Eötvö Loránd Tudományegyetem Földrajz- é Földtudományi Intézet Meteorológiai Tanzék Meteorológiai modellekben haznált felzínémák özehaonlítáa SZAKDOLGOZAT Kézítette: Kuntár Roland Földtudományi alapzak, Meteorológu zakirány Témavezető: Breuer Hajnalka ELTE TTK, Meteorológiai Tanzék Budapet, 2013
Tartalomjegyzék 1. Bevezeté... 3 2. Irodalmi áttekinté... 4 2.1 Felzínémák jelentőége a meteorológiai modellezében... 4 2.2 Fő meteorológiai modellek felzínémái... 5 2.2.1 Talajtulajdonágok... 6 2.2.2 Növényzet tulajdonágok... 7 2.2.3 Hőáramok... 8 2.2.4 Talajnedveég, párolgá, lefolyá, egyéb hidrológia... 12 2.2.5 Hómodell... 16 3. A WRF modell... 18 3.1 A WRF főbb jellemzői... 18 3.2 A modell fizika... 19 4. Adatok... 20 4.1 Meteorológiai adatok a WRF modellhez... 20 4.2 Eettanulmány: 2006. Auguztu 20.... 20 5. Eredmények... 22 5.1 Capadék... 22 5.2 Hőméréklet... 24 5.3 Láten- é zenzibili hőáram... 26 6. Özefoglalá... 30 7. Közönetnyilvánítá... 31 8. Irodalomjegyzék... 32 2
1. Bevezeté A felzín é a légkör közötti kölcönhatáok leíráa már évtizedek óta megtalálható az előrejelző modellekben. A felzíni folyamatok fonto zerepet játzanak a globáli é a regionáli modellekben egyaránt, befolyáolják a planetári határréteg változáait, a capadékképződét. Szakdolgozatom elődlege célja, hogy egy özehaonlító elemzét kézítek négy numeriku előrejelző modell felzínémájának különbégeiről. Előzör a felzínémák jelentőégének kérdéét fejtem ki, é egy ki történeti áttekintét tezek a felzín-légkör kapcolat témájáról. A tranzpiráció modellek fejlődée okat egített a pontoabb fizikai leírában, továbbá Dickinon (1984), Seller et al. (1986), Collatz et al. (1991), Cox (1998), é Koter (2000) i jelentő előrelépéekkel egítettek hozzá minket a felzíni folyamatok megimerééhez. A folytatában a négy felzínéma özehaonlítáa következik különböző zempontok alapján. Előzör a talajrétegek é a talajtextúrák közötti különbégről, majd a növényzet eltéréeiről írok. Ezek után áttekintem az egye felzínémák főbb folyamatait, a felzín légkör közti, valamint a talajban zajló hő- é nedveégáramokra, valamint olyan egyéb felzíni folyamatokra nézve, mint a hó kezelée. A modellek egye özetevőire tett validálái kíérletek eredményeit i bemutatom röviden. A zakdolgozat máodlago célja, hogy a WRF modellben elérhető e három felzínémával futtatott zimulációk eredményeit özehaonlítam, kiértékeljem az eredményeket é levonjam a megfelelő következtetéeket. Így a harmadik fejezetben a WRF modell általáno jellemzééről írok valamint a WRF modell fizikájáról i megemlítek pár mondatot. A negyedik fejezetben a modell zámára megadott bemeneti adatokról írok, majd egy kiválaztott napra jelen dolgozatban 2006. auguztu 20. volt megnéztünk egy eettanulmányt. A legtöbb ember talán még emlékzik erre a napra, u gyani ekkor mota el az eő a tűzijátékot a fővároban, é mértek orkán erőégű zélebeéget. Az ötödik fejezetben a három felzínémával futtatott zimulációk eredményeit fejtem ki rézleteebben. Előzör a capadék térbeli é időbeli elozláának eredményeit írom le, majd a 2 métere hőméréklet é a hőáramok alakuláát mutatom be. 3
2. Irodalmi áttekinté 2.1 Felzínémák jelentőége a meteorológiai modellezében A felzíni folyamatokat az időjárái modellezé kezdete óta igyekeznek figyelembe venni, mivel már akkor felimerték a növényzet légkörre gyakorolt hatáát (Richardon, 1922). Deardoff 1978-a modellje volt az elő, ami egy mezokálájú modellben alkalmazta a felzín é a légkör közötti kölcönhatáokat. Az elmúlt években, évtizedekben zemtanúi lehettünk a felzíni modellek gyor fejleztéének é tezteléének a mezokálájú légköri modellekben (Rowntree & Bolton, 1983; Mahfouf et al., 1987; Aviar & Pielke, 1990; Chen & Aviar, 1994a, b). Az egyik fő motivációja a felzíni modellek fejleztéének az volt, hogy egyre finomabb legyen a térbeli é időbeli felbontá, é jobban tudjuk reprezentálni a planetári határréteg változáait. A planetári határrétegben a felzín é a légkör közötti folyamatokat erően befolyáolja a beérkező ugárzái energia, a zenzibili- é láten hőáramok alakuláa. A felzín é légkör közötti fluxuok egyik fő befolyáoló tényezője a talajnedveég (Wei, 1995; Robock et al., 2000), amely a párolgáon kereztül befolyáolja a planetári határréteg változáait. A párolgá függ a talajtól, a növényzettől é a légköri tényezőktől. A növények párologtatáa, a tranzpiráció a felzín-légkör rendzer vízháztartáának egy fonto özetevője. A tranzpiráció modelleket három coportba lehet oztani (Shao & Henderon-Seller, 1996). Vannak azok a modellek, amelyek a ténylege tranzpirációt a potenciáli tranzpiráció alapján becülik egy együttható zámítáával, amely a növények vízellátottágának függvényében változik. A máik modelltípu, amikor a tranzpirációt a gyökérzet vízfelvételével haonlítjuk öze, majd becüljük meg. Illetve a harmadik eet, amikor a tranzpirációt az ún. felzíni ellenállá becléével értékelik (Monteith, 1965), ahol a felzíni ellenállá leginkább a beugárzá é a vízellátottág függvényében változik (Jarvi, 1976). A növényzet jellemzéének céljából empiriku kapcolatokat vezettek be a levél ztómája, a párolgá é a környezet további állapothatározói, pl. a hőméréklet között (Dickinon, 1984). Itt még minden rétegben homogének voltak a talajjellemzők, valamint a növényzettel rendelkező é növényzet nélküli területek egyenlete elozláát feltételezték. A növényzet é a talaj fizikai tulajdonágait paraméterekkel jellemezték a növényzet típuának é a talaj textúrájának függvényében. 4
Seller et al. (1986), dolgozták ki a SiB (Simple Biophere Model) modellt, hogy meghatározzák az energia- é tömeg zállítát a légkör é a növényzettel borított felzín között. A modellben már 2 réteg növényzettel, illetve 3 rétegű talajjal zámoltak. Collatz et al. (1991), zintén haználtak energia- é tömeg-tranzfereket modelljükben, hogy özekapcolják a fizikai folyamatokat a határréteg é a felzín között. A modell zimulációban a ztóma ellenállát é a láten hőáramot vizgálták a nagy-levél közelíté (Jarvi, 1976) egítégével. A zimulációk illuztrálták, hogy a ztóma ellenállá é a láten hőáram változáai hatáal vannak a planetári határrétegre. Cox et al. (1998) rámutattak, hogy a ztóma vezetőképeége é a nettó fotozintézi között kapcolat van. Ez alapján egy megfelelő algoritmut adtak a lombkorona különböző zintjeire, amely leírja a kapcolatot a levél fotozintézie é a vezetőképeég között. Koter et al. (2000) az általáno felzíni émát kiegézítették egy vízgyűjtő-alapú modellel a zárazföldi felzíni folyamatokra, amely úgy haználja a hidrológiai vízgyűjtőt, mint alapvető zárazföldi egyéget. Koter felhívta a figyelmet, miután felhaználta a PILPS (Project for Intercomparion of Land-urface Parameterization Scheme) eredményeit, hogy a párolgá é a lefolyá irányítja a telje éve párolgát. Továbbá kihangúlyozta, hogy javítani kellene a talajnedveég rácon belüli heterogenitáát é annak hatáát a lefolyái folyamatokra. 2.2 Fő meteorológiai modellek felzínémái Dolgozatom egyik célja, hogy az európai előrejelzéi gyakorlatban leginkább haznált GFS (Global Forecat Sytem) é az ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecat) globáli, illetve az ALADIN, az UKMO (UK Met Office) é a GFS bemeneti adatait haználó WRF (Weather Reearch Forecating) korláto tartományú numeriku előrejelzéi modelljeinek felzínémáit haonlítam öze. A GFS eetében eredetileg a Pan & Mahrt (1987) által kifejleztett, é Chen et al. (1996) által kibővített OSU LSM-et (Oregon State Univerity LSM) válaztották ki földfelzíni modellnek. Az OSU LSM-et az amerikai Nemzeti Környezeti Előrejelző Központ, az amerikai Légierő é az amerikai Hidrológiai Kutató Laboratórium együtteen fejleztették tovább (Chen & Dudhia, 2000). A felzínéma a NOAH nevet kapta: 5
N: National Center for Environmental Prediction (NCEP) O: Oregon State Univerity (Department of Atmopheric Science) A: Air Force (AFWA é AFRL - korábban AFGL, PL) H: Hydrologic Reearch Lab - NWS (jelenleg Office of Hydrologic Development). Az ECMWF felzíni modelljének leíráára a TESSEL (The Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchange over Land) rendzert (van den Hurk et al., 2000) fejleztették ki, amely leírja a talaj, a növényzet é a hó alakuláát különböző térbeli felbontában. Kéőbb (2007 novemberében) bevezették az úgynevezett H-TESSEL rendzert, ami egy felülvizgált földfelzíni hidrológiával rendelkezik (Balamo et al., 2009). A két éma között egye özetevőket jelentően megváltoztattak, pl. a TESSEL-ben haznált egyége agyago talaj helyett (van den Hurk & Viterbo, 2003) a H-TESSEL térben változó talajtípual zámol, é a TESSEL lefolyá rendzerének hiányoágait a H-TESSEL már jobban reprezentálja. Az ALADIN modell felzíni émája az ISBA (Interaction Soil Biophere Atmophere) nevet kapta (Noilhan & Planton, 1989). A továbbiakban egy friített változatával foglalkozok (Noilhan & Mahfouf, 1996), amiben jelentő javítáokat tettek pl. a puzták feletti párolgá illetve a lefolyá kérdéének ügyében, valamint a hőre é nedveégre vonatkozó talajzállítái együtthatók módoítáait i érintették. Az UKMO előrejelző modell felzíni energia- é vízkomponeneit a JULES (Joint UK Land Environment Simulator) (Bet et al., 2011) földfelzíni modell írja le. A JULES modell a MOSES-ből (Met Office Surface Exchange Scheme) zármazik (Cox et al., 1999, Eery et al., 2003), amit a brit meteorológiai zolgálat fejleztett ki időjárá előrejelzéi alkalmazái célból. A JULES rendzert özekapcolták az UKMO modellel. A JULES felzínémát nem cak az időjárá előrejelzéi, hanem az éghajlati modellekben i haználják. Az egye felzín émák tulajdonágait a következőkben a parametrizációt alkotó fő komponenek zerint mutatom be kezdve a fizikai tulajdonágoktól, a modell fő folyamatain át. 2.2.1 Talajtulajdonágok A Noah-ban 4 talajréteget haználnak, ahol az egye rétegek a felzíntől zámítva 10, 30, 60 é 100 cm mélyek. A telje talajmélyég 2 méter, ahol a felő 1 métere rétegben található a gyökérzóna, míg az aló 1 métere réteg úgy vielkedik, mint egy gravitáció vízelvezetéel rendelkező víztároló a talaj alján. A talajzerkezetet 16 kategóriába orolják 6
(Miller & White, 1998), mely az USA-ban 1 km-e, Európában 5 földrajzi perce térbeli felbontában érhető el, de a felhaználók módoíthatják az elozlát. Az ISBA eetén a talajparamétereket a talajtípuokhoz tárítható homok é agyag tartalomból zámolják, 10 talajtíput megkülönböztetve. Két talajréteg van, de ez kiterjezthető háromra (Noilhan & Mahfouf, 1996). A TESSEL-ben é H-TESSEL-ben 4 talajréteg található, melynek aló határai: 7, 21, 72 é 189 cm. A modellben 11 talajtextúrát különböztetnek meg az USDA oztályozá zerint. Rácpontonként a dominán talajtíput vezi figyelembe. A JULES 4 talajréteggel zámol, melyek 10, 25, 65 é 200 cm mélyek. A telje talajmélyég 3 méter. Wilon & Henderon-Seller (1985) talajtextúra oztályozáát haználják a JULES-ben. 2.2.2 Növényzet tulajdonágok A Noah zámára a 16 kategóriá SiB (Simple Biophere Model) (Seller et al., 1986) modell növényzet beorolát válaztották ki. Ez az adator az AVHRR (1992 áprili 1993 márciu a vizgált időzak) műholda adatokból zármazik. A területi elozlá 1 kilométere felbontáú a modellben a növényzetre; mindenhol az uralkodó vegetációtíput válaztották ki az egye rácpontokra. A WRF legújabb verziójában (3.4.1) már a modell rácon belüli mozaiko elrendeződé i válaztható. Az ISBA eetén zintén az AVHRR műholda adatai állnak rendelkezére a növényzet meghatározáára (Champeaux et al., 2000). A TESSEL-ben é a H-TESSEL-ben a felzín felett cupaz talaj, alacony é maga növényzet, intercepció víz, árnyék é kitett hó, míg a víz felett nyílt é fagyott víz lehet, melyek külön energia- é vízháztartáal rendelkeznek. A vegetáció jellemzők egy külő éghajlati adatbáziból zármaznak, ami a GLCC (Global Land Cover Characteritic) adatokon alapul (Loveland et al., 2000). Rácpontonként négy paramétert zármaztatnak belőle. A dominán növénytíput é a területi frakciót minden maga é alacony növényi komponenre kiválaztják. A JULES 9 felzíntíput különböztet meg, 5 növényi (lomblevelű fák, tűlevelű fák, C 3 füvek, C 4 füvek, cerjék) é 4 növényzet nélküli felzínt (vároi, nyíltvízi, cupaz talaj é állandó földi jég). A rácon belül feltételezik a heterogenitát. A növényzet nélküli felzínre a 7
felhaználó által vannak meghatározva a paraméterek, míg a növényzettel rendelkező felzínek eetén a paraméterek a növényzet zerkezetéből zármaznak. 2.2.3 Hőáramok A Noah eetén a talaj hőáramot a talajhőméréklet (T [K]) diffúzió egyenlete alapján határozzák meg: T T C( Θ) = K t ( Θ) t z z A térfogati hőkapacitá, C [Jm -3 K -1 ] é a hővezeté, K t [Wm -1 K -1 ] a térfogati talajvíztartalom ( Θ [m 3 m -3 ]) függvénye. (1) C = ΘC + ( 1 Θ ) C + ( Θ Θ) C water oil air (2) ahol C water =4,2 10 6 Jm -3 K -1 a víz, C oil =1,26 10 6 Jm -3 K -1 a talaj, C air =1004 Jm -3 K -1 pedig a levegő hőkapacitáa. [ (2,7 + P )] 420exp f Pf Kt ( Θ) = 0,1744 Pf 5,1 b P [ ] é f = logψ ( Θ / Θ) 5,1 (3) (4) ahol Θ é Ψ a telítéi talajnedveég é a telített talaj vízpotenciálja, b a Campbell-féle porozitái index (Campbell, 1974). Mindhárom függ a talajzerkezettől (Coby et al., 1984). A zenzibili é a láten hő nagymértékben befolyáolt a talajvízkézletet meghatározó paraméterek által (Cuenca et al., 1996). Az ISBA modell 2 prognoztikai egyenletet tartalmaz a hőméréklet megváltozáára nézve. Az egyik a felzíni talaj/növényzet hőmérékletére a T [K], a máik a T 2 [K], a mélyégi talaj hőmérékletére vonatkozik (5-6). Ezek az egyenletek függenek a hőáramoktól, közvetve a térfogati víztartalomtól, a talaj mélyégétől, illetve a növénytakaró típuától. T t = C T 2π ( Rn H LE) ( T T2 ) τ (5) 8
T t 2 = 1 ( T T2 ) τ (6) ahol C T a felzín hőkapacitáa, R n a nettó ugárzá [J -1 ], H a zenzibili hőáram [J -1 ], LE a láten hőáram [J -1 ], τ egy nap időállandója. A nettóugárzá a felzínen a zenzibili hőáram (H), a láten hőáram (LE), é a felzíni hőáram (G) özegeként írható le. A zenzibili hőáram egyenlete: H = ρ C C V a p h 9 a ( T Ta ahol C p a levegő fajhője, C h a légkör termiku tabilitáától függő ellenállái tényező, V a pedig levegő űrűége illetve a zélebeég a legalaconyabb légköri zinten. Ez alapján a zenzibili hőáram függ a hő é momentum turbulen tranzportjától, valamint a felzín (T ) é a legaló modellzint hőmérékletének (T a ) különbégétől. (E): A talajfelzínről (E g ) é a növényzetből (E v ) zármazó párolgá özege a vízgőzfluxu ahol L a párolgá hő [Jkg -1 ]. LE = LE g + LE v A cupaz talaj feletti hőáramok teztelée az AVIGNON84 é az EFEDA 91 adatorainak felhaználáával történt (Braud et al., 1993). A felzíni hőáramra (G) a megfigyeléekkel egyező értékek zülettek, míg a zenzibili hőáramot (H) egyértelműen felülbecülték. Az ECMWF modelljében a felzíni láten hőáram (LE) egyenlő a párolgáhő (L) é a párolgá fluxuának (E) zorzatával. A nettó hőáram (G 0 ) a felzíni fluxuok özege. Gibon et al. az ERA15 keretein belül megvizgálta a felzín éve átlagolt fluxuait a 1979 1993 időzakra (ERA15, Gibon et al., 1997). Gibon rámutatott, hogy a 12 24 órá előrejelzett adatok okkal jobb értékeket adtak, mint a 0 6 órá előrejelzett adatok, így az előbbi haználatát ajánlották. A TESSEL-ben a talaj hőháztartá követi a Fourier diffúzió törvényt, amit módoítottak figyelembe véve a talajvíz fagyáát é olvadáát (Viterbo & Bett, 1999). A felzín alatti vízfluxuok a Darcy-törvényből vannak meghatározva, amit haználnak a talajnedveég é a hőháztartái egyenletben. A folyékony víz áramláa (F w ) leírva a Darcytörvénnyel: ) ρa (7) é (8)
F w Θ = ρ w λ γ z (9) ahol λ (m 2-1 ) é γ (m -1 ) a hidrauliku diffúzió é a hidrauliku vezetőképeég, Θ pedig a térfogati víztartalom (Milly, 1982), ρ w pedig a víz űrűége. A JULES-ben a felzíni energiaegyenlet-rendzer a következőképpen néz ki: C δt δt = ( 1 α) Sω + εlω σε( T ) 4 H L E G c (10) H ρc p = ( T Ta r a ) (11) E ρ r + r = at a ( Q ( T ) Q1 ) (12) G ρc 4 4 p ν σεε ( T ) σεε ( T 1) + ( T T 1) (13) ra can = ahol T * a felzíni hőméréklet, H a turbulen hőfluxu, E a turbulen nedveég fluxu, G pedig a talajhőfluxu egyenlete. A felzíni hőméréklet prognoztiku egyenlete (10) függ a napugárzá é a hozúhullámú ugárzá lefelé irányuló komponenétől, a felzíni albedótól é az emiziótól, a felzín kiugárzáától, valamint a H, E é G hőáramoktól. A hőfluxuok zámítáának meghatározáában ρ a levegő űrűége, C p a levegő pecifiku hőkapacitáa, r a az aerodinamikai ellenállá, r a ztómaellenállá, Q 1 a pecifiku nedveég egy adott légköri zinthez vizonyítva, Q at a telítéi pecifiku nedveég a T * hőmérékleten, ν a növényzet borítáa, ε a felzíni emizió, ε a felzín alapjául zolgáló talaj emiziója, T 1 az elő talajzint hőméréklete,σ a Stefan-Boltzmann állandó. Amint látható, a zenzibili é láten hőáram nagyága a felzín é a legaló modellzint közti hőméréklettel é légnedveéggel egyeneen arányo. Ezt a felzíni energiaegyenletet haználták a MOSES-ben i, de Bet & Hopwood (2001) megmutatták, hogy az éjzaka folyamán nem reprezentálja megfelelően a fluxuokat. Változtattak a beállítáokon, hogy növeljék vele a felzín é az alatta fekvő talaj közti kölcönhatáokat, é javíták a fluxuok reprezentáláát, különöen éjzaka. Míg a MOSES- 10
ben a felzíni hőáramot, C [Jm -2 K -1 ], nullának válaztották, a JULES-ben a következőképpen zámolták ki: C = C B + C L L ahol C L a levelek [Jkg -1 K -1 ], C W a fa [Jkg -1 K -1 ] pecifiku hőkapacitáa, B L a levél [kgcm -2 ], B W pedig a fá biomaza tömege [kgcm -2 ]. A cupaz talaj felzíni vezetőképeégét a talajnedveég tartalom határozza meg (Taylor & Clark, 2001): W B W (14) g oil = 1 100 Θ Θ 1 c 2 (15) Növényzetre a felzíni ellenállát a fotozintetiku modell leíráából zámolják. A láten hőt növényi felzínre az evapotranzpiráció é a cupazt talaj párolgáának özege adja. A talaj hővezetéére ( λ ) a JULES modellben 2 opció van. Az egyik lehetőégnél (Cox et al., 1999) a termiku vezetőképeég lineárian függ a talajnedveégtől: λ = ( λ λ ) Θ/ Θ + λ (16) dry dry Ebben az eetben a telített talaj hővezetőképeége ( λ ) függ a víz, a jég, a levegő é a záraz talaj ( λ dry ) hővezetőképeégétől. A máik lehetőéget Dhari et al. (2009) mutatta meg, aki Johanen (1975) formuláját haználta, de ez az eet további talajinformációkat igényel. Ebben a termiku vezetőképeég é a talajnedveég között logaritmiku arány figyelhető meg: ahol K e a Kerten zám: λ = ( λ ) + (17) λdry Ke λdry K e log( Θ / Θ ) + 1 0,1 = 0 (18) A telített talaj hővezetőképeége itt mindöze a víz- é jégfázi hővezetőképeégétől függ. Ez a módzer magaabb értékeket adott a vezetőkéeégre, mint az elő eetben, de cökkentette a zimulált hőméréklet-hibákat a numeriku időjárá előrejelzében. 11
2.2.4 Talajnedveég, párolgá, lefolyá, egyéb hidrológia egyenlete: A Noah hidrológiai modelljében a térfogati talajnedveégtartalom ( Θ ) prognoztikai Θ Θ K = D + + FΘ t z z z (19) ahol a talajvíz diffúzió (D) é hidrauliku (K) vezetőképeége i a Θ függvénye, é F Θ a talajvíz forráai é nyelői. Az egyenlet a Darcy törvényből zármazik, ha homogén, izotróp é egydimenzió vertikáli áramlái tartományt feltételezünk (homogén talajzerkezetet é talajnedveég elozlát), a D-re a következő egyenletet kapjuk: D = K ( Θ)( ψ / Θ) (20) ahol a ψ, talajnedveég potenciál a talajvíztartalom függvényében adható meg. A K é a ψ meghatározáa (Coby et al., 1984): K ( Θ) = K ( Θ / Θ ) 2b+ 3 (21) ψ ( Θ) = ψ Θ Θ b /( / ) (22) ahol b a Campbell-féle porozitái index; K, ψ é b függenek a talaj típuától. A Noah eetén a telje párolgá (E): E= E dir + E c + E t, ahol E dir a közvetlen párolgá a ekély talajrétegből (Bett et al., 1997), E c a lombkorona által felfogott capadékból történő párolgá (Noilhan & Planton, 1989; Jacquemin & Noilhan, 1990), E t pedig a lombkorona é a gyökereken kereztül történő kipárolgá (Ek & Mahrt, 1991). E dir = ( 1 σ f ) βe p é Θ β = Θ 1 ref Θ Θ w w (23) E c = σ E f Wc S p n (24) W Et = σ f E pbc 1 S c n (25) 12
ahol σ f az egyégnyi terület növényzettel borított aránya, Θref a zabadföldi vízkapacitá, Θ w a hervadápont, W c a lombkorona intercepciója, S a maximáli lombkorona kapacitá, az n értéke 0,5, B c pedig a lombkorona ellenállá függvénye. A felzíni ellenállát a Noah-ban haonlóan zámolják (Noilhan & Planton, 1989; Jacquemin & Noilhan, 1990), mint az ISBA-ban. Lefolyá kérdéében a Noah modell elfogadja a SWB (Simple Water Balance) modellben lévő lefolyá modellt, amely alapján a felzíni lefolyá: R = P d I ahol I max a maximáli bezivárgá; P d a lehullott capadék. max Az ISBA modell 3 prognoztikai egyenlete a humuzréteg (w g [m 3 m -3 ]) illetve a mélyégi (w 2 [m 3 m -3 ]) térfogati talajnedveégre, valamint az intercepció víztárolára (w r [m 3 m -3 ]): w g t C1 = ρ d w 1 ( P g E g C2 ) ( w τ g w geq );0 w g w at (26) (27) w t 2 1 = ρ d w 2 ( P g E g E tr C3 ) max(0.,( w d τ 2 2 w fc ));0 w 2 w at (28) w t r = νegp ( Ev Etr ) Rr ;0 wr wr max (29) ahol τ egy nap időállandója, w at a telített, w fc pedig a zabadföldi vízkapacitá térfogati nedveégtartalma, ρ w a víz űrűége, d 1 é d 2 a talajozlop tetejének magaága é az aljának a mélyége, P g a capadék a talajon, E g a felzíni párolgá a talajból, E tr a kipárolgá, E r a növényzet evapotranzpirációja, R r a lefolyá az intercepció víztárolóból, veg a növénytakaró zázaléko aránya, C 1, C 2, C 3 pedig kontanok. Cak egy energiamérleget tekintenek az egéz rendzer földfelzíni növényzetére. Ennek eredményeképpen a felzín é a légkör közötti hő- é tömeg zállítáok kapcolódnak a T (5) é a w g (27) átlagértékekhez. Az ISBA capadék intercepció validációját előorban az erdők lombkoronái felett végezték el. Noilhan 1993-ban özehaonlított 4 modellt (Rutter et al., 1971; Gah, 1979; SiB é az ISBA modell). Az adatokat az ARME 84 időzaka alatt nyerték, ami 25 hónap volt. A validáció ikere volt. 13
A felzíni ellenállá a tranzpirációra: R R min 1 1 1 = F1 F2 F3 F4 LAI (30) ahol F 1 parametrizálja a fotozintetikuan aktív ugárzá hatáát. Az R min a növény típuától függ. Az ISBA kalibráció vizgálatok 40 /m nagyágrendű R min -t adtak zárt növényi lombkoronára (Noilhan & Planton, 1989; Jacquemin & Noilhan, 1990; Mahfouf, 1990). A HAPEX-MOBILHY kíérlet (André et al., 1986) alatt kalibrálták az R min értéket. A Le Lande fenyőerdőkre az R min =100 /m-e értéket kalibráltak, ahol a LAI= 2,3 m 2 /m 2 volt (Gah et al., 1989), míg az Amazóniai erdők (LAI=5 m 2 /m 2 ) eetén az R min =250 /m értéknek adódott (Manzi & Planton, 1994). Az F 2 függvény leírja a víz elérhetőégét a gyökérzónában a tranzpiráció zámára. Az F 3 függvény reprezentálja a gőznyomá hiány hatáát a levegőben. Az F 4 függvény pedig a ztómaellenállá hőmérékletfüggéét mutatja meg. A talajvíztartalom a két rétegben (d 1 é d 2 ) függ a capadéktól, a lefolyáoktól, a cupaz talaj párolgáától, a növényzet evapotranzpirációjától, illetve C1, C2 é C3 kontanoktól. Ezeket a kontanokat a víztartalom függvényében határozták meg. Az AVIGNON84 adatkézletet haználták a cupaz talaj feletti párolgá vizgálatára a TESSEL-ben é a H-TESSEL-ben i. A vizgálatok azt mutatták, hogy alábecülték a a nappali párolgát, é túlbecülték az éjzakai párolgát. Amikor a felzínre érkező víz fluxua eléri a maximáli bezivárgái rátát, a felelege víz lefolyára kerül. E felzíni lefolyá általáno formulája: R = T + M (31) I max ahol I max a maximáli bezivárgái ráta, T az áthulló capadék, M a hóolvadá. A TESSEL-ben az I max értékét a következőképpen határozzák meg: I max bcγ at ( ψ at ) Θ at Θ1 = ρ w + γ at Θ at z1 / 2 (32) ahol ρ w a víz űrűége, b c egy dimenzió nélküli kitevő, γ at é ψ at a hidrauliku vezetőképeég é a talajnedveég potenciál telítéi értékei, Θ at a térfogati víztartalom telítéi értéke, Θ1 az elő talajréteg térfogati víztartalma, z 1 az elő talajréteg mélyége (7 cm). A hidrauliku vezetőképeég é potenciál telítéi értékei lineárian változnak a hidrauliku 14
