A Balaton szél keltette vízmozgásainak modellezése

Átírás

1 Numerikus modellezési feladatok a Dunántúlon február 10. A Balaton szél keltette vízmozgásainak modellezése Torma Péter Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2 Tavak vízmozgásai és jelentőségük

3 Horizontális diszkretizáció Számított állapotváltozók: sebességkomponensek vízszint És további skalárok: hőmérséklet hordalék koncentráció vízminőségi változók stb

4 Vertikális diszkretizáció

5 Áramlás 2D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt Mélység-átlagolt áramkép Hosszú távú folyamatok leírhatók így pl. hordalékmozgás Szél Felszíni áramlás Fenék közeli áramlás Mélység-átlagolt

6 Áramlás 3D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt. Sebesség mélység menti változását is számítjuk.

7 2D vagy 3D leírás Felszíni sebességmező Mélység-átlagolt sebességmező

8 Részecske útvonala 2D modell alapján 3D modell alapján

9 Térbeli folyamatok Hőmérsékleti rétegződés kialakulása: - napi ciklussal, - de akár hosszabb távon is szélcsendes időben. Stabil rétegződés Instabil rétegződés

10 Vízfelszín mozgása: kilendülés (HD modellek számítják) Balatonfűzfő Siófok Keszthely

11 Vízfelszín mozgása: hullámzás (Hullámzás modellek számítják) Hullámmagasság Hullámzás periódus ideje Permanes és nempermanens állapotok egyaránt Hullámmagasság és hullámgerincek

12 Modell igazolás: Kyrill vihar

13 Vízlengés számítása Első alkalmazás: Kyrill-vihar, 2007 január Max. szélsebesség: 90 km/h (nem széllökés!) Tó hossz-tengelyével párhuzamosan fújó szél. Több, mint 1 m vízszintkülönbség a tó két végén. Vízszínkilendülés és lecsengésének számítása teljes 3D térbeli modellel.

14 Modell igazolás: 1997 és 1998-as mérések

15 Szélmeghajtás meteorológiai modellből május vége Szélmező OMSZ modellből (WRF) felbontás: 900 m z = 10 m felszín felett C 10 =? τ - a szél-csúsztatófeszültség U 10 - a szélsebesség 10 m-en ρ - a levegő sűrűsége Belső határréteg fejlődés figyelembe vétele?

16 irány ( ) v (m/s) irány ( ) v (m/s) Szélmeghajtás meteorológiai modellből május vége

17 v (m/s) Szélmeghajtás meteorológiai modellből május vége É ÉNY NY

18 Modell igazolás: tanulságok Eltérések lehetséges okai Szél-csúsztatófeszültség nem elegendően pontos számítása: Térbeli változékonyság (orográfiai, mikrometeorológiai hatások) Időbeli változékonyság Terepmodell hibái Meteorológiai modell esetén 900 m-es felbontás 10 m-re a felszín felett kezdődik a modellezett tartomány: Felszíni folyamatok közelítő számítása (pl. hasonlósági elmélettel). Ezáltal mikro léptékű változások, mint a határréteg fejlődés figyelmen kívül hagyása

19 z Belső határréteg fejlődés a tó felett z z z 0,land u 1 < u 2 < u 3 z 0,water u 1 u 2 u 3 LAND WATER Meghajtási hossz: N-NW wind Feszültség: x

20 Határréteg fejlődés hatása az áramlásra

21 Szélmező interpoláció Állomások mérési adatai alapján szélmező számítása a teljes tófelületre Figyelembe veszi és számítja: szélirány eltérést, belső-határréteggel kialakuló szél-csúsztatófeszültség eloszlást, Parti és tavi állomásokat is képes felhasználni visszafelé is számolja határréteg fejl. Extrapolációra is képes legyen.

22 Számított vízszint ingadozás Balatonfűzfő Balatonszemes Keszthely

23 Alkalmazási területek Beavatkozások várható hatásának vizsgálata: kotrás kikötők építése hullámtörők építése stb. Áramlás és fenékcsúsztató feszültség Hullámzás

24 Alkalmazási területek Számos lehetséges helyzet modellezése békeidőben : Partvédő művek tervezéséhez tervezési segédletek létrehozása: Félempirikus összefüggések alkalmazásán túl modellezéssel támogatott tervezés Vízszín kilendülés különbőz szélirányok és szélsebességek esetére Elöntés- és veszélytérképezés (szabályozási vízszint megváltozásával újraszámolandó) Szél keltette vízmozgás: Szélmérési adatsorok részletes statisztikai vizsgálata jellemző irányok és nagyságok meghatározásra.

25 Szélmeghajtás számítása mérések alapján Balatoni Viharjelző Rendszer keretében zajló mérések: Szél Léghőmérséklet Vízhőmérséklet Páratartalom Pontbeli mérésekből interpolációs eljárással térbeli szélmező, amely tó feletti szélviszonyok sajátosságait figyelembe veszi.

26 Balatoni hidrodinamikai előrejelző rendszer Közép-Európa legnagyobb tava: A = 600 km 2, h átl = 3,5 m Tókezelők operatív feladatai: megfelelő vízminőség biztosítása kiktötők kotrása, fenntartása; elöntés és hullámzás elleni védelem; bajba jutottak mentése; havária események kezelése... Valós idejű leírása a tó aktuális és közeljövőbeli környezeti állapotának, vagyis a vízbiztonság megteremtése Hidrodinamikai előrejelző és döntéstámogató rendszer

27 Előrejelző rendszer felépítése

28 Torma Péter Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem