A meteorológiai modellek talajadatbázisainak összehasonlító elemzése Pirkhoffer E. Czigány Sz. Gyenizse P. Nagyváradi L. 1. Bevezetés, célkitűzés A meteorológiai-éghajlati modellezés, az éghajlatváltozás problémakörének lezáratlansága folytán, a tudományos közélet mindennapjainak része. Egy meteorológia modell több paraméter alapján dolgozik és készíti el a különböző előrejelzéseket. Munkánk során az MM5 (NCAR-PSU Mesoscale Model) talajtani paramétereit vizsgáltuk. Legfontosabb szempontnak azt tekintetük, hogy megvizsgáljuk: a modellben megtalálható alapadatok cseréje illetve, pontosítása lényegi eltérésként jelentkezik a modellszámítások során, vagy elégséges a program alapadatbázisait felhasználni a modellezési eljárásban. A magyar adatbázisok közül, a talajtani peremfeltétel összehasonlítására az Agrotopográfiai adatbázist használtuk fel. 2. Az adatbázisok összehasonlítása A fizikai talajféleséget több elemző is felhasználta a meteorológiai modellezésben. Esetünkben az MM5 modellben kellett új adatbázis konvertálni. A konverzió előtt egy adatbázis összehasonlítást hajtottunk végre, a beépített alapadatok valamint, a Magyarországra specifikusan felmért talajtani adatbázis, az Agrotopo között. Az összevetés legfontosabb oka, hogy a peremfeltételek parametrizációja alapvetően meghatározza a modell későbbi lefutásának lehetőségeit. Hiszen ezek az adatok csak egyszer kerülnek betöltésre, ennek következtében nem változnak a modellezés során. 1. ábra. Az MM5 folyamat modellje forrás: MM5 USER GUIDE 1
Az MM5 TERRAIN modulban használt peremfeltételek a következők (1. ábra): magassági modell, amely a felszíni domborzati viszonyokat tartalmazza, a földhasználati/vegetációs alapréteg, a felszíni vízborítási viszonyok, a talajtípus, valamint a mélységi talajhőmérsékletek. Az adatok hat felbontásban érhetőek el, 1 fokos (111 km), 30 (55 km), 10 (18,5 km), 5 (9.25 km) valamint 2 (3,7 km) perces, valamint 30 (0,927 km) fokmásodperces lehatárolással. Ettől eltérő a felszínalatti talajhőmérséklet adat, amely csak 111 kilométeres felbontásban elérhető. Külön ki kell emelni, hogy a modellekben alkalmazott talajfizikai jellemzők a talajok hő- és vízgazdálkodási tulajdonságai miatt meghatározóak a peremfeltételek megadásánál (Ács 2002). Az eredeti MM5 adatbázis tartalma, talajtani megközelítésből különböző pontosságú. Az Észak-Amerikai területek jól felmértek és definiáltak, míg pl. a Magyarországra eső adatok pontatlanok, néhol használhatatlanok (2. ábra). Ebből következően az adatbázisok cseréje nagyságrendekkel pontosíthatja a modell előrejelzéseinek hatékonyságát. agyagos- kőzetliszt 2. ábra. Az MM5 modellben tárolt fizikai talajtípus térkép Magyarország területére (forrás: MM5 USER MANUAL) Ha ránézünk az MM5 talajtérképre (2. ábra), akkor már elsőre érzékelhető, hogy a foltok elnagyoltan ábrázolják a fizikai talajféleségek magyarországi elterjedését. Bár az elviekben megfogalmazott cél, a majd 1 kilométeres felbontás megvalósítható, de az adatbázis mögöttes tartalma nem tudja ezt tartani. Ami a modell által generált ábráról már nehezen azonosítható, az a tematikus tartalmi helyesség. 2
