A LÉGKÖR NAPSUGÁRZÁS-ÁTBOCSÁTÁSÁNAK HOSSZÚTÁVÚ VÁLTOZÁSA BUDAPEST FELETT DIMMING VAGY BRIGHTENING? Tóth Zoltán

Átírás

1 A LÉGKÖR NAPSUGÁRZÁS-ÁTBOCSÁTÁSÁNAK HOSSZÚTÁVÚ VÁLTOZÁSA BUDAPEST FELETT DIMMING VAGY BRIGHTENING? Tóth Zoltán Országos Meteorológiai Szolgálat, Légkörfizikai és Méréstechnikai Osztály Budapest, Gilice tér toth.z@met.hu

2 NAPSUGÁRZÁSÁTBOCSÁTÁS A FÖLD LÉGKÖRÉBEN W/(m 2 nm) A napsugárzás spektrális eloszlása a légkörön kívűl és a földfelszínen a 3 és nm-es hullámhosszok között extraterresztriális spektrum.5 spektrum a földfelszínen nm

3 NAPSUGÁRZÁS - FÖLDSUGÁRZÁS

4 A BUDAPEST FÖLÖTTI LÉGKÖR NAPSUGÁRZÁSÁTBOCSÁTÁSÁNAK VIZSGÁLATA Cél: gyorsan változó átlátszóság vizsgálata látható és NIR kell Kérdések:. Hogyan tudjuk értelmesen / használhatóan jellemezni a légkör napsugárzásátbocsátását a mérésekre alapozva? 2. Milyen mért fizikai mennyiségek állnak rendelkezésre? 3. Mennyire összehasonlíthatóak az alkalmasan választott, napsug. átbocsátásra jellemző fizikai mennyiségek?

5 . GLOBÁLSUGÁRZÁS 2. CLEARNESS INDEX (G / G max ) 3. Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER 4. SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG 5. AEROSZOL OPTIKAI MÉLYSÉG

6 Adatok: Vizsgált mérési hely: Budapest Periódus: Felbontás: órás ( ), tízperces (994-2) Trendvizsgálathoz használt adatok: éves átlagok Szükséges előfeldolgozás: szűrés SZŰRÉSEK:. Felhős esetek kiszűrése 2. Kis napmagasságok kiszűrése (refrakció bizonytalansága miatt)

7 . Felhős esetek kiszűrése Probléma: felhőtlen napkorong kell, de adatok órásak hogyan válasszuk ki a megfelelőeket? (nem tudjuk, hogy a nem-nulla oktás, de kisborultságú óraközökben fedte-e felhő a napkorongot) Lehetőségek: a. csak nulla oktás adatok (nagy adatvesztés) b. nem-nulla oktás adatok felhasználása bizonyos oktáig döntés: okta 3 okta

8 2. Kis napmagasságok kiszűrése: a. A refrakció bizonytalansága miatt (az optikai légtömegre vonatkozó formulák nullához közelítve egyre pontatlanabbak) b. Túl nagy napmagasságot se választhatunk alsó határnak, mert akkor a téli hónapokban, amikor a delelési napmagasság 9-3 közé esik, nagyon sok adatot szórnánk ki, és kevés maradna a vizsgálatok elvégzésére. Végül önkényesen:

9 CLEARNESS INDEX (G / G max ) CLEARNESS INDEX (G / G max ) normálás: Csillagászatilag lehetséges globálsug. Rayleigh-atmoszférára számított globálsug. Mérésekből számított maximálian lehetséges globálsug. Szükséges detektor: piranométer

10 GLOBÁLSUGÁRZÁS HOSSZÚTÁVÚ VÁLTOZÁSA A SZAKIRODALOMBAN: Stanhill and Cohen, 2: Európa több állomására csökkenés (de a 9-es évek elejéig tartó adatsorokkal dolgoztak) Roderick and Farquhar, 22 Ohmura, 24 (Európa több állomására csökkenés az 5-es évek elejétől, majd 9-es évek elejétől növekedés) Nagy Z., 25 (Budapestre csökkenés az 5-es évek elejétől, majd 9-es évek elejétől növekedés) Különbség: a fentiek all sky adatokkal dolgoztak, míg mi borultág szerint szűrt adatokkal ennek ellenére nehezen magyarázható a különbség + nem egyezik a szórási paraméterre és az optikai mélységre kapott eredményekkel

11 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Θ D/G D R /G R ahol: D : horizontális felületen mért szórt sugárzás G : globálsugárzás D R : Rayleigh atmoszférán át a földfelszínre lejutó szórt sugárzás G R : Rayleigh atmoszférán át a földfelszínre lejutó összsugárzás Szükséges detektor: - piranométer + napkorong kitakarása (napkövető)

12 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Sugárzás- intenzitás a horizontálisan homogén, gyengén szennyezett légkörben, a teljes hullámhossztartományban: I( z) I(, z) d I ( ) Pn (, z) Pu (, z) Pw (, z) P (, z) d ahol I (λ) és I(λ,z) a monokromatikus fény intenzitása a légkör felső határán, illetve a rétegen való áthaladás után a z- szinten; P n, P u, P w, és P : az ideálisan tiszta légkör, az ózon, a vízgőz és a légköri aeroszol monokromatikus átbocsátási függvénye; I(z) pedig az integrált irradiancia.

13 Beer- Bougert- Lambert törvény: R m e I I ) (.9 ) ( p p p R A légkör tetején a spektrális irradiancia általunk használt alakja a Planck- törvény értelmében: exp.9 r r r R I N Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Rayleigh-atmoszféra optikai mélysége:

14 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER A talajon vízszintes felületre jutó, Rayleigh- szórással gyengített direkt sugárzás: 3 I R sin h I exp m.3 R ( ) d A Rayleigh- szórás egyik fő sajátossága, hogy az ún. előreszórás és a hátraszórás szimmetrikus. Ezt figyelembe véve: ahol: I sin h D 3.3 R I d I R 2 I a légkör tetején vízszintes felületen mérhető sug. áramsűrűség

15 Így a Rayleigh -szórással gyengített légkörben a talajon mérhető szórt- és összsugárzás aránya (továbbiakban Rayleigh- paraméter): R R R R R R R D I D I D G D ahol a fentiek értelmében: ) exp( ) exp( 2 d m I d m I D I R R R R Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER

16 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER A mért D/G arányok havi abszolút minimum értékeinek (folytonos vonal) és a Rayleigh- szórással gyengített szórt- és összsugárzás arányainak (D R /G R ) évi menete (szaggatott vonal).5 (D/G)R D/G absz.min...5. J F M Á M J J A Sz O N D

17 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Θ paraméter szórásának évi menete a két szűrés esetén szórás.8 3 okta okta hónap

18 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER A Θ szórási paraméter és 3 oktás szűréssel kapott havi átlagainak idősorai (január-június) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta év (január) év (február) év (március) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta év (április) év (május) év (június)

19 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER A Θ szórási paraméter és 3 oktás szűréssel kapott havi átlagainak idősorai (július-december) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta év (július) év (augusztus) év (szeptember) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta év (október) év (november) év (december)

20 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER A Θ paraméter és 3 oktás szűréssel kapott évi átlagainak időbeli menete (az egyenes a 3 oktás szűréssel kapott adatsor regressziós egyenese) 5 okta 3 okta év

21 Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Hónapok évi átlag időszak J F M Á M J J A Sz O N D okta 3 okta A A t t p=% t p=5% t p=% % táblázat. A Θ paraméter teljes időszakra vonatkozó trendanalízisének eredményei (iránytangens dimenziója / év) és a kritikus t- értékek három szignifikanciaszinten.

22 OPTIKAI MÉLYSÉG: Elektromágneses sugárzás gyengülése adott közegben - általános sugárzásátvitel speciális esete (Beer-Bougert-Lambert): dx vastagságú réteg esetén a λ hullámhosszúságú I λ belépő monokromatikus irradiancia a dx út megtétele utáni -di λ csökkenése arányos az I λ -lal és a dx-szel, tehát: di ei dx di ei dx ahol σ eλ extinkciós koefficiens csak a közeg anyagi minőségétől és a λ hullámhosszúságtól függ (ha a közegben az abszorpciós koefficiens σ aλ,, és a szórási koefficiens σ sλ, akkor: σ eλ = σ aλ + σ sλ ) I e ahol I λ az irradiancia d út megtétele után I e d

