések megbízhatóságának biztosítása érdekében. A probléma tárgyalását a meteorológiai mérésekkel foglalkozó nemzetközi szakirodalomban számos esetben megtalálhatjuk, ám ezek eredményei általában nehezen ültethetők át a projekt során kiépítendő mérőhálózatunkba. Ezért kezeltük a projekt munkatervében külön feladatként a hőmérő árnyékolók által okozott hibát, illetve a legmegfelelőbb árnyékoló kiválasztását. Az 1.c.2 részfeladatban három alapvető kérdés vizsgálatára került sor, melyek a következők: 1. A referencia kérdése Az árnyékolók hatásának vizsgálatánál alapvető a referencia megválasztása, vagyis mely típusú árnyékolóban elhelyezett hőmérséklet szenzor mérési eredményeit tekintsük viszonyítási alapként. A gyakorlati életben nem létezik egyértelműen definiált léghőmérséklet mérő berendezés, mivel a szenzorok tökéletes illesztése a levegő hőmérsékletéhez megoldhatatlan probléma. Csupán a valós léghőmérséklet közelítése lehetséges, amely során nappal a hidegebb a jobb míg éjszaka a melegebb a jobb megközelítés adhat egy elsődleges rendező elvet. Vizsgálataink során referenciaként a nemzetközileg általánosan elfogadott és használt Young típusú szellőztetett árnyékolót használjuk, amely erőteljes mestersége szellőztetés, segítségével biztosítja a napsugárzás miatt az árnyékoló felszínén keletkező zavaró hőmennyiség elszállítását. Annak ellenére, hogy az említett szellőztetett referencia árnyékoló használata nemzetközileg általánosan elfogadott, fontosnak tartottuk a kérdés részletesebb vizsgálatát az alábbi okok miatt: Az erőteljes szellőztetés miatt a referencia árnyékolóban elhelyezett hőmérséklet érzékelő mintavételezése egy aránylag nagyobb légrétegből származik, amely szigorúan véve csak hasonló felépítésű, ventilált árnyékolók esetén használható viszonyítási alapként. Ez a jelenség főleg rövid időléptékű átlagolás esetén jelentkezik erőteljesebben. A tervezett mérőhálózatunkban mindenképpen a természetes módon ventilált, vagyis a tányéros árnyékolók használatát részesítjük előnyben egyrészt, a karbantartási igény csökkentése érdekében (a szellőztetett árnyékolók ventiláló motorjának meghibásodása, vagy nem megfelelő működése esetén a hőmérséklet mérések értékelhetetlenné válnak), másrészt, ahogy már korábban említettük, az OMSZ alaphálózatában meghatározó mértékben ugyancsak tányéros hőmérő árnyékolókat használunk. A vizsgálatoknak már a jelenlegi szakaszában is jól látható, hogy a mesterséges szellőztetésű árnyékolók az alkalmazott erős légáramlás miatt fokozottan ki vannak téve a 15

16 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag különböző szennyező anyagok, illetve téli időszakban a zúzmara lerakodásának, ami esetenként teljesen meghamisíthatja a méréseket. (3. melléklet, 8. kép) A tányéros, vagyis a természetes szellőztetésű árnyékolók esetében, a legnagyobb zavaró hatást a direkt napsugárzás jelenti (legnagyobb energia, egyenetlen hő eloszlást okozva az árnyékoló tányérok felszínén). Kézenfekvő, hogy egy megfelelő árnyékoló korong alkalmazásával ezen hatás kiszűrésével már jóval kisebb lesz a napsugárzás okozta hatás. Természetesen a direkt sugárzás mellett, igaz kisebb mértékben, az összes többi rövid és hosszúhullámú komponens is befolyásolja az árnyékoló tányérok felszínének energia egyenlegét, így felszínhőmérsékletét. Korábban említettük, hogy a mérőhelyen kiegészítő információként rendelkezésre állnak a napsugárzás különböző komponenseire vonatkozó operatív mérési eredmények, illetve a vizsgálatokhoz szükséges egyéb célirányos napsugárzás mérések. Ezen információk segítségével lehetőségünk van a direkt sugárzás kiszűrése után, a fennmaradó sugárzási komponensek figyelembe vételével a tányéros hőmérséklet árnyékoló felszínének energia egyenlegének meghatározására, amely hővé alakulva, csekély mértékben még befolyásolhatja a hőmérsékletmérések pontosságát. Természetesen az árnyékoló korong használata csak nappal eredményezheti az ezen módon használt hőmérséklet árnyékoló referenciaként történő használatát. Éjszaka az égbolt felé történő hő veszteség miatt a tányéros árnyékolók túlhűlésének megakadályozására szolgáló megoldások szintén a vizsgálatok tárgyát kell képeznie. 2. Az OMSZ mérőhálózatában alkalmazott hőmérő árnyékolók vizsgálata Az OMSZ jelenlegi mérőhálózatában a hőmérő árnyékolók két típusát használjuk, mégpedig egyrészt, a korábbi mérési gyakorlatnak megfelelő hagyományos hőmérőházakat, valamint az automatizálást követően megjelenő tányéros hőmérő árnyékolókat. A hőmérőházakat jellemzően a szinoptikus állomásokon, a tányéros árnyékolókat pedig a klímaállomásokon használjuk. A vizsgálatok egyrészt, felvilágosítást adhatnak a múltbeli, jellemzően hőmérőházakban mért adatsorok megbízhatóságára, másrészt, a tányéros hőmérő árnyékolók alkalmazása után a hőmérsékleti adatsorokban jelentkező szisztematikus eltérésekre. A tányéros árnyékolók esetében vizsgáljuk, hogy a tányérok öregedésével, optikai tulajdonságuk jelentős romlásával milyen mértékben változik a hőmérsékletmérésekre gyakorolt hatásuk. (A tányéros hőmérő árnyékolók hatékonyság-érzékenysége, a tányérok felszínének öregedése, fontos szempont lehet az optimális karbantartási idő tervezésénél.) 3. Az OMSZ által használt típusokon túl más, a nemzetközi mérési gyakorlatban használatos árnyékolók vizsgálata; a vizsgálatok eredményeit figyelembe véve, a mérési pontosság növelése irányába ható változtatások végrehajtása a mérőhálózatunkban alkalmazandó hőmérő árnyékoló kiválasztása céljából. Kereskedelmi forgalomban számos gyártó eltérő méretű és felépítésű hőmérő árnyékolója kapható. A mérőhálózatunk telepítését megelőzően mindenképp célszerű a legelterjedtebben használatos típusok egy-egy példányának a vizsgálata, melyek mind felépítésükben, mind fizikai méreteikben különbözhetnek egymástól. Ezen különbözőségek hőmérsékletmérésre gyakorolt hatásának vizsgálata irányt mutathat a legmegfelelőbb típus kiválasztásában, illetve olyan módosítások végrehajtásában, melyek egyértelműen a javítás irányába mutathatnak. A felsorolt vizsgálatok végrehajtása érdekében az OMSZ Marczell György Főobszervatóriumában egy célirányosan kiépített mérőhely létrehozása vált szükségessé.(3. melléklet, Pic. 1) A mérőhely műszerezettségének kiválasztása, illetve azok beszerzése, a mérőhely kiépítése gondos, időigényes feladat volt, melynek eredményeképpen a vizsgálatok operatív módon szeptember közepétől indultak be. A mérőhelyen folyó mérések során 2 másodperces mintavételezéssel 10 perces átlagolási idővel állnak rendelkezésre a különböző árnyékolókban mért léghőmérsékleti adatok, illetve a vizsgálatokhoz szükséges egyéb kiegészítő mérések eredményei. Bár a feladat konkrétan a 2006-os évre vonatkozik, ám a méréseket mindenképpen folytatni kell a mérőhálózat várható 2007 őszi telepítésének kezdetéig, egyaránt biztosítva a téli, illetve nyári mérési körülményeket. 16

17 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Az eddigi mérési és vizsgálati eredmények összegzése A direkt napsugárzással szemben leárnyékolt tányéros hőmérő árnyékoló a ventilált árnyékolók mellett, egy más elven működő referenciaként használható a hőmérő árnyékolók összehasonlító vizsgálatai során, így a két különböző elven működő referencia segítségével megbízhatóbb módon közelíthetjük a léghőmérséklet valós értékét, növelve a hőmérő árnyékolók összehasonlító vizsgálatainak megbízhatóságát. (3. melléklet, Fig. 3. a) A kiépített mérőhelyen a napsugárzás különböző, a hőmérő árnyékolók energia egyenlegét befolyásoló paramétereinek meghatározásával (ezen vizsgálatok főleg a tányéros árnyékolók esetében játszanak szerepet) összefüggést állapíthatunk meg az árnyékolók felszínének sugárzási egyenlege, illetve a hőmérséklet mérésekben jelentkező hiba között. (3. melléklet, Fig. 4) A direkt sugárzás kiszűrése esetén az említett összefüggés alkalmazása a megmaradó komponensekre jóval megbízhatóbb (a direkt sugárzás által képviselt energia általában a legdominánsabb, egyenetlen hőmérséklet eloszlást okozva az árnyékolók felszínén), amely lehetőséget biztosít a hőmérsékletmérésekben jelentkező hiba, megalapozott fizikai összefüggéseken alapuló korrekciójára (a sugárzás által okozott hiba természetes szellőztetésű tányéros árnyékolóknál nagymértékben függ a szélsebesség nagyságától, így annak figyelembe vétele ugyancsak alapvető fontosságú). Megítélésünk szerint a módszer nemzetközi érdeklődésre is számot tarthat. A vizsgálatainkba bevont, a meteorológiai mérési gyakorlatban általánosan alkalmazott hőmérő árnyékolók, a felépítés, a fizikai méretek, valamint az időjárási körülmények függvényében igen eltérő hibát okozhatnak a léghőmérséklet mérésekben. Már az eddigi vizsgálatok is egyértelműen jelzik, hogy bizonyos típusok alkalmazása teljességgel kizárható a tervezett háttérklíma mérőhálózatunk telepítése során, az okozott jelentős hiba miatt.(3. melléklet, Fig. 5-6) A mesterségesen szellőztetett árnyékolók esetében az általunk vizsgált, az amerikai Young cég által forgalmazott berendezések, mind a pontosság abszolút mértékét, mind az egymás közötti összehasonlíthatóságot vizsgálva, megbízhatónak bizonyulnak. (3. melléklet, Fig. 5) Megjegyeznénk, hogy az említett Young árnyékolók a nemzetközi vizsgálatok alapján a legmegbízhatóbb típusok közé sorolhatók. Más gyártók mesterségesen szellőztetett árnyékolói esetében a hiba jelentősebb mértékű is lehet. A korábbiakban már leírt okok miatt a mesterségesen ventilált árnyékolók mérőhálózatunkban történő használatát fenntartásokkal kezeljük, ám nem tartjuk kizártnak, a természetes szellőztetésű árnyékolókkal történő párhuzamos használatukat. A természetes szellőztetésű árnyékolók esetében az eddigi vizsgálataink alapján a legkedvezőbb tulajdonságokat a Vaisala DTR13 típusú berendezés mutatja, melyet jelenleg az OMSZ mérőhálózatába is alkalmazunk.(3. melléklet, Fig. 3.b) A vizsgálataink rámutattak arra is, hogy az említett típusú árnyékoló bizonyos fizikai méreteinek kismértékű változtatásával a hiba mértéke egyértelműen csökkenthető. Az elkövetkező időszakban a vizsgálatok, illetve a javítás irányába mutató fejlesztések jellemzően ezen típuson kerülnek végrehajtásra, melynek eredményeképpen mérőhálózatunkban történő használatra az említett típus a legesélyesebb. Ugyancsak ezen típus használatát erősítik meg azok a vizsgálati eredmények is, melyek az árnyékoló tányérok felületén lejátszódó degradációs folyamatok (főleg a tányér optikai tulajdonságaiban végbemenő változások) hatását mutatják be.(3. melléklet, Fig.7) Ezek egyértelműen abba az irányba mutatnak, hogy a tányérok felületének jelentős öregedésével sem változik meg számottevően az árnyékolók viselkedése. Ez a jelenség mindenképpen egyféle időbeli stabilitást mutat az árnyékolók által a hőmérsékletmérésekben okozott hiba tekintetében, amely stabilitás mérőhálózatunk esetében kitüntetett jelentőséggel bír. 17

18 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag 1.b.4, A kékestetői napsugárzás mérő állomás mérési programjának meghatározása 1. Alapvető követelmények a mérőhely kialakításához A célzott mérőhálózat működtetésével legfőbb célkitűzésünk a légkör klímájának rögzítésére alkalmas alapvető meteorológia paraméterek lehető legpontosabb nyomon követése. A tervezett 5 mérőállomáson jellemzően a klasszikus meteorológia paraméterek felszín közeli méréseiből származó adatok állnak majd rendelkezésre, melyek főleg a légkör alsó, az emberi élettér által érintett részére szolgáltatnak információt. A napsugárzás mérések a lehetőségek más dimenzióját nyújtják a légkör állapotának nyomon követésére, mivel a felszínen mérhető különböző napsugárzási paraméterek értékeiben a felszín feletti teljes légoszlop optikai tulajdonságai meghatározó szereppel bírnak, így ezen mérések egyértelműen pontosítják a légkör állapotára vonatkozó ismereteinket. A pályázatban kitűzött cél megvalósítása érdekében a budapesti, teljes mérési programmal működő, illetve a kékestetői napsugárzás mérőállomás mérési eredményeire támaszkodunk. A budapesti mérőállomás több évtizedes méréseiből, egyrészt, felvilágosítást kaphatunk a sugárzási adatsorokban napjainkig fellelhető tendenciákról, másrészt, a mérőállomás műszerezettsége a kapcsolódó minőségbiztosítási tevékenységgel együtt, garanciát jelent a jövőbeni megbízható adatsorokra. A mérőállomásnak a nemzetközi BSRN (Baseline Surface Radiation Network) mérőhálózatba történő integrálását a pályázat keretén belül ugyancsak célul tűztük ki. A kékestetői napsugárzás mérőállomás működtetésének célja a közvetlen emberi tevékenységtől többé-kevésbé zavartalan légkör napsugárzás-átbocsátóképességének nyomon követése. Már itt jelezni szeretnénk, hogy egyértelmű elvárásként merül fel a két mérőállomás teljesen megegyező műszerezettsége, elkerülve a mérőeszközök, illetve az adatgyűjtési struktúrában adódó különbözőségeket a mérési eredmények összehasonlítása során. Azt, hogy egy adott pillanatban egy tetszőleges mérési pont felett, hogyan alakul a légkör sugárzásátbocsátó képessége, a légkör optikai vastagsága határozza meg, amely változásáért a légkör alapvető alkotói mellett változó mennyiségben jelen lévő vendéganyagok a felelősek. A vendéganyagokról tudjuk, hogy számottevő hatásuk a legalsó légrétegben van, így a legalsó légréteg sugárzás átbocsátási tulajdonságainak változása kulcsfontosságú kitűzött céljaink szempontjából. Ha a klímaváltozáshoz kapcsolódóan a légkör alsóbb rétegeinek átbocsátó képességében jelentkező változásokat szeretnénk nyomon követni, akkor először is pontosan ismernünk kell a közvetlen légszennyezés hatásaitól lényegesen mentesebb, felsőbb légrétegek átbocsátó képességében lezajló változásokat. Ha a szennyezés szempontjából perturbálatlan légkör sugárzásátbocsátási tulajdonságait akarjuk korrekt mérésekkel jobban megismerni, akkor olyan helyen kell napsugárzási méréseket végezni, amely már fölötte van a légkör legszennyezettebb legalsó rétegének. Magyarországon a választható tengerszint feletti magasságok eléggé limitáltak, így az OMSZ kékestetői mérőállomása a lehető legjobb megoldást kínálja, mivel az esetek többségében a szennyezőanyagok magasság szerinti eloszlása olyan, hogy m fölött már nincs belőlük számottevő mennyiség. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a kékesi helyszínválasztás nem csak egy kényszer szülte megoldást jelent, hanem ellenkezőleg, kifejezetten megfelelőnek tekinthető céljaink megvalósításához. Nagyon fontos feltétel a már kialakított megbízható infrasturktúra, valamint a folyamatos felügyelet, amely például biztosítani tudja, a napkövető berendezés működésének ellenőrzését, amely pontossága kulcsfontosságú a vizsgálatokban. Kékestető humán észlelővel működő állomás, tehát ez a követelmény teljesül. Ugyancsak említésre érdemes, hogy a kékestetői állomáson 2006-ban megkezdett, átfogó felújítási tevékenység keretén belül, 2007 tavaszán, egy új, célirányosan tervezett 18

19 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag mérőállvány kialakítására kerül sor a mérőállomás torony szintjén. A felújításhoz kapcsolódóan ugyancsak sor került a jel és tápkábelek teljes felújítására. 2. Mért fizikai mennyiségek 2.1. Szélessávú komponensek A kékestetői napsugárzás méréseknek információt kell adnia a légkör sugárzás-átbocsátási képességéről, melyhez mérnünk kell a sugárzásegyenleget meghatározó sugárzási komponenseket és ezekből kiszámolni a sugárzásátbocsátásra jellemző fizikai mennyiségeket. Ez egyrészt, szélessávú sugárzásméréseket jelent, azaz spektrálisan integrált fluxusok mérését, melyek a sugárzásháztartást meghatározzák, illetve melyekből a mérőállomás feletti atmoszférára jellemző sugárzásátbocsátást leíró ún. szürke optikai mélység kiszámítható, másrészt, spektrális fluxusok mérését, melyekből a szennyezőanyag tartalomra jellemző optikai paraméter, az aeroszol optikai mélység kiszámítható. A meteorológiai sugárzástanban a sugárzási paraméterek felosztása, egyrészt, spektrumtartomány másrészt, irány szerint történhet. A spekrtum szerinti alapvetően rövid- és hosszúhullámú felosztás létezik (rövid hullámú komponensek forrása a Nap, a hosszúhullámúaké a légkör, illetve a talajfelszín), míg irány szerint lefelé, illetve felfelé haladó sugárzás áramokat különböztethetünk meg. A kékestetői mérőállomás elhelyezkedésének sajátosságaiból adódóan a felfelé irányuló sugárzás áramok megbízható mérésére (reflex sugárzás, felszín hosszúhullámú kisugárzása) nincs lehetőség, ezért a mérési program csak a lefelé irányuló sugárzás áramok mérésére terjedhet ki. Ez különösebb problémát nem jelent, mivel ahogy már hangsúlyoztuk a vizsgálataink tárgya alapvetően a légkör sugárzás átbocsátási paramétereinek a vizsgálata, melyekhez alapvetően a lefelé irányuló sugárzásáramok meghatározása szükséges. A felfelé irányuló áramok alapvetően a felszín sugárzás háztartási jellemzőinek a meghatározásához szükséges. A lefelé haladó rövidhullámú sugárzási áramok a napkorong térszögéből érkező direkt sugárzás vertikális (földfelszínre merőleges) komponense (I), a beérkező direkt fluxusból a légköri részecskék által szórt komponens, a szórt, vagy diffúz sugárzás (D), illetve e kettő összege, a globál sugárzás (G), amely így a teljes fél térből beérkező összes rövidhullámú fluxust jelenti. Lefelé haladó hosszúhullámú sugárzási áram a légkör által emittált sugárzás, amit légköri visszasugárzásnak hívunk (A). Összefoglalva, a kékestetői napsugárzási mérőállomás mérési programja az alábbi szélessávú sugárzási komponenseket tartalmazza: - Globál, direkt, diffúz sugárzás, légköri visszasugárzás; - reflex sugárzás, földfelszín kisugárzása (tájékoztató jelleggel) Broadband (UV-B) komponens Az előbbiekben említett tartományokkal a képviselt fluxust tekintve nem összemérhető, így a légkör alapvető sugárzásháztartásában szerepet nem játszó, de az élővilágra gyakorolt hatása miatt mégis jelentős az ultraibolya (UV) sugárzás. Mivel az UV sugárzás élővilágra (sőt elsősorban az emberre) gyakorolt hatása fontos, ezért az ún. biológiailag effektív dózist kell mérnünk. A biológiailag effektív dózis azt jelenti, hogy az adott biológiai rendszernek az adott irradianciára való válaszára vagyunk kíváncsiak. A biológiailag effektív sugárzás esetében ez az emberi bőr, mivel ez testünk sugárzásnak leginkább kitett része. Az emberi bőr érzékenységének eloszlását ismerve az UV tartományon (Erythema spektrum) meghatározhatjuk az emberi bőrre hatékony UV sugárzás mennyiségét. Spektrofotométerrel mérve ez azt jelenti, hogy a spektrális irradianciákat meg kell szorozni az Erythema spektrum adott hullámhosszra vonatkozó értékével. Az Országos Meteorológiai Szolgálat rendelkezik egy Brewer típusú spektrofotométerrel, amely a legmegbízhatóbb az UV tartományban dolgozó napspektrofotométerek között, amely a budapesti obszervatóriumban működik, ám a berendezés ára és működtetéséhez szükséges felügyelet miatt csupán egy ilyen eszközzel 19

20 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag rendelkezünk. Hálózati detektorként, hasonlóan más országokhoz, ún. broadband detektorokat alkalmazunk, melyek nem spektrális intenzitást mérnek, hanem jellemzően a teljes UV-B tartományra adnak egy integrált kimenő jelet. A mérőeszközök érzékelőjének spektrális érzékenysége nagyon közeli az emberi bőr spektrális érzékenységéhez, így a berendezések kimenőjele nem fizikai, hanem egy biológiai jellegű mennyiséggel lesz arányos. A broadband detektor által mért effektív dózis így a következő: ahol: I eff λ 1 és λ 2 I λ E λ λ I eff = I λ 2 1 λ E λ dλ : effektív dózis : a detektor érzékenységének alsó és felső határa : a λ hullámhosszon mért kvázi-monokromatikus sugárzási fluxus : az Erythema súlyfüggvény értéke a λ hullámhosszon A broadband mérőeszközök alapvetően az érzékelőjük feletti térrészből érkező UV-B sugárzás mérésére alkalmasak, tehát az érzékelőt vízszintesen elhelyezve az ún. globál UV-B sugárzást mérhetjük. Ahogy már korábban említettük a légköri átbocsátást a légkör összetevői által okozott szórási folyamatok alapvetően befolyásolják, mely folyamatok különösen hangsúlyosak az UV tartományban, a légköri szórás erős hullámhossz függése miatt. Az előzőekből következik, hogy a légköri átbocsátás jellemzésére az UV tartománybeli szórás nagysága jellemző paraméter, így a broadband mérőeszközök által mért diffúz és globál UV-B aránya érzékeny paraméter a légköri átbocsátásra vonatkozóan. Az említett arányszám esetében olyan mérőeszköz használata lenne indokolt, melynek kimenőjele az UV-B sugárzás fizikai mértékegységével arányos. Ezen mérőeszközök számos típusa kereskedelmi forgalomban elérhető, ám közös jellemzőjük, hogy az UV-B tartomány egy adott szűk tartományát érzékelik, amely alapvetően nem okoz különösebb problémát a szórt/globál arány, vagyis a légköri szórásra jellemző érték meghatározásánál. Erre a célra gyakorlatilag a korábban említett, a biológia hatékonysággal súlyozott mérőeszközök is alkalmasak lehetnek. Mivel a mérési program mind Budapesten mind Kékestetőn a biológiailag hatékony UV-B globál sugárzás mérését egyértelműen tartalmazza, annak kérdése, hogy a szórt/globál UV-B arány meghatározásánál a szórt komponens mérését a biológiailag hatékony UV-B mérésére szolgáló broadband mérőeszközzel mérjük-e, vagy a globál broadband UV-B mérőeszköz mellett, az arányszám meghatározására a fizikai mértékegységre jellemző mérést szolgáltató két különálló eszközt alkalmazzunk, ezt alapvetően anyagi lehetőségeink fogják eldönteni. 2.3 Spektrális komponens Minden sugárzási áram alapvetően spektrális. A légkör sugárzás-átbocsátásában döntő fontosságú aeroszolok mennyiségére jellemző fizikai mennyiség, az ún. aeroszol optikai mélység, melynek kiszámításához meghatározott hullámhosszon kell megmérnünk a napkorong térszögéből beérkező (direkt) sugárzási fluxust, amely a gyakorlatban az adott hullámhossz körüli keskeny tartományra vonatkozó mért kvzi-monokromatikus fluxust jelenti az alábbiak szerint: I q λ = λ+ dλ I λ λ dλ ahol q I λ : kvázi-monokromatikus irradiancia; I λ : elméleti monokromatikus irradiancia; λ : a spektrális sáv centrumának hullámhossza; d λ : a spektrális sáv félszélessége. 20 dλ

21 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag 3. Számított fizikai mennyiségek 3.1 Optikai mélység Az optikai mélység a sugárzásátvitel alap mennyisége, az elektromágneses sugárzással kölcsönható közeg sugárzásátbocsátását jellemzi. Tekintsük az elektromágneses sugárzás gyengülését egy közegben (általános sugárzásátvitel speciális esete - Beer-Bougert-Lambert törvény): dx vastagságú réteg esetén a rétegbe belépő λ hullámhosszúságú I λ 0 monokromatikus irradiancia dx út megtétele utáni diλ csökkenése arányos az -lal és a dx -szel, tehát: I λ 0 = σ I dx, di λ eλ λ 0 ahol: σ e extinkciós koefficiens csak a közeg anyagi minőségétől és a λ hullámhossztól függ (ha a λ közegben az abszorpciós koefficiens σ a λ és a szórási koefficiens σ s λ, akkor: σ e λ = σ aλ + σ sλ ). Az egyenlet megoldása: I σ eλdx λ = I λ 0e, ahol: I az irradiancia d út megtétele után. Ebből az extinkciós koefficiens: λ Aeroszol optikai mélység σ 1 λ 0 eλ = ln. d I λ A fentiek figyelembevételével az aeroszol optikai mélység a következőképpen számítható: ahol: δ A : aeroszol optikai mélység; λ λ 0 δ Aλ 1 I = ln M I λ λ 0 ( S I : extraterresztriális irradiancia közepes naptávolságnál; 21 0 I P P δ Rλ + δ I λ : irradiancia az észlelési pontban; S : a naptávolságra vonatkozó korrekciós faktor (a Föld mérési időpontban érvényes és közepes naptávolságának a hányadosa); M : relatív optikai légtömeg; δ R : a légköri molekuláris szórás (Rayleigh-szórás) optikai mélysége λ δ 3 λ : az ózon abszorpció optikai mélysége: δ O O λ = x σ 3 O 3 O 3 λ, ahol: az légoszlop ózontartalma; P, P 0 x O3 σ O 3 λ az ózon abszorpciós koefficiense; : aktuális nyomás és standard tengerfelszíni nyomás. A fentiekből nyilvánvaló, hogy az aeroszol optikai mélység számítása akkor a legpontosabb, ha pontosan ismerjük az adott hullámhosszon abszorbeáló gázok légoszlopnyi összmenyiségét. Mivel ez O λ 3 )

22 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag legjobb eséllyel az ózonra teljesül, azokra a hullámhosszokra érdemes meghatározni, ahol egyetlen gáznak sincs, vagy legfeljebb csak az ózonnak van abszorpciója. Ezek a hullámhosszok: 368, 380, 412, 450, 500, 610, 675, 778, 862, és 1028 nm Szürke (szélessávú) optikai mélység Két okból célszerű az aeroszol optikai mélység mellett egy az átbocsátásra jellemző általánosabb, nemspektrális (szélessávú) fizikai mennyiséget is meghatározni a mérési adatokból. A egyik az, hogy míg az aeroszol optikai mélység kifejezetten az aeroszol miatti extinkcióra lesz jellemző, addig egy szélessávú mennyiség a teljes extinkciót fogja jellemezni. A másik ok nem független az előzőtől: a kettő között kapcsolat létesíthető, és ez az egyszerűbben kivitelezhető szélessávú mérések alapján lehetőséget ad esetleg olyan mérőhelyekre is az aeroszol optikai mélység becslésére, ahol nincsen spektrális mérés. Ugyanakkor mérési oldalról egyszerűbb dolgunk van. A mért szélessávú direkt fluxusokból a monokromatikus optikai mélység definícióját alkalmazva meghatározhatunk egy optikai mélységet, amely a direkt sugárzást mérő detektor (pirheliométer részletesen ld. a 4. szakaszban) érzékenységi tartományára lesz jellemző a következőképpen: Iλdλ = λdλ) e SPYR ( I 0 SPYR MδGB így: δ GB 1 = ln M S PYR S I PYR 0λ dλ I dλ ahol: I λ : monokromatikus irradiancia a mérési pontban a földfelszínen I λ0 : monokromartikus irradiancia a légkör tetején S PYR : a pirheliométer érzékenységi tartománya (kb nm) δ GB : szürke optikai mélység M : relatív optikai légtömeg A szürke optikai mélység tehát a szélessávú rövidhullámú mérőeszközök teljes érzékenységi tartományára jellemző átlagos optikai mélység lesz, amely az atmoszféra rövidhullámú átlátszóságát fogja jellemezni. 3.2 Ångström-féle hullámhossz exponens Az atmoszféra sugárzásátbocsátási képességét jelentős részben meghatározó aeroszolnak fontos tulajdonsága a méreteloszlás. A méreteloszlást jól jellemzi a domináns részecskeméret. A domináns részecskeméretet meg lehet határozni az ugyanazon időpontban különböző hullámhosszokon mért aeroszol optikai mélység értékekből, az aeroszol optikai mélység spektrumból. Mivel az aeroszol extinkció alakításában sokkal inkább az aeroszol szórása, mint abszorpciója a meghatározó, így az aeroszol spektrum meredekségét leginkább az őt alkotó részecskék mérete fogja meghatározni. Így tehát, ha meghatározzuk aeroszol optikai mélység spektrum meredekségét, abból meg lehet becsülni a domináns részecskeméretet. Ha β az ún. Ångström-féle homályossági együttható, akkor: γ δ A λ = βλ α 4. Mérőeszközök 22

23 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag Döntő fontosságú, hogy az eddigiekben tárgyalt fizikai mennyiségek mérése ilyen mérőeszközökkel történik. Korábban már említettük, hogy egyértelműen törekszünk a Kékestetőn alkalmazandó napsugárzás mérőeszközöknek a budapesti mérőállomáson alkalmazottakkal történő egyezésére, egyrészt, a mérőeszközök üzemeltetéséhez kapcsolódó tapasztalatok, másrészt, a mérések összehasonlíthatósága miatt. Ezek figyelembe vételével a kékestetői mérőállomás műszerezettsége az alábbiak szerint történne: Direkt sugárzás ( szürke. opt. m.) Globálsugárzás Diffúz sugárzás Reflex sugárzás Légköri visszasugárzás Földelszín emissziója UV-B sugárzás Aeroszol optikai mélység Napkövető berendezés Adatgyűjtés Kipp & Zonen CH1 pirheliométer Kipp & Zonen CM11 piranométer Kipp & Zonen CM11 piranométer Kipp & Zonen CM11 piranométer Kipp & Zonen CG4 pirgeométer Kipp & Zonen CG4 pirgeométer Solar Light 501 UV-Biométer SP02 napfotométer Sci-Tec.. Campbell Scientific CR5000 ( 2 sec mintavételezési, 10 min átlagolási idő) Kommunikáció GPRS modem ( min. naponta 2 alkalommal történői adattovábbítás 1.c.3, A csapadékmérésekhez kapcsolódó módszertani vizsgálatok (Részletes vizsgálati anyag az 5. mellékletben.) A légkör klímájának változásához kapcsolódóan központi kérdésnek tekintjük a csapadék mennyiségében bekövetkező változásokat. Egyértelmű, hogy reális következtetéseket csak megbízható csapadék adatsorokból tudunk levonni, így a célzott mérőhálózat telepítését megelőző módszertani vizsgálatokban a csapadékmérések pontosságát célzó vizsgálatoknak mindenképpen helyet kellett kapniuk. Kevésbé közismert tény, hogy a csapadék mennyisége talán a legmegbízhatatlanabbul mérhető alapvető meteorológiai paraméter, egyrészt a jelentős területi változékonyságából másrészt, a mérőeszközök, illetve a mérési körülmények által okozott hibából adódóan. A projekthez kapcsolódóan, a csapadékmérések megbízhatóságának növelése érdekében végzett módszertani vizsgálataink mindkét területet érintették. A területi változékonyságból adódó problémára alapvetően a tervezett mérőállomások köré telepített további 5 csapadékmérő segítségével próbálunk megoldást találni, mivel az összesen 6 db csapadékmérő adatai várhatóan már inkább egy területre, mint egy pontra lesznek jellemzőek. A mérőhelyekre vonatkozó csapadékmérések területi reprezentativitásának növelésére egy másik lehetőség a radaros csapadékmérések felhasználása. Ennek érdekében a 2007-ben, terveink szerint a Debreceni Egyetem Agrometeorológia Obszervatóriumának kismacsi mérőállomásán telepítendő, kiemelt mérőállomás környezetében olyan stratégia szerint próbáljuk telepíteni az említett csapadékmérő állomásokat, hogy azok a lehető legjobban segítsék a radaros csapadékmennyiség mérések pontosságának növelésére szolgáló eljárások továbbfejlesztését. A fejlesztés eredményeképpen egyrészt javulhat a magyarországi radaros csapadékmérések megbízhatósága, másrészt, a pályázati célkitűzések szempontjából az adott mérőállomás környezetére a területileg reprezentatívabb, radaros csapadékadatok is elérhetővé válhatnak. A 23

24 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag radaros csapadékmérések megbízhatóságának javítására vonatkozó javaslatot és a pályázati célkitűzések kapcsolódási lehetőségeit részletesebben a 4. mellékletben találhatjuk. A csapadékmérések megbízhatósága szempontjából a másik problémát a mérőeszközök, illetve a mérési körülmények jelentik. Mérőeszközök A célzott mérőhálózatunk kiépítésénél egyértelműen csak az automata csapadékmérők jöhetnek szóba, melyek alapvetően két kategóriába sorolhatók: 1. Az egyik kategóriába az ún. billenő edényes automata csapadékmérők tartoznak, melyeket az OMSZ is használ az automata alaphálózatában. A mérőeszközök, megfelelő karbantartás és rendszeres kalibrálás mellett eső esetében megfelelő mérési pontosságot (± 3%) biztosítanak, ám a téli időszakban hó csapadéknál a szükséges fűtés miatt jelentősebb alulmérések jelentkezhetnek. Az alulmérés mértékére az 5. melléklet, 7.2 ábrája ad felvilágosítást, ahol a közötti öt év havi csapadék összegeit hasonlítottuk össze az OMSZ 10 mérőállomásának átlagára vonatkozóan. Az említett mérőállomásokon mind a hagyományos kézi, mind az automata csapadékmérők mérési eredményei rendelkezésre álltak. Az 5. melléklet, 7.2 ábrán a mérőállomások közül kiemeltük a kékestetői mérőállomás összehasonlítását, mivel a mérési körülményekből adódóan, a téli időszakban az eltérések itt jelentkeznek a legerősebben. Mivel a célzott mérőhálózatunkban a csapadékmérések megbízhatóságát kiemelten fontosnak tartjuk, a téli időszakban tapasztalható jelentősebb alulmérések miatt a billenő edényes csapadékmérők mérőhálózatunkban történő alkalmazása nem tűnik megfelelő megoldásnak. Ugyancsak problémát jelenthet a billenő edényes csapadékmérők fokozott karbantartási igénye. 2. Az automata csapadékmérők másik csoportjába a súlyméréses elven működő mérőeszközök tartoznak. Ezekre vonatkozóan az OMSZ már rendelkezik működtetési tapasztalatokkal, bár ezek jóval korlátozottabbak, mint a billenő edényes csapadékmérők esetében. A súlyméréses elven működő eszközök legnagyobb előnye, hogy a hó csapadék esetében nem szükséges az olvasztáshoz szükséges fűtés, így az abból adódó hibával nem kell számolnunk, így a súlyméréses csapadékmérőknek a mérőhálózatunkban történő alkalmazása egyértelműen jobb megoldásnak tűnik. Ugyanakkor a működtetési tapasztalatainkat ezen mérőeszközökre vonatkozóan növelni kell, mivel ahogy már korábban említettük, ezek egyenlőre csak korlátozott módon állnak rendelkezésünkre. A működtetési tapasztalatok növelése érdekében 2006 augusztusában az OMSZ Marczell György Főobszervatóriumában egy kísérleti mérőhelyet alakítottunk ki ahol a HWI magyar cég 5 súlyméréses elven működő csapadékmérőjét állítottuk üzembe. (5. melléklet, 7.1 kép ) A 2006-os év végén a Vaisala finn cégtől is beszerzésre került 5 súlyméréses csapadékmérő, melyek beüzemelése a 2007-es év elejére várható. A HWI mérőeszközök esetében a mérések megkezdése óta több hónapos működtetési tapasztalat halmozódott fel. Sajnos a 2006-os ősz csapadékban igen szegény volt, így az értékelhető mérések száma oly csekély, hogy abból megalapozott következtetések a mérőeszközök mérési képességre nem vonhatók le. Ugyanakkor egyértelmű, hogy az említett mérőeszközök esetében egyetlen meghibásodás, sem történt, ami jelzi a csapadékmérők üzembiztonságát. Mérési körülmények A csapadékmérések megbízhatóságának tekintetében a másik problémát a mérési körülmények okozzák, melyek közül a szél okozza egyértelműen a legnagyobb hibát. A szél hatása röviden úgy összegezhető, hogy a különböző geometriai formával rendelkező csapadékmérők módosítják az áramlási teret, melynek hatására a mérőeszközök felfogó felülete felett olyan áramlási mező alakul ki, amely csökkenti az ún. felfogási hatékonyságot. A felfogási hatékonyság csökkenés főleg hó 24

25 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag esetén jelentkezik, amely a szélerősségtől, illetve a csapadékmérő geometriai felépítésétől függ. Az 5. melléklet, 7.1 ábráján a nemzetközi összehasonlítások mérési eredményei alapján láthatjuk a szél által okozott hiba nagyságát, amely hiba csökkentése alapvető fontosságú a megbízható csapadékmérések szempontjából. A nemzetközi mérési gyakorlatban a szél által okozott hiba csökkentésére különböző szélárnyékoló berendezéseket használnak, melyek használatát a célzott mérőhálózatunkban egyértelműen tervezzük. A különböző geometriai formákkal rendelkező csapadékmérők és szélterelő berendezések áramlásmódosító hatásának pontosabb megértéséhez együttműködést alakítottunk ki a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékével, ahol a FLUENT program segítségével próbáltunk pontosabb képet kapni az említett jelenségekről. Természetesen az említett vizsgálatokra valós körülmények között végzett mérésekkel is választ kereshetünk, ám Magyarország csapadékviszonyai, főleg hó esetében olyan szélsőségeket mutathatnak (előfordulhatnak gyakorlatilag hó mentes telek), melyek a vizsgálatok sikerességének kimenetelét teljességgel bizonytalanná teszik. Ennek ellenére az OMSZ Marczell György Főobszervatóriumában kiépítettünk ilyen, a csapadék mérések pontosságának vizsgálatára alkalmas mérőhelyet. Az BME-vel kialakított együttműködés keretében az alábbi vizsgálatokra került sor: 1. Három, különböző geometriájú csapadékmérő (5. melléklet, ábra) körüli áramlási tér meghatározása numerikus szimulációval a csapadékmérő áramlás módosító hatásának megismerése érdekében; 2. A csapadékmérő által megzavart áramlási térben a csapadékmérő által felfogott csapadék (esőcseppek, hópelyhek) mennyiségének meghatározása 1, 3 és 7 m/s szélsebességnél a csapadékelemek mozgásának szimulációjával; 3. Az OMSZ automata mérőhálózatában alkalmazott billenő edényes csapadékmérők esetében az eszköz belső felfogó felszínének fűtéséből adódó, a felfogási hatékonyságában mutatkozó eltérések vizsgálata szélcsend esetén, a fűtött csapadékmérőben és közvetlen fölötte keletkező áramlás és hópehely mozgás szimulációjával; 4. Két különböző, a meteorológiai mérési gyakorlatban általánosan használt szélterelő eszköz hatásának vizsgálata két, jelentősen eltérő geometria méretekkel rendelkező csapadékmérő felfogási hatékonyságára. A teljes vizsgálati anyag eredményei röviden a következőképpen összegezhetők: 1. feladat: A szimuláció eredményei egyértelműen mutatják, hogy az eltérő geometriai felépítés különbözőképpen befolyásolja a mérőeszközök körül kialakuló áramlási teret. Az áramlási tér deformálódása a 3 vizsgált csapadékmérő típus közül az 1.és 2. számú esetében (súlyméréses elven működő csapadékmérők) hasonló képet mutat, melyre jellemző a mérőeszközök fizikai méreteiből adódóan kialakuló jelentősebb áramlásmódosító hatás. (5. melléklet, és ábrák) A 3 számú csapadékmérő az OMSZ mérőhálózatában működtetett billenő edényes csapadékmérő, amely a jellemzően kisebb fizikai méreteivel egyértelműen kevésbé befolyásolja a mérőeszköz körüli áramlási teret. (5. melléklet, ábrák) Bár ezen mérőeszközök áramlásmódosító hatása egyértelműen kedvezőbb, nem tekinthetünk el a csapadékmérő belső, felfogó részében kialakuló erőteljes cirkulációtól, melyre még ezen eszköz fűtése által okozott áramlás módosító hatás esetében visszatérünk. 2. feladat: A csapadékmérők körüli áramlási tér deformálódása az oka a csapadékmérések szél által okozott hibájának, amely jellemzően a télen, a hó csapadék mérésekor jelentkezik. Az csapadékmérők ún. felfogási hatékonyságának vizsgálatához a FLUENT program különböző cseppátmérővel rendelkező eső, illetve 1 m/s süllyedési sebességgel rendelkező hópelyhekkel szimulálta ezen csapadékelemek felfogási hatékonyságát a csapadékmérő felfogó felszínének 25

26 : Célzott mérőhálózat Szakmai anyag magasságában (1 m) 1, 3, illetve 7 m/s szélsebesség esetén. A szimuláció összefoglaló eredményei a 5. melléklet, II. táblázatában találhatók. Egyértelműen megállapítható, hogy eső esetén a felfogási hatékonyágban az összes vizsgált cseppméretnél nincs számottevő hatékonyság romlás, míg hónál a felfogási hatékonyság drasztikus csökkenése jelentkezik. Ezek a szimulációs eredmények igen jó egyezést mutatnak a nemzetközi csapadékmérő összehasonlítások alkalmával kapott mérési eredményekkel. (5. melléklet, 7.1 ábra) 3. feladat: Ahogy korábban már láthattuk a billenő edényes csapadékmérők legnagyobb korlátja a téli időszakban jelentkező, az eddigiekben a fűtésnek tulajdonított hiba. A FLUENT kód lehetőséget biztosított ezen fűtési energia miatt a csapadékmérő belső terében esetlegesen kialakuló azon áramlások szimulációjára is, melyek magyarázatul szolgálhattak volna az említett hibára vonatkozóan. A szimuláció eredményei az 5. melléklet, ábráin láthatók melyek nem látszanak megalapozni azon feltevésünket, miszerint a fűtés miatt a csapadékmérő belső terében kialakuló áramlások okoznák az ún. fűtési hibát. Mivel korábbi vizsgálataink során a párolgás és a fűtési hiba között sem találtunk értékelhető összefüggést (Intenzív Meteorológiai Megfigyelések, A 30. Meteorológiai Tudományos Napok előadásai, oldal), a jövőben az 1. feladat esetében említett, a csapadékmérő belső terében, alapvetően a mérőeszköz áramlás módosító hatása miatt kialakuló belső cirkuláció alaposabb szimulációjával elképzelhető, hogy a korábban fűtési hibának feltételezett jelenség okát megismerhetjük, illetve ezen ismeret alapján azt korrigálni tudjuk. 4. feladat: A meteorológiai mérési gyakorlatban a csapadékmérők szél hatása miatt jelentkező alámérést különböző geometriai felépítésű szélárnyékolókkal próbálják javítani, melyek alapvető feladata a csapadékmérők áramlás deformáló hatásának csökkentése. Természetesen a nemzetközi szakirodalomban számos olyan vizsgálat eredményeit találhatjuk, melyek alapján képet kaphatunk arra vonatkozóan, hogy a szélárnyékolók használata hogyan csökkenti a szél zavaró hatását. Sajnos ezen vizsgálatok jellemzően olyan mérőeszköz, szélárnyékoló kombinációra vonatkoznak melyek nem illeszkednek a célzott mérőhálózatunkban tervezett elképzelésekkel, így a szimuláció ezen a területen is egyértelműen indokolt volt. A vizsgálatok eredményeit az 5. melléklet, és ábráin, valamint a III. táblázatban összegezhetjük, melyek alapján egyértelműen kijelenthetjük, hogy a szélárnyékolók pozitív hatása mind a kisebb geometriai méretekkel rendelkező billenő edényes csapadékmérők, mind a jóval nagyobb méretekkel rendelkező súlymérős csapadékmérők esetében egyértelmű. A szimuláció eredményei alapján azt mutatják, hogy szélárnyékolók használatakor, hó esetében 3 m/s os szélsebességig a csapadékmérések teljességgel megbízhatóvá válnak, így ezen eszközök használata mérőhálózatunkban egyértelműen indokolt. 26

27

28 Az elmúlt 30 év melegedésének és az elmúlt 54 év szárazodásának tendenciái Magyarországon. A csapadékmérőhálózat reprezentativitása január, február és március hónapban.

29 A csapadékmérő hálózat reprezentativitása április, május és június hónapban. A csapadékmérő hálózat reprezentativitása július, augusztus és szeptember hónapban. A csapadékmérő hálózat reprezentativitása október, november és december hónapban. A hőmérsékletmérő hálózat reprezentativitása júliusban.

30 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére 6/028/2005 NKFP program, I. részjelentés Az ELTE Meteorológiai Tanszék kutatási beszámolója Weidinger Tamás 1, Nagy Zoltán 2, Matyasovszky István 1, Gyöngyösi András Zénó 1 és Bordás Árpád 1,3 1 ELTE TTK Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék 2 Országos Meteorológiai Szolgálat 3 Újvidéki Egyetem, Meteorológiai és Környezetmodellező Központ (Visegrádi Országok Kutatási Össztöndíjasa) 1. Bevezetés Mivel az éghajlat változik, szükséges tudnunk, hogy hogyan és miért. Ehhez megbízható, célorientált mérőrendszer és ellenőrzött adatbázisok kellenek (Kevin et al., 2002). Ezt segíti a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követését szolgáló célzott mérőrendszer kialakítása. Az első évi K+F tevékenység fő feladatai közé tartozott a célzott mérőrendszer (i) hazai és nemzetközi beágyazottságának vizsgálata, (ii) az optimális mérési program és (iii) műszerezettség megtervezése, (iv) az éghajlati állapotjelzők és a leszármaztatott éghajlati paraméterek megadása, (v) a célzott mérőrendszer kapcsolódási pontjainak kialakítása az időjárási és éghajlati adatokat intenzíven alkalmazó társtudományokkal, mint a hidrológia, hidrogeológia, talajtan, ökológia, vagy az erdészet. E feladatok elvégzése során áttekintettük a legfontosabb nemzetközi éghajlati mérési programokat, azok felépítését, műszerezettségét, adatfeldolgozási rendszerét. Támaszkodtunk az ELTE Meteorológiai Tanszék hazai és nemzetközi együttműködésben folyó mérési programjaira: (i) az EU6 NitroEurope program részvevőiként ( a bugaci mérőhely fejlesztési tapasztalataira, (ii) a Kelemenszéken (Kiskunsági Nemzeti Park) telepített automata, bővített programú mérőállomás adataira (az ELTE Alkalmazott- és Környezetföldtani Tanszékkel végzett közös kutatás, melynek a célja a vízmérleg számítás), valamint, (iii) a GVOP környezetfizikai laborfejlesztési pályázat műszerbeszerzési és mérési tapasztalataira. A célzott mérőrendszer kialakítására kidolgozott anyagban szerepelnek saját mérési és modellezési eredményeink (a sugárzási-, illetve az energiamérleg mérleg komponensek mérése). A javasolt számítási eljárásoknál (fluxus-számítás, footprint analízis) egyaránt támaszkodunk saját nemzetközi programokban szerzett tapasztalatainkra és a nemzetközi szakirodalomra (Weidinger et al., 2002; Weidinger, 2004; Oncley et al., 2007; Mauder et al., 2007). Szintén több irányú megközelítés eredménye a mérőrendszer kialakítása (az elhelyezéssel, a műszerezettséggel és a mérési szintekkel kapcsolatos elvárások megfogalmazása). Különösen fontosnak tartjuk a kapcsolatfelvételt a most formálódó magyarországi GEOSS programmal (Czelnai, 2006; és a tervezett EG-CLIMET COST együttműködéssel ( 1

31 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A kutatási beszámolóhoz tartozó irodalomjegyzék három részből áll. Tartalmazza a témakörben publikált cikkeket, előadásokat szám szerint tizenegyet, a K+F tevékenység során felhasznált szakirodalmat, illetve a legfontosabb Internet címeket. A programban az ELTE Meteorológiai Tanszék oktatói és az OMSz munkatársa mellett részt vesz PhD hallgató és egy, a Visegrádi Országok Kutatási Alja által támogatott újvidéki ösztöndíjas. A K+F tevékenység során fontosnak tartottuk a program megismertetését egyetemi hallgatókkal és a szélesebb szakmai közvéleménnyel. E célt szolgálta többek között a Meteorológus TDK Nyári iskolája (Weidinger et al., 2006d) a Magyar Meteorológiai Társaság Vándorgyűlése (Weidinger et al., 2006a), az ELTE Meteorológiai Tanszék szimpóziuma (Weidinger, 2006) és a 32. Meteorológiai Tudományos Napok előadássorozata is (Geresdi és Weidinger, 2006; Weidinger és Bordás, 2006). A beszámolóban hangsúlyos szerepet szánunk a nemzetközi éghajlati mérőrendszerek áttekintésének, a profil-méréseket, illetve az energia mérleg komponensek mérését megalapozó kutatási eredmények ismertetésére, továbbá a tervezett mérőrendszer mérési programjának, műszerezettségének és adatfeldolgozó rendszerének kialakítására. 1. Az éghajlati alap-mérőrendszerek 1.1. Nemzetközi háttér Az ENSZ keretében működő Convention on Climate Change (UNFCCC) program ( ban, Buenos Airesben határozott az éghajlatváltozás nyomon követésére szolgáló jobb monitoring rendszerek kidolgozásáról. Ennek megfelelően az ezredfordulón kezdődött el a konkrét gyakorlati munka néhány fejlett országban az éghajlati rendszer jobb megismerését szolgáló mérőhálózatok kidolgozására. Ez végső soron a légkört, az óceánt, a hidrológiai ciklust, a krioszférát és a felszínt (talaj, erdő, stb.) foglalja magában. A felszíni meteorológiai mérések tekintetében talán az Egyesült Államokban létrejövő éghajlati referencia állomáshálózat (U.S. Climate Reference Network, USCRN) jutott legelőrébb. A nemzetközi mérőrendszerek és itt nem csak az éghajlati mérőrendszerekre gondolunk összehangolt fejlődésének a GEOSS program teremtette meg az alapját február 16-án Brüsszelben 61 ország jóváhagyott egy olyan tervet, amely forradalmasíthatja a Föld működésének megértését. A Global Earth Observation System of Systems (Megfigyelőrendszerek Globális Földi Rendszere, GEOSS) egy tízéves megvalósítási programot tűzött ki célul. A GEOSS támogatottságát jelzi, hogy, 2006-ban már 65 ország és 43 nemzetközi szervezet volt a tagja ( Ezzel a földtudományok történetében is új korszak kezdődött. A GEOSS koncepció alapja, hogy ma már egész sor globális megfigyelőrendszer létezik és működik. Ezeket szakmailag kompetens nemzeti és nemzetközi intézmények, ill. szervezetek működtetik. A GEOSS a meglévő rendszerekre épül; és minden elem működtetését továbbra is azok végzik, akik azokat létrehozták. Ez a hazai gyakorlatra lefordítva a különböző mérőrendszerek (pl. meteorológiai, hidrológiai, geofizikai, környezet és természetvédelmi, erdészeti, ökológiai, stb.) összehangolását, a kapcsolódási pontok megtalálását, a mérő és adatfeldolgozó rendszerek összehangolásában rejlő előnyök kihasználását jelentheti. A GEOSS terv azt célozza, hogy tíz év leforgása alatt megvalósuljon az egyes rendszerek informatikai szempontból történő összekapcsolása, s egyúttal gondoskodjanak az 2

32 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet összetevő rendszerek fejlesztéséről is, hogy azok kielégítsenek bizonyos általános érvényű mintavételi, pontossági, és megbízhatósági követelményeket (Czelnai, 2006). A célzott mérőrendszer fontos nemzetközi kapcsolódási pontja lehet az OMSz természetes együttműködési rendszerén túl a COST akciók köre. Ezek közül a most szerveződő EG-CLIMET akcióra hívjuk fel a figyelmet (European Ground-based observations of essential variables for CLImate and operational MET OC , Earth System Science and Environmental Management, A GEO program A GEOSS program végrehajtásában résztvevő államok és szervezetek közössége az ún. Földmegfigyelési Csoport (Group of Earth Observation) röviden GEO. Hazánk a 2039/2006 (III. 16) Kormány Rendelettel mondta ki e rendszerhez való csatlakozást. A program kilenc fő területet célozott meg, amelyek a következők: katasztrófák csökkentése, integrált vízkészlet-gazdálkodás, óceáni és tengeri monitoring, időjárás és levegő-minőség monitoring, előrejelzés és figyelmeztetés, a biodiverzitás megőrzése, fenntartható földhasználat, az emberi egészséget és jólétet megőrző tényezők, az energiaforrások fejlesztése, az éghajlat változékonyságához és változásához való alkalmazkodás. A GEOSS konkrét tevékenysége két dologból áll. 1. Minden résztvevő számára rendelkezésre tud bocsátani módszereket, eljárásokat, modelleket, szoftvereket, amelyek ezen problémák vizsgálatában használhatók. 2. Az egyes résztvevők között korlátlan és ingyenes adatcserét biztosít. Itt azonban nem egy földi léptékű egységes mérőhálózatról (mérési program, műszerezettség, stb.) van szó, hanem az egyes már működő, vagy a közeljövőben telepítendő nemzeti, illetve nemzetközi hálózatokról. Első lépésként a Föld körül keringő több mint 50 műhold, 10 ezer meteorológiai állomás és az óceánok viselkedését mérő berendezés (pl. úszó bóják) összekapcsolása jelenti ezt a hálózatot. A GEOSS magyarországi részvételét a Gazdasági és Közlekedési Minisztérium koordinálja. Az MTA már 2005-ben létrehozott egy GEOSS-bizottságot; a célzott mérőrendszer kialakításának koncepciója harmonizál e célokkal. Az integrált, összehangolt mérőrendszer fejlesztése a közeli jövő feladata, s nem csak Magyarországon, hanem a régió más államaiban mint pl. Szlovákiában (Zahumensky, 2006) Az USA alap-éghajlati mérőhálózata Az alábbiakban mint már jórészt működő jó példa az Egyesült Államok referencia éghajlati megfigyelési hálózatát mutatjuk be (U.S. Climate Reference Network, USCRN, amit a megvalósítani szánt mérőrendszer egyik példájaként tekintünk. A hálózat mérési programja nem sokban tér el (sugárzási mérések) a hagyományos klímaállomások programjától (1. ábra). A különbség egyrészt a mérőhelyek rendkívül 3

33 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet gondos kiválasztásában áll, mivel a hagyományos állomások elhelyezkedésük folytán egyre jelentősebb lokális hatásokat tükröznek, továbbá sok állomás kényszerül megszűnni, illetve áttelepülni a környezet beépülése és más irányú hasznosítása miatt. Másrészt az itteni mérések alapjául szolgáló szenzorok nagy pontosságúak és kis tehetetlenségűek, így a mért és származtatott adatok megbízhatósága lényegesen nagyobb a hagyományoshoz képest. 1. ábra. Az USA alap-éghajlati mérőhálózaánakt egy állomása. Ez az alapprogram bővül ki a 10 m-es szélsebesség, szélirány, majd sugárzási és energiamérleg mérésekkel. Kiemelt jelentőségű a pontos csapadék, hőmérséklet és nedvesség mérést. A mérőhálózat, illetve a mérőhelyek elhelyezése Az egyes mérőhelyeket lakott területektől távol, lokális hatásoktól mentes területeken, hosszú homogén (homogenizált) adatsorral rendelkező hagyományos állomások közelében helyezik el. Így a létrehozandó hálózat működése során felgyűlő adatok és az említett hagyományos állomások adatai közötti statisztikai kapcsolat felállítása után a kétféle adatsor egymásba átszámítható. A mérőhelyek sűrűsége és elhelyezkedése tükrözi az ország éghajlati körzeteit és domborzati viszonyait. Ez a kérdés vizsgálható matematikai-statisztikai eszközökkel is, ha nagy térbeli felbontásban hosszú, csaknem hiánytalan, homogén és reprezentatív mérési sorok állnak rendelkezésre. Ez a gyakorlatban azonban komoly problémát jelent, ezért legegyszerűbb egy klimatológiailag megalapozott szubjektív döntés. Az USA-ban államonként legalább kettő, tehát összességében legalább száz mérőhelyet terveznek a hálózat végső formájában. Fontos a helyszínek kijelölésekor, hogy a felszín és a környezet várhatóan hosszú időn át ne változzék számottevően és, hogy a mérőhelyet hosszú időn át ne kelljen megszüntetni vagy áttelepíteni valamilyen külső ok miatt. Ez utóbbi kockázatának csökkentése érdekében célszerű (bár nyilván költséges) a mérőhelyek duplikálása. Ez azt jelenti, hogy minden mérőhely közelében felállítanak egy másikat is, és ha valamilyen külső ok miatt az egyiket meg kell szüntetni (más célra át kell adni a területet), akkor a környező 4

34 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet másik mérőhely folytatni tudja a programját. Itt a közelséget a legváltozékonyabb elem, a csapadék dönti el. Az ajánlások szerint ez legalább 2 km de legfeljebb 30 km. Természetesen el kell kerülni a természeti veszélyekkel járó, így például árvizes területeket és ügyelni kell a megközelíthetőségre is a szervízelés miatt. A környező terület a mérőhely legalább 300 m-es környezetében homogén és nem árnyékolt kell, hogy legyen. Mérési program Az USCRN mérőhelyei összességében egyenként kb. 18 x 18 m-es területet foglalnak el (1. ábra). A méréseket végző szenzorok egy kb. 3 m-es tornyon helyezkednek el (kivéve a csapadékot) 1,5 m-es magasságban. A szenzorok 2 másodpercenként szolgáltatnak információt, amiknek 5 perces átlagát képezik. Így minden órában 12 ötperces átlag áll rendelkezésre. Ezek képezik az archiválandó mérések alapját (kivéve a csapadékot). A szenzorok pontos specifikációja a Internet oldalon érhető el. A ös állapot szerint az alábbi elemek mérése folyik: léghőmérséklet (sugárzásvédelemmel ellátott szenzor): óránkénti átlag, napi átlag, napi maximum és minimum (ez az ötperces átlagok minimuma illetve maximuma), csapadék: 15 percenkénti, illetve az ezek megfelelő összegzésével nyert órás és napi összegek, globálsugárzás (pyranométer): órás összegek, napi összeg, szélsebesség (irány nem) (anemométer): órás átlagok, napi átlag, felszínhőmérséklet (infravörös termométer): órás átlagok, napi átlag, napi maximum és minimum (ez az ötperces átlagok minimuma illetve maximuma). relatív nedvesség (relatív nedvesség szenzor): órás átlagok, napi átlag ben tervezték a talajnedvesség, talajhőmérséklet és légnyomás azonos időbeli felbontású mérését, továbbá a szélsebesség és a szélirány szokásos 10 m-es magasságban történő mérését. A szél esetében a nagy időbeli felbontásból fakadóan (2 mp) a széllökés is megadható. Ezen kívül szükséges lehet a hóvastagság és a felhalmozódott hó vízegyenértékének mérésére is. Az egyedi mérőhelyek környezetével szemben támasztott követelmények Léghőmérséklet: a terep sima, legfeljebb 20 fokos lejtéssel, a növényzet magassága kisebb 10 cm-nél. A szenzortól legalább 100 m-re nem lehet mesterséges hőkibocsátó vagy visszaverő felület (pl. épület, beton). Nagyobb víztől távol legyen, kivéve, ha a területet éppen ez a vízfelület reprezentálja, de ekkor is legalább 100 m-re. Csapadék: a terep sima, a terep lejtése 20 fokosnál kisebb, az akadályok magasságuknál legalább 4-szer távolabb vannak. (Akadály az, aminek a teteje a csapadékfelfogó felületről legalább 10 fokos magasságban látszik.) Tanácsos két csapadékmérőt üzemeltetni, és szélfogóval körülvenni. A szélfogó lényegében egy kettős körkörös léckerítés, ami a csapadéknak a felfogó felületre való eljutásakor a szél zavaró hatását enyhíti. Globálsugárzás: a felszín sima, a terep lejtése legfeljebb 2 fokos. A terület akadálymentes a szenzor legalább 100 m-es környezetében. Szél (10 m-es magasságban): a szenzort környező felszín magasságváltozása 5 m-nél kisebb egy 300 m-es sugarú körön belül. A szenzor az akadályoktól az akadályok magasságánál legalább 10-szer nagyobb távolságra van. Az akadály magassága kisebb 5,5 m-nél egy 5

35 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 150 m-es körön belül és kisebb 7 m-nél egy 300 m-es körön belül. A szenzor egy környező akadály-csoport (pl. facsoport) szélességénél legalább 15-ször nagyobb távolságra helyezkedik el Az Ausztrál éghajlati mérőhálózat A hálózat tevékenysége a következő területeket öleli fel. 1. Hidrológiai megfigyelések: a vízhozamon és a vízálláson kívül ide tartozik a csapadék mérése is. Az Ausztrál Meteorológiai Szolgálat csapadékmérő hálózatán kívül (kb napi csapadékösszeget, 800 csapadékintenzitást mérő hely), a területi vízügyi igazgatóságok is végeznek csapadékmérést. 2. Földfelszín (OzNet): a CSIRO 7 helyen működtet a CO 2 és H 2 O áramok mérésére szolgáló rendszert az ausztrál klímarégiók reprezentatív helyein. Ezek a FLUXNET-hez tartoznak. E globális mérőhálózat több mint 400 pontból áll (Barcza et al., 2006). Célja az üvegházhatású gázok különösen a szén-dioxid mennyiségének és fluxusának meghatározása. Az állomásokon általában az alap éghajlati méréseken túl mérik az energiamérleg komponenseket, illetve talajtani és ökológiai megfigyeléseket is folytatnak. 2. ábra. A felszíni sugárzásmérő hálózat. 3. ábra. Egy ausztráliai éghajlati referencia állomás (CHARLEVILLE AERO, 94510). Megemlítjük még az OzFlux hálózatot, ami a FLUXNET hálózat ( ausztráliai és az újzélandi mérőhelyeket foglalja egységbe. A honlapról elindulva pedig, részletes leírásokat találunk az egyes állomások elhelyezkedéséről, műszerezettségéről és mérési programjáról. Megjegyezzük, hogy hazánkban 3 FLUXNET állomás van. Bugacon, Hegyhátsálon és a Mátrában (hegyvidék). Ezen állomások fejlesztése és integrálása az OMSz éghajlati mérőrendszerébe ill. ezen állomások körüli alap éghajlati mérőhelyek kijelölése a partnerek érdeklődése esetén kölcsönösen előnyös és költség hatékony megoldás lehet. 6

36 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 3. Sugárzás: az Ausztrál Meteorológiai Szolgálat 14 helyen (2. ábra) méri a direkt, diffúz és globálsugárzást, a földfelszín kisugárzását és a hosszúhullámú visszasusugárzást továbbá 2 helyen mérik az UV sugárzást is. Vannak állomások, ahol a sugárzás spektrális szerkezetét is mérik. 4. Krioszféra mérések. 5. Felszínfedettség és vegetációmérések. Az ausztráliai referencia éghajlati mérőhálózat A mérőrendszert az 1990-es években szervezték olyan állomásokból, amelyek biztosítják a hosszú távú homogén mérések feltételeit, s alkalmasak az éghajlat változásának az analízisére. A hozzávetőlegesen 100 állomásból álló hálózat a lehetőségek szerint egyenletesen fedi le a kontinensnyi országot ( Az alapklimatológiai adatok mellett súlyt helyeznek a párolgásmérésre. Általában városoktól távoli szabad területeken mérnek. Sok állomás van repülőterekre telepítve. A 3. ábrán egy átlagos állomás képét mutatjuk be. Az Internet-en megtalálhatók az állomás klimatológiai adatai. (A műszerezettség figyelembe véve az ország fejlettségét túl egyszerűnek tűnik.) 1.5. Egy kanadai éghajlati referencia állomás Az állomást (4. ábra) egy kutatásfejlesztésben érdekelt cég üzemelteti, szoros együttműködésben a helyi egyetemmel. A műszerek egyszerűek. Az alap éghajlati adatokat a Kanadai Környezetvédelmi Szolgálatnak továbbítják. 4. ábra. A referencia éghajlati állomás (Climate Reference Station, SRC CRS) Saskatoon-ban a kanadai prérin. A kanadai prérin zavartalan környezetben felállított bővített programú állomáson (szélsebesség, szélirány, hőmérséklet, nedvesség, csapadék, légnyomás, talajnedvesség és talajhőmérséklet) nagy figyelmet fordítanak a sugárzási komponensek pontos mérésére. Olyan adatbázis építését tartják szükségesnek, amely alkalmas a bekövetkező éghajlati változások trendszerű követésére, illetve az extrémumok vizsgálatára. Órás adatokat tárolnak. A szenzorok nagy része és az adatgyűjtő a Campbell cégtől származik. A K+F tevékenységben hangsúlyos szerepet kap a társtudományokkal (erdészet, mezőgazdaság, ökológia) kialakított kapcsolat, illetve az észak-amerikai kutatási programokba történő bekapcsolódás. 7

37 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet ( Az Oklahoma Mesonet mérőrendszer Az Oklahoma Mesonet hálózat több mint 110 automata állomásból áll. Ez a mezoskálájú mérőhálózat szép példája az együttes meteorológiai és klimatológiai információhasznosításnak. Az állomások az éghajlati vizsgálatok mellett biztosítják a mezoskálájú numerikus modellek bemenő adatait, illetve teszt adatbázisként szolgálnak a numerikus modell parametrizációk (pl. felszín-bioszféra-légkör, planetáris határréteg (PHR), sugárzási komponensek) kifejlesztéséhez és teszteléséhez. Legalább egy ilyen állomás van az állam mind a 77 megyéjében ( Az állomások műszerei egy-egy tornyon vagy annak közelében helyezkednek el. A mérések 5 percenkénti megfigyeléseket produkálnak, amelyek ilyen időközönként kerülnek automatikusan egy központba. Mérési program léghőmérséklet (1,5 m-en), relatív nedvesség (1,5 m-en), szélirány és sebesség (10 m-en), légnyomás, csapadék globálsugárzás. talajhőmérséklet (10 cm-en), A legtöbb helyen még mérik az alábbiakat is: léghőmérséklet 9 m-en, szélsebesség 2 m-en, talajnedvesség 5, 25 és 60 cm-en, talajhőmérséklet 5 és 30 cm-en. A felszín feletti mérések sűrűsége 3 mp (kivéve a légnyomás mérését, ahol ez 12 mp, és a csapadékgyűjtő, amit a csapadékesemény határoz meg) és ezek 5 perces átlaga adja a megfigyelt értéket. A talajhőmérséklet mérési sűrűsége 30 mp, az átlagolás 15 perces. A talajnedvesség mérési sűrűsége 30 perc. Műszerek Léghőmérséklet: Thermometrics Fast Air Temperature 2004-től; Vaisala HMP35C között, pontosság: ±0,5 ºC (szélsebesség > 6 m/s), 1,0 ºC (3-6 m/s), 1,5 ºC (2-3 m/s), 3,5 ºC (1-2 m/s). Szélsebesség: RM Young Wind Monitor, pontosság: 0,3 m/s (ilyen műszerrel Magyarországon is mérünk, megbízhatósága kiváló). Csapadék: Met One Tipping-Bucket Rain Gauge, pontosság: ±5% a 0-50 mm/óra csapadék tartományban. Talajhőmérséklet: Stainless Steel Encased 10K Thermistor Probe, pontosság: ±0,5 ºC. Légnyomás: Vaisala Barometer, pontosság: ±0,4 mb -30 és 50 ºC között. 8

38 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 5. ábra. Egy kiemelt programú Oasis mérőhely (Banner) látképe. Jól látszik a cc. 10 m-es torony a profilmérésekkel és a háttérben levő sugárzásmérő platform. A kiemelt mérőhelyek Oasis Super Sytes A Mesonet hálózat 1993-as indulása után hamarosan felmerült az igény energiaháztartási méréseket végző mérőhelyek iránt is. Ez mind a klimatológiai mind az időjárás-előrejelzési modellek számára fontos (kezdeti adatok, modellfejlesztés, parametrizáció). Az állomástelepítés 1999-ben indult (Monroe et al., 2006). Jelenleg 10 állomásból áll ez a hálózat mérési programja, műszerezettsége számunkra is példa értékű, és a jelen kutatási program anyagi forrásaiból nagyrészt megvalósítható. A teljes energiaháztartási mérések tartalmazzák a sugárzási mérleg komponensek egyenkénti mérését (CNR1 radiométer a műszerrel a GVOP laborfejlesztési pályázatának köszönhetően mi is tapasztalatokat szereztünk 2006-ban, használatát feltétlenül javasoljuk a mérőhálózatunkban). Az impulzus, szenzibilis és a latens hőáram meghatározására CSI CSAT3 szonikus anemométert és a Krypton hygrométert használnak, s Campbell adatgyűjtőt alkalmaznak. E műszeregyüttessel szintén van mérési tapasztalatunk. (A Krypton hygrométer helyett a CO 2 fluktuácóit is mérő és kevésbé karbantartás igényes LI-7500 műszert javasoljuk.) Ezt a műszerezettséget (5. ábra) kiegészítve a talaj energia- és vízháztartásának részletes mérésével tekintjük a bővített programmal rendelkező állomás felszíni méréseinek alapjául. E műszeregyüttes elemeinek (elsődlegesen a sugárzásmérő, illetve a szonikus anemométer) telepítését javasoljuk más mérőhelyekre is, a rendelkezésre álló források függvényében A mérési program a Tibeti Platón (CAMP Himalayas) 9

39 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A Globális Energia és Vízmérleg Kutatási Program (Global Energy and Water Cycle Experiment, GEWEX, keretében folyó Ázsiai Monszun Kísérlet (Asian Monsoon Experiment, GAME) során japán és európai közreműködéssel létesült egy több tagból álló állomáshálózatot a tibeti fennsíkon. Felszíni meteorológiai, profil- és energiaháztartási méréseket folytatnak. Itt is hangsúlyos szerepet kap a sugárzásmérés, továbbá a felszíni és a távérzékelési (elsősorban műholdas mérések) összehangolt alkalmazása. A klimatológiai célok mellett lényeges szempont a meteorológiai információk operatív alkalmazása, illetve a numerikus modellfejlesztésekhez kapcsolódó parametrizációs eljárások (sugárzás, felszínközeli réteg, energiaháztartás) tesztelése. A mérési program a következő állomás-típusokból tevődik össze: Felszínközeli réteg mérésére szolgáló torony (pl. a tibeti Amdo mellett): szélirány és -sebesség, léghőmérséklet és nedvesség (1,5; 6,5; 14 m), felszínhőmérséklet, talajhőmérséklet (5; 10; 20 cm), talaj hőáram (10 és 20 cm), napsugárzás, légnyomás, csapadékintenzitás. Bejövő és kimenő rövid- és hosszúhullámú sugárzás. Automata állomás (korlátozott mérési programmal): szélirány és -sebesség, léghőmérséklet és nedvesség, felszínhőmérséklet, talajhőmérséklet, talajnedvesség, napsugárzás, légnyomás. Automata állomás (profilméréssel): Szélsebesség (10; 5; 0,5 m), szélirány (10 m), léghőmérséklet és nedvesség (2 és 0,5 m), bejövő és kimenő rövid- és hosszúhullámú sugárzás, felszínhőmérséklet, hóvastagság, csapadék, talaj hőáram (10 és 20 cm), talajhőmérséklet (0, 4, 10, 20, 40 cm), talajnedvesség (4 és 20 cm). Talajnedvesség-talajhőmérséklet rendszer: talajhőmérséklet (4; 20; 60; 80; 100; 130; 160; 200; 279 cm), talajnedvesség (4; 20; 60; 100; 160; 258 cm). Turbulencia mérés: Szél irány és sebesség, léghőmérséklet, relatív nedvesség, impulzus áram, szenzibilis hőáram, látens hőáram, stabilitási paraméter, CO 2 fluxus, léghőmérsékleti profil, szélsebesség és -irány. Wind profiler + RASS: Léghőmérséklet, szélirány és szélsebesség, turbulencia profilok, PHR magasság. Rádiószonda: Légnyomás, léghőmérséklet, relatív nedvesség, szélirány és szélsebesség profil A REKLIP program a Rajna völgyében A program célja olyan mérőrendszer kialakítása volt, ami alkalmas a Rajna-völgy éghajlatának részletes feltárására. A Németország, Svájc és Franciaország részvételével folyó kutatás az 1990-es évek egyik legjobban sikerült éghajlati mérési együttműködése volt. A közel 50 állomás mérési programját, adatellenőrzési és archiválási rendszerét a Karlshruhei Egyetem hangolta össze. A REKLIP (Regional Climate Program) Regionális Klímaprogram fő célja a felső Rajna völgyében kialakuló időjárási és éghajlati folyamatok nyomon követése és megértése. Az összehangolt mérési rendszer alkalmas volt a legfontosabb éghajlati elemek napi, évszakos és évi változásainak leírására. Kiemelt szerepet kapott az alap éghajlati adatok gyűjtése, a szélsebesség, hőmérséklet és nedvesség különbség mérése a felszín közelében, a sugárzási komponensek meghatározása, a talajhőmérséklet és -nedvesség, továbbá a felszíni energia mérleg mérése. A célok között szerepelt az emberi tevékenység hatásának vizsgálata 10

40 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet is a regionális skálájú éghajlati folyamatokra, illetve a légszennyeződésre. Az alap mérőhálózatra támaszkodva több távérzékelési, energiaháztartási és nyomanyag-mérési kutatási programot hajtottak végre (REKLIP, 1995, Kalthoff et al., 1999, Az állomások alap mérési programjához tartozott: hőmérséklet, nedvesség, szélsebesség mérése 2 m-en és 10 m-en, szélirány-mérés 10 m-en, csapadék, nyomás (nem minden állomáson), sugárzási mérleg (rövid és hosszúhullámú) komponensek mérése, különös tekintettel a pontos globálsugárzás meghatározására és az albedóra, a talaj hőforgalmának nyomon követése: felszín és talajhőmérséklet, talajnedvesség (4, 8, 16 és 31 cm), A 10 perces, illetve a 30 perces átlagértékek kerültek feldolgozásra. Az energiamérleg meghatározására szakosodott állomásokon a kilencvenes években már eddy kovariancia mérőeszközöket használták (szonikus anemométer, nedvesség fluktuációmérő) A Bowenarányt a hőmérséklet és nedvesség különbség mérésekből számolták A Német Meteorológiai Szolgálat Richard Aßmann Obszervatóriuma (Lindenberg) Az 1905-ben alapított obszervatóriumot századik születésnapján, 2005-ben nevezték el megalapítójáról Richard Aßmann Obszervatóriumnak. (A rendezvényen való részvételt a GVOP pályázati támogatás tette lehetővé.) Az esemény fontosságát, a meteorológiai mérések jelentőségét mi sem hangsúlyozza jobban, mint a német köztársasági elnök jelenléte. Az Obszervatórium a Német Meteorológiai Szolgálat egyik fontos K+F kutatóhelye, melynek fő profilja, ahogy 101 esztendeje is a felszíni, a felszínközeli réteg, illetve a szabad légkör szondázása, a sugárzási mérleg komponensek meghatározása és a felszíni energiamérleg mérése különböző vegetáció típusok felett. Egy olyan komplex mérőrendszert dolgoztak ki, amely az ún. lindenbergi légoszlop (cc. 20 x 20 km-es alapterület) komplex meteorológiai folyamatait veszi számba, ezzel segítve az (i) időjárási megfigyelések és az (ii) éghajlati vizsgálatok mellett a (iii) távérzékelési eszközök fejlesztését, az újgenerációs műholdas mérések tesztelését, a (iv) meteorológiai és éghajlati modellekben alkalmazott parametrizációk kifejlesztését a (v) mezo- és szinoptikus skálájú előrejelzési modellek tesztelését. Ez a jól átgondolt, egymásra épülő mérőegyüttes biztosítja az obszervatórium hosszú távú fennmaradását és hatékony bekapcsolódását (ill. koordináló szerepét) európai (pl. LITFASS mérési kampány a BALTEX programban, Beyrich, 2001) és globális (pl. CEOP, fejezet) programokba ( A tervezett bővített programú mérőhely elhelyezésénél is figyelembe kell vennünk ezeket a szempontokat: a meteorológiai mérések bővíthetőségét, a minél magasabb meteorológiai alap-mérésekre alkalmas (lehetőleg fémvázas) torony meglétét, a homogén környezetet, ami alkalmassá teszi a mérőhelyet műholdas mérések tesztelésére, illetve a hazai numerikus modellek fejlesztéséhez szükséges minél szélesebb körű teszt-adatbázisok szolgáltatására. A Richard Aßmann Obszervatóriummal az ELTE Meteorológia Tanszékének és az OMSz-nek több évtizedre visszanyúló, élő kapcsolata van. 11