diffúzió függvényében (Clapp & Hornberger, 1978), illetve logaritmikuan a térfogati víztartalom függvényében (Mahrt & Pan, 1984). Terepi kíérleteket végeztek a H-TESSEL talajtulajdonágaira, a hervadápontra, é a zabadföldi vízkapacitára (Robock et al., 2000) nézve. A Global Soil Water Survey agrometeorológiai hálózat 63 állomát érint Orozorzágban é 96 állomát Ukrajnában, ahol a talajtulajdonágok é a talajnedveég megfigyeléei 20 é 100 cm-e mélyégekben kézültek. A növényzet fedettége magában foglalta a kukoricát, az őzi é tavazi búzát. A méréeket a mezőgazdaági idény alatt végezték, ami ápriliban kezdődik é a betakarítáig tart. A terepi kíérletek eredményei egítették cökkenteni a torzítáokat a H-TESSEL-ben. A SEBEX SAHEL (The Sahelian Energy Balance Experiment) kíérletben (Wallace et al., 1991) a vizgált területet ivatagi klíma jellemzi zavanna növényzettel é homoko talajjal. A talajnedveég extrém alacony értékeket ér el a záraz évzakban, é ez a tartomány tipiku a homoko talajra. A TESSEL-ben haznált közepe zemceméretű talajtextúra által ezt nem lehet jól reprezentálni. Özehaonlították a TESSEL é a H- TESSEL rendzerrel vizgált eredményeket, ami azt mutatta meg, hogy a H-TESSEL jobban reprezentálja a talajnedveéget, é az eredmények jobbak a párolgára i a záraz évzakban. A BERMS (The Boreal Ecoytem Reearch and Monitoring Site) kíérletben a vizgált terület a kanadai Old Apen erdő volt, amely maga talajvíz vizatartáal rendelkezik. Az ERA-40 (Bett et al., 2006) adatort haználták fel a fluxuok validáláára. A talajnedveég értékeket naponta ugyanolyan mélyégekből özegyűjtötték, é özehaonlították a SEBEX kíérlet eredményeivel i. A H-TESSEL reprezentálja jobban ez eetben i a talajnedveég évközi változáait, ami a megfelelő talajzerkezettel magyarázható. A GSWP-2 (Dirmeyer et al., 1999) kíérletben a földi víztározó eltéréeit i tanulmányozták a TESSEL é H-TESSEL rendzerekben. A földfelzíni rendzert offline módon futtatták az 1982 júniuától 1995 decemberéig terjedő időzak alatt, ahol 3 órá intervallumokban történt a megfigyelé. A földi víztározó időbeli megváltozáát kifejezhetjük: dtws dt = P + E + R (33) egyenlet egítégével, ahol P, E é R a capadék, az evapotranzpiráció é a lefolyá. A capadék é evapotranzpiráció adatokat az ERA-40 adator felhaználáával határozták 15
meg, míg a lefolyát a megfigyelt vízgyűjtő területről kapták. Eredményként megkapták, hogy ezek a TWS becléek jól korrelálnak a megfigyeléekkel. A TESSEL é H-TESSEL lefolyáadatait a GRDC (The Global Runoff Data Centre) biztoítja, ami több mint 3000 hidrológiai állomá zámára tartalmaz napi é havi adatokat. A lefolyá zámítáokat a Rhone vízgyűjtő területén teztelték 4 éve periódura 1985. auguztu 1-től 1989. auguztu 1-ig. Az eredményekben egyértelmű javulát figyeltek meg. A JULES-ön belül a párolgá reprezentáláa több forrából zármazik. Tartalmazza az evapotranzpirációt é a cupaz talaj párolgáát. Mindkettőben zerepet játzik a felzíni ellenállá, amely a felzíni rendelkezére álló víz korlátaitól i függ. A párolgá egyéb forráai lehetnek a nyílt vízfelzínek, a növényzet lombkoronájának intercepciója, tavak a vároi felzíneken é a zublimáció a hóból. A telje párolgát a következőkből állítják öze: E= E c + E v + E b + E p, ahol E c a lombkorona párolgáa, E v a növényzet párolgáa, E b a cupaz talaj párolgáa, E p pedig a zublimáló hó. Hó eetén a felzíni ellenállát nullának vezik, hogy reprezentálja azt a tényt, hogy ott nedveég forrá van. Hó alatti növényzet é a légkör közötti nedveégfluxunak a lombkoronán kereztül történő reprezentáláára további aerodinamikai ellenállát adnak hozzá, a turbulencia hatáának bemutatáa érdekében. A tavak eetén az alapértelmezett beállítáokat cupaz talaj felzínként kezeljük, kivéve hogy a felzíni ellenállát a turbulen nedveégfluxura imét nullának tekintik, amely zabad párologtató felzínt ad. A numeriku megoldá a talajnedveég zállítáára a talajrétegek között, túltelítetté teheti a talajt. Két lehetőég van, hogy ezt megakadályozzuk. Egyrézt a felelege vizet lefolyá formájában kezelheti a modell, vagy megengedjük, hogy a felelege víz a felzín alatt oldalirányban i elmozduljon, é így felzín alatti lefolyáról bezélhetünk. A JULESben mindkettő lehetőég elérthető, a felhaználó válazthatja ki, hogy melyikkel zámoljon a modell. 2.2.5 Hómodell A Noah egyrétegű hótakaróval rendelkezik, ami zimulálja a hófelhalmozódát, a zublimációt, az olvadát é a hőcerét a hó-légkör, illetve a hó-talaj között (Ek & Mahrt, 1991). Továbbra i vannak gyengeégei ennek a hómodellnek, pl.: egyége hótakaróval zámol egy cellarácon belül, kontan a termiku diffúzió a hóra nézve, nem vezi figyelembe a hó korát é porozitáát, illetve mindöze egyrétegű hótakaróval zámol. 16
A Noah rendelkezik tengeri-jég modellel, amelyben a jégtakaró négy egyenlő rétegre ozlik. Minden réteg 0.75 méter mély, a telje tengeri jégtakaró 3 méter mély. A hőátadát a felzín é a légkör között ugyanúgy kezelik, mint a hómodellben. Az ISBA egyrétegű hómodelljének haználatát (Douville et al., 1995) kéőbb felváltotta egy háromrétegű modell. A várható hóolvadá jelentően befolyáolja a talajnedveéget. A hótároló víztartalmát a capadék mértéke, a zublimáció a hófelzínről, illetve az olvadái é fagyái időzakok határozzák meg. Egyrétegű hómodellel zámol mind a TESSEL, mind a H-TESSEL (Dutra et al., 2010). 2009 zeptemberében vezettek be egy új hómodellt az ECMWF operatív időjárá előrejelző rendzerben, amely egy új hó-űrűég paraméterezét tartalmaz. Az offline validációk tartalmazzák a SnowMIP2 (Snow Model Intercomparion Project-2) megfigyeléeit é a GSWP-2 (Global Soil Wetne Project-2) é az ECMWF Re-Analyi ERA-Interim globáli zimulációit. Az új hó űrűég paraméterezé növeli a hó hőzigeteléét, cökkenti a talajfagyaztát, így egy fejlettebb hidrológiai cikluhoz vezet. Az új hómodell cökkentette a torzítáokat az albedóra nézve i. A JULES többrétegű hómodellt haznál. Elődje, a MOSES még magaabb téli zublimációval é alaconyabb évi lefolyáal rendelkezett a PILPS (Project for Intercomparion of Land-Surface Parameterization Scheme) megállapítáa zerint (Bowling et al., 2003). A JULES-ben javították ezeket a lefolyá zimulációkat (Eery & Clark, 2003). A null-réteg hómodell, amit a JULES-ben haználnak, növényi felzín eetén feloztja a havat három rézre: a lombkoronában intercepció hóra, a föld felzíni hóra é egy hatékony víztárolóban lévő hóra (Eery et al., 2003). 17
3. A WRF modell A WRF modell egy numeriku időjárá előrejelző é légköri zimulációrendzer, amelyet kutatára é operatív alkalmazáokra terveztek. A WRF modellt az NCAR (the National Center for Atmopheric Reearch ), az MMM (Meocale and Microcale Meteorology Diviion), a NOAA (the National Oceanic and Atmopheric Adminitration ), az NCEP (National Center for Environmental Prediction), az ESRL (Earth Sytem Reearch Laboratory), az AFWA (the Department of Defene Air Force Weather Agency), a NRL (Naval Reearch Laboratory), a CAPS (the Center for Analyi and Prediction of Stormatthe Univerity of Oklahoma) é az FAA (the Federal Aviation Adminitration) együttműködée hozta létre. A Noah felzínéma a WRF almodelljeként rácpontonként fut, amely zimulálja a talajnedveéget (folyékony é fagyott állapotban), a talaj hőmérékletet, hó rétegmélyéget, a hó-víz egyenértéket (így a hóréteg űrűégét), a lombkorona víztartalmát, valamint a felzínienergia-é a felzíni vízháztartá egyenúlyának az energia-é vízfluxufeltételeit. 3.1 A WRF főbb jellemzői Az ARW (Advanced Reearch WRF) 3.0-á verziója előzör 2008 ápriliában jelent meg. Teljeen özenyomható légkörrel, Euleri, nem-hidroztatiku rendzert haznál, de hidroztatiku beállítái lehetőég i rendelkezéünkre áll. A következő prognoztikai változókat haználja: ebeég komponenek (u é v) a derékzögű koordinátarendzerben, vertikáli ebeég (w), perturbáció potenciáli hőméréklet, perturbáció geopotenciál é a záraz levegő perturbáció felzíni nyomáa. Adott eetben, turbulen kinetiku energia, é tetzőlege zámú kalár mint pl. a vízgőz keveréi aránya, az eő/hó keveréi aránya, a felhő víz/jég keveréi aránya, é kémiai elemek é zennyezőanyagok i lehetnek prognoztiku változók. Felzínkövető η vertikáli koordinátarendzert haznál a modell, záraz hidroztatiku nyomá alapján; a vertikáli rác-nyújtá megengedett. Az egye η zintek meghatározáa: η = p p h h p 18 ht p ht (34)
ahol p h a z zinten vett légnyomá hidroztatiku réze, p ht a modell felő zintje, amit állandónak vezünk, p h (z = 0) a tengerzintre vonatkozó referencia (átlago) légnyomá. Az η-koordináta-rendzer a tropozféra alján még a felzínkövető, míg a zabad légkörben már a nyomái rendzerhez haonlóan vielkedik. Az η értéke 1 a felzínen, é 0 a modell domain felő határán. Az Arakawa C rácot (Meinger & Arakawa, 1976) haználja az ARW horizontáli koordinátázára, ahol a rác közepén helyezkednek el a kalárok, a rác zélén az u é v ebeégvektorok. Kezdeti feltételként három dimenzió adatokra van zükége. Peremfeltételként a rác zélei elnyelik a gravitáció hullámokat. A modell tetején egy kontan nyomá felület helyezkedik el. Aló peremfeltételként a zélebeéget nullára cökkentik. A modell egyenleteiben, telje mértékben figyelembe vezik a Corioli-hatát. Lambert zögtartó térképvetületet haznál, a görbület feltételeket tartalmazza. Egyirányú, illetve kétirányú, valamint mozgó net i alkalmazható (Skamarock et al., 2008). 3.2 A modell fizika Egy modell a dinamikáján kívül, amely leírja a hidrotermodinamikai egyenletrendzert, 5 különböző parametrizáció coportot tartalmaz általában, ezek a mikrofizika, a határréteg, a cumulu, a légköri ugárzá illetve a felzíni éma. Ezen émák zámtalan variációjából válazthatunk a modellfuttatához. A mikrofizika a légköri vízgőztartalommal, a felhő- é capadékképződéi folyamatokkal foglalkozik. Felzíni éma alatt a többrétegű földfelzín modelleket értjük, kezdve az egyzerű termiku modelltől a telje növényzet é talajnedveég modellekig, beleértve a hótakarót é a tengeri jeget. A planetári határréteg fizikája a felzín felett elhelyezkedő 20 3000 méter vatag rétegben játzik zerepet; a turbulen kinetiku energia előrejelzée amennyiben a válaztott émának ez az alapja itt történik. A cumulu éma a ráctávolágnál kiebb kálájú konvektív folyamatokat írja le. A légköri ugárzá éma pedig a hozú- é rövidhullámú ugárzá átvitelt tárgyalja. A zimulációk orán mikrofizikai émaként a Thompon émát, rövid- é hozúhullámú émaként a Dudhia émát, határréteg émaként az MM5 Monin-Obukhov é a YSU émát haználtuk, cumulu émát pedig nem haználtunk. Az egye zimulációk között amelyeket Göndöc Júlia kézített az alábbi felzíni émákat változtattuk: MM5, Noah é RUC (Rapid Update Cycle). 19
4. Adatok 4.1 Meteorológiai adatok a WRF modellhez A WRF bemeneti adatait a WPS (WRF Preproceor Sytem) kezeli é végzi el az előfeldolgozát. Elő lépé a zükége kezdeti feltételek előállítáa. Az időtől független felzíni adatokat a geogrid program egítégével interpolálja az előrejelzéi tartományra. A WPS-en belül a metgrid végzi a meteorológiai adatok horizontáli interpoláláát. Az ECMWF globáli modell bemeneti adatait haználtuk a WRF kezdeti feltételeként 0,25 foko felbontában, melyben 13 nyomái zint é 4 talajzint különül el. A 13 nyomái zint: 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 50 hpa é a felzín. A bemeneti adatok a következők: u é v ebeégvektorok, hőméréklet, pecifiku nedveég, relatív nedveég, nyomá, harmatpont, 10 métere u é v ebeégvektorok, felzíni hőméréklet é nyomá, a 4 talajzint hőméréklete é talajnedveége. A 13 zintet a real program egítégével vertikálian interpolálja a rendzer az általunk megadott 35 zintre. Emellett a real határozza meg a peremfeltételeket i. Egy 112x9 km 105x9 km-e területet vizgálunk a Kárpátmedence felett, mely középpontjának koordinátái az ézaki zéleég 47 01 é keleti hozúág 19 3. Időlépcőnek 45 máodpercet haználunk. Miután a zükége kezdeti- é peremfeltételek elkézültek, a wrf program végzi el a térbeli é időbeli integrálát, ami a modell futái idejének a döntő réze. Az utófeldolgozát az UPP (Unified Pot Proceor) végzi, ahol a nyer modell eredményekből zármaztatható további diagnoztiku változók nyerhetők ki, mint pl. a capadék halmazállapota vagy a CAPE (convective available potential energy). 4.2 Eettanulmány: 2006. Auguztu 20. Európa időjáráát már több napja egy nagy kiterjedéű fejlett ciklon határozta meg, amelynek ézaknyugati é délkeleti területei között a hőméréklet-különbég jelentő volt, elérte a 15 20 fokot. Ennek a ciklonnak a hidegfrontja befolyáolta a kéő délutáni é eti eeményeket. Auguztu 20. hajnalra általában 16 é 21 fok közé hűlt le a levegő hazánkban. Délelőtt kevé volt a felhő, a maximum hőméréklet 25 é 30 fok körül alakult az orzág területén. 12 órakor Budapeten a hőméréklet 28 fok, a tengerzintre átzámított légnyomá 20
1017 hpa volt. A front mentén, Auztria területén kialakuló é gyoran növekvő zivatarok már 16 UTC-kor beléptek az orzágba, é gyoran haladtak nyugatról keleti irányba. A 17:30 UTC- radarképen már látható volt, hogy a nyugat felől közeledő hidegfront magyarorzági területén két kiemelkedően nagy zivatargóc volt, az ézaki Budapet felé vette az irányt, míg a déli cella a Balaton felé közeledett. A haznoítható konvektív energiáért folyó verenyben a győzte az ézaki góc lett, míg a déli rendzer a Balaton keleti rézét érintve legyengült (Horváth, 2006). A kéő délutáni, eti óráktól egyre több helyen alakult ki zápor, zivatar előzör az orzág nyugati területein, majd egyre keletebbre, amelyet okfelé viharo, Petmegye egye területein orkán erejű zél kíért. A heve zivataro hidegfront 21 órakor érte el a fővárot, pontoan a zokáo auguztu 20-i tűzijáték közben. A maximáli zéllöké 32,3 m/ volt, amit Budapeten, Lágymányoon mértek. A mánap (aug. 21.) reggelig lehullott capadék mennyiége capadéknyom é 17 mm között változott az orzág területén (1. ábra). 1. ábra: Mért 24 órá capadéközeg [mm] Magyarorzág területén 2006.08.20.8h é 2006.08.21.8h között. 21
5. Eredmények A következő fejezetben bemutatom a zimulációk eredményeit, amit a Noah, az MM5 é a RUC felzínémák haználatával végeztünk. A zimulációk orán megnéztük a capadék térbeli é időbeli elozláát az adott napra. Az érkező hidegfront é a lehullott capadék a zimulációkban jelentően befolyáolta a napi- é az órá átlaghőméréklet értékeket, továbbá a hőáramok térbeli elozláában i megfigyelhető a front hatáa. 5.1 Capadék A napi capadéközeg területi elozláának ábrázoláa (2. ábra) 1 40 mm-e kálán történt. A kékkel jelzett területeken a capadék meghaladta az 1 mm-t. A legtöbb capadék az orzág ézaknyugati rézén eett, a Noah-ban a capadék mennyiége itt a 20 mm-t i túllépte. Auztria területén még a 40 mm-e napi capadéközeget i lehet látni. Özevetve