MÉRNÖKI METEOROLÓGIA

Átírás

1 MÉRNÖKI METEOROLÓGIA (BME GEÁT 5128) A légkör dinamikája 1 Dr. Goricsán István, 2008 Balczó Márton, Balogh Miklós, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék

2 A légkör dinamikája - a szél 1. A szél fogalma és jellemzése 2. A szél keletkezése - hatóerők 3. Globális szélrendszerek 4. Mérsékeltövi ciklonok 5. Trópusi forgószelek 6. Monszun 7. Helyi szelek 8. A szélmérés gyakorlata BOREAS (1902) John William Waterhouse festménye 2 *Bóreasz, az északi szél istene, Óreithüiá nimfa elrablója a bóra névadója

3 SZÉL A GÖRÖG MITOLÓGIÁBAN A Szelek Tornya az Akropolisz lábánál: 8 szélisten az oldalán É: Bóreász K: Eurosz D: Nótusz NY: Zephürosz 3

4 SZÉL A szél: mozgó levegő. Időben és térben változik u V, w ( r, t ) = v ( r t ) Észak (É, North): 0 Kelet (K, East, Orient): 90 Irány: ahonnan fúj! 4 főirány 12 mellékirány Sebesség: m/s km/h (szárazföldi) mérföld/h = km/h 4 Csomó (knots)

5 EGY KIS KITÉRŐ: A CSOMÓ Tengerészeti sebességmérés 1 tengeri mérföld/h = km/h = 1 szélességi fokperc/h 28 másodpercig mértek homokórával - csomók 47 láb 4 hüvelykenként A Danmark teljes vitorlázatú hajó 5 A log Forrás: Dr. Gáspár Ferencz: Hét év a tengeren. Budapest,1903.

6 A SZÉLTÉRKÉPEK Forrás: 6 Az MM5 numerikus előrejelző modell által generált széltérkép 10m-es magasságra

7 A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Beaufort szélerőskála, kategorizálás a szél hatása alapján 1805 /1832, Sir Francis Beaufort angol sorhajókapitány, hidrográfus Fok Megnevezés Hatás km/h 0 szélcsend a füst függőlegesen száll föl < 2 1 gyenge szellő a füst csaknem függőlegesen száll föl könnyű szél alig érezhető gyenge szél a fák levelei mozognak, az árbocszalag leng mérsékelt szél az árbocszalag kiegyenesedik élénk szél a nagyobb ágak mozognak,kellemetlenül érződik a szél erős szél zúgó hangot ad igen erős szél vékonyabb fatörzsek hajladoznak viharos szél vastagabb fatörzsek hajladoznak, nehéz gyalogolni vihar könnyebb tárgyakat elsodor erős vihar fákat csavar ki igen erős vihar súlyos rombolások orkán teljes pusztulás

8 Forrás:

9 A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Forrás: wikipedia.org balatoni elsőfokú viharjelzés (12 m/s), 9

10 A BEAUFORT SZÉLSKÁLA Forrás: wikipedia.org balatoni másodfokú viharjelzés (17 m/s) (>30 m/s) 10

11 A SZÉL KELETKEZÉSE Légköri áramlások kialakulásának alapvető okai: Különböző mértékű felmelegedésből adódó hőmérsékletkülönbség (» sűrűségkülönbség»nyomáskülönbség) Gravitáció Föld forgásából adódó Coriolis-erő Egyéb hatóerők: Súrlódás a földfelszínnel, illetve légrétegek között (viszkozitás) A felszín hatása km magasságig érezhető, ez a planetáris határréteg. E felett található a szabad légkör. Centripetális erő görbült mozgások miatt Térfogategységre ható erők: ρ 1 p r V gr 2 r 2Vω 11

