A meteorológiai modellek talajtani megalapozása térinformatikai módszerek segítségével

Átírás

1 A meteorológiai modellek talajtani megalapozása térinformatikai módszerek segítségével Tanszéki konzulens: Dr. Jancsó Tamás Külső konzulens: Dr. Geresdi István 2006

2 Időszerűség A talaj és a légkör közötti kölcsönhatás fontos eleme az időjárást meghatározó folyamatoknak. A napjainkban alkalmazott mezo-skálájú időjárási modellek figyelembe veszik, hogy a talaj hogyan befolyásolja a felszínközeli levegőréteg hőmérsékletét és nedvesség tartalmát. A számítások nyilvánvalóan csak akkor lehetnek pontosak, ha a talajtípus adatok helyesen vannak megadva.

3 Célok 1. Az adatbázisok segítségével bizonyítom, hogy nemzetközi éghajlati-időjárási modellek alapadatbázisai, a talajtani alapadatok tekintetében nem felelnek meg tartalmi vonatkozásaikban az elvárt pontosságnak. Különös tekintettel a MM5 (mesoscale modelling) modell, TERRAIN alapadatbázisában tárolt talajtani adatok nem biztosítanak a megfogalmazott felbontás mértékének megfelelő adatokat. A kutatásaim alapján bizonyítani szeretném, hogy a lokális, magyar adatbázisokkal nagyságrendekkel növelhető az előrejelző modellek pontossága. 2. Ugyancsak az adatbázisok felhasználásával kívánom igazolni, hogy a fizikai talajtípus és a belőle levezetett alapadatok, elégséges információval (és háttárismeretanyaggal) bírnak egy meteorológiai modell alkalmazásakor. 3. Az adatbázisok segítségével be kívánom bizonyítani, hogy a talajok felszíni eloszlása hatással van egyes időjárási-éghajlati elemek (nyári napok, hőségnapok stb.) elterjedésére Magyarország alföldi területein. 4. Terepi mérésekkel szeretném alátámasztani, hogy az összefüggés kimutatható a talajok fizikai állapota, a nedvességtartalma, valamint a talajok hővezetési, hőtárolási tulajdonságai között, valamint, hogy a talajok fizikai tulajdonságai mérhető hatással vannak a felszíni léghőmérséklet alakulására. 5. Végül az előadás legfontosabb célkitűzése, hogy különböző adatok, adatbázisok felhasználásával, a térinformatika segítségével egy klasszikus földrajzi elemzést, modellezést mutassak be, amelyben a talajok, és az időjárás bizonyos elemei közötti összefüggéseket tárom fel.

4 Módszerek Felhasznált adatbázisok: Agrotopográfiai Adatbázis CLC-2000 Felhasznált műholdképek: LANDSAT TM 5,7 Terepi mintagyűjtés és laboratóriumi mérések: Fritsh lézeres szemcse-meghatározó gép Alkalmazott szoftverek: Arc/GIS IDRISI Carta Linx Surfer Microsoft Excel Microsoft Access Modellek kialakítása: Az adatok elemzésének, pontosabb megértéséhez modelleket készítettem, amelyek reprezentálták az adott térrész, táj számomra fontos jellemzőit.

5 Az alap adatbázis Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és Agrokémiai Intézetében került kialakításra. Maga az adatbázis rendszere, az agrotopográfiai térképsorozat tematikus adataiból leképezett számítógépes rendszer, amely EOTR szabványos, 1: méretarányú, országos adatokat tartalmaz NKFP ös számú, Magyarország éghajlatának dinamikai vizsgálata és numerikus modelleken alapuló regionális klímaelőrejelzések módszertanának megalapozása projekt talajtani és felszínborítottsági viszonyok meghatározására szolgáló alprojektjében a magyar adatbázis interpretálása az amerikai rendszerű talajadatbázist felhasználó értékelő programba (MM5), talajtani alapadatok egzakt meghatározása, az ellentmondásmentes értékátalakítás, az egyes légköri folyamatok talajtani meghatározottságának földrajzi modellezése, a pontosabb előrejelzés biztosítása, valamint annak bebizonyítása, hogy a fizikai talajtípus, mint bemeneti paraméter elégséges információt ad az időjárási modellekben a talaj összképéről.