3. ábra Az MM5-ben tárolt felszínhasználati térkép Magyarország területére (forrás: MM5 USER MANUAL) A felbontásból adódó pontosság természetesen csak azt jelenti, hogy minden 1 kilométeres rácshoz van hozzárendelt érték. A lefedettségi pontosság ennél sokkal rosszabb, ami alatt a vizsgált terület felett elhelyezkedő, az objektumok számával jellemzett arányszámot értjük. Az MM5 98 önálló egységgel biztosítja a teljes lefedettséget, melyek közül több polygon mérete is elhanyagolhatónak számítható, mert csak a Duna vonalának bizonyos pontjain jelez vízborítottságot. Ezek nem klasszikus értelemben vett sliver vagy forgácspoligonok (Márkus 2004), hanem az eredeti adatbázisból, a felbontás változás a során (filterezés) eltűnt értékek maradványai. A lefedettség az Agrotopgráfiai adatbázis esetén 3311 egységet jelent. Ami azt mutatja, 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. Mindkét adatbázis sajátos interpolálási technikával oldotta meg, a nem mért helyeken az adatok beillesztését. Az Agrotopo adatbázisa a domborzati jellemzőkkel (4. ábra), a szintvonalak lefutásának figyelembevételével segítette a homogén agroökológiai egységek kialakítását, valamint több szubjektív elemet is tartalmazott, amelyet röviden csak a szakemberek helyismerete fogalommal foglalhatunk össze. 3
4. ábra. Az Agrotopo poligonjainak határai jól követik a domborzat változékonyságát a dombés hegyvidéki területeken (szerk.:pirkhoffer E.) Ehhez hasonlóan az MM5 adatai, a nagytájak határainak figyelembevételével, valamint ugyancsak a domborzat felhasználásával interpoláltak, amely eljárások nem tekinthetők elfogathatónak a talajok 1 kilométer felbontású ábrázolásánál. Ezt mi sem bizonyítja jobban, mint a hasonló magassági adatokkal jellemezhető, valamint az Alföld nagytájba sorolható Mezőföld, és Duna-Tisza közötti síkvidék azonos talajtípussal történő ábrázolása. 5. ábra A kisebb relieffű alföldi területeken is a domborzat segíti a talajtípusok térbeli interpolációját (szerk.: PIRKHOFFER E.) 4
50000 45000 40000 35000 30000 km 2 25000 20000 Agrotopo MM5 15000 10000 5000 0 homok os homok homokos homokos agyagos agyagos agyag tőzeg víz durva vázrészek fizikai talajtípus 6. ábra Az Agrotopo és az MM5 fizikai talajtípus modellek összehasonlítása (szerk.: PIRKHOFFER E.) A tartalmi pontosság meghatározására összehasonlítottuk az adatbázisokban tárolt talajtípusokhoz tartozó területi lefedettségeket. Természetesen az 1:100 000 méretarányú Agrotopot tekintettük az alapnak, mivel ennek a felvételezése nagy pontossággal történt, míg az eredeti MM5 adatbázis, a még nagy hibahányaddal dolgozó távérzéklet adatokból származik. Látható, hogy az MM5 lényegesen túlértékeli a kisebb szemcsetartományú talajtípusokat, míg pl. az Agrotopohoz mérten alulbecsüli a homokok részarányát a vizsgált területen (6. ábra). 7. ábra. (Magyarázat a szövegben.) (szerk.: PIRKHOFFER E.) 5
A program által generált Lambert kúpvetületű pontokból létrehoztunk egy ArcView raszter állományt, majd ebből egy fizikai talajtérképet generáltunk. Az elkészített ábrára rávetítettük az általunk használt Agrotopo réteget, hogy összehasonlítsuk a területi lefedettséget az amerikai modellben. Azonosítási pontokat nehéz értelmezni az MM5 talaj alaptérképén, de a Duna, a Balaton valamint a Velencei-tó elhelyezkedése, az 1 km-es felbontásban jó közelítést adhat (7. ábra). Az átfedést azért hoztuk létre, hogy megállapítsuk, hogy mekkora a tartalmi, tematikus eltérés a két adatbázis között. Az összehasonlítást közel 1 km-es felbontásban végeztük el. A magyar talajréteget újraosztályoztuk a USGS talajrendszer alapján és így készítettük el az új Agrotopo eredmény réteget. A dissolve paranccsal egyesítettük az egymáshoz csatlakozó azonos tulajdonsággal jellemzett objektumokat és így homogén fizikai talajtípus egységeket hoztunk létre, mind a magyar, mind az amerikai adatbázisban. Mivel mindkét réteget azonos koordináta rendszerben jelenítettük meg, így végrahajtottunk egy kivonás overlay műveletet a két térkép között. Értelemszerűen, mivel a két adatbázis azonos kódtáblázattal osztályozott, a rétegek kivonása után, azokon a helyeken, ahol azonos a talaj textúrája 0-s értékeket kellett kapjak. 8. ábra. Az MM5 modell 100%-os tartalmi pontosságú térrészei (szerk.: Pirkhoffer E.) Elemeztük az eredeti Agrotopo valamint a kalkulált réteg területi átfedéseit. Ezek alapján megállapítható, hogy az MM5-ben tárolt talajadatok Magyarország 29 %-án alkalmazhatóak 100 %-os biztonsággal. Az átfedések nagyobb része az Alföld területére esik, míg a mozaikos lefedettségű Dunántúlon ez az érték sokkal rosszabb (8. ábra). Nagy biztonságú az átfedés a vizes területek, a tavak esetében. Ami azt is mutatja, hogy a két réteg fedése pontosan sikerült. A következő, 9. ábrán azok a területek láthatóak, amelyeken a két réteg között eltérés 1. Ami azt jelenti, hogy a fő talajalkotó szemcseméretben megegyezek, csak a másodlagos szemcseátmérőben van eltérés. Ezek a teljes lefedettség 6,3 %-át adják. A többi területen a nem alkalmazható nagy biztonsággal az MM5 talajtani fedvénye, mert nem biztosít megfelelő tartalmi azonosságot az Agrotopográfiai adatbázissal. 6
9. ábra. Az MM5 talajmodell és az Agrotopo minimális eltérésű térrészei (szerk.: Pirkhoffer E.) 3. Összegzés Az éghajlati-meteorológia modellezés sajátossága, hogy több paramétert is figyelembe vesz az előrejelzések kialakításakor. A legtöbb program rendelkezik ún. előre beépített alapadatokkal, amelyek egy bizonyos felbontásig biztosítanak pontos modellezhetőséget. Vizsgálatainkkal azt kívántuk bizonyítani, hogy ezek a beépített alapadatbázisok információtartalma milyen eltéréseket mutat, egy jól felmért témaspecifikus adatbázissal szemben. Bizonyítható, hogy az adatbázisok cseréje indokolt, mert bár a talajtani információk csak másodlagosnak tűnhetnek egy meteorológiai modellben, de a talajok szemcseméretükkel, ebből következően víz és hőtározási tulajdonságaikkal módosíthatják a felettük elhelyezkedő levegő tulajdonságait, így megváltoztathatják az előrejelzések végeredményét is. 4. Irodalomjegyzék ÁCS F. 2002. On the relationship between transpiration and soil texture. Időjárás 106. 277 289 pp. CSATÓ SZ. MATTÁNYI ZS. 1999. A földrajzi információs rendszer (GIS) alkalmazása az egyedi tájértékek kataszterében. Földrajzi Közlemények, 123. pp.163 172. MÁRKUS B. 2004. Bevezetés a térinformatikába. UNIGIS oktatási segédanyag. Székesfehérvár. 80 p. NÉMETH Á. 2004. Az aszályérzékenység meghatározása térinformatika alkalmazásával. Acta Agraria Kaposváriensis, 8. Kaposvár, 25 34 pp. NYIZSALOVSZKI R. SZABÓ SZ. 2003. A talajvízszint mozgásának idő- és térbeli változásai egy hegylábi mintaterületen. Földrajzi Értesítő, 52. pp. 23 37. 7