23 OPTIKAI MÉLYSÉG: Ebből az extinkciós koefficiens: e d ln I I Légkörre alkalmazva > optikai mélység: azt jellemzi, hogy λ hullámhosszúságú sugárzás milyen mértékben gyengül, ha I e ln d I ( z) ( z') dz' e z a világűrből a z magasságú pontba jut, vagy a z magasságú pontból a világűrbe (földfelszíni napspektrofotométeres méréseknél így nyilván praktikusan z = ). Ezért az optikai mélységet úgy definiáljuk, hogy az extinkciós együtthatót z magasságtól végtelenig integráljuk: z ( z) ( z') dz' e

24 OPTIKAI MÉLYSÉG: Így kiszámítható minden adott λ hullámhosszra az adott komopnens abszorpciója és szórása miatti gyengítés mértéke, amelyet az optikai mélységgel adunk meg. λ hullámhosszon g, g 2,...g n gáz is abszorbeál, összmennyiségeik: x, x 2, x n > abszorpciós koefficienseik: σ aλ, (g ) σ aλ (g 2 ),.... σ aλ (g n ) kiszámíthatóak az abszorpció miatti optikai mélységeik: δ aλ (g ) = x n σ aλ (g ), δ aλ (g 2 ) = x n σ aλ (g 2 ),. δ aλ (g n ) = x n σ aλ (g n ) Az adott hullámhosszon a légkör teljes optikai mélysége: δ λ = δ aλ (g ) + δ aλ (g 2 ),..+ δ aλ (g n ) + δ Aλ + δ Rλ ahol δ a (λ ) az aeroszol optikai mélység, δ R (λ ) pedig a Rayleighszórás (szóródás a légköri molekulákon) optikai mélysége

25 optikai vastagság nem függ a frekvenciától (klímamodellekben használt sugárzásátvitel - széles spektráltartományok) SZÜRKE KÖZELÍTÉS CSILLAGFOTOSZFÉRÁKBAN Abszorpciós koefficiens ( ) függ: - közeg anyagának kémiai összetétele - közeg anyagának hőmérséklete - közeg anyagának sűrűsége Színképvonalak tartományában frekvenciától való függése igen jelentős. Ha nem kívánjuk a csillagszínkép finomszerkezetét vizsgálni, csak a vékony fotoszféra globális szerkezetére vagyunk kíváncsiak eltekinthetünk frekvenciafüggésétől felt: = (szürke közelítés)

26 SZÜRKE KÖZELÍTÉS CSILLAGFOTOSZFÉRÁKBAN

27 Szükséges detektor: pirheliométer (problémásabb a napkövetés miatt) SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG S I d ( I d) e PYR S PYR m GB GB m ln S S PYR I PYR I d d ahol: I λ : monokromatikus irradiancia a mérési pontban a földfelszínen I λ : monokromartikus irradiancia a légkör tetején S PYR : a pirheliométer érzékenységi tartománya (kb. 3 3 nm) δ GB : szürke optikai mélység m: relatív optikai légtömeg

28 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke opt. mélység szórásának évi menete a két szűrés esetén szórás okta 3 okta.2..8 I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A( hónap

29 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység és 3 oktás szűrésel kapott havi átlagainak idősorai (jan-júl) okta 3 okta év (január) okta 3 okta év (február) okta 3 okta év (március).7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.7 okta 3 okta év (április) év (május) év (június)

30 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység és 3 oktás szűrésel kapott havi átlagainak idősorai (júl-dec).7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.7 okta 3 okta év (július) év (augusztus) év (szeptember).7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.7 okta 3 okta év (október) év (november) év (december)

31 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység és 3 oktás szűréssel kapott évi átlagainak időbeli menete.7 okta 3 okta év

32 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke opt. mélység átlagos évi menete Budapesten.45.4 I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A( J F M Á M J J A Sz O N D

33 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szűrés jóságának vizsgálata: a borultság és szürke optikai mélység kapcsolata Vizsgálat oka: viszonylag számottevő különbség a oktás és a 3 oktás szűréssel kapott görbék között (vízgőzabszorpció + felhőrészecskék szórása) - all sky szürke optikai mélységet használunk - Box-Whisker diagramok

34 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A direkt sugárzás útjába eső közeg optikai mélységének Box- Whisker diagramjai borultság (okta) Max Min 75% 25% Median