6 a fizikai talajtípus sorszáma/értéke a fizikai talajtípus angol megnevezése 1 Sand 2 Loamy sand 3 Sandy loam 4 Silt loam 5 Silt 6 Loam 7 Sandy clay loam 8 Silty clay loam 9 Clay loam 10 Sandy clay 11 Silty clay 12 Clay 13 Organic material 14 Water 15 Bedrock 16 Other (land-ice) A modell által eredetileg használt fizikai talajféleségek A fizikai talajtípus sorszáma/értéke Kódtáblák A fizikai talajtípus magyar megnevezése 1 Homok 2 Homokos vályog 3 Vályog 4 Agyagos vályog 5 Agyag 6 Tőzeg, kotu 7 Durva vázrészek 0 Víz, vagy nincs adat Az Agrotopo adatbázisban használt fizikai talajféleségek Az átalakítás a talajok fizikai tulajdonságainak figyelembevételével történt: porozitás nedvességtartó képesség pórusok víztelítettsége a szemcsék elméleti alakja hővezető képesség

7 Mezoskálájú modell MM 5 alapadatok = peremfeltételek TERRAIN peremfeltételek: magassági modell, amely a felszíni domborzati viszonyokat tartalmazza, a földhasználati/vegetációs alapréteg, a felszíni vízborítási viszonyok, a talajtípus, valamint a mélységi talajhőmérsékletek. Klasszikus földrajzi elemzések adatai

8 MM 5 - AGROTOPO Peremfeltétel Egyszer kerül betöltésre Nincs változtatási lehetőség

9 A felbontásból eredő hibák Az MM5 98 db önálló egységgel biztosítja a teljes lefedettséget, melyek közül több poligon mérete is elhanyagolhatónak számítható, mert csak a Duna vonalának bizonyos pontjain jelez vízborítottságot. A lefedettség az Agrotopográfiai adatbázis esetén 3311 db egységet jelent. Ezek az adatok azt mutatják, hogy a valóságban az MM5 adatainak pontossága és előrejelzési biztonsága 949 km 2 tehát 30 x 30 kilométeres egységekben, felbontásban lenne elfogadható, míg ez az érték a magyar adatbázis esetén 28 km 2, ami 5 x 5 kilométeres felbontást biztosít. Tehát az 1 km bármilyen átalakítás során csak az eredeti adatokból már le nem vezethető pontosításokhoz vezet.

10 50000 Tartalmi pontosság km Agrotopo MM homok vályogos homok homokos vályog vályog homokos agyagos vályog agyagos vályog agyag tőzeg víz durva vázrészek fizikai talajtípus Az összehasonlítás során levezetett adatokból látható, hogy az MM5 lényegesen túlértékeli a kisebb szemcsetartományú talajtípusokat, míg az Agrotopóhoz mérten alulbecsüli a homokok részarányát a vizsgált területen. Ami azért lényeges, mert a szemcseméretek kismérvű megváltozása is jelentősen befolyásolja a modell későbbi lefutását.

11 Tartalmi pontosság Az MM5-ben tárolt talajadatok Magyarország 29 %-án alkalmazhatóak 100 %-os biztonsággal.

12 Modellek eredeti adatok pontossága 1. A hét mérőhelyen azonos körülmények, reprodukálható viszonyok és jól definiált metódus alapján, mérik a hőmérsékleti adatokat, 2. A talajhőmérsékleti meteorológiai elemzések, diagramok és térképek, ezen hét mérőhely alapján készülnek el az Alföld területére, 3. A térben elég távol helyezkednek el egymástól ahhoz, hogy az azonos talajok hőtulajdonságai összevethetőek legyenek. Nem az volt a célom, hogy az Agrotopográfiai adatbázist reambuláljam, hiszen ehhez a mérőhelyek száma nem elégséges! Nem készült interpolált talajhőmérsékleti térkép, mert ennyi mérőhely adatával nem megoldható!

13 Modellek - csapadékképződés 1. A talaj-légkör rendszerben a talajparaméterek nagyságrendileg kisebb szerepet játszanak, mint a légköri hatások, de az elemzésből látható, hogy ez a behatás is elemezhető különbségeket ad, 2. Mivel a talajtani adatbázist csak Magyarország területére javított, így a modell legjobb értékelhetősége és előrejelzési biztonsága csak idáig terjed, 3. A határvonal közelében az előrejelzés biztonsága javult tekintve, hogy a gridre történő interpoláció, a távolsági súlytényező értéke, a nem változtatott határontúli adatbázisra is hatással van, 4. A távolsági súlytényező hatókörén túl nincs értéklehető változás, 5. Az új adatbázis felhasználásával jobban lehatárolhatóvá váltak a csapadékképződési központok, az eredeti viszonyokhoz képest sokkal markánsabb képet mutatnak.

14 A hőmérséklet átlagos változása a hét mérőállomáson Modellek talajhőmérsékletek C mérési időpont 1. A fizikai talajtípus, azaz a talajok textúrája jelentősen meghatározza a talajhőmérsékletet, 2. Az azonos szemcsefrakcióba sorolt talajok egymástól kismértékű eltérése is lényeges felmelegedési és lehűlési különbségeket okozhat, 3. A fizikai talajtípus áttételesen befolyásolja a felszíni hőmérsékleteket, valamint 4. Fizikai talajtípusokból előállított digitális adatbázisok elégséges információtartalommal bírnak egy mezoskálájú időjárási modell alaprétegeként.