12 A CORIOLIS-ERŐ MAGYARÁZATA s = rϕ = rω t = v tω t a s = tan t 2 2 atan = 2vω a Cor = 2 v ω 12 Fotó: Balczó M.

13 A CORIOLIS-ERŐ HATÁSA A FÖLDÖN Ω C = 2Ω V C Forrás: V = u i +v j +w k 13. C V V Forrás: Chorizontális = u 2 + v 2 2Ω sin φ = Vhorizontális f f - Coriolis paraméter

14 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Eltérő felmelegedés a szélességi fok függvényében: alacsony nyomás az Egyenlítőnél (illetve a Nap zenitjénél) Feláramló nedves levegő a tropopauzáig (csapadékos) A 30 táján nagyobb a nyomás (4-8mbar-al) szubtrópusi nagy nyomású zóna felszíni áramlás innen az Egyenlítő felé, helyébe száraz levegő fentről. Trópusi Konvergencia Zóna HADLEY (v. PASSZÁT) CELLA - hőtranszport a sarkok felé 14 Forrás: Nagy nyomás, hideg lev. a sarkokon Áramlás az ún. poláris front felé (kb. 60, alacsonyabb nyomás) Felmelegszik, felszáll, vissza a sarkokhoz POLÁRIS CELLA - hőtranszport a sarkok felé - télen erős, nyáron gyenge

15 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK A Hadley-cella és a sarki cella köztes cirkulációt hoz létre a közepes szélességeken (30-60 ) a polárfront és a szubtrópusi nagy nyomású zóna között: A másodlagos hatóerők jobban befolyásolják óceánok, felszíni hőmérsékletkülönbségek Nem annyira stabil, mint a másik kettő, változékonyabb FERREL CELLA - hőtranszport a sarkok felé 15 Forrás:

16 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Forrás: William M. Connolley, wikipedia.org Függőleges szélsebesség januári értéke ( évek átlaga) 16

17 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK Forrás: William M. Connolley, wikipedia.org Függőleges szélsebesség júliusi értéke ( évek átlaga) 17 A TKZ vándorol (kb 1 hónap késéssel követi a zenitszöget) Szárazföldek módosító hatása

18 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK 18 A Föld az Apollo 17-ről (1972. december) Forrás: NASA

19 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - SZÉLIRÁNYOK Sarki szelek keletiesek Mérsékelt égövi nyugatias szelek ÉK-i passzátszél Szélcsendöv DK-i passzátszél 19 A Coriolis erő a sarkon maximális, de mérsékelt szélességeken is jelentős. Mivel ez utóbbi indirekt cella, a Coriolis erő a legjelentősebb, nagyméretű, nyugatról keletre haladó örvények alakulnak ki benne a Coriolis erő hatására ezek keverik át a cella déli és északi pereme között a levegőt. Forrás:

20 A GEOSZTRÓFIKUS SZÉL A szél a Coriolis-erőt követve elfordul és az izobárokkal megközelítőleg párhuzamosan halad. Ezt nevezzük geosztrófikus szélnek. Nyomási gradiens erő és Coriolis-erő egyensúlya 1 ρ p n V g f V g fv g 1 p ρ n = 0 p 1 p 2 p 3 V g izobárokkal párhuzamosan fúj! A nyomáskülönbség nem tud egyszerűen kiegyenlítődni 20 ELMÉLETI SZÉL, súrlódásmentes szabad légkörben, 2km felett

21 MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK 21 Szinoptikus skálájú (~ 1000km méretű) jelenségek. Az áramvonalak közel párhuzamosak az izobárokkal A nyomáserő tart egyensúlyt a Coriolis erővel, valamint biztosítja a centripetális erőt. Gradiens szélnek nevezzük.

22 MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK Centripetális, Coriolis-, nyomási gradiens erő északi félteke ± V 2 gr r + fv gr 1 p ρ r = 0 p r = 0 V gr = 0 Ciklonális Anticiklonális V gr 1 2 V gr r p + 1 p p 1 A p 1 p p + 1 M 1 p f V gr ρ r f V gr 1 p ρ r 1 r 2 V gr V gr V gr = fr f r r ρ p r V gr = fr 2 2 f r 4 2 r ρ p r 22 Óramutató járásával ellentétes Óramutató járásával megegyező

23 Forrás: NASA MÉRSÉKELT ÉGÖVI CIKLONOK ÉS ANTICIKLONOK 23 Ciklon Izland felett, szeptember 4-én

24 ROSSBY-HULLÁMOK, JETSTREAM A poláris zóna határvonala a Coriolis paraméter változása miatt behullámosodik, beleng Leszakadó alacsony nyomású zónák lesznek a mérsékelt övi ciklonok magjai Jetstream Mind a szubtrópusi magas nyomású öv mind a poláris alacsony nyomású öv mentén nagyobb magasságban néhány km széles, nyugati irányú, nagy sebességű áramlatok alakulnak ki ( m/s) Tiszta geosztrófikus szél, melyet a cellák felső (ellentétes irányú) szelei táplálnak 24 Repülés számára jelentős (üa. megtakarítás, navigációs problémák)

25 TRÓPUSI FORGÓSZELEK Hurrikán (Atlanti-óceán), tájfun (indiai óceán), ciklon (Csendes-óceán) 25 A Catarina trópusi ciklon Brazília partjainál, a Nemzetközi Űrállomásról fotózva, március 26-án A Katrina hurrikán szeme aug 28-án repülőgépről fényképezve.

26 TRÓPUSI FORGÓSZELEK Kb 26 C tengervíz hőmérséklet felett erős bepárolgás Megfelelő hőmérsékletgradiens mellett konvekció a tropopauzáig Kondenzáció, a nedvesség egy része kiesik látens hő felszabadulás tovább emelkedik alacsony nyomás a felszínen további nedves légtömegek áramlanak a mag felé- pozitív visszacsatolás A magba felülről száraz, de még melegebb levegő áramlik be A Nap óceánba sugárzott energiájával működik, hűti az óceánt 50, akár 100mbar-al alacsonyabb nyomás a környezethez képest 26

27 TRÓPUSI FORGÓSZELEK 27 Szem km, száraz levegő beáramlás fentről Szemfalak: max. sebesség km/h. Haladási sebesség 20-30km/h Nagy magasságban ellenkező irányú kiáramlás Szárazföld felé érve megszűnik a hajtóerő, a látens hőfelszabadulás Észak felé haladva szintén lanyhul, mérsékelt övi ciklonná válik

28 TRÓPUSI FORGÓSZELEK Luis hurrikán 1995 aug. 27-szept

29 TRÓPUSI FORGÓSZELEK 29 90km Luis hurrikán, 1995 szeptember 1 mp = 10 perc

30 TRÓPUSI FORGÓSZELEK Következmények Szélkárok (Épület, autók stb.) 15-20m magas hullámok a tengeren Alacsony nyomás emeli a vízszintet Jelentős csapadék (300 mm/24h, Texas, 1921: 750mm!! mérés nehéz) a parton árhullám (+ 5m) 30 Figyelőszolgálat: Időjárási radar (50-es évektől), műholdas figyelés (70-es évektől), Repülőgéppel belerepülnek, hogy a szélsebességet mérjék (ledobott szondákkal) (újabban robotrepülőgépek) Időszak: júniustól szeptemberig Évi kb 100 trópusi alacsonynyomású terület, ebből kb 6-7 lesz hurrikán (Beaufort skálán 12-es szélerősség) Globális klímaváltozás növeli a valószínűségét! National Hurricane Center (USA) szimulációja

31 TRÓPUSI FORGÓSZELEK Trópusi forgószelek pályája között 31

32 HELYI SZELEK Bóra, sirokkó, kámszin, harmattán, misztrál, főn, száhel, számum, helm, Cape Doctor Parti szél Városi szél Lejtő / völgyi szél Ezek kombinációi, szinoptikus hatásokkal erősítve Városok szellőzése szempontjából fontosak Különböző albedó, hőkapacitás és ebből adódó különböző felmelegedés/kihűlés, azaz változó hőmérsékletkülönbség indukálja napi periodicitás 34 délelőtt este