41 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 6. ábra. A Richard Aßmann Obszervatórium határréteg mérőhelye és főbb mérései Falkenbergben. (A képen látható a 10 m-es és a 99 m-es mérőtorony, a sodar/rass mérések helye, továbbá a talaj hőforgalom, a sugárzási mérleg komponensek és a turbulens áramok mérésének színhelye.) Mérési program Az Obszervatóriumban külön osztályok, illetve csoportok foglalkoznak a klasszikus rádiószondás mérésekkel, a légköri sugárzási komponensek nagypontosságú mérésével, a szabad légkör és a határréteg távérzékelésen alapuló kutatásával (pl. RASS, SODAR, LIDAR, RADAR), illetve a határréteg folyamatainak tanulmányozásával (beleértve a talaj, a felszín, a felszínközeli réteg és a teljes PHR folyamatait, 6. ábra). (A hazai célzott éghajlati mérőrendszer kialakítása során e mérőegyüttes is példaként szolgál alapul.) A célzott mérőrendszer költségvetése miatt azonban a határréteg torony műszerezettségét nem mutatjuk be részletesen. Megjegyezzük azonban, hogy a 99 m-es tornyon a profilmérések szintjei: 10 m; 20 m; 40 m; 60 m; 80 m; 98 m, a direkt árammérések pedig a 10 m; 30 m; 50 m; 70 m és 90 m szinteken folynak (Leiterer, 2003; Beyrich, 2006a,b). A méréseket alacsony vegetáció felett (fűfelszín) végzik (6. ábra), de mobil mikrometeorológiai és energiamérleg mérő rendszert is kifejlesztettek és folyamatos méréseket végeznek magas vegetáció, víz és mezőgazdasági kultúrák felett is a lindenbergi oszlopban (A nemzetközi versenyképesség megőrzésének egyik útja mindenképpen egy koncentrált több intézet, kutatóhely érdekét szolgáló mérőhely kialakítása lehet Ez az ún. super site koncepció.) A talaj, a profil- és az energiaháztartási méréseket az I. táblázatban foglaljuk össze, megadva a mérési szintet és a műszerezettséget is. Mérőrendszer Mért mennyiségek Mérési szintek (m) Műszerezettség 12

42 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 10 m-es mérőtorony Talajmérések Hőmérséklet, nedvesség szélsebesség szélirány légnyomás talajhőmérséklet 0,5; 1; 2; 4; 10 0,5; 1; 2; 4; 10 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10 11,5 1-0,05; -0,1; -0,15; -0,2; -0,3; -0,45; -0,5; -0,6; -0,9; -1,0; -1,2; -1,5 Frankenberger + HMP-35/45 Climatronics (F460) Windgeber (Thies) Vaisala PT-100 Sugárzási mérések talajnedvesség talaj-hőáram Rövid- és hosszúhullámú komponensek -0,07; -0,15; -0,3; -0,45; -0,6; -0,9-0,05; -0,1 2 TRIME RIMCO HP-3 Kipp and Zonen PAR bejövő és reflex Felszíni sug. hőm. 2 2 Fluxusmérések Impulzus, 2,4 vagy szenzibilis és latens hő, 2,15 továbbá CO 2 fluxus Módosított Impulzus és szenzibilis 2,4 Bowen-arány hő, hőmérséklet és nedvesség gradiens 0,5 2,4 Csapadék csapadék mennyiség 1 Li-190 Campbell Metek, vagy Campbell Li-7500 Metek, vagy Campbell Frankenberger + HMP-35/45 1. Táblázat. A mikrometeorológiai mérőrendszer felépítése Az NCAR mérőtorony a meteorológiai állapotjelzők, a profilok és az energiamérleg komponensek meghatározására Az Egyesült Államokban a mikrometeorológiai kutatás egyik központja az UCAR-NCAR. Az 1990-es években kezdődött egy integrált mikrometeorológiai mérőrendszer fejlesztése, ami máig meghatározza a felszínközeli réteg méréseit. Ez az ún. ASTER rendszer (The Atmosphere/Surface Turbulent Exchange Research facility is a portable micrometeorological facility). ( Ez egy mobil mérőrendszer; felépítésére a klasszikus mérési tagozódás a jellemző: éghajlati adatok, profilmérések, sugárzási mérleg komponensek, direkt árammérések és a talajkarakterisztikák, illetve lehetőség szerint nyomanyag-áram (CO 2, O 3, NO x, SO 2, stb.) mérések. A toronymérések szintjeit az adott kutatási program igényei szerint alakítják ki. Legtöbbször 10 m-es tornyot használnak, és 5 szintben végeznek megfigyeléseket. A mérőrendszer alkalmazásáról és az adatbázis feldolgozásáról az EBEX-2000 programban szereztünk tapasztalatot. (Oncley et al., 2007; Mauder et al., 2007; Az ASTER rendszer toronymérési programját a NASA által végzett FIRE program felszíni mérései alapján ( szemléltetjük. Itt egy magasabb, 25 m-es tornyot használtak (2. táblázat). Műszer Mért mennyiség Magasság (m) Szonikus anemométer Momentum (τ) és 3; 7; 16 13

43 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet szenzibilis hőáram (H) Anemométer Szélsebesség, szélirány 1; 2; 4; 10; 25 Hőmérséklet- Hőmérséklet, nedvesség 1; 2; 4; 10; 25 nedvességmérő Sugárzásmérő Felszínhőmérséklet Nyomásmérő Légnyomás 2. táblázat. Az ASTER rendszer 25 m-es mérőtornyának műszerezettsége. Az ASTER rendszer műszerezettséget, a műszerek típusát és darabszámát a 3. táblázat tartalmazza. A rendszer felépítése alig változott az elmúlt 15 évben (Businger et al., 1990), a mérőműszerek és a számítástechnikai háttér természetszerűleg megújult A magas éghajlati mérőtornyok rendszere Európában A felszínközeli légréteg tulajdonságainak mérése mellett egyre fontosabb a PHR közvetlen mérése is. A 100 m feletti meteorológiai mérőtornyok olyan nem tömör vasszerkezetek, mint pl. a lakihegyi adótorony) már a határréteg szerkezetéről is szolgáltatnak információt. Alkalmasak a távérzékelési eszközökkel (SODAR, Windprofiler, Scintillométer) kapott adatok kalibrálására. E mérőhelyeket általában meteorológiai szolgálatok üzemeltetik. Céljuk referencia adatok szolgáltatása; jelentőségük az élvonalbeli technika fejlesztésében és meghonosításában van. A mérések sokrétűsége, a jól felkészült kutatógárda biztosítja az európai és globális programokban való részvételt. Így a drága és igényes mérések, és a hozzá kapcsolódó kutatás finanszírozhatóvá válik. (E super site koncepció az általunk telepítésre kerülő felszíni állomások valamelyikéhez kapcsolódva hazánkban is meggondolásra érdemes.) Az európai mérőrendszer tervezése, a meglevő mérőtornyok mérési programjának összehangolása az idei és a jövő év feladata. A program résztvevői között van a Német Meteorológiai Szolgálat (Lindenberg), a Holland Meteorológiai Szolgálat (Cabauw), vagy az Uppsalai Egyetem. (Halldin, et al., 2001; Beyrich, 2006b) A CEOP program A CEOP (Coordinated Enhanced observational period Összehangolt továbbfejlesztett megfigyelési szakasz) nevű program az 1990-es évek végen szerveződött a NOAA és a NASA koordinálásával. A program eredeti célja az volt hogy egy két éves periódusban (2001 és 2004 között) globális léptékben minél több, megbízható és nagypontosságú (felszíni és műholdas) információt szerezzenek a különböző felszínek feletti víz- és energiamérleg meghatározására, a különböző léptékű (a vízgyűjtőktől a kontinentális skáláig terjedő) modellek teszteléséhez. E munka folyamán kiépült és máig működik egy referencia mérőhálózat. Műszer Típus Mérési frekvencia Darab Mért állapotjelző Szonikus anemométer GILL, ATI, 20 Hz 1-5 u, v, w, Ts Campbell Ellenállás hőmérő Atmospheric Instrumentation 20 Hz 3 T 14

44 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet UV Hygrometer Research, Inc. CSI, 20 Hz 1-2 ρ v Li-COR H 2 O/CO 2 mérő LI Hz 1-2 ρ v, ρ CO2 Propeller anemometer NCAR/SSSF - 1 Hz 6 u, v irány) R.M. Young Hygrothermometer (T, rh) NCAR/SSSF - 1 Hz 6 T, f (%) Vaisala Harmatpont Hygrométer EG&G 1 Hz 6 Td Nyomásmérő NCAR, ill. Vaisala 1 Hz 1 P Csapadékmérő Scientific 1 Hz 1 P [mm] Technology, Inc. Sugárzásegyenleg-mérő Micromet Systems 1 Hz 1 Rn W/m 2 ] Globálsugárzás Precision Spectral 1 Hz 1 [W/m 2 ] Pyranometer, Eppley Hosszúhullámú Eppley 1 Hz 1 [W/m 2 ] sugárzásmérő Talajhőmérők NCAR 1 Hz 12 Ts [ o C] Talaj-hőárammérő Micromet Systems 1 Hz 1 Gs [W/m 2 ] Felszín-hőmérséklet NCAR 1 Hz 1 Tf [ o C] UV sugárzásmérő Eppley photometer 1 Hz 1 G UV [W/m 2 ] 3. táblázat. Az ASTER rendszerben használt műszerek A 36 referencia állomás között (7. ábra) megtaláljuk a jelenleg futó nemzetközi programokban résztvevő állomásokat (pl. Lindenberg). Kidolgozásra került az integrált globális megfigyelő rendszer stratégiája (IGOS The Integrated Global Observing Strategy), melynek egyik szegmense a légkör megfigyelése; ezen belül kiemelt szerepet kaptak a felszíni mérések. Elkészítették a mérési protokollokat, és a minőségbiztosítási előírásokat. Érdemes röviden megismerkedni a CEOP referencia állomások két típusával: 1D (1 dimenziós) állomások: Felszínközeli légtér + felszín + talaj, 2.5D (2,5 dimenziós) állomások: néhány 1D állomás + a felszíni inhomogenitások leírása egy ~100 km 2 -es (10 x 10 km 2 ) területen. A felszínközeli, a felszíni és a talajmérések a következő mennyiségeket jelentik: talajmérések (0 és -1 m között): talajhőmérséklet és talajnedvesség profil, talaj hőáram, hővezetés, talajparaméterek, mint a talajféleség, talajsűrűség, szántóföldi vízkapacitás); felszíni mérések (a felszín és a 2 m-es szint között): A sugárzási mérleg négy komponense, PAR, felszín hőmérséklet, talajnedvesség, csapadék, hóvastagság, a vegetáció magassága; 15

45 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet felszínközeli mérések (2 m és 10 m között): hőmérséklet, specifikus nedvesség és szélsebesség profil, légnyomás, momentum áram, latens- és szenzibilis hőáram. 7. ábra. A CEOP program referencia állomásai Kitekintés A nyolcvanas-kilencvenes évektől kezdve egyre több olyan nemzetközi mérési program szerveződik, melynek célja hogy leírja a felszín energia, víz-, szén- és egyéb anyagok (pl. nitrogén, ózon) mérlegét. Kapcsolatot találjon a meteorológiai, éghajlattani, hidrológiai és ökológiai kérdések között (Jacobs, 1998). Ilyen jellegű kutatási programokban többek között az OMSz, az ELTE, az ERTI, vagy a Szent István Egyetem kutatói is részt vesznek pl.: FLUXNET, EU6 CarboEurope, EU6 NitroEurope. A különböző nemzeti mérőhálózatok (Zahumensky, 2006) és a nemzetközi mérési programok összehangolása (lásd pl. a GEOSS program; Czelnai, 2006) a közeli jövő feladata. E folyamatba illeszkedik a hazai Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás hatásainak nagypontosságú nyomon követésére. Olyan mérőrendszer kialakítását tervezzük, ami mérési programjában: (1) magában foglalja a hazai automata meteorológiai főállomások méréseit (légnyomás, hőmérséklet, nedvesség (2 m), szélsebesség, szélirány (10 m), fűszinti hőmérséklet (5 cm), talajhőmérséklet, csapadék), és adattovábbítási rendszerét; (2) részletes sugárzásméréseket tartalmaz, méri a sugárzásegyenleg négy fő komponensét (globálsugárzás, visszavert rövidhullámú sugárzás, hosszúhullámú égbolt-sugárzás és rövidhullámú visszasugárzás, esetleg PAR); (3) hóvastagság, felszíni hőmérséklet (infra-szenzor), csapadékstátusz (levélnedvesség), esetleg egy második csapadékmérő az állomáson, vagy annak néhány km-es körzetében; (4) a talaj energiaháztartásának és vízforgalmának nyomon követése (talajhőmérséklet, talajnedvesség, talajhőáram profil) a talaj szerkezetének és a talajvíz-tükör ismeretében, de legalább 1 m-es mélységig; (5) a szélsebesség, hőmérséklet és nedvesség különbség meghatározása. A mérési szintek a standard mérési programhoz igazítva 2 m-en és 10 m-en; 16

46 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet (6) a felszínközeli réteg szélsebesség, hőmérséklet és nedvesség profiljának mérése. A javasolt 3. mérési szint a logaritmikus profilközelítés miatt 4 5 m, (vagy 0,5 1 m) az esetleges 4. felszínközeli mérési szint 0,5 1 m (vagy 4 5 m); (7) az impulzus és a szenzibilis hőáram meghatározása szonikus anemométerrel 4-5 m-es mérési szinten; (8) a talajvíz-szint mérése, ami a felszín-légkör kicserélődési folyamatok dinamikáját leíró modellek tényleges alsó határfeltétele, a lehetséges éghajlatváltozás egyik indikátora; (9) automatizált napfénytartam mérő; (10) a latens hőáram meghatározása módosított Bowen-arány módszerrel feltétel a pontos harmatpont gradiens mérés; (11) a latens hőáram meghatározása direkt áramméréssel javasolt a LI-7500 H 2 O/CO 2 szenzor; (12) a PAR mérleg meghatározása (lejövő, visszavert); (13) a felszínközeli réteg tulajdonságainak mérése magas tornyon (kiemelt mérőhely). A különböző éghajlati körzetekbe szánt célzott éghajlati mérőállomásoknak a lehetőségek figyelembevételével ki kell elégítenie az első 5-8 kritériumot, míg a kiemelt állomásnak lehetőség szerint az összest. Az elhelyezés optimális feltétele a legalább 300 m-es homogén alacsony vegetációval borított síkfelszín (alföld, vagy fennsík). A telepítésnél figyelembe kell venni a lehetséges kapcsolódási pontokat más hazai és nemzetközi együttműködésben üzemeltetett mérőállomásokkal. Ezek között kiemelt helyet foglal el a NitroEurope programban működő bugaci mérőhely és a FLUXNET hálózat tagjaként üzemelő hegyhátsáli mérőhely (ez utóbbi a CarboEurope program mérőhelye is). A kiemelt mérőállomás elhelyezésére a Debreceni Egyetem agrometeorológiai állomása jöhet szóba. Itt adott az infrastruktúra, a kutatói háttár, és a szakmai tapasztalat. 17

47 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 2. A célzott mérőhálózattal szemben támasztott követelmények E fejezetben bemutatjuk a felszínközeli réteg felépítését, profiljait. Javaslatot teszünk a mérési szintek meghatározására, a lehetséges műszerezettsége, mérési stratégiája, illetve a mért és leszármaztatott meteorológia mennyiségekre A felszínközeli réteg szerkezete, a mérések reprezentativitása A felszínközeli légtér a légkör alsó m-es rétege, ahol a turbulens áramok állandóságával számolhatunk, pontosabban a fluxus-divergenciát első közelítésben elhanyagolhatjuk. Ez az emberi tevékenység fő színtere. Itt van a szennyezőanyag-források többsége. A talaj-bioszféra-légkör rendszer kölcsönhatásainak megértése az itt lejátszódó éghajlati folyamatok nyomon követése fontos feladat. E rétegben kezdődik és fejeződik be a légköri nyomanyagok ciklusa. A felszínközeli légtér leírásához az energia és a vízmérleg komponensek mérésén át vezet az út. Egy több szegmensből álló éghajlati monitoring rendszert olyan helyekre kell telepíteni, ahol biztosítottak az állandó környezeti feltételek: a mérőhely és környezete lehetőség szerint legyen sík felszín (alföldi terület, esetleg fennsík), homogén alacsony növényállománnyal (pl. fűfelszín); a mérőhely környezeti állapota hosszú távon se változzon (pl. beépítettség, vegetáció); a talaj típusa, víz és energiaháztartása jellemezze az adott tájegységet. A tervezett állomások 1,5-2,5 km-es környezetében bekövetkező változásokat kell folyamatosan nyomon követni. Hozzávetőlegesen ez az a távolság, amelyről érkező hatások megjelennek az alsó 10 m-es réteg méréseiben. Ez az ún. footprint. Arról tájékoztat, hogy az aktuális mérések legyen az meteorológiai állapotjelző, vagy turbulens áram milyen területet reprezentálnak. E vizsgálatokat a mikrometeorológiai mérések (meteorológiai állapotjelzők, momentum és hőáram) ismeretében végezhetjük el. Az erre kifejlesztett programok az EU5-GREENGRASS program eredményeként rendelkezésre állnak, de felhasználható a számításokhoz az Internetről szabadon letölthető EDIRE programcsomag is. ( az Edinbourgh-i Egyetem a ig folyó NitroEurope program egyik résztvevője kutatási partnerünk.) A mérési szintek tervezésénél fő szabályként (Foken et al., 2004) azt mondhatjuk, hogyha a homogén felszín kiterjedése az adott irányban x méter, akkor a reprezentatív magasság (h), ahol az esetek többségében (az időszak kis hányadában előforduló erősen stabilis rétegződésű, nagy szeles helyzeteket kivéve) az adott felszínre jellemző karakterisztikákat mérjük: h= 0,3 x. 10 m-es standard meteorológiai mérőtoronnyal számolva a homogén terület mérete a mérőoszlop ~1 km-es környezete. A mikrometeorológiai mérések számára kritikus turbulens árammérések (szonikus anemométer) elhelyezésére javasolt 4-5 m-es magasságra ez az érték m. Ez az a minimális homogén terület (fetch) aminek a biztosítására törekedni kell A felszínközeli réteg energiaháztartása 18

48 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A felszínközeli réteg leírásában a döntő tényező az energiamérleg komponensek meghatározása. Mindenképpen pontosan kell mérni a sugárzási egyenleget (Rn). Ez négy sugárzási komponens egyenszilárdságú (azonos pontossági követelményeknek megfelelő) mérését teszi szükségessé. Ezek a globálsugárzás (v. rövidhullámú lejövő sugárzás), a visszavert rövidhullámú sugárzás G rövid G rövid. E két mennyiség különbsége a rövidhullámú sugárzási mérleg ( Rn rövid=grövid -Grövid ), míg hányadosa az albedó ( a=g rövid /Grövid ). A hosszúhullámú sugárzási egyenleget a lejövő hosszúhullámú sugárzás (v. égboltsugárzás), illetve a hosszúhullámú felszíni kisugárzás különbsége adja: Rn hosszú=ghosszú -Ghosszú. Az ég a felszínhez képest mindig hideg, így a hosszúhullámú mérleg mindig negatív. E négy sugárzási komponens együttese adja a teljes sugárzási mérleget Rn= ( Grövid -G rövid ) + ( Ghosszú -Ghosszú ). A sugárzási komponensek mérésére a Kipp & Zonen, CNR-1 WMO standard szerinti sugárzásmérőt javasoljuk. A GVOP által kiírt műszerfejlesztési pályázat (Környezettudományi laboratóriumi fejlesztés, ELTE Atomfizikai Tanszék) eredményeként e műszer beszerzésre és alkalmazásra került; a bugaci NitroEurope mérőhelyen; jól vizsgázott az ottani sugárzásmérések kalibrációjánál. A fotoszintetikusan aktív sugárzás mérését szintén fontosnak tartjuk. Erre a szintén a GVOP pályázatból beszerzett Kipp & Zonen PAR LITE szenzort javasoljuk. Megbízható, hosszú élettartamú, ami korábban az EU5 GRENNGRASS és az EU6 NotroEurope méréseknél is bevált. A pontos sugárzásegyenleg mérés az alapja a felszíni energiaháztartás meghatározásának. Az energiaháztartási (vagy energiamérleg) komponensek megváltozása a lokális éghajlati változások egyik dinamikai magyarázója. A felszíni energiamérleg leírásához négy tagot kell megbízható pontossággal mérni, az energiamérleg egyenletben Rn= H + LE+ G szereplő szenzibilis (H) hőáramot, a latens hőáramot (LE) és a talajfelszín energiamérlegét (G). A talaj hőforgalmának méréséhez szükségünk van a talajhőmérséklet, a talajnedvesség, és a talaj hőáram profiljára, s a talaj fizikai állandóinak az ismeretére. A talajvízszint mérése, hidrológiai, hidrogeológiai és talajtani kutatásokhoz nyújt alapinformációt, egyúttal zárttá teszi a víz- és hőforgalom számítását, követhetővé válik a légköri folyamatok alsó határfelülete (gondoljunk csak a párolgásra). A talaj- hőforgalom méréséhez a Campbell Scientific cég ( által forgalmazott és az elmúlt években általunk használt, s a nemzetközi gyakorlatban is elfogadott, érzékelők (talajhőmérséklet, talajnedvesség, hőáram-mérő) beszerzését javasoljuk A turbulens kicserélődés modellezése, profilok A felszínközeli réteg profiljai (szél, hőmérséklet, nedvesség, nyomanyag) a légköri stabilitástól függenek. A profilok ismeretében válaszolhatunk arra a kérdésre, hogy milyen magasságig érdemes mérni. A felszíni hatásokat a nagy gradiensek jellemzik. A gradiensek a magassággal csökkennek, míg a hatásterület növekszik. A profilok menete logaritmikus skálán a stabilitástól függően közel lineáris (Weidinger et al., 2006a). 19

49 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet Nézzük meg a turbulens kicserélődés szerkezetét! A turbulens örvények az átlagos mozgásra rakódó fluktuációk felelősek a tulajdonságok (impulzus, energia, nyomanyag) vertikális szállításáért. A turbulens áram nem más, mint a felületegységen időegység alatt áthaladó tulajdonság. Matematikailag az adott tulajdonság és a vertikális sebesség kovarianciája (8. ábra). A turbulens áramok és a meteorológiai állapotjelzők profiljai szoros kapcsolatban vannak egymással. A felszín tulajdonságai (érdesség, z 0 ), a mechanikus és a termikus eredetű turbulens kicserélődés, vagy más szavakkal az impulzus (τ) és a szenzibilis hőáram (H) alakítja a profilokat. A turbulens áramokat kovariancia alakban, a hasonlósági elmélet szerinti dimenzióanalízis felhasználásával, továbbá a turbulens diffúziós együttható (K) és az adott tulajdonság gradiensének ismeretében is felírhatjuk. Az impulzus (τ), a szenzibilis (H) és a latens hőáram (LE) alakja rendre: τ = ρuw= ρu = K 2 ' ' * U ΔU Δ z, ΔΘ Δ, H = ρcpθ ' w' = ρcput * * = ρcpk H z LE = ρq w = ρu q = ρk ' ' * * H Δq Δ z, ahol U, Θ, q, a horizontális szélsebesség, a potenciális hőmérséklet és a specifikus nedvesség (az egységnyi tömegű nedves levegőben levő vízgőz mennyisége) átlagértéke, u, Θ, q e mennyiségek fluktuációi, w pedig a vertikális sebesség fluktuációja (a pillanatnyi és az átlagos érték különbsége). Megjegyezzük, hogy az átlagos vertikális sebesség nulla. 8. ábra. A turbulens kicserélődés sematikus képe. A c tulajdonságnak a felszín a nyelője. A dimenzióanalízis szerint u *, T * és q * rendre a dinamikus sebesség, -hőmérséklet és -specifikus nedvesség. c p az állandó nyomáson vett fajhő, ρ a sűrűség. K U és K H az impulzus, 20

50 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet illetve a hőszállításra vonatkozó turbulens diffúziós együttható. Megjegyezzük, hogy a passzív turbulencia karakterisztikák viselkedése, mint a nedvesség, vagy a nyomanyagok mennyisége legalábbis első közelítésben a hőkicserélődéshez hasonló. A felszínközeli réteg folyamatainak megértéséhez a turbulens áramok direkt mérésen, illetve legalábbis az állapotjelzők gradiensének (különbségének) mérésén át vezet az út. A direkt mérési technika nagy pontosságú gyors (> 10 Hz) szenzorokat igényel, míg a gradiens mérésekhez perces 10 perces átlagolás szükséges. A turbulens áramok pontos mérése a kulcs az energiaháztartás pontos leírásához. Az energiamérleg komponensek klimatológiai elemzésével pedig közelebb kerülhetünk az éghajlati (de legalábbis a mikroklimatológiai) folyamatok dinamikai magyarázatához. A korszerű éghajlati állomások (lásd az előző fejezetet) mindkét módszert (direkt árammérések, profilok) alkalmazzák. E mérések természetesen a hagyományos éghajlati állomásoknál összetettebb mérésadatfeldolgozó rendszert és korszerű minőségbiztosítást követelnek (Foken et al., 2004). Elsődleges kérdés az energia mérleg lezárásának pontossága (Weidinger et al., 2002; Oncley et al., 2007; Mauder et al., 2007). A profilok és a fluxusok közötti kapcsolatot a Monin-Obukhov-féle hasonlósági elmélet írja le. Az indifferens (logaritmikus) profiloktól való eltérést az univerzális függvények adják meg. Az univerzális szó arra utal, hogy a függvények alakja egy, a stabilitástól függő dimenziótlan mennyiségtől (ζ) függ (Weidinger et al., 2000). A hasonlósági elmélet alapegyenletei: U u* = M ( ) z κ z ϕ ζ, Θ T* = H ( ) z κ z ϕ ζ, q q = * LE ( ) z κ z ϕ ζ, ahol κ a Kármán-konstans, ϕ M (ζ), ϕ H (ζ) és ϕ LE (ζ) az impulzusra a szenzibilis és a latens hőszállításra vonatkozó univerzális függvény. Első közelítésben mivel a hő- és a nedvesség-kicserélődés hasonló módon meg végbe: ϕ H (ζ) = ϕ LE (ζ). A ζ dimenziónélküli magasság (ami szoros kapcsolatban áll a Richardson-számmal) az aktív felszín feletti magasság (z) és a stabilitást jellemző Monin-Obukhov-féle hossz (L) hányadosa. Az L definíciós egyenlete: 2 u* L =. βκt * Az univerzális függvények ismeretében, a fenti egyenletek integrálásával kapjuk a profilokat (Weidinger et al., 2000; 2006a). A szélprofilok modellezésének kitüntetett szerepe van. Gondoljunk csak a terjedési modellszámításokra, vagy a szélenergetikai vizsgálatokra. Gyakran alkalmazzák az ún. hatványkitevős profilokat. 21

51 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet U( z ) ( z ) 2 2 = U z1 z1 A B kitevő a felszín érdességétől, illetve a stabilitástól függ (Weidinger et al., 2006c). Ez utóbbi a napszak, illetve a standard meteorológia állapothatározók (pl. a borultság, szélsebesség, besugárzás) függvényében jól modellezhető. Indifferens esetben B értéke 1/7. Labilis esetben ennél kisebb (0,07) míg erősen stabilis esetben, amikor a szél a magassággal erősen növekszik, B értéke eléri a 0,35-öt alacsony vegetációjú (kis érdességű) felszínek felett. Az erősen stabilis rétegződést leszámítva a 10 m-es szint felett már alig növekszik a szélsebesség (9. és 10. ábra), vagyis ha pl. a 4-5 m-es szinten, illetve a 10 m-es magasságban végzünk méréseket, akkor az ezt követő mérési szintnek már ~22-25 m-en kell lennie (logaritmikus profil-közelítés). Az ábrákból kitűnik, hogy a hatványkitevős profil felülbecsli a szélsebességet az alsó néhány m-es rétegben, ez nem meglepő, hiszen ez a profilközelítés a magasabb rétegek ( m) leírására szolgál, pl. szélenergetikai vizsgálatokhoz. B 9. ábra. A szélprofil alakja hatványkitevős közelítéssel erősen stabilis rétegződéstől (B = 0,35) a labilis rétegződésig (B = 0,07). A 10 m/es szint szélsebessége 3 m/s. 10. ábra. A normalizált szélprofilok alakja hatványkitevős közelítéssel erősen stabilis rétegződéstől (B = 0,35) a labilis rétegződésig (B = 0,07). (A 10 m-es szint szélsebessége 3 m/s, ez a 100%.) 22

52 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A homogén, alacsony vegetáció feletti szél- hőmérséklet és nedvességi profilokat a turbulens áramok, illetve az univerzális függvények segítségével adhatjuk meg. A különböző univerzális függvények közül Weidinger et al. (2000) összehasonlító vizsgálatai alapján labilis rétegződés mellett a M 1 4 ϕ ( ζ ) = (1 16 ζ ), H LE 1 2 ϕ = ϕ ( ζ ) = (1 12,5 ζ ), míg stabilis rétegződés mellett a ϕ ( ζ) = 1+ 5,5ζ, M ϕ = ϕ ( ζ) = 1+ 7,5ζ H LE függvények segítségével határozzuk meg integrálás után a profilok alakját. Számításainkban az érdességi magasságot 10 cm-nek vettük (alacsony vegetáció). A profilokat az előre megadott turbulens áramok (τ, H, LE, vagyis u *, T *, q * ), illetve a standard szinten mért meteorológiai állapotjelzők ( T(2 m), f(2 m) ) alapján számítottuk ki. Itt f a relatív nedvesség. 2.3.a. Labilis rétegződés Elsőként a labilis légrétegződéssel foglalkozunk. A meteorológiai állapotjelzők értéke rendre: T(2 m) = 25 o C, f(2 m) = 50%, a levegő sűrűsége pedig: 1,184 kg/m 3, a vízgőz sűrűsége: 11,6 g/m 3, parciális nyomása pedig 15,9 hpa. A hazai átlagos szélsebesség értékeihez igazodva 0,2 m/s, illetve 0,3 m/s nagyságú dinamikus sebességgel dolgoztunk. A stabilitási viszonyokat a gyenge labilis egyensúlyi helyzettől (H = 30 W/m 2 ) a közepes labilitáson át (H = 100 W/m 2 ) egészen a jól fejlett felszínközeli konvektív rétegig (H = 300 W/m 2 ) modelleztük. A 11. és a 12. ábra a szélprofilokat (abszolút és relatív értékek) szemlélteti. A normalizált szélprofilok alakja alig függ a stabilitástól, az abszolút értékek viszont növekednek a dinamikus sebesség növekedésével, illetve a labilitás csökkenésével. A legnagyobb változások az alsó 10 m-es rétegben vannak. Ha e fölött szeretnénk mérni, akkor a következő szintnek már 20 m felett kell lennie. Az itteni mérésnek költsége, a műszerek karbantartása meghaladja az információnyereségből származó előnyt (ami a pontosabb profil meghatározása); a nagyobb hatásterület viszont a profil mérések értelmezését nehezíti. A 10 m-es szint már megfelelő távolságban van a felszíntől ahhoz, hogy a mérőhely közvetlen felszíni hatását kiküszöböljük. E megállapítások természetesen következnek a hatásterületre bemutatott (Foken et al., 2004) összefüggésből is; a bemutatott ábrák a profilokat számszerűsítik. A felszínközeli réteg szerkezetét feltáró kiemelt állomás mérési programján kívül nem tartjuk fontosnak a 10 m-nél magasabb mérési szintek kialakítását. A hőmérséklet profilokat a 13. ábra mutatja. Megadjuk a stabilitást jelző L Monin- Obukhov-féle hosszt. (z/l < -2 értéknél a profilok már alulbecslik a hőmérséklet változását.) 23

53 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 11. ábra. Az alsó 30 m-es légtér szélsebesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram (légköri stabilitás) mellett. Az érdességi magasság z 0 = 10 cm. 12. ábra. Az alsó 30 m-es légtér normalizált szélsebesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram esetén. ( z 0 = 10 cm) 13. ábra. Az alsó 30 m-es légtér hőmérsékleti profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. z 0 = 10 cm. Az alsó 2-4 m-es rétegben a legnagyobb a hőmérsékletváltozás. A mérési szintek megadásakor a 2 m-es standard magasság és a szélmérés 10 m-es szintje mellett a 24

54 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet gradiensek meghatározásához egy felszínközeli (0,5 1 m közötti mérési szint) kialakítása is indokolt. Szóba jöhet még a 2-10 m-es szint között a 4,5 m-es mérési magasság is. E szint a szonikus anemométer számára lenne optimális. A felszínközeli kis mérési magasság mellett szól a nagyobb gradiens, ellene viszont a vegetáció változásából származó mérési pontatlanság (a vegetáció változásával változik az érdességi magasság és a kiszorítási rétegvastagság is, vagyis az aktív felszín magassága). Érdekes képet mutat a nedvességprofil. Az OMSz mérőrendszerében használt és nemzetközileg is elfogadott Vaisala szenzorok hőmérsékletet és relatív nedvességet mérnek. A felszínközeli réteg turbulens folyamatainak leírásában azonban a gőznyomás, illetve a specifikus nedvesség profiljait használják. Ez utóbbi a légsűrűségen keresztül függ a hőmérsékleti profiltól is. A 14. ábrán a gőznyomás, a 15. ábrán a relatív nedvesség profiljait mutatjuk be. A Bowen-arányt egynek választottuk. 14. ábra. Az alsó 30 m-es légtér gőznyomás profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett eltérő dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. z 0 = 10 cm, T(2 m) = 25 o C, f (2 m) = 50%. 15. ábra. Az alsó 30 m-es légtér relatív nedvesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm, T(2 m) = 25 o C, f (2 m) = 50%. Nappal a felszín párologtat. A gőznyomás a magassággal csökken nagyobb latens hőáramok esetén jobban. Nagy párolgás erős labilitás esetén a hőmérséklet is jelentősen csökken a magassággal (13. ábra), azaz a relatív nedvesség változása kicsi. Ez problémát 25

55 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet okoz a nedvesség mérésében, hiszen a műszerek pontossága 1-2%, bár érzékenységük tized százalékos. Ezt szemlélteti a 16. ábra. Egy adott szenzibilis hőáram (H = 100 W/m 2 ) mellett különböző latens hőáramok esetén mutatjuk be a nedvességi profilokat. A gőznyomás a magassággal csökken, a relatív nedvesség azonban akár nőhet is (lásd a telítési gőznyomás hőmérséklet függését Clausius-Clapeyron egyenlet). 16. ábra. Az alsó 30 m-es légtér relatív nedvesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző latens hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm, T(2 m) = 25 o C, f (2 m) = 50%, u * = 0,3 m/s, H = 100 W/m 2, L =- 24,4 m. A profilmérések gyenge pontja a relatív nedvesség meghatározása. Megoldást jelenthet a harmatpont mérése. Itt a probléma a megfelelő szenzor kiválasztása. Pszichrométeres mérések a téli félévben nem jöhetnek szóba. Az alsó ~1 m-es és a felső 10 m-es mérési szint relatív nedvesség különbsége az esetek nagy részében már megfelelő nagyságrendbe esik. A nedvesség áram számítása azonban profil-módszerrel bizonytalan. 2.3.b. Stabilis rétegződés A stabilis légrétegződés profiljait az előző részhez hasonló ábraegyüttessel szemléltetjük. A meteorológiai állapotjelzők értéke rendre: T(2 m) = 15 o C, f(2 m) = 85%, a levegő sűrűsége: 1,226 kg/m 3, a vízgőz sűrűsége: 10,9 g/m 3, parciális nyomása 14,5 hpa. Az érdességi magasságot ismét 10 cm-nek választottuk. Mind a szenzibilis, mind a latens hőáram a felszín felé irányul. A gyenge stabilitástól az erősen stabilis helyzetig elemezzük a profilokat. Ezek alakja az univerzális függvények futásából következően log-lineáris. A profilok a (ζ = z/l < 2) intervallumban adnak megfelelő pontosságú közelítést. E felett már nem számolhatunk az áramok állandóságával, ez már a stabil határréteg birodalma (esetenként már a m felett). A súrlódási sebességet ismét 0,2 m/s 0,3 m/s-nak választottuk. A szenzibilis hőáram az indifferenshez közeli rétegződést jellemző -10 W/m 2 -tól az erősen stabilis rétegződést leíró -50 W/m 2 -ig terjed. Elsőként a szélprofilokat elemezzük. A 17. ábrából kitűnik, hogy a stabilitás emelkedésével a szélsebesség egyre jobban nő a magassággal. Nagy gradiensek alakulnak ki. 10 m felett egyre inkább a magassággal lineárisan nő a szélsebesség m-es szinten árammérések hiányában a profilok ismeretében már nem tudjuk a turbulens áramokat pontosan meghatározni. Ismét arra a következtetésre jutunk, hogy a kiemelt állomást kivéve (teljes energiaháztartás mérés) nem kell 10 m fölé menni a méréssekkel. 26

56 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A hőmérsékleti profilok elemzéséből (18. ábra) szintén jól látható a gradiensek stabilitással (ζ) való növekedése. A 5-10 m-es szint felett a hőmérséklet a stabilitás széles tartományában már közel lineárisan változik a magassággal. 17. ábra. Az alsó 30 m-es légtér szélsebesség profiljai stabilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm. 18. ábra. Az alsó 30 m-es légtér hőmérsékleti profiljai stabilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm. Stabilis rétegződés esetén ha a nedvességáram a felszín fele irányul a gőznyomás a magassággal növekszik (19. ábra). A relatív nedvesség esetén ismét elmosódottabb a kép, hiszen stabilis esetben a hőmérséklet a magassággal növekszik, vagyis nő a levegő vízgőz-befogadó képessége, ami elnyomja a vízgőz mennyiségének a növekedését. Összességében csökkenő relatív nedvességi értékeket kaphatunk (20. ábra). Ismét megállapíthatjuk, hogy a nedvességprofil ismeretében csak pontatlanul határozható meg a vízgőz áram. 27

57 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 19. ábra. Az alsó 30 m-es légtér gőznyomás profiljai stabilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm, T(2 m) = 15 o C, f (2 m) = 85%. A Bowen-arány értéke ábra. Az alsó 30 m-es légtér relatív nedvesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző latens hőáram mellett. Az érdességi magasság 10 cm, T(2 m) = 15 o C, f (2 m) = 85%. A Bowen-arány értéke Mérési program, mérési szintek, műszerezettség A javasolt mérőrendszert a nemzetközi mérési programok tapasztalatai alapján (NitroEurope, FLUXNET) és a hazai éghajlati mérőhálózat ismeretében, állítottuk össze (Gyuró és Nagy, 2006; Oncley, et al., 2006; Barcza et al., 2006). A tervezett mérőrendszernek természetesen teljesítenie kell a jelenlegi OMSz főállomások mérési és adatgyűjtési programját, mérési pontosságát. Az alap-műszerezettség tekintetében az OMSz-nál meglevő szenzorok alkalmazásából kell kiindulni. Fontos a felszínközeli réteg profiljainak, stabilitási viszonyainak mérése is. A 10 m-es mérőárboc felműszerezését javasoljuk. Kiemelt fontosságú a sugárzási mérleg komponensek mérése is. Erre a Kipp and Zonen cég CNR-1 műszerét javasoljuk. Egy ilyen szenzort már beszereztünk 2006-ban (GVOP környezettudományi laborfejlesztés). A tapasztalatok kedvezőek. Lényegesnek tartjuk a talaj energia- és vízháztartásának nyomon követését amennyiben amennyiben szükséges a talajvíz-tükörtől. Optimális esetben az alapmérőállomásokat is úgy kívánjuk kiépíteni, hogy alkalmasak legyenek a módosított Bowenarány módszerrel (szonikus anemometer, nedvesség gradiens) az energiaháztartási mérésekre. Mérőrendszer Mért mennyisége Mérési szintek (m) Műszerezettség 28

58 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet Standard meteorológiai mérések Egyenszilárdságú az OMSz mérőrendszerével Felszíni kiegészítő mérések 10 m-es mérőtorony Hőmérséklet nedvesség szélsebesség szélirány légnyomás csapadék fűszinti hőmérséklet Csapadék státus (levélnedvesség) Felszíni hőmérséklet Hóvastagság Csapadékmérő Hőmérséklet nedvesség 2, , ; 4,5; 10 HMP-35/45 Vaisala Vaisala Vaisala Lambrecht Vaisala Campbell Campbell (infra) Campbell HMP-35/45 Vaisala, illetve Frankenberger (T, Tw), vagy harmatpont-mérő Talajmérések Szélsebesség talajhőmérséklet talajnedvesség 1; 4,5-0,02; -0,05; -0,1; -0,2, -0,3; -0,5; -1,0, -0,05; -0,15; -0,3; -0,4; Vaisala PT-100 Campbell Sugárzási mérések talaj-hőáram Rövid- és hosszúhullámú komponensek -0,05; -0.1; -0.3, 2 Campbell Kipp and Zonen PAR bejövő Napfénytartam 2 2 Kipp and Zonen Talajvíz szint Talajvízmérő kút Pl. Dataqua Fluxusmérések Impulzus, szenzibilis hő 4,5 Metek, vagy Campbell vagy latens hő, CO 2 fluxus 4,5 Li-7500 Impulzus, szenzibilis hő 4,5 Metek, vagy Campbell Módosított hőmérséklet és Frankenberger + Bowen-arány nedvesség gradiens HMP-35/45 4. táblázat. Az alap éghajlati mérőállomás műszerezettsége. Az egymás alatti sorok a mérések fontosságát is mutatják. A szürkével jelzett mérési program megvalósítása feltétlenül javasolt. A szonikus anemométeres mérek beindítása a lehetőségek függvényében javasolt. A PAR, illetve a napfénytartammérő, opcionális. A központi állomásra eddy-kovariancia mérőrendszert (szonikus anemométer + LI-7500) javaslunk. Optimálisnak tűnne egy legalább 25 m-es mérőtorony használata. A 10 m után ez lenne a következő profilmérésre alkalmas szint (szélsebesség, szélirány, hőmérséklet nedvesség). 29

59 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet 21. ábra. Az alap éghajlati mérőállomások 10 m-es mérőárboca teljes kiépítettségben. A fűszinti hőmérő, a csapadék- és hóvastagságmérő, továbbá a csapadék státusz (levélnedvesség) mérő nincs külön jelölve. Szintén nem jelöltük az opcionálisan használható napfénytartam- és PAR-mérőt Adatfeldolgozási stratégia Az új mérőállomások az OMSz adatgyűjtő és adatfeldolgozó rendszeréhez kapcsolódnak. Olyan terepi adatgyűjtő-tároló egységre van szükség (lehetőség szerint Campbell CR-5000), ami a műszerek érzékenységéhez igazodva szerint 1-10 s-os mintavételi gyakorisággal gyűjti a szenzorok adatait. A talajnedvesség, talajhőmérséklet illetve a talajvízszint adatoknál ritkább mintavételezés is elegendő. A meteorológiai állapotjelzők átlagos értékei és szórásai 10 perces, 30 perces átlagolási idővel kerülnek rögzítésre. A gyors szenzorok (szonikus anemométer, LI-7500) jelei legalább 10 Hz-es mintavételezési frekvenciával kerülnek összegyűjtésre. Az adatgyűjtőnek képesnek kell lennie az összes nyers fluxus adat rögzítésére, továbbá a 30 perces átlagolással készített nyers fluxusok, illetve második momentumok kiszámítására, s legalább 1 hónapig tárolni a nyers adatokat, illetve továbbítani a feldolgozott meteorológiai méréseket (beleértve a korrigált fluxusokat). 30

60 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A mért meteorológiai adatokból és a fluxusokból további leszármaztatott mennységek is előállíthatók. Ezek külön archiválását azonban nem tartjuk szükségesnek. A leszármaztatott mennyiségek között van többek között a profil adatokból számítható: gradiens Richardson-szám, a széladatokból kapott Β hatványkitevő, a meteorológiai adatokból (szélsebesség, sugárzás, hőmérsékleti gradiens) származtatható Pasquill-féle stabilitási kategória, vagy a sugárzási komponensekből kapható rövid- és hosszúhullámú mérleg, a sugárzási egyenleg, illetve az albedó, továbbá a talajhőmérséklet, talajnedvesség és talaj hőáram adatokból a talaj paraméterek ismeretében előállítható felszíni talaj-hőáram. Szintén fontos levegőkörnyezeti karakterisztika a szélirány és szélsebesség szórása. 22. ábra. Az alap éghajlati mérőállomások talaj mérései (víz- és hőforgalom). A direkt árammérések nyers adataiból (> 10 Hz) szükség szerint számíthatók a második és a magasabb momentumok. A nyers fluxusok, illetve az utófeldolgozott minőségbiztosított mérési adtok előállítására az EUROFLUX módszertan használatát javasoljuk (Aubinet et al., 2000, Barcza et al., 2006) kiegészítve a korábbi mérési expedíciók 31

61 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet (GREENGRASS, EBEX-2000, Weidinger et al., 2002, Weidinger et al., 2004, Oncley et al., 2007) tapasztalataival. A mérőhelyek kiválasztásánál a mérési program, és a minőségbiztosítási rendszer kialakításánál a hazai FLUXNET mérőhelyeket üzemeltetőkkel kialakítandó együttműködés (OMSz, Szent István Egyetem, ELTE Meteorológiai Tanszék) indokolt biztosítva számukra a folyamatos meteorológiai információkat, a fluxus számításoknál és a minőségbiztosítási eljárások kialakításánál pedig együttműködési készség esetén számítunk tapasztalataikra. A mérő-adatgyűjtő és -feldolgozó rendszer kialakításánál támaszkodunk a Bayreuth-i Egyetem Mikrometeorológiai Tanszékével és a DWD (Német Meteorológiai Szolgálat) Lindenbergi Obszervatóriumával kialakított együttműködésre is. Ez adja pályázat 2. évének legfontosabb K+F feladatát. A bővített programú éghajlati állomás helyszínére tett javaslat a Debreceni Egyetem obszervatóriuma, míg a síkvidéki alap éghajlati állomások telepítésénél a Bugac-pusztán (Szent István Egyetem üzemeltetésében) és a Hegyhátsálon (OMSz ELTE) üzemeltetésében működő mérőhelyet javasoljuk. Ezek több nemzetközi programban is részt vesznek. Mindkét helyen hússzú mérési sorok állnak rendelkezésre, a megbízható alapmeteorológiai adatok és pontos sugárzásegyenleg mérések azonban hiányoznak A mérőrendszer reprezentativitása Fontos kérdés a mérőműszerek optimális elhelyezése, a reprezentativitás kérdése, e feladatokat is vegyük sorra. Az állámások elhelyezésével kapcsolatos általános követelmények A tervezett állomásokat homogén, sík felszínek felett kell elhelyezni. Hasonlóan más nemzetközi mérésekhez itt is követelmény, hogy a mérőkertben a növényzet magassága kisebb 15 cm-nél. És a szenzortól legalább 100 m-re nem lehet mesterséges hőkibocsátó vagy visszaverő felület (pl. épület, beton), s olyan akadály, ami a csapadékmérést, illetve a sugárzásmérést akadályozza. A 10 m-es szinten folytatott szélmérés minimális követelménye, hogy a szenzort környező felszín magasságváltozása 5 m-nél kisebb egy 300 m-es sugarú körön belül. A szenzor az akadályoktól az akadályok magasságánál legalább 10-szer nagyobb távolságra van. Az akadály magassága kisebb 5,5 m-nél egy 150 m-es körön belül és kisebb 7 m-nél egy 300 m-es körön belül. A szenzor egy környező akadály-csoport (pl. facsoport) szélességénél legalább 15-ször nagyobb távolságra helyezkedik el. Ezek standard mérési követelmények, de betartásukra e mérési programban külön is törekedni kell. A mérőműszerek hatásterülete, (a horizontális reprezentativitás kérdése) A tervezett állomások 1,5-2,5 km-es környezetében bekövetkező változásokat kell folyamatosan nyomon követni. Hozzávetőlegesen ez az a távolság, amelyről érkező hatások megjelennek az alsó 10 m-es réteg méréseiben. Ez az ún. footprint. Arról tájékoztat, hogy az aktuális mérések legyen az meteorológiai állapotjelző, vagy turbulens áram milyen területet reprezentálnak. E vizsgálatokat a mikrometeorológiai mérések (meteorológiai állapotjelzők, momentum és hőáram) ismeretében végezhetjük el. Az erre kifejlesztett programok az EU5-GREENGRASS program eredményeként rendelkezésre állnak, de felhasználható a számításokhoz az Internetről szabadon letölthető EDIRE programcsomag is. ( az Edinbourgh-i Egyetem a ig folyó NitroEurope program egyik résztvevője kutatási partnerünk.) 32

62 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A mérési szintek tervezésénél fő szabályként azt mondhatjuk, hogyha a homogén felszín kiterjedése az adott irányban x méter, akkor a reprezentatív magasság (h), ahol az esetek többségében (az időszak kis hányadában előforduló erősen stabilis rétegződésű, nagy szeles helyzeteket kivéve) az adott felszínre jellemző karakterisztikákat mérjük h= 0,3 x. 10 m-es standard meteorológiai mérőtoronnyal számolva a homogén terület mérete a mérőoszlop ~1 km-es környezete. A mikrometeorológiai mérések számára kritikus turbulens árammérések (szonikus anemométer) elhelyezésére javasolt 4-5 m-es magasságra ez az érték m. Ez az a minimális homogén terület (fetch) aminek a biztosítására törekedni kell. A műszerek optimális magassága (vertikális reprezentativitás) A horizontális homogenitás és a hatásterület után a következő kérdés a műszerek optimális magasságának meghatározása. Ez a standard meteorológiai méréseknél nem jelent problémát. A WMO előírások szerint standard szinteken kell mérni (Az állomások egyenszilárdságúak a hazai szinoptikus főállomásokkal. A sugárzásméréseknél a hazai gyakorlatot alapul véve a 2 m-es magasságot javasoljuk. A direkt áramméréseket olyan szintben kell elhelyezni, hogy a felszíni hatások már ne befolyásolják a méréseket. Ez az érdességi magasságnak (ami alacsony vegetáció esetén cm-es nagyságrendű legalább) szerese. A fluxus mérésekre tehát a 4-5 m-es szintet javasoljuk. Itt a felszín feletti turbulens örvények már m-es nagyságrendűek, a 10 Hz-es mérési felbontás (szonikus anemométerek) már megfelelőek. Ezt a stratégiát követtük az EU4 GRAMINAE és az EU5 GREENGRASS programban is. A felszínközeli réteg profiljai a légköri stabilitásról, a turbulens kicserélődés erősségéről tájékoztatnak. A hasonlósági elmélet alapján különböző stabilitási viszonyok mellett (eltérő impulzus szenzibilis és latens hőáramok feltételezésével, kis érdességi magasság mellett) A modellszámítások szerint a 10 m-es szint felett már nem számíthatunk jelentős szél, hőmérséklet és nedvességi gradiensre. Az általunk javasolt 4 mérési szint 0,5-1 m, 2 m, 4-5 m, 10 m. Itt a gradiensek közel azonos nagyságúak és a relatív nedvesség kivételével jól mérhető (logaritmikus mérési szintek). Modellszámításaink alapján a nedvesség-gradiens pontos meghatározására harmatpont mérést javaslunk. A 10 m-es szint felett a nagy hatásterület és a kis gradiensek esetén már nem kapunk lényegesen több információt. A következő szint m-en lenne optimális, a profil szempontjából, de telepítését a kiemelt állomáson kívül nem javasoljuk hiszen e szint stabilis rétegződés esetén már kívül eshet a felszínközeli rétegen, erősen labilis rétegződés esetén, pedig a mért gradiensek gyakran a standard mérőműszerek hibahatárán belül vannak. A 10 m-es standard mérőárboc optimális megoldás a profilmérésekhez, a közvetlen felszíni hatások kizárásához. Álljon itt példaként egy ábra az alsó 30 m-es réteg szélprofiljairól nappali labilis egyensúlyi helyzetben különböző turbulens áramok mellett. Jól látható, hogy a 10 m-es mérőárboc jó kompromisszum. Ezt támasztják alá a hasonló külföldi mérési programok is. Fontos eleme a mérőrendszernek a víz- és hőforgalom mérése a talajban. Itt az optimális megoldás a talajvíz-tükörtől induló talajhőmérséklet és talajnedvesség mérés. A felszín alatti első szintre az 5 cm-t javasoljuk. Fontos szint a -30 cm és az -1 m is. A méréseket a területre jellemző homogén talajban kell végezni. A talaj hőáram mérésére az 5 cm-es és a 30 cm-es mélységet feltétlenül javasoljuk. 33

63 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet Az alsó 30 m-es légtér szélsebesség profiljai labilis rétegződésnél alacsony vegetáció felett különböző dinamikus sebesség és szenzibilis hőáram (légköri stabilitás) mellett. Az érdességi magasság 10 cm. 3. Összefoglaló megjegyzések A Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére c. program első évében az ELTE Meteorológiai Tanszék két vállalt feladatot oldott meg. Áttekintést adott különböző országok (pl. USA, Ausztrália) alap éghajlati mérőrendszerről, illetve a hasonló témájú nemzetközi együttműködéssel megvalósuló mérési programokról. Olyan mérőállomások telepítését javasoljuk, amelyek egyenszilárdságúak, a meglevő hazai állomáshálózattal, alkalmasak a 10 m-es légréteg profiljainak (szél, hőmérséklet, nedvesség) mérésére, kielégítik a WMO standard szerinti sugárzási mérleg komponensek mérését, alkalmasak a talaj víz- és hőforgalmának leírására. Javasoljuk továbbá a szonikus mérési technika alkalmazását is. Magyarország különböző klímaterületein, sík vidéken, lakó- és ipari területektől távol elhelyezésre kerülő állomások mérési programjukkal (talaj, felszíni és légköri állapotjelzők, sugárzási, energia és vízháztartási komponensek) kapcsolódnak a természetvédelmi, ökológiai, talajtani és agrárgazdasági mérési adatigények kielégítéséhez. Az állomástelepítésnél fontos kapcsolódási pontnak tekintjük az EU-6 NitroEurope és CarboEurope program hazai mérőhelyeket, illetve a Debreceni Egyetem Agrometeorológiai Obszervatóriumát, mint a kiemelt mérőállomás javasolt helyszínét. A K+F tevékenységben az ELTE Meteorológiai Tanszék munkatársai mellett PhD hallgató, illetve a Visegrádi Alap egy ösztöndíjasa is részt vett. A támogatási összeg lehetőséget adott konferenciákon való részvételre, a tervezett mérőrendszer hazai és külföldi szakemberekkel történő megismertetésére. A dologi beszerzések segítették a számítógépes háttér kialakítását, a Bugaci mérőhely (EU6 NitroEurope) fejlesztését. E feladatok végrehajtása segítette az oktatást is (földtudományi PhD program, hallgatói terepgyakorlatok). A rendelkezésünkre álló erőforrásokat a program célkitűzései alapján, szándékaink szerint hasznosan költöttük el. Irodalomjegyzék A K+F tevékenységhez kapcsolódó publikációk 34

64 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet Geresdi I. és Weidinger T. (szerkesztők), 2006: Felhőfizika és Mikrometeorológia. 32. Meteorológiai Tudományos Napok. Az előadások összefoglalói, Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest. Gyöngyösi, A. Z., Weidinger, T. and Iványi, Zs., 2006: Sensitivity study of a coupled dispersion-weather prediction model with case studies. Geophysical Research Abstracts 8, 08044, Horváth L. és Weidinger T., 2006: A bioszféra-légkör közti nyomanyag-kicserélődéssel kapcsolatos kutatások az Országos Meteorológiai Szolgálatnál; összefoglaló az utóbbi húsz év eredményeiről. HUNGEO 2006, Magyar Földtudományi Szakemberek VIII. Világtalálkozója. Pécs, augusztus Mauder, M., Oncley, S. P., Vogt, R., Weidinger, T., Ribeiro, L., Bernhofer, C., Foken, T., Koshiek, W. and Liu, H., 2007: The energy balance experiment EBEX Part II. Intercomparison of turbulence sensors and processing methods. Boundary-Layer Meteorology, /s (in press). (IF: 2.67) Oncley, S. P., Foken, T., Vogt, R., Kohsiek, W., H. de Bruin, Bernhofer, C., Christen, A., Grantz, D., Lehner, E., Liebethal, C., Liu, H., Mauder, M., Pitacco, A., Ribeiro, L. and Weidinger, T., 2007: The Energy Balance Experiment EBEX Part I: Overview and Energy Balance. Boundary-Layer Meteorology. (In press). (IF: 2.67) Weidinger T., 2006: Mikrometeorológiai mérések Erdőháttól Kelemenszékig. Az ELTE Meteorológiai tanszék előadói ülése november 13. Weidinger T. és Bordás Á., A felszínközeli légréteg kutatásának főbb kérdései. 32. Meteorológiai Tudományos Napok. MTA Székház, Budapest, november Az előadások összefoglalói. Weidinger T., Bordás Á. és Gyöngyösi A. Z., 2006a: A planetáris határréteg szerkezete alacsony és magas vegetáció felett. XXXI. Meteorológus Vándorgyűlés és V. Erdő és Klíma Konferencia, Október 25-27, Mátrafüred. Az előadások összefoglalói. Weidinger T., Gyöngyösi A. Z. and Sass E., 2006b: Sensitivity studies of the coupled AERMOD/ETA atmospheric dispersion modeling system. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF 06), Budapest University of Technology and Economics, Budapest, September 6-9. Conference Proceedings Volume I. (Edited by Lajos, T. and Vad, J.) Weidinger, T., Kiss, Á., Wantuch, F., Gyöngyösi, A. Z. and Bánfalvi, K., 2006c: Uncertainty of wind power estimation using standard meteorological measurements and forecasts. Geophysical Research Abstracts 8, 08253, Weidinger T., Tarczay K. és Bartholy J. (Szerkesztők), 2006d: Meteorológiai mérések a lokális skálától a globális folyamatokig. De miért is? TDK Iskola Balatonalmádi, augusztus Egyetemi Meteorológiai Füzetek, No. 20, ELTE Meteorológiai Tanszék, Budapest, 200 oldal. 35

65 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet A részjelentés elkészítéséhez felhasznált irodalom Aubinet, M., Grelle, A., Ibrom, A., Rannik, Ü., Moncrieff, J., Foken, T., Kowalski, A. S., Martin, P. H., Berbigier, P., Bernhofer, Ch., Clement, R., Elbers, J., Granier, A., Grünwald, T., Morgenstern, K., Pilegaard, K., Rebmann, C., Snijders, W., Valentini, R. and Vesala, T., 2000: Estimates of the annual net carbon and water exchange of forests: the EUROFLUX methodology. Adv. Ecol. Res. 30, Barcza Z., Haszpra L. és Hidy D., 2006: A felszín-légkör szénforgalom mérése mikrometeorológiai módszerekkel. 32. Meteorológiai Tudományos Napok (Szerk.: Weidinger T. és Geresdi I). Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest, Beyrich, F. (editor), 2001: Zusammenfassung der Ergebnisse aus dem Projekt LITFASS Lindenberg Inhomogeneous Terrain flux between Atmosphere and Surface: a long-term Study. DWD Arbeitsergenisse No. 70, Offenbach am Main, 70 p. Beyrich, F. (editor), 2006a: Ausgewählte Ergebnisse von Bodenfeuchte/Messungen am Meteorologischen Observatorium Lindenberg. DWD Arbeitsergenisse No 84, Offenbach am Main, 46 p. Beyrich, F., 2006b: Lindenberg Status Report: A CEOP reference site contribution from BALTEX 1stPan-GEWEX Meeting, Frascati, Oct 9/ Businger, J. A., Dabberdt, W. F., Delany, A. C., Horst, T. W., Martin, C. L., Oncley, S. P. and Semmer, S. R., 1990: The NCAR Atmosphere-Surface Turbulent Exchange Research (ASTER) Facility. Bulletin of American Meteorological Society 71, No 7. Czelnai R., 2006: A légkör és óceán globális megfigyelő rendszerei a GEOSS rendszercsaládon belül. Egyetemi Meteorológiai Füzetek 20, ELTE Meteorológiai Tanszék, Budapest, Foken T., et al., 2004: Post-field data quality control. In: X Lee, W. J. Massman and B. Law (Editors), Handbook of Micrometeorology: A Guide for Surface Flux Measurement and Analysis. Kluwer, Dordrecht, pp Gyuró Gy. és Nagy J. (szerkesztők), 2005: Intenzív meteorológiai megfigyelések. Meteorológiai Tudományos Napok Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest, oldal. Halldin, S., Beyrich, F., Bosveld, F., Cuxart, J., Heikinheimo, M., Jansson, P-E. and Lindroth, A., 2001: Surface-atmosphere data consolidation in Integrated Terrestrial Experiments. The MONSAI initiative. 4th International Scientific Conference on the Global Energy and Water Cycle. Book of Abstracts Septembre 2001, Collège de France, Paris. Jacobs, C., 1998: Worldwide Inventory of sites. Overview in tables, ESA Lspim Mission and Experiment Plan, WP1 Field Experiments on Land Surface Processes, (SC-DLO, Wageningen, The Netherlands), First draft, SC-DLO Winand Staring Centre, Wageningen, The Netherlands, December Kevin, E., Trenberth, T. E., Karl. R. and Spence, W., 2002: The need for a systems approach to climate observations. American Meteorological Society, BAMS, Kalthoff, N., Fiedler, F., Kohler, M., Kolle, O., Mayer, H. and Wenzel, A., 1999: Analysis of energy balance components as a function of orography and land use and comparison of 36

66 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet results with the distribution of variables influencing local climate. Theor, Appl. Climatol. 62, Leiterer, U. (editor), 2003: Das Grenzschicht-Messfeld Falkenberg am Meteorologischen Observatorium Lindenberg. DWD Arbeitsergenisse No 77, Offenbach am Main, 74 p. Monroe, J. W., Nemunaitis, K. L. and Basara, J. B., 2006: The development o fan operational quality assurance system for oasis super site data at the Oklahoma Mesonet. In. 10th Symposium on Integrated Observing and Assimilation Systems for the Atmosphere, Oceans, and Land Surface. (IOAS-AOLS) (Compact View). REKLIP, 1995: Reklip Klima Atlas Oberrheim Mittle-Süd, Text Volume. Verlagsgemeinschaft IFG-Coprur-vdf (IFG), Offenbach. Trenberth, K. E., Karl, T. R. and Spence, T. W., 2002: The need for a systems approach to climate observations. Bulletin of American Meteorology Society, BAMS Weidinger, T., Pinto, J. and Horváth, L., 2000: Effects of uncertainties in universal functions, roughness length, and displacement height on the calculation of surface layer fluxes. Meteorologische Zeitschrift 9, No. 3, Weidinger T., Barcza Z. és Matyasovszky I., 2002: Turbulens áram számító programok összehasonlítása az EBEX-2000 mérési expedíció adatai alapján. Levegő-növény-talaj rendszer. Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum. Lícium-Art Könyvkiadó, Weidinger T., 2004: A szén-dioxid koncentráció- és árammérések hosszú adatsorainak statisztikai és dinamikai alapú modellel történő értékelése. Kutatási beszámoló, T sz. OTKA kutatásról. (A beszámoló készítésében közreműködő további kutatók: Barcza Zoltán, Gyöngyösi András Zénó, Iványi Zsuzsanna, Haszpra László, Matyasovszky István és Pintér Krisztina), Budapest, Kézirat, 42 oldal. Az OTKA minősítése: Kiváló. Zahumensky, I., 2006: Integrated national in-situ observational network. Meteorologicky casopis 9, A részjelentés elkészítéséhez felhasznált INTERNET-es hivatkozások (A NitroEurope program nyitóoldala. Az 54. számú partnerintézmény az Eötvös Loránd Tudományegyetem.) (A COST program nyitólapja. Különösen fontos a program számára következő tervezés alatt levő program: EG-CLIMET European Ground-based observations of essential variables for CLImate and operational MET) (A GEOSS program legtöbbet hivatkozott tájékoztató oldala) (A Convention on Climate Change UNFCCC ENSZ program főoldala.) (Az U.S. Climate Reference Network USCRN nyitóoldala) (Az U.S. Climate Reference Network USCRN műszerei) (Az U.S. Climate Reference Network mérési programja, adatkövetelményei.) 37

67 Szakmai anyag, 2.2 Melléklet (Az Ausztrál referencia éghajlati mérőhálózat.) (A FLUXNET mérőhálózat nyitóoldala.) (Az OzFlux hálózat nyitóoldala, a FLUXNERT program ausztráliai és újzélandi állomásai.) (Tájékoztató az OzNet programról és beágyazottságáról a szénmérleg mérésekben és a FAO programjában.) (Egy kanadai referencia éghajlati állomás.) (A Mesonet mérőhálózat nyitóoldala.) (A Globális Energia és Vízmérleg Kutatási Program Global Energy and Water Cycle Experiment, GEWEX nyitóoldala.) (Alapinformáció a RECLIP programról). (A Német Meteorológiai Szolgálat Richard Aßmann Obszervatóriuma, Lindenberg.) (Az ASTER mérőrendszer nyitóoldala.) (Az EBEX-2000 mérési program nyitóoldala. A programban az ELTE Meteorológiai Tanszék is részt vett.) (Mikrometeorológiai mérések a FIRE programban az NCAR rendszerével.) (A CEOP program adat file-jai és adatkövetelményei.) (Az EDIRE program nyitóoldala.) (A Campbell Scientific az egyik piacvezető meteorológiai műszergyártó és forgalmazó cég nyitólapja.) 38

68 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet Effect of thermometer screens on accuracy of temperature measurements Zoltán Nagy Atmospheric Enviromental Observations Department Hungarian Meteorological Service P.O.Box 39. H-1675 Budapest, Hungary Abstract A three year project was started by the Hungarian Meteorological Service from 2006 in order to detect effects of climate change in Hungary supported by the National Research Development and Innovation Fund. In the framework of the project a background climate network including 5 measuring stations is planned to establish, where the temporal unchangingness and representativity, the applied measurement technique and the methodology provides possibility to follow up the changes in the basic climatic parameters with the possible highest reliability. One of the climatic paremeters, the air temperature, has definitive significance, so its measurement accuracy is of primary importance to judge authentically the measure of the changes eventuated. In addition to the accuracy of the detectors, the accuracy of the measurement is considerably influenced by the type of the radiation shield, so to use the radiation shield that causes the lowest error has determinative significance in the field of the air temperature measurements. One of the aims of the first year is to study the error values caused by the different radiation shields and to design the most suitable one. In this presentation the measuring methodology and technique to study the error caused by the radiation shields is shown and the conclusions of the previous results are also concerned. Furthermore the effect of different shading methods on the reliability of the air temperature measurements in case of different weather conditions is analyzed. Introduction It is well-know that the accuracy of temperature measurements can be significantly affected by the radiation shields. Several field study have been made to investigate this effect and these study shows clearly that the error of temperature measurements caused by different type of radiation screen could be very different which depends on designs and weather conditions. Study also show that the uncertainty of temperature measurements due to use of radiation screen sometimes much more higher than the uncertanty coming from the sensors. Despite the fact that there are several results from the thermometer screen intercomparisons we conclude that before installation of our climate network it is important to do thermometer screen comparison at the Hungarian Meteorological Servic to guarrantee the highest level of accuracy of temeperature measurements. The measuring site was developed in the garden of the Marczell György Observatory of Hungarian Meteorological Service. Character of the terrain is relatively good, the site is opened, covered by grass and its area about 7 hectars. There are no buildings, high trees or other obstacles that can affect the measurements. Concrete activities connected to the thermometer screen comparison According to our plan the thermometer screen comparison will be near 1 year long covering winter and summer weather conditions. During the comparison the concrete activities will be as follows: To establish the measuring site and start measurements in autumn of 2006; 1

69 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet Coutinue measurements and study until summer of 2007 to beginnig of esthablising of network; To study the question of real air temperature to estimate the uncertanty of the screens wich are or would be considered as refernece; Study of effects of different type of thermometer screens on tempeature measurements to cover all the possible meteorological circumstances; Natural ventillated screens are preferred in present state of planning our climatic network; To change the design of thermometer screens if there is any idea how to improve it; After finishing the measurements and the study, the measuring site will be able to serve another type of projects which concern similar questions. Measuring system Sensors: All tempearture sensors are selected, platinum thread probes Class A. The physical dimensions of the probes were designed to get the best fitting to JOFRA ATC-157 B temperature calibrator. (Picture 6) Data acquisition: All signals of temperature sensors and some other supplementary measurements (wind speed, reflected radiation in the surface parallel to thermometer screen plate, surface temperature of plate) are collected by Campbell Scientific CR5000 data acquisition system. For temperature measurements the Resistance instruction is used where precision current excitation (1 ma) is applied and system measures a differential voltages. Sampling rate of data acquisition system is 2 seconds, and averaging time is 10 minutes. Data acquisition system can be seen on Pict.1. Pict. 1 TWS 2 Pict. 2

70 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet As it can be seen later in this paper, in study of the effect of different type of thermometer screen on temperature measurements accuracy, the consideration of the solar radiation parameters is very important. During comparison these solar radiation parameters are measured by separated data acquisition system which is the system for the operational solar radiation measurements at our observatory. In this system the sampling time is 3 seconds, based on which 1 and 10 minute averageas are produced. (Picture 4, Picture 5) Type of screens tested Tab. 1 shows the type of radiation screens are tested in our comparison. Ventilation Manufacturer Model Legend Materials, design Artificial Young YVN1 UV resistant thermoplastic, ventilation speed ~ 6m/s Young YVN2 New development of Young, UV resistant thermoplastic, ventilation speed ~ 6m/s Natural HMS HMS Polyester reinforced fiberglass, 15 cups, design is very similar to Vaisala DTR13. HMS HMSS Same like HMS, but shaded against direct solar radiation Vaisala DTR13 VAI1 Polyester reinforced fiberglass, 12 cups. The surface of the plates are significantly degradated after many years use Young YOU UV resistant white thermoplastic, 12 cups among which 3 plain ones on the top. HMS TWS Traditional white painted, double shuttered wood thermometer screen used at HMS. Tab. 1 As it was mentioned above the purpose of comparison is not only the study of different type of thermometer screens, but the changing of design. These modified and test type of screens are not listed on the Tab. 1. Picture of measuring site can be seen on Pict. 3. Sensors used to analyse influencing factors: Influencing factor Type of sensor Legend Direct solar radiation Kipp&Zonen, CH1 DRSR Diffuse solar radiation Kipp&Zonen, CM11 DFSR Diffuse solar radiation on Kipp&Zonen, CM11 DF45SR surface having 45º tilt angle Longvawe downward radiation Eppley, PIR LWDW Reflected solar radiation Kipp&Zonen, CM11 RFSR Reflected solar radiation on Kipp&Zonen, CM11 RF45SR surface having 45º tilt angle Longvawe upward radiation Kipp&Zonen, CG1 LWUW Plate surface temperature Heimann KT PST radiation pyrometer 3

71 Wind speed Vaisala WAA151 anemometer Solar tarcker EQ6 Tab. 2 WS STR Szakmai anyag, 2.3 Melléklet STR PST VAI2 YOU VAI1 HMSS WS YVN1 HMSX RF45SR YVN2 HMS Pict. 3 DFSR LWDW DRSR DFSR45 Pict. 4 4

72 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet LWUW RFSR Pict. 5 Calibration Calibration of the temperature sensors is made by regular field calibration where the reference instrument is the JOFRA ATC 157B temperature calibrator. This type of calibration can give the benefits as follows: We can do system calibration (sensors, wires, data acqusition together); Calibration can be made without destroy of cabling; (it gives easy way of regular calibration). Above the regular calibrations the data acquisition system is continuously controlled by a precise 100 Ω resistor. The field calibration setup can be seen on Pict. 6 and the results of the last calibration in Tab.3. ref.temp Channel of CR ºC ºC ºC ºC Tab. 3 Pict. 6 5

73 Results Szakmai anyag, 2.3 Melléklet Before analyzing the data of our thermometer screen comparison, the first question is the reference that needs study. Generally in case of any comparison, the reference is the first basic question. At our comparison the Young aspirated radiation shield Model is used as reference shield that is often used as reference in other thermometer screen comparisons also. Concerning accuracy of Model the manufacturer gives the next information: Conservatively rated, radiation errors are less than 0.2 ºC RMS with the shield exposed to solar radiation of 1100 W/m2. The range of the error given by the manufacturer is calming, but to comfirm this value by outdoor comparison would be an interesting question. (It is very frequently mentioned that colder is better when we consider the reference at thermometer screen comparison) To minimize the error caused by solar (and longwave) radiation the Young aspirated radiation shield uses suitable flow rate of air that transports most part of the heat caused by solar (and longvawe) radiation on surface of the screen. Considering the multiplate radiation shield (and all type of screens) it is clear that the problem comes from the energy changing processes on radiation shields surface, generating differences between air and equilibrum temperature of radiation shield plates. The solar radiation components that can influence the energy balance of shield are as follows: Direct solar radiation; Diffuse solar radiation; Reflected solar radiation; Downward longwave radiation emitted by the atmosphere; Upward longwave radiation emitted by ground surface; Emitted longwave radiation by screen surface; (design of some screen allows that shortvawe reflected beam can reach directly the sensor inside). The most significant disturbing energy is the direct solar radiation because of amount of its energy flux that can make strong temperature inhomogeneity on screen surface. Our idea is that by shading the screen against the direct solar radiation (STR), we can remove this disturbing effect. Measuring and calculating all other solar radiation parameters (DFSR, DFSR45, RFSR, RFSR45, LWDW, LWUW) that can influence the energy balance of the shaded thermometer screen, we can control the energy changing processes on screen surface and if we can consider this energy to be neglectable, the shaded thermometer screen would be another reference shield, even if the wind speed is close to zero. (It is supposed that at comparison of unventillated screens the unventillated reference would be more proper solution, and to ventillated screens the ventillated reference would be better). On the Picture one can see the different solar radiation parameters influencing the energy balance of the shaded plate surface. Because of the fact that there are 3 plates at the top and bottom of screen making thermal protecting to inside space of screen we take the only energy on plates surface having 45º tilt angle into consideration. From measurements we obtained the information that the albedo of white side of plate is 0.6, the ratio of diffuse radiation on surface having 45º tilt angle to the horizontal surface is , the ratio of reflected radiation on surface having - 45º tilt angle to the horizontal surface is , and the ratio of downward longwave radiation on surface having 45º tilt angle to the horizontal surface is about 1.1. Daily curves of the above mentioned ratios can be seen on Fig.1 where data from 3 selected days are presented. The reason for there is no curve of downward longwave radiation is the very limited number of mesurements (our backup pyrgeometer is under calibration in WRC in Davos during the weeks when these experiments were performed) 6

74 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet Longwave downward radiation to surface having 45º tilt angle emitted by atmosphere. (absortion = emissivity ~0.9) Diffuse radiation on surface having 45º tilt angle. (albedo of plates ~0.6) Emitted longwave radiation by lamellas. (emissivity ~0.9) Upward longvawe radiation emitted by ground surface. Reflected radiation on surface having -45º tilt angle. (albedo of plates ~1.0, reflected beams see black side of plates) Pict. 7 Daily curves of albedo of screen, ratios of diffuse and reflected radiation on surface has 45 and -45 tilt angle to horizontal surface ratio (%) diffuse reflected albedo 50 time Fig. 1 7

75 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet On the Fig. 2 and Fig. 3 a-d one can follow the effect of shading to HMS multi-plate radiation shield. The time period is near half month including periods with ( ; ) and without shading ( ). In the Fig.3.a the differences between HMS and YVN1 can be seen. Differences in the first shaded period at daytime when the sky was clear are practically zero and are a bit higher in the second period (in the first period the wind was stronger than is second). These values of ºC occured in the unshaded period. Comparing Fig. 3.a and 3.b shows that the shading procedure can decrease the differences of HMS multiplate radiation shield by ºC. In the unshaded period the typical differences are between ºC that depends on the wind speed. At night time HMS radiation shields are significantly colder with a maximum difference of ºC. On Fig. 2 the value of overheating of screen lamellas as compared with the inside tempeartue of screen shows maximum differences of 1 ºC in shaded period at daytime and 4 ºC differences in ushaded period. At night-time the overcoolings do not exceed 2 ºC. Taking the solar radiation components that can affect the radiation balance of shield into consideration, from measured values we can calculate the first approximation of energy balance of surface element of plate in cases when wind speed was lower than 1 m/s. The following empirical equation is used to calculate the energy balance of the plate: E=a1*(1-ALBW)*DFSR45+a2*(1-ALBM)*RFSR45+(ε*a1*c*LWDW-ε*σ*T 4) +(ε*a3*lwuw- ε*σ*t 4) Eq.1 Where: DFSR, DFSR45, RFSR45, LWDW, LWUW: see in Tab. 1 ALBW, ALBM: albedo of white and mixed white-black side of plate ε: emissivity of plate σ: Stefan-Boltzmann constant T: surface temperature of plate c: ratio of DWLW on surface having 45º tilt angle to the horizontal surface a1, a2, a3: fitting constants because of geometry of screen lamellas (in the future these constants are to be studied in more details). Data are calculated by Eq. 1 show that the range of radiation balance of the shaded HMS thermometer screen is some ±10 W/m 2. Fig. 4 shows the relationship between the radiation balance and deviation of surface temperature from the inside temperature of the shaded screen. differences ( O C) Time series of temperature differences between surface and inside temperature of HMSS Fig. 2 8 time

76 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet differences ( O C) 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6 Time series of temperature differences between HMSS (shaded) and reference YVN1 screen unshaded time differences ( O C) W/m 2 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0, Times series of temperature differences between HMS and reference YVN1 screen time Time series of direct radiation (red) and radiation balance (blue) time Time series of wind speed 4 3 m/s time Fig. 3.a-d 9

77 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet Relationship between the radiation balance and deviation of surface temperature from the inside temperature 4 T(surface)-T(inside) Results of comparison of other type of screens -3 radiation balance (W/m 2 ) Fig. 4 On the Fig.5-6 the first results of comparison of other screen types can be seen. The time series of differences for Young Model (YVN2) that can be considered as more compact version of Model 43408, show a daytime behaviour, but the differences typically do not exceed 0.1 ºC. The results of Young multi-plate radiation shield Model (YOU) that can be considered as other category of radiation shield because it has significantly stronger influence on temperature measurements like other screen that has been studied earlier. The differences at Young multi-plate radiation shield often reach the 1 ºC in daytime and 0.3 ºC in night-time. Similar behaviour is shown by the traditional wooden screen used in the network of Hungarian Meteorological Service. These results have big importance because in the past, and sometimes nowadays also, the air temperature were measured in these screen, thus causing typical error in the air temperature masurements. The information on Fig.7 is also interesting because we can estimate the effect of degradation of multi-plate screen on temperature measurements. On the Figure we can see the diffreneces of degradated HMS (the colour of lamellas is green-grey practically) screen and the new one. The effect of degradation is not so strong (degradation causes maximum temperature differences of 0.2 ºC) as it can be expected. 2 differences ( O C) 1,5 1 0,5 0 T(YOU)-T(YVN1) T(YVN2)-T(YVN1) -0,5 time Fig. 5 10

78 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet differences ( O C) 2 1,5 1 0,5 0-0,5 T(TWS)-T(YVN1) Fig. 6 time Effect of degradation of radiation screen lamellas differences ( O C) 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2-0,4-0,6 T(degradated shield)-t(yvn1) time T(new shield)-t(yvn1) Fig. 7 Conclusions: The measuring site has been built at the Hungarian Meteorological Service to study the error of temperature measurements caused by different types of thermometer screens. The data aquisition sytem, calibration facilities and measuring all other, mainly solar radiation parameters, can influence the behaviour of thermometer screen, gives possibility for accurate study of error of different type of screens. The measuring system started to operate in September of this year so now we are at beggining of study of effect of screens on temperature measurements, but the first results show the main characters of behavior of different thermometer screen types. The first results also suggested some modification on screens and need for study of reference screen In our study the ventillated Young screen Model was used as reference, but in daytime by shading the multi-plate radiation shield and controlling the energy balance processes of its plates we can have alternative solution for the reference screen. Study of processes of energy balance of multi-plate screens can suggest other solutions for the reference screen also. 11

79 Szakmai anyag, 2.3 Melléklet First results show that if one can need accurate temperature measurements, to find the proper screen is very important. Changing of thermometer screens can cause inhomogeneity in time series of air temperature measurements (see the differences between traditional wood and multiplate radiation screens that are used in the surface measuring system of Hungarian Meteorological Service) 12

80 Szakmai anyag, 2.4 Melléklet Az időjárási radarhálózattal történő területi csapadékmérés minőségének javításához, illetve a felszíni csapadékmérő hálózattal való kompatibilitás növeléséhez tesztelési célú, koncentrált felszíni csapadékmérő hálózat létrehozását és működtetését kezdeményezzük. Indoklás: Az időjárási radarok finom területi felbontással (tipikusan 1-2 km rácstávolsággal) képesek a felszínre hulló csapadék intenzitását meghatározni. A radarok azonban a távérzékelés során nem közvetlenül a csapadékintenzitást érzékelik, hanem a csapadék cseppek hullámvisszaverő képességét mérik. A reflexióból különböző félempírikus módszerekkel következtethetünk a csapadékintenzitásra. A módszerek verifikálását, hagyományosan, a földfelszíni csapadékmérők adatainak felhasználásával végezzük el. A rendelkezésünkre álló operatív automata csapadékmérő hálózat azonban csak korlátozott lehetőséget biztosít az említett verifikációhoz. Ennek oka az, hogy a felszíni hálózat viszonylag ritka, jellemzően mintegy 30 km effektív rácstávolsággal rendelkezik. A verifikáció során csak azon (2*2 km-es) radarpixelek vonhatók be az összehasonlító vizsgálatokba amelyek területén található felszíni csapadékmérő. Az operatív felszíni mérőhálózat említett sűrűségéből következően egy-egy érintett radarpixel területén csak mindössze egyetlen felszíni csapadékmérő található. Ez a szituáció pedig meglehetősen bizonytalanná teszi a különböző eszközökkel nyert csapadékadatokat a szélsőségesen eltérő mintavételi területek miatt. Amíg a radar a 2*2 km-es radarpixelre vonatkozó területi átlagot képes meghatározni, a addig a felszíni csapadékmérő, a 200 cm 2 es felfogó felületével gyakorlatilag pontszerű mintavételezést végez. A mintavételi területek aránya: 10 8 nagyságrendű. Egyes vizsgálatok szerint, a csapadékfolyamatok nagyfokú területi változékonysága miatt, az eltérő mintavételi terület mintegy 30 % varianciát okoz az összehasonlításban még ideális, mérési hibáktól mentes, adatok esetén is. A verifikációs vizsgálatok precízitása növelésének lehetséges módja az, hogy több felszíni csapadékmérőt helyezünk el egy kiválasztott radarpixel területén. Az Egyesült Királyság Meteorológiai Hivatala (MetOffice) a 90 -es évek elején nagysűrűségű kísérleti felszíni állomáshálózatot létesített a fent említett célokból, amelynek során két darab 2x2 kmes radarpixelen egyenként 8-8 felszíni csapadékmérőt működtetett. Az alkalmazott módszereket és a vizsgálati eredményeket a Hydrology and Earth System Sciences című kötetben tették közre a European Geophysical Society, 2000, Vol:4 kiadásában. A sűrű teszthálózaton alapuló verifikációs vizsgálatok hazai elvégzése feltétlenül indokolt, mert az angliai vizsgálatokban még tradicionális, monopoláros időjárási radarokat alkalmaztak. Ezzel szemben a hazai időjárási radarhálózat - az utóbbi években végrehajtott rekonstrukció eredményeképpen - korszerű, kettős hullámpolarizációt alkalmazó, Dopplerradarokból áll. A korszerű radarok a korábbiakhoz képest jóval pontosabb csapadékmérést tesznek lehetővé, azonban az új mérési eljárások sűrű csapadékmérő rácson való verifikációját, illetve hangolását tudomásunk szerint még sehol sem végezték el. Javaslat: A fentiek alapján javasoljuk egy alkalmasan választott radarpixel területén 8 jó minőségű, automata csapadékmérő telepítését és magas szinten kontrolált működtetését a korszerűsített hazai időjárási radarok, illetve radaros csapadék meghatározási módszerek tesztelése, verifikációja céljából. 1

81 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Csapadékgyűjtők áramlás módosító hatásának vizsgálata CFD.HU Áramlástechnikai Kft Budapest, Mandula u. 35 Tel/Fax: (36 1) Adószám: , Bankszámlaszám:

82 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Az áramlási tér modellezése A csapadékgyűjtők körüli áramkép számítása Az 1. csapadékgyűjtő körüli áramlás A 2. csapadékgyűjtő körüli áramlás A 3. csapadékgyűjtő körüli áramlás A feladat A számítási modell A számítások eredménye A csapadékgyűjtő fűtésének hatása a hópelyhek mozgására A feladat és a számítási modell Az áramlási tér számításának eredményei Terelők hatásának vizsgálata

83 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Az Országos Meteorológiai Szolgálat (a továbbiakban OMSZ) november 30- án megbízta a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Áramlástan Tanszékét (a továbbiakban Tanszék) valamint a CFD.HU Kft-t (a továbbiakban CFD.HU) csapadékgyűjtők áramlás módosító hatásának vizsgálatával. A projektben a CFD.HU feladata a numerikus szimulációk elvégzése, a Tanszék feladata pedig az eredmények elemzése, értékelése volt. A munkát mindkét megbízott elvégezte, eredményeiről az alább közös jelentésben számolunk be. 1. Bevezetés A csapadékgyűjtők szél esetén megzavarják a levegő áramlását, és ennek következtében a tapasztalat szerint a szél befolyásolja a csapadékgyűjtőbe jutó vízcseppek, hópelyhek mennyiségét. Az áramlások numerikus szimulációja területén lejátszódott jelentős fejlődés lehetővé tette az áramlás megzavarás és az ennek következtében létrejövő mérési hiba kvantitatív meghatározását. Az OMSZ egy átfogó program részeként kezdeményezte e vizsgálatok elvégzését. Az OMSZ, a Tanszék és a CFD.HU Kft által kötött szerződések szerint a feladatok az alábbiak voltak: 1.1 Három, különböző geometriájú csapadékgyűjtő körüli áramlási tér meghatározása numerikus szimulációval a csapadékgyűjtő áramlás módosító hatásának megismerése érdekében A csapadékgyűjtő által megzavart áramlási térben a csapadékgyűjtő által felfogott csapadék (esőcseppek, hópelyhek) mennyiségének meghatározása 1, 3 és 7 m/s szélsebességnél ezek mozgásának szimulációjával. A számításokat D = 2-8 mm átmérő közé eső 3 különböző vízcsepp átmérő és egy hópehely süllyedési sebesség (1 m/s) mellett végzi el CFD.HU. A vízcseppek v s [m/s] süllyedési 0,67 sebességére OMSZ a v s (D) = 3,78D összefüggést adta meg ( ahol D [mm] a térfogat-ekvivalens cseppátmérő) A számításokat természetes fűtakaróval borított felszín felett, természetes és mesterséges tereptárgyak által zavartalannak tekinthető körülményeket feltételezve végzi el CFD.HU (a talaj érdességi magassága 1-3 cm közötti érték), a csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete a talajfelszíntől 1 m magasságában van Egy adott csapadékgyűjtőnél az eszköz belső felfogó felszínének fűtéséből adódó, a felfogási hatékonyságában mutatkozó eltérések vizsgálata szélcsend esetén a fűtött csapadékgyűjtőben és közvetlen fölötte keletkező áramlás és hópehely mozgás szimulációjával, három (0, -5 és C) külső és hőmérséklet esetén, 4 0 C hőmérsékletet feltételezve a csapadékgyűjtő fűtött felszínén Legfeljebb három, a meteorológiai mérési gyakorlatban általánosan használt szélterelő eszköz hatásának vizsgálata két, jelentősen eltérő geometria méretekkel rendelkező csapadékgyűjtő felfogási hatékonyságára az 1.2. pontban megadott feltételek esetén. Az OMSZ által kijelölt és geometriai modellezésre rendelkezésünkre bocsátott, és a továbbiakban 1., 2. és 3. sorszámmal hivatkozott csapadékgyűjtőket az 1.1., 1.2. és 1.3. ábra mutatja be. Mindhárom csapadékgyűjtőre elvégeztük az 1.1. és 1.3. pont szerint az áramkép számítását 1, 3 és 7 m/s 1 m magasságban érvényes szélsebességnél. A csapadékgyűjtőket minden esetben úgy helyeztük el, hogy a felfogó keresztmetszete 1 m magasságban legyen. 3

84 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet a.) b.) c.) 1.1. ábra Az 1. számú csapadékgyűjtő fényképe (a, b) és modellje (c) a.) b.) c.) 1.2. ábra A 2. számú csapadékgyűjtő fényképe (a, b) és modellje (c) a.) b.) c.) 1.3. ábra A 3. számú csapadékgyűjtő fényképe (a, b) és modellje (c) 4

85 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 2. Az áramlási tér modellezése Az 1.1 és 1.3. pontok értelmében munkánkat a csapadékgyűjtő körüli áramlás meghatározásával kezdtük. A vizsgált áramlási tér egy 10 m magas, 10 m széles és 20 m hosszú hasáb, amelynek alsó oldalát a talajnak feleltettük meg. A hasáb hosszanti függőleges szimmetriasíkja párhuzamos a szél irányával. Az áramlási tér belépő keresztmetszetétől 10 m távolságban helyeztük el a csapadékgyűjtőt. Az áramlás irányú függőleges szimmetriasíkkal párhuzamos oldalsó peremeken a szimmetria peremfeltételt, a zavartalan szélsebességre merőleges hátsó függőleges peremen outflow, a számítási teret felül határoló vízszintes síkon pedig a súrlódásmentes együttmozgó fal peremfeltételt adtuk meg. A számítási tér belépő függőleges sík peremén a peremfeltételt az mm közötti érdességi magasságú talaj fölött kialakuló atmoszférikus határréteg áramlás modellezésével határoztuk meg. 300 m vastag atmoszférikus határréteget tételeztünk fel a 30mm érdességi magasságú füves terület fölött, amihez a vonatkozó VDI Richtlinien szerint α = 0.14 körüli hatványkitevő érték tartozik. A belépő keresztmetszetben érvényes sebesség, turbulens kinetikai energia és disszipáció függőleges menti megoszlásának meghatározásához a valóságos atmoszférikus határrétegben kialakuló viszonyokat egy, az áramlás irányában 9500 m hosszúságú, 850 m magas előkészítő szakaszban modellezett kétdimenziós stacionárius áramlással közelítettük, amelyet standard κ-ε turbulenciamodellel határoztunk meg. A tartomány elején egy küszöb (turbulencia generátor) volt. A cellaszám: volt. Az előkészítő szakaszhoz kapcsolódott egy 450 m hosszú számítási tartomány, amelynek közepén vettük fel a 20m hosszú és 10m magas vizsgált áramlási teret. Az áramlások numerikus szimulációjára az ezen a területen piacvezető FLUENT kódot alkalmaztuk. A 0-10 m és m határréteg tartományokon a sebességmegoszlások és a közelítő függvények a 1, 3 és 7 m/s 1 m magasságban érvényes sebességre rendre a 2.1., 2.2. és 2.3. ábrán láthatók. A kék pontok a szimulációval számított értékek, a kék görbék a hatványfüggvénnyel, a piros görbék pedig a logaritmikus függvénnyel történő közelítések. A 2.4. ábrán a turbulencia intenzitás megoszlás látható, amely a várakozásnak megfelelően gyakorlatilag megegyező volt mindhárom szélsebességnél. 5

86 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Sebesség (m/s) Atmoszférikus sebességprofil az alsó tartományban (1m/s 1m-es magasságban) y = x y = Ln(x) Magasság (m) Atmoszférikus sebességprofil (1m/s 1m-es magasságban) y = x Sebesség (m/s) y = Ln(x) Magasság (m) 2.1. ábra Sebességmegoszlás 1 m magasságban 1 m/s szélsebességnél 6

87 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5 Atmoszférikus sebességprofil az alsó tartományban (3m/s 1m-es magasságban) y = x Sebesség (m/s) y = Ln(x) Magasság (m) 10 7 Atmoszférikus sebességprofil (3m/s 1m-es magasságban) y = x Sebesség (m/s) y = Ln(x) Magasság (m) 2.2. ábra Sebességmegoszlás 1 m magasságban 3 m/s szélsebességnél 7

88 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Atmoszférikus sebességprofil az alsó tartományban (7m/s 1m-es magasságban) Sebesség (m/s) y = x y = Ln(x) Magasság (m) 10 Atmoszférikus sebességprofil (7m/s 1m-es magasságban) y = x y = Ln(x) Magasság (m). Sebesség (m/s) 2.3. ábra Sebességmegoszlás 1 m magasságban 7 m/s szélsebességnél 8

89 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Turbulencia Intenzitás (közel azonos minden sebességprofilnál) 0.25 Turbulencia int Magasság (m) 2.4. ábra Turbulencia intenzitás megoszlás A hasáb alakú áramlási teret a szoftver alkalmazás szabályait betartva cellákra osztottuk fel. A 2.5. ábra felső részén a 3. csapadékgyűjtő esetén látható a szimmetriasíkban az áramlási térben, alul a csapadékgyűjtő környezetében a cellák kialakítása. A cellák száma a csapadékgyűjtő típustól függően között volt ábra Az áramlási tér felosztása cellákra (3. csapadékgyűjtő) 9

90 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 3. A csapadékgyűjtők körüli áramkép számítása A csapadékgyűjtő körüli áramlás jellemzőit standard stacionárius κ-ε turbulenciamodell alkalmazásával határoztuk meg. Az áramképeket a szerződéseknek megfelelően csapadékgyűjtő típusonként három különböző szélsebességnél határoztuk meg. Miután azonban a különböző szélsebességeknél kapott sebességterek (a vonatkozási szélsebességgel dimenziótlanítva) kevéssé különböztek, az áramképeket a Jelentésben csapadékgyűjtőként csak egy (1 m magasságban 3m/s) áramlási sebességnél mutatjuk be. (A Jelentés mellékleteként átadott CD-n az összes mérési eredményt bemutatjuk.) 3.1. Az 1. csapadékgyűjtő körüli áramlás A 3.1. ábra mutatja az 1. csapadékgyűjtőt a vizsgált áramlási térben. Látható a számítási tartomány szimmetriasíkjában az atmoszférikus határréteg alján lévő sebességmegoszlás, valamint az áramlás csapadékgyűjtő általi megzavarásának kiterjedése. (Az egyes színek az ábra melletti szín és sebességskálának megfelelően az adott intervallumba eső áramlási sebesség tartományokat jelölik) ábra Az 1. csapadékgyűjtő a vizsgált áramlási térben A 3.2. ábra az 1. csapadékgyűjtő környezetében mutatja a sebesség abszolút értékének megoszlását. Látható, hogy a várakozásnak megfelelően a csapadékgyűjtő előtt az áramlás lassul, mögötte pedig egy ugyancsak kis sebességgel jellemzett leválási zóna helyezkedik el. A csapadékgyűjtő felső kúpos külső felülete áramlással szemben (szél feletti oldalán) lévő része közelében ferdén felfelé gyorsuló áramlás alakul ki, amely a felfogó keresztmetszet kb. 60%-a fölött 3,6-3,8 m/s tartományba eső sebességet ér el, azaz az 1 m magasságon érvényes 3 m/s sebességnek mintegy 1,2-1,25-szeresét. Az áramlási sebesség felgyorsulása 10

91 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet egyik oka lehet a csapadékmérés hibájának. Látható továbbá, hogy a felfogó keresztmetszet szél alatti oldalán viszonylag nagy sebességű leáramlás tapasztalható, ami áramlást hoz létre a csapadékgyűjtő belső terében ábra Sebességmegoszlás az 1. csapadékgyűjtő körül a szimmetriasíkban A 3.3. ábra a felfogó keresztmetszet közelében mutatja az áramlási sebesség megoszlását, a 3.4. ábra pedig a sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorokat. A 3.5. ábra a szimmetriasíkkal párhuzamos, attól a felfogó keresztmetszet sugarának fele távolságban lévő síkban mutatja a sebesség nagyságát. A 3.6. ábrán az áramlási sebesség x és z komponensének eloszlása látható. A fehér színű tartományok jelzik azon területeket, ahol a sebesség kívül esik a baloldalon lévő színskálával jellemzett sebességtartományon (pl. a visszaáramlásnál az x irányú sebességkomponens negatív). Az ábrák alapján megállapítató, hogy a csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete szél feletti kb. 60%-a fölött egy, a felfogó keresztmetszet átmérőjének átlagosan kb %-át kitevő vastagságú réteg figyelhető meg, amelyben az áramlási sebesség a keresztmetszet magasságában érvényes sebességet 20-25%-kal meghaladja. A réteg szél feletti felén-kétharmadán az áramlási sebesség z irányú (felfelé pozitív) komponense eléri a vonatkozási sebesség 20-30%-át. Az ezen a rétegen áthaladó vízcseppek a süllyedési sebességüktől és a helyi feláramlási sebességtől függő ideig tartózkodnak e rétegben, miközben a szélsebességnél nagyobb helyi sebesség vízszintes irányban elmozdítja azokat. Így a felfogó keresztmetszet szél felőli részén kevesebb vízcsepp kerül be a csapadékgyűjtőbe, mint az áramlás megzavarása nélkül kerülne. Ezt némileg kompenzálhatja a viszonylag nagy sebességű feláramlás a külső kúpos felület szélfeletti részén, ahol a függőleges sebességkomponens a vonatkozási sebesség felét-kétharmadát is eléri. 11

92 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 3.3. ábra Az áramlási sebesség megoszlása a szimmetriasíkban, a felfogó keresztmetszet közelében 3.4. ábra A sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorok a szimmetriasíkban, a felfogó keresztmetszet közelében 12

93 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 3.5. ábra A szimmetriasíkkal párhuzamos, attól fél sugárnyi távolságban lévő síkban mutatja a sebesség nagyságát. a. b ábra Az áramlási sebesség x (a.) és z (b.) komponensének eloszlása 3.2. A 2. csapadékgyűjtő körüli áramlás A 3.7. ábra mutatja a 2. csapadékgyűjtőt a vizsgált áramlási térben, míg a 3.8. ábra a csapadékgyűjtő környezetében mutatja a sebesség abszolút értékének megoszlását. A 3.9. ábrán az áramlási sebesség megoszlása látható a 2 csapadékgyűjtő szimmetriasíkjában, a felfogó keresztmetszet közelében, a ábra pedig a sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorokat mutatja. 13

94 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 3.7. ábra A 2. csapadékgyűjtő a vizsgált áramlási térben 3.8. ábra Sebességmegoszlás a 2. csapadékgyűjtő körül a szimmetriasíkban 14

95 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 3.9. ábra Az áramlási sebesség megoszlása a 2 csapadékgyűjtő szimmetriasíkjában, a felfogó keresztmetszet közelében ábra A sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorok a szimmetriasíkban, a felfogó keresztmetszet közelében 15

96 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Az 1. és 2. csapadékgyűjtő hasonló alakú, és mindkettő a talajon áll, ezért a 3.7. és 3.8. ábrán látható áramképekett összehasonlítva a 3.1. és 3.2. ábrán láthatókkal megállapítható, hogy a 2. csapadékgyűjtő és az 1. csapadékgyűjtő körüli áramlás hasonló. A felfogó keresztmetszet feletti áramlás a 2. csapadékgyűjtő esetén is az 1. csapadékgyűjtőhöz hasonló mértékben gyorsul fel, azonban a vonatkozási sebességet 20-25%-kal meghaladó térrész kiterjedése sokkal kisebb. Ennek fő oka az, hogy a külső köpeny kúp alakú részének csapadékgyűjtő átmérőjéhez, vagy a felfogó keresztmetszet átmérőjéhez viszonyított mérete az 1. csapadékgyűjtőnél sokkal nagyobb, mint a 2. csapadékgyűjtőnél. Ebből a geometriai különbségből adódó további áramlási különbség, hogy a 2. csapadékgyűjtő belső terében sokkal nagyobb sebességek alakulnak ki: a belső tér szél alatti részén a fal közelében a leáramlás, a szél feletti oldalon pedig a feláramlás sebessége megközelíti a vonatkozási sebesség rendre 60-70%, ill.30-40%-át. (A rövidebb kúp alakú gallér kevésbé vezeti meg az áramlást, mint a hosszabb, így a 2. csapadékgyűjtőnél a nyíróréteg vízszintessel bezárt szöge kisebb. Érdekes, hogy a belső tér kúpos kialakítása miatt a csapadékgyűjtő belső terének felső harmadán olyan áramlás alakul ki, mintha alul zárva lenne (v.ö. a 3. csapadékgyűjtő ábrán látható áramképével). A 2. csapadékgyűjtőnél a szél alatti oldalon a feláramlás sebessége azért kisebb, mint a 3. csapadékgyűjtőnél, mert előbbinél a belső tér felső részében áramló közeget az alsó részben lévő kis sebességű közeg jobban lassítja, mint az utóbbinál a belső teret alulról határoló fal A 3. csapadékgyűjtő körüli áramlás A ábra mutatja a 3. csapadékgyűjtőt a vizsgált áramlási térben, míg a ábrán a csapadékgyűjtő környezetében látható a sebesség abszolút értékének megoszlása. A ábra a felfogó keresztmetszet közelében mutatja az áramlási sebesség megoszlását, a ábra pedig a sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorokat szemlélteti. A 3. csapadékgyűjtő körüli áramlást összehasonlítva az 1. és 2. csapadékgyűjtő körülivel megállapítható, hogy a 3. csapadékgyűjtő kisebb méreténél fogva sokkal kevésbé zavarja meg az áramlást. A felfogó keresztmetszet feletti áramlás itt is az 1. és a 2. csapadékgyűjtőhöz hasonló mértékben gyorsul fel, azonban a vonatkozási sebességet 20-25%-kal meghaladó térrész kiterjedése a 3. csapadékgyűjtőnél az 1 csapadékgyűjtőéhez képest a 2. csapadékgyűjtőhöz hasonlóan sokkal kisebb. Ennek fő oka ahogy említettük a külső köpeny kúp alakú részének csapadékgyűjtő átmérőjéhez, vagy a felfogó keresztmetszet átmérőjéhez viszonyított mérete az 1. csapadékgyűjtőnél sokkal nagyobb, mint a 2.-nél, vagy 3.-nál. Ebből a geometriai különbségből adódó további áramlási különbség, hogy a 3. csapadékgyűjtő belső terében sokkal nagyobb sebességek alakulnak ki: a belső tér szél alatti részén a fal közelében a leáramlás, a szél feletti oldalon pedig a feláramlás sebessége megközelíti a vonatkozási sebesség rendre 80-90%, ill %-át. 16

97 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet ábra A 3. csapadékgyűjtő a vizsgált áramlási térben ábra Sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtő körül a szimmetriasíkban 17

98 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet ábra Az áramlási sebesség megoszlása a szimmetriasíkban, a felfogó keresztmetszet közelében ábra A sebesség nagysága szerint színezett sebességvektorok a szimmetriasíkban, a felfogó keresztmetszet közelében 18

99 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet A számítási eredmények alapján egy igen egyszerűsített modellel nagyságrendi becslést tehetünk a vízcseppek, ill. hópelyhek áramlás helyi megzavarása, felgyorsulása miatti vízszintes eltolódására (E x [m]), amelynek eredményeként egy részük nem jut a csapadékgyűjtőbe. A számítások eredményei alapján első közelítésként úgy tekintjük, hogy a S = 0,3 D vastagságú rétegben a sebesség a vonatkozási sebesség 1,25-szerese, a függőleges sebességkomponens pedig elhanyagolható. Belátható, hogy a cseppek vízszintes gyorsulása a x [m/s 2 ] és a nehézségi erőtér térerősségének (9,81 N/kg) hányadosa közelítőleg egyenlő a relatív sebesség (a helyi áramlási sebesség és a szemcse sebesség x irányú komponensének különbsége) és a süllyedési sebesség hányadosának négyzetével. A relatív sebességet közelítően állandónak vesszük: értéke egyezzen meg a rétegben érvényes szélsebesség növekménnyel (a vonatkozási sebesség 0,25-szeresével). A csepp a rétegvastagság és a süllyedési sebesség hányadosaként meghatározható t ideig tartózkodik a megnövekedett sebességű rétegben. Az a x gyorsulás és t tartózkodási idő meghatározása után a cseppek vízszintes eltolódása, első közelítésként állandó gyorsulást feltételezve az E x =a/2 t 2 összefüggéssel számolható. Itt nem részletezett közelítő számítások azt mutatták, hogy csak az 1 m/s süllyedési sebességű hópelyhek esetén számíthatunk a vízszintes sebességkomponens felfogó keresztmetszet feletti megnövekedése miatti számottevő eltolódásra, a 6-15m/s közötti süllyedési sebességű cseppek esetén nem. 19

100 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 4. A csapadékgyűjtő által szeles időben felfogott csapadék mennyiségének meghatározása 4.1. A feladat A vizsgálatok célja az volt, hogy meghatározzuk a csapadékgyűjtők által különböző szélsebességek esetén felfogott csapadék mennyiségét, ezáltal a sebességtér csapadékgyűjtő általi módosulásának hatását a mérés pontosságára. Mindhárom csapadékgyűjtőre elvégeztük az 1.1. és 1.3. pont szerint az áramkép számítását a talaj fölött 1 m magasságban érvényes 1, 3 és 7 m/s szélsebességnél, és a csapadékgyűjtő által felfogott csapadék: a szerződés értelmében D = 2-8 mm átmérő közé eső 2, 4 és 8mm átmérőjű esőcsepp és 1 m/s süllyedési sebességű hópelyhek mennyiségének meghatározását. A csapadékgyűjtőket minden esetben úgy helyeztük el, hogy a felfogó keresztmetszete 1 m magasságban legyen. A Jelentés 3. fejezete foglalja össze a sebességtér számítások eredményeit. (A 3. fejezet végén egy egyszerű módszert mutattunk be, amellyel becsülhető, hogy az áramlás csapadékgyűjtő általi megzavarása hogyan módosítja a csapadékgyűjtőbe jutó esőcseppek és hópelyhek mennyiségét. A becslés azt mutatta, hogy csak az 1 m/s süllyedési sebességű hópelyhek esetén számíthatunk a vízszintes sebességkomponens felfogó keresztmetszet feletti megnövekedése miatti számottevő eltolódásra, a 6-15 m/s közötti süllyedési sebességű cseppek esetén ez az eltolódás és az ebből adódó mérési hiba várhatóan igen kicsi.) 4.2. A számítási modell Annak érdekében, hogy meghatározzuk a csapadékgyűjtőbe jutó cseppek mennyiségének szélsebességtől és csepp süllyedési sebességtől való függését, a csapadékgyűjtő fölött esőcsepp szimulációnál a talaj fölött 3 m magasságban helyeztünk el egy téglalap alakú síkot (ld ábra), amely négyzetméterenként , adott süllyedési sebességű esőcseppet ejt le. Hópehelynél a magasság 1, 3 és 7 m/s-nál rendre 2, 1,5 és 1,25 m volt. Miután az 1. és 3. csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszetének átmérője D = 160 mm, a felülete m 2, a 2. csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszetének átmérője D = 225 mm, felülete m 2, zavaró hatás nélkül rendre 201 és 400 esőcseppnek, ill. hópehelynek kellene áthaladnia a felfogó keresztmetszeten. A cseppek keletkezési helyét a téglalapon kijelölt 10 mm 10 mm osztású négyzetháló metszéspontjaiban vettük fel. Szél nélkül végzett ejtési számításaink azt mutatták, hogy attól függően, hogy a négyzetháló hogy helyezkedett el a felfogó keresztmetszethez képest, a csapadékgyűjtőbe jutott cseppek száma változott. Ha a felfogó keresztmetszet egymásra merőleges átmérői felett helyezkedett el a két, egymásra merőleges cseppsor, akkor a vártnál több, 201 helyett 208 csepp esett az 1. és 3. csapadékgyűjtőbe, ill. a vártnál kevesebb, 400 helyett 392 a 2 csapadékgyűjtőbe. Az 1. és 3. csapadékgyűjtőnél mindkét szimmetriatengellyel párhuzamosan fél cseppsor osztással eltolva a cseppsorokat a felület arányból adódónál, 201-nél kevesebbet, 199 cseppet regisztráltunk. Százszorosára növelve a cseppek felületegységre jutó számát, a cseppsűrűséget, a befogott cseppszámra helyes érték adódott: 201*100. Ha csak négyszeres sűrűséget vettünk, akkor romlott a 20

101 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet helyzet, 203*4 csepp került a csapadékgyűjtőbe. Nagy cseppszámok esetén a számítási idő nagymértékben megnövekedett. Miután a következtetéseket a légköri turbulencia hatásának figyelembe vételével végzett számításokból vonjuk le, amelyeknél nem becsülhető a geometriai okokra visszavezethető eltérés, vonatkozási cseppszámnak (amely esetén a mérési hibát zérusnak tekintjük) a felfogó keresztmetszet nagyságából adódó (201 és 400), valamint a szél nélküli ejtési kísérletekből kapott (208 és 392) cseppszám átlagát (205 és 396) tekintjük. Az esőcseppek, ill. hópelyhek sebességének függőleges komponense a lapnál megegyezik a süllyedési sebességgel, vízszintes komponense pedig az adott magasságban érvényes szélsebességgel. A FLUENT kód lehetőséget ad ismert sebességtér esetén részecske pályák számítására Lagrange módszerrel. Ez történhet a turbulencia figyelmen kívül hagyásával, vagy a sebességtérrel együtt meghatározott turbulencia intenzitás megoszlásnak megfelelő sebességingadozás figyelembe vételével. Ez utóbbi esetben az egyes paraméter csoportoknál a számítást esőcsepp esetén 15-ször, hópelyheknél 30-szor végeztük el, hogy az átlagot helyesen határozzuk meg ábra Esőcseppek, hópelyhek hullásának modellezése A 4.2. ábra példaként az 1. csapadékgyűjtő körüli áramlásban mutatja meg 7 m/s vonatkozási szélsebességnél a 6m/s süllyedési sebességű cseppek pályáját a turbulencia figyelmen kívül hagyása esetén. 21

102 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 4.2. ábra Az 1. csapadékgyűjtő 7 m/s szélsebességnél és 6m/s süllyedési sebességű cseppek esetén A vizsgált cseppátmérők és az azokhoz tartozó süllyedési sebességek az I. táblázatban láthatók. A hópelyhek mozgásának szimulálására kiválasztottunk egy olyan átmérőjű vízcseppet, amelynek süllyedési sebessége 1 m/s. Így a hópelyhek mozgását D = 0,265 mm átmérőjű vízcsepp mozgásával írhatjuk le. (A 0,67 süllyedési sebességre az OMSZ által megadott összefüggés, a v s (D) = 3,78D kifejezés a D = 2 mm-es és ennél nagyobb átmérőknél megegyezik a FLUENT szoftver által alkalmazottal. Az 1m/s süllyedési sebességű vízcseppeknél, amelyekkel a hópelyhek süllyedését modelleztük, a szoftver a kisebb Reynolds számokra érvényes összefüggést alkalmazott, amellyel D = 0,265 mm átmérő tartozott a vs = 1 m/s értékhez.) I. táblázat Süllyedési Vízcsepp átmérő sebesség D [mm] v s [m/s] 0,265 (hópehely) Minden összetartozó csapadékgyűjtő típus vízcsepp süllyedési sebesség szélsebesség változatnál (összesen = 27) megállapítottuk a cseppeket kibocsátó sík helyzetét (hogy a lehulló vízcseppek a csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete körül érjék el a talajtól 1 m magasságban lévő síkot), majd a turbulencia hatásának kikapcsolásával egy számítást, a turbulencia hatásának figyelembe vételével pedig vízcsepp esetén 15, hópelyhek esetén 30 számítást végeztünk. Azt a szemcsét tekintetük összegyűjtöttnek, amely elérte a csapadékgyűjtő belső terének határoló falát. A turbulencia figyelembe vételével számolt minden változatnál kiszámoltuk a változatonként 15, ill. 30 számítás eredményeként kapott összegyűjtött csepp szám átlagát. Így minden változatra 22

103 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet egy turbulencia nélküli és egy turbulencia figyelembe vételével kapott átlagos cseppszám adódott A számítások eredménye A számítások eredménye mindhárom csapadékgyűjtőre vonatkozóan a II. táblázatban látható. A táblázatok első oszlopában a csepp átmérő és zárójelben a süllyedési sebesség látható. A második, harmadiki és negyedik oszlopban 1, 3 és 7m/s szélsebességnél a különböző süllyedési sebességek esetén adjuk meg a turbulencia figyelembe vételével végzett 15, ill. 30 számítás átlagát, zárójelben a turbulencia figyelembe vétele nélkül kapott csepp számot, végül a csapadékgyűjtővel gyűjtött cseppek száma és a referencia csepp szám hányadosát %-ban turbulencia figyelembe vételével és anélkül (zárójelben). II. táblázat A gyűjtött cseppek száma és aránya a csapadékgyűjtő típusa, a csepp süllyedési sebesség és szélsebesség függvényében 1. csapadékgyűjtő, referencia érték 205 csepp Cseppméret Szélsebesség (süllyedési sebesség) 1m/s 3m/s 7m/s 2mm (6m/s) 205 (208) 100% (101,5%) 204 (208) 99,5% (101,5%) 195 (189) 95,1% (92,2%) 4mm (9.57m/s) 205 (206) 100% (100,5%) 203 (208) 99% (101,5%) 203 (208) 99% (101,5%) 8mm (15.22m/s) 207 (208) 101% (101,5%) 205 (208) 100% (101,5%) 202 (208) 98,5 (101,5%) Hópehely (1m/s) 175 (174) 85,3%(84,9%) 77 (76) 38% (37%) 32 (0) 16% (0%) Felület mérete hópelyheknél 1, 3 és 7 m/s-nál rendre 16, 16 és 9 m 2, elhelyezkedésük rendre 2, 1,5 és 1,25m magasan. 2. csapadékgyűjtő, referencia érték 396 csepp Cseppméret Szélsebesség (süllyedési sebesség) 1m/s 3m/s 7m/s 2mm (6m/s) 397 (396) 100,2% (100%) 397(398)100,3%(100.5%) 388 (392) 98% (99%) 4mm (9.57m/s) 396 (392) 100% (99%) 395(396) 99,7% (100%) 391 (391) 98,7% (98,7%) 8mm (15.22m/s) 394 (392) 99,5% (99%) 396 (392) 100% (99%) 395 (395) 99,7% (99,7%) Hópehely (1m/s) 363 (356) 91,7% (90%) 181 (188) 45,5% (47,5%) 73 (0) 18,5% (0%) Felület mérete hópelyheknél 1, 3 és 7 m/s-nál rendre 16, 16 és 9 m 2, elhelyezkedésük rendre 2, 1,5 és 1,25m magasan. 3. csapadékgyűjtő, referencia érték 205 csepp Cseppméret Szélsebesség (süllyedési sebesség) 1m/s 3m/s 7m/s 2mm (6m/s) 202 (200) 98,5% (97,6%) 199 (208) 97,1%(101,5%) 215 (205)104,9% (100%) 4mm (9.57m/s) 203 (208) 99% (101,5%) 201 (208) 98% (101,5%) 199 (203) 97,1% (99%) 8mm (15.22m/s) 207 (208) 101% (101,5%) 202 (208) 98,5%(101,5%) 201 (208) 98% (101,5%) Hópehely (1m/s) 181 (179) 88,3% (87,3%) 100 (104) 48,8% (50,7%) 50 (13) 24,4% (6.3%) Felület mérete hópelyheknél 1, 3 és 7 m/s-nál rendre 16, 16 és 9 m 2, elhelyezkedésük rendre 2, 1,5 és 1,25m magasan. A 4.3. ábra az 1. csapadékgyűjtő esetén a turbulencia hatásának figyelembe vétele nélkül mutatja a hópelyhek pályáját az áramlási sebesség szerint színezve 7m/s szélsebességnél. Látható, hogy nem kerül be hópehely a csapadékgyűjtőbe. A 4.4. és 4.5 ábrán a 2. és a 3. csapadékgyűjtőre vonatkozó hópehely pályák láthatók az áramlási sebesség szerint színezve ugyancsak 7 m/s szélsebességnél. 23

104 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet A 4.3. és 4.4. ábra alapján megállapítható, hogy 7 m/s szélsebességnél a II. táblázat adataival összhangban a turbulencia hatásának elhanyagolásával végzett számításnál az 1. és 2. csapadékgyűjtőbe nem jut be hópehely. A turbulencia hatásának figyelembe vételével számolva a felfogó keresztmetszet méretéből adódó hópehely mennyiség rendre 16 % és 18,5 %-a jut be a csapadékgyűjtőbe. A 4.5 ábra szerint a 3. csapadékgyűjtőbe a turbulencia hatásának elhanyagolásával végzett számítás esetén is jut be 6,3 %-nak megfelelő számú hópehely, amelynek arányát a turbulencia 24,4 %-ra növel. Az ábrákból és a II. táblázatban látható számítási eredményekből az alábbi következtetések vonhatók le: a) A gyűjtött cseppek száma a várakozásnak megfelelően csökkent az áramlás csapadékgyűjtő által okozott módosítása miatt. b) Az előzetes megfontolásnak megfelelően a mérési hiba (a gyűjtött cseppek számának csökkenése a felfogó keresztmetszet nagyságából adódó referencia cseppszámhoz képest) adott csapadékgyűjtőnél annál nagyobb, minél kisebb a csepp süllyedési sebessége és minél nagyobb a szélsebesség. c) Az előzetes becslésnek megfelelően 2-8 mm átmérőjű (6-15 m/s süllyedési sebességű) vízcseppek esetén a szél hatása nem jelentős: a gyűjtött cseppek mennyiségének csökkenése nem haladja meg az 5-8%-ot. d) Hópelyhek (süllyedési sebesség 1 m/s) esetén a szél csapadékgyűjtő működésére gyakorolt hatása igen jelentős: 1, 3 és 7m/s szélsebesség esetén a gyűjtött csapadék mennyiségében a szél hatására bekövetkező gyűjtött hó mennyiség csökkenés rendre 8-15%, 51-62% és %. e) A csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszetének környezetében kialakuló sebességmegoszlások elemzésével (ld. 3. fejezet 3.2. és 3.3. pontok) összhangban a legnagyobb mérési hibát az 1. csapadékgyűjtőnél tapasztaljuk. Hópelyhek esetén a 2. csapadékgyűjtőnél ennél valamivel (átlagosan 6%-kal) kisebb a gyűjtési hiba. A legkisebb hibát a 3. csapadékgyűjtő alkalmazásával követünk el, a 2. csapadékgyűjtőhöz nagyobb sebességeknél átlagosan 3%-kal kisebb, 1 m/s sebességnél valamivel nagyobb a hiba. A hiba nagyságrendjét (12%-96%) tekintve (ld. d) pont) ezek a különbségek nem tűnnek lényegesnek. 24

105 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 4.3. ábra Hópelyhek pályája a sebesség szerint színezve az 1. csapadékgyűjtő esetén 7 m/s szélsebességnél 25

106 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 4.4. ábra Hópelyhek pályája a sebesség szerint színezve a 2. csapadékgyűjtő esetén 7 m/s szélsebességnél 26

107 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 4.5. ábra Hópelyhek pályája a sebesség szerint színezve a 3. csapadékgyűjtő esetén 7 m/s szélsebességnél 27

108 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5. A csapadékgyűjtő fűtésének hatása a hópelyhek mozgására 5.1. A feladat és a számítási modell Az 1.4. pont értelmében a 3. számú, fűthető csapadékgyűjtőre végeztük el a belső felfogó felszínének fűtéséből adódó, a felfogási hatékonyságában mutatkozó eltérések vizsgálatát szélcsend esetén hópelyhekre vonatkozóan. Annak érdekében, hogy markáns hőmérsékletkülönbséget állítsunk elő, a csapadékgyűjtő fűtött felszínén 280W/m 2 hőáramot írtunk elő, amely a megadott 4 0 C hőmérsékletnél lényegesen nagyobb hőmérsékletet állított elő: a fűtés kezdete után 12,6 s idő elteltével a belső tér alján lévő 0,021m 2 felületű tölcsér felületén 33 0 C, a felső külső, 0,0363m 2 felületű csonkakúpon 21 0 C volt a hőmérséklet. A vizsgálat a csapadékgyűjtő feletti a fűtés miatt keletkező áramlás megismerésére irányult. Miután a legnagyobb feláramlás a legnagyobb hőmérsékletkülönbségnél adódik, ezért az első számítást C levegőhőmérsékletnél végeztük el. Ebben az esetben a 3D áramképet időfüggő URANS (unsteady Reynolds averaged Navier Stokes) számítással határoztuk meg k-ε turbulenciamodellel, figyelembe véve a hőátadást és a hőmérsékletnek megfelelő levegő sűrűség változást, és számoltuk a nehézségi erőtérben ebből adódó áramlás időbeni kialakulását. 12,5 s időintervallumot modelleztünk, a számítás időlépése 0,005 s, a számítás igény 4 processzoron 50 óra volt Az áramlási tér számításának eredményei Az ábra mutatja a 3. csapadékgyűjtő megfelelő felületei fűtésének bekapcsolásától eltelt idő függvényében a hőmérséklet- és sebességmegoszlást. Látható, hogy a fűtött felületeken bekövetkező hőátadás milyen mértékben melegíti fel a levegőt, és az a sűrűségkülönbség és a nehézségi erőtér hatására hogyan kezd áramolni. Az áramlási sebességek nagysága 0,25 m/s értéket nem haladja meg, így a fűtés a hópelyhek csapadékgyűjtőbe történő bejutását még ennél a fűtőteljesítménynél (és az ennek megfelelő, a 4 0 C-t lényegesen meghaladó falhőmérsékletnél) sem akadályozzák meg. A Jelentésben közölt számítások lehetővé tesznek egy nagyságrendi becslést a feláramlás mértékére, figyelembe véve, hogy a fűtött felületek közel 3/4 - e a csapadékgyűjtő felső részén van. A fűtött falak hőmérséklete és a levegő hőmérséklete közötti 14 0 C különbségnek több, mint kétszerese (31 0 C) esetén a feláramlás maximális sebességére kb. 0,25 m/s sebességet kaptunk, amely lényegesen alacsonyabb a hópelyhek süllyedési sebességénél. Ha feltesszük, hogy a belső térben lévő legfeljebb 4 0 C hőmérsékletű levegő kiszabadul, és egy kb. 200 mm átmérőjű levegőbuborékban C hőmérsékletű levegőben felfelé mozog, akkor a meleg levegő buborék emelkedési sebességét 0,5 m/s-ban korlátozhatjuk. (Ez a sebesség egy 4 0 C hőmérsékletű levegővel töltött ballon emelkedési sebessége. A meleg levegő buborék emelkedési sebessége a feláramló és a környezeti levegő keveredése miatti impuzus- és hőtranszport miatt ennél lényegesen kisebb.) A csapadékgyűjtő falának fűtése miatti hópehely veszteséget a számítások nem tűnnek igazolni. 28

109 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.1. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 0,05. másodpercben 29

110 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.2. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 0.5. másodpercben 30

111 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.3. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 1. másodpercben 31

112 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.4. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 2. másodpercben 32

113 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.5. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 4. másodpercben 33

114 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 5.6. ábra Hőmérséklet- és sebességmegoszlás a 3. csapadékgyűjtőnél a fűtés bekapcsolása utáni 6. másodpercben 34

115 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet A második szimuláció esetén konstans 4 C-os hőmérsékletet adtunk meg a fűtött felületen, melyben sokkal lassabban alakult ki felfelé történő áramlás. Ennek mértéke kb. egy nagyságrenddel kisebb az első számításnál tapasztaltakkal. A modellezési idő: 385 s, az időlépés (a kezdeti időtartamot kivéve) 0.1 s, a számítási igény 4 processzoron 120 óra volt ábra A hőmérséklet megoszlás látható a modellezési időtartam 5.8. ábra A hőmérsékletnövekedés miatti feláramlás sebessége 35

116 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet Az 5.7. ábrán a hőmérséklet megoszlás látható a modellezési időtartam végén a csapadékgyűjtő környezetében. Látható, hogy a hőmérséklet növekedés igen mérsékelt. Ennek megfelelően ugyancsak kicsi, legfeljebb 1.2 cm/s nagyságú a hőmérsékletnövekedés miatti feláramlás sebessége (5.8. ábra). Ezek az eredmények megerősítik, hogy nem a fűtés miatti feláramlás okozhatja a csapadék veszteséget a mérésnél. 6. Terelők hatásának vizsgálata Annak érdekében, hogy csökkentsék a szél kedvezőtlen hatását a csapadékgyűjtő működésére, szélterelőket alkalmaznak. Az 1.5. pont szerint feladatunkat képezte szélterelők alkalmazása esetén kialakuló áramkép számítása és ennek alapján az esőcseppek, ill. hópelyhek gyűjtési hatásosságának meghatározása. A 6.1. ábrán látható az 1. terelővel összeépített 3. csapadékgyűjtő a vizsgált áramlási térben, 1 m talajtól mért magasságban 3 m/s szélsebesség esetén. (1 és 7 m/s szélsebességekhez tartozó áramképeket a Jelentéssel együtt átadott CD-n bocsátjuk az OMSZ rendelkezésére.) A 6.2. és 6.3. ábrák az áramlási sebesség eloszlását mutatják a terelővel ellátott csapadékgyűjtő körül és a felfogó keresztmetszet környezetében. A 6.4. és 6.5. ábra az 1. terelő és a 3. csapadékgyűjtő körüli, valamint a csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete körüli áramlási sebesség vektorokat mutatja a sebesség szerint színezve. A 6.6. ábrán nyomvonalak láthatók az 1. terelő és a 3. csapadékgyűjtő körül a sebesség szerint színezve. A ábrákon a 2. terelő és az 1. csapadékgyűjtőre vonatkozóan láthatók a hasonló megoszlások. A meglehetősen hasonló sebességmegoszlások alapján mindkét terelőre vonatkozóan megállapítható, hogy a) az áramlás a felfogó keresztmetszet környezetében lényegesen rendezettebb, mint terelő nélküli esetben (ld és 6.9. ábra), b) a terelő a rajta áthaladó levegőt tetemesen lassítja, ezért a felfogó keresztmetszet felett egy viszonylag vékony nyíróréteg alakul ki, amelyen keresztül lefelé a sebesség rohamosan csökken (ld és 6.9. ábra), ez befolyásolja a hópelyhek mozgását, c) megfigyelhető, hogy a terelő szél felőli oldalán felül leválás következik be, amelyben felgyorsul a levegő, és jelentős függőleges sebességkomponens is keletkezik (ld és 6.8. ábra), d) a levegő a terelő résein áthaladva kissé felfelé fordul, ami a csapadékgyűjtők felső részén, ferdén felfelé irányuló rááramlást eredményez a csapadékgyűjtő oldalára (ld és ábra), e) emiatt, s a csapadékgyűjtő kúpos felső részén a terelő nélküli esethez hasonló, de annál kisebb mértékű ferde feláramlás alakul ki a felfogó keresztmetszet szél felőli oldalán (ld és ábra), ami csökkenti a csapadékgyűjtőbe jutó hópelyhek számát. 36

117 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 6.1. ábra Az 1. terelővel összeépített 3. csapadékgyűjtő 3 m/s szélsebesség esetén 6.2. ábra Az 1 terelő és a 3. csapadékgyűjtő körüli sebességtér 37

118 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 6.3. ábra Áramlás az 1 terelővel összeépített 3. csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete körül 6.4. ábra Az 1 terelő és a 3. csapadékgyűjtő körüli áramlási sebesség vektorok a sebesség szerint színezve 38

119 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 6.5. ábra Az 1. terelővel egybeépített 3. csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete körüli áramlási sebesség vektorok a sebesség szerint színezve 6.6. ábra Nyomvonalak az 1. terelő és a 3. csapadékgyűjtő körül a sebesség szerint színezve 39

120 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 6.7. ábra A 2. terelővel összeépített 1. csapadékgyűjtő 3 m/s szélsebesség esetén 6.8. ábra A 2. terelővel összeépített 1. csapadékgyűjtő körüli sebességtér 40

121 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet 6.9. ábra A 2. terelővel összeépített 1. csapadékgyűjtő 3 m/s szélsebesség esetén ábra A 2. terelő és az 1. csapadékgyűjtő körüli áramlási sebesség vektorok a sebesség szerint színezve 41

122 Szakmai anyag, 2.5 Melléklet ábra A 2. terelővel egybeépített 1. csapadékgyűjtő felfogó keresztmetszete körüli áramlási sebesség vektorok a sebesség szerint színezve ábra Nyomvonalak a 2. terelő és az 1. csapadékgyűjtő körül a sebesség szerint színezve A terelők csapadékgyűjtők működésére gyakorolt hatását csak hópelyhekre vizsgáltuk, miután a vizsgált vízcsepp átmérők esetén a csapadékgyűjtők terelő 42