15 NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM GEOINFORMATIKAI FŐISKOLAI KAR Modellek talajhőmérsékletek Van-e lehetőség a talaj hatásainak detektálására? Szeged hőmérséklet ( C) a1 a2 a3 Szeged felszín Szeged ET5 Szeged ET10 Szeged ET idő (nap) A felszíni hőmérséklet-változások: Akkor zajlanak le az éjszaka folyamán, amikor a talajhőmérséklet-változások is megfigyelhetőek Többször, hasonló módon játszódnak le

16 Modellek elméletileg legmelegebb területek A nyári napok kialakulásának a lehetősége elvileg ezeken a területen a legnagyobb A valóság egy összetettebb felületi rajzolatot mutat

17 Modellek nyári napok és a fizikai talajtípus Az éghajlati-időjárási elemek hasonlóak, akkor honnan a területi különbségek

18 Modellek talajhőmérsékletek A fizikai talajtípus és a nyári napok elhelyezkedésének hisztogramja homok vályog agyagos-vályog agyag

19 Modellek talajok vízgazdálkodása Magyarország és az Alföld talajainak vízgazdálkodási típusai

20 Modellek talajok vízgazdálkodása alacsony víztartó képesség magas víztartó képesség Adatsor Adatsor

21 A hőkapacitás, a víztartalom és a fizikai talajtípus kapcsolata C talaj = ( ρ * c * x%) + ( ρ * c * z%) víz víz 100 szilárd szilárd VK max térfogat %-ban VK max-hoz tartozó fajlagos hőkapacitás Fajlagos hőkapacitás homok %-ban homok 40 3, vályog 50 3, ,559 agyag 60 3, ,826 A maximális vízkapacitáshoz tartozó fajlagos hőkapacitási értékek A maximális vízkapacitás esetén kétfázisú, (víz és szemcsék) rendszerről beszélünk

22 A hőkapacitás, a víztartalom és a fizikai talajtípus kapcsolata C talaj = ( ρ * c * x%) + ( ρ * c * z%) + ( ρ * c * z%) víz víz levegő levegő 100 szilárd szilárd VK sz térfogat %-ban VK sz-hez tartozó fajlagos hőkapacitás Fajlagos hőkapacitás homok %-ban homok 10 2, vályog 31 2, ,99 agyag 46 3, ,901 A szabadföldi vízkapacitáshoz tartozó fajlagos hőkapacitási értékek

23 Eredmények Vizsgálataim alapján megállapítható, hogy a modellezéshez használt adatbázisok több hibával is terheltek lehetnek. A modellező programokban tárolt alapadatok csak az adott program készítési mintaterületén alkalmazhatók nagy biztonsággal, Az általam vizsgált MM5 TERRAIN fizikai talajtípus adatbázis túlértékeli a finom szemcseméretek arányát és teljesen alulértékeli a homoktérszínek megjelenését, Az Agrotopográfiai adatbázis esetén lézeres szemcsefrakcióvizsgálatokkal igazoltam, hogy az eredeti adatok a korszerű méréstechnika eredményeivel nem minden esetben állnak egyensúlyban. Így az adatbázis, egy nagyterületre kiterjedő, pontos mérőhelyek kijelölésével járó frissítésére lenne szükség,

24 Köszönöm a figyelmet

25 Termális infravörös felvételek A 6-os sáv már a termális infravörös tartományba tartozik, ahol már nem a Nap visszavert sugárzása, hanem a testek saját hőmérsékletének emissziója érzékelhető. Terepi felbontás 120x120 méter.

26 Ellenőrizetlen osztályba sorolás Klaszterezés A talajok fizikai típusa hatással van a talajok felmelegedésére és közvetett (kismértékű, de kimutatható) módon a légkör felszínközeli rétegeinek hőstruktúrájára. A kimutatható összefüggés nem jelent mást, mint hasonló módon történő viselkedést, a földrajzi tér meghatározott részében. Azonban a termális sávban készült felvétel, egy pillanat eredménye, amikor nem egy folyamat figyelhető meg (és így a talajok hasonló viselkedési struktúrái) hanem az adott sugárzási intenzitás. Nincsenek prekoncepciók A program önállóan osztályoz Nincs beavatkozás

27 Ellenőrzött osztályba sorolás Tanulóterületek a lézeres mérések alapján

28 - A talajhőmérsékletek detektálása a növényzet jelenléte miatt nehézkes - Mindig a felszínre vetítjük a hőmérsékleteket, de az algoritmusok nem tökéletesek A növényzet hatásai a detektálásra: -árnyékolás (növényzet magassága, sűrűsége) -párologtatás - jelentős felületi (levélen) vízfelületek

29 A talajtípusok és az éghajlat-időjárás modellezésének végső állomása egy összetett flash-flood előrejelzési modell megalkotása. Ennek csak egyik összefüggését jelenti a talaj-levegőhőmérséklet, talaj-csapadék rendszer elemzése. Egy összetett mérőhálózat rendszer kiépítését tervezzük a kiválasztott mintaterületen,ahol pontosan kimért mérőhálózatban észleljük a talaj, a levegő, valamint a csapadék egymásra hatását.