33 HELYI SZELEK Lejtőszél Délelőtt a napsütötte hegyoldal hamarabb melegszik mint a völgy meleg feláramlás Este hamar kihűlnek a hegyoldalak, mint a völgy (főleg ha nincs erdőborítottság) hideg leáramlás anabatikus:hegynek fel katabatikus:hegyről lefele fújó szél Viszonylag vékony rétegben, 2-4 m/s max. sebesség (könnyű beépítéssel elrontani ) 35

34 HELYI SZELEK Lejtőszél és hegyi/völgyi szél kombinációja A teljes völgyet kitölti A völgyben kevesebb levegő van és nagyobb a hőingás, mint a csatlakozó sík vidéken. Éjjel a hegy felől, nappal a sík vidék felől fúj. Napfelkelte után Este Délelőtt Késő este Dél körül Éjszaka: le Késő délután Hajnal 36

35 REGIONÁLIS SZELEK Főn szél Száraz és meleg : Alpoktól északra pld. nagyon gyors hólvadást okoz 37 Forrás:

36 REGIONÁLIS SZELEK Sivatagi szelek: Többnyire a sivatag és a partvidék hőmérsékletkülönbsége okozta ciklonok, helyi hatásokkal módosítva Sirokkó (Földközi tenger) Számum: Palesztína Khamszin, habób: Egyiptom - jelentős homoktranszport akár az Alpokig Brickfielder: Ausztrália Pampero : Argentína Misztrál: a Rhone folyó völgyében kialakuló, domborzati hatások által erősített katabatikus szél. (Vizcaya-öböl ÉNY-Fro.: anticiklikus, Genovai öböl: alacsony ny.) Burán: kelet-ázsiai ciklon, télen hóvihar 38 Bóra: Adria északkeleti partvidékén a hegyek felől érkező nagy sebességű szél télen akár 14 napig is tart, (akár 200km/h)

37 A GLOBÁLIS CIRKULÁCIÓT MÓDOSÍTÓ SZELEK Monszun (-cirkuláció) az Indiai-óceánt és partvidékét érő, évente 2x (kb. januárban és júliusban) irányát változtató szél (min. 120 ) Ok: az trópusi konvergencia zóna vándorlása és a szárazföldek hatása Szárazföldek felett (Indus-síkság, Tibeti fennsík, Szibéria) nyári alacsony nyomású területek jönnek létre elhúzzák a TKZ-t észak felé A délkeleti passzát délnyugati irányba fordul, nedvességet szállít a szárazföldek felé. Télen: száraz, hideg északkeleti szél a szárazföld felől (erősített passzát) Orografikus hatások: pld. Himalája Tengeráramlatok is módosítják Monszunok: Észak-Ausztrália Nyugat-Afrika India Kelet-Ázsiai monszun 39 Mexikói-Öböl (gyenge)

38 EGYÉB, A GLOBÁLIS CIRKULÁCIÓT MÓDOSÍTÓ SZELEK El Niño jelenség El Niño-Southern Oscillation (ENSO) tengeráramlások, és különböző hőmérsékletű víztömegek okozta fokozott esőzés Dél Amerika partjainál, szárazság a nyugati csendesóceáni partvidéken. Az áramlás iránya megfordul, nyugatról fúj. 40

39 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - ÖSSZEGZÉS 41 Talajközeli szélsebesség és légnyomáseloszlás januárban (Weischet, 1977) T: alacsony; H: nagy nyomású terület

40 GLOBÁLIS SZÉLRENDSZEREK - ÖSSZEGZÉS 42 Talajközeli szélsebesség és légnyomáseloszlás júliusban (Weischet, 1977) T: alacsony; H: nagy nyomású terület