35 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A direkt sugárzás útjába eső közeg optikai mélysége átlagértékeinek függése a borultságtól borultság (okta)

36 SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység teljes időszakra vonatkozó ill. szakaszolt trendanalízisének eredményei Hónapok évi átlag időszak J F M Á M J J A Sz O N D okta 3 okta I( ) P a ( ).2 ln (.5 A R( ).2 ( ) M I( ) S P a t t p=5% % a a t t p=5% %

37 AEROSZOL OPTIKAI MÉLYSÉG I( ) P A( ) ln ( R( ) O3( )) M I( ) S P ahol: δ A (λ) : aeroszol optikai mélység I (λ) : extraterresztriális irradiancia közepes naptávolságnál I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A( 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 O3 (λ): az ózon abszorpció optikai mélysége: δ O3 (λ) = x O3 α O3 (λ) ahol: α O3 (λ): ózon abszorpciós koefficiens, x O3 : összózontartalom R () : a légköri molekulák Rayleigh-szórásának optikai mélysége P, P : aktuális nyomás és standard tengerfelszíni nyomás

38 AOD számításához szükséges:. Detektor: napspektrofotométer vagy napfotométer (drágább, kvázi-folyamatos szakmai felügyeletet igényel) 2. Teljesen felhőmentes napkorong (a felhő pillanatnyi optikai tulajdonságait nem ismerjük pontosan) 3. Olyan hullámhossz, ahol az ózon kivételével a gázok abszorpciója elhanyagolható: I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A( 368, 38, 42, 45, 5, 6, 675, 778, 862 Spektrális napsugárzásmérés a 3- nm tartományon (LI-8 Spektroradiométer) 996 óta > túl rövid időszak

39 WROD A szürke optikai mélység és az AOD közötti kapcsolat Az 5 nm-es aeroszol optikai mélység és széles sávú optikai mélység kapcsolata AOD (5) Abszorpciós sávok a spektrumban - Az AOD meghatározása a VIS-NIR szürke optikai mélységből - használt hullámhossz: 5 nm - a két optikai mélység megfelelő értékei közötti különbség oka: a vízgőz és az ózon abszorpciós sávjai

40 A szürke optikai mélység és az AOD közötti kapcsolat Parametrizáció: A CWR C XV C2 XO C 3 3 ahol: δ Aλ : aeroszol optikai mélység a λ hullámhosszon δ WR : szürke optikai mélység X V : összes kihullható víz (rádiószondás mérésekből) X O3 : a légoszlop teljes ózontartalma C λ, C λ, C 2λ, C 3λ : meghatározandó konstansok Eredmény: - δ Aλ és δ WR közötti korrelációs együttható kb. 3 %-kal növekedett - vízgőz korrekció elég, ózon korrekció elhagyható

41 A számított aeroszol optikai mélység (folytonos vonal) és a szürke optikai mélység (szaggatott vonal) időbeli menete I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A( év

42 KONLKÚZIÓK. A LÉGKÖR NAPSUGÁRZÁSÁTBOCSÁTÁSA A 9-ES ÉVEK ELEJÉIG CSÖKKENT, MAJD ATTÓL KEZDVE NÖVEKSZIK ( AZ ÖSSZ-AEROSZOLTARTALMA A 9-ES ÉVEK ELEJÉIG NÖVEKEDETT, MAJD ATTÓL KEZDVE CSÖKKEN) 2. A LEGKEVÉSBÉ SZENNYEZETT ESETEKBEN A LÉGKÖR MEGKÖZELÍTI A RAYLEIGH-ATMOSZFÉRÁT

43 J/cm 2 5 A globál sugárzás éves összegei, A globál sugárzás normált értékeinek menete, ,2,,9,8, év

44

45

46

47 A szürke optikai mélység évi átlagai, Budapest, 967-2,6,5,4,3,2,

48 A 2 JÚL., SZAHARAI POR HATÁSA A SUG. ÁTBOCSÁTÁSRA JÚL. 4:,63 JÚL. 5:,62 OD,5: 2 NAP ÉVI ÁTLAG:,33 HAVI ÁTLAGOK:,24 2,2 3,33 4,34 5,4 6,4 7,46 8,4 9,4,29,34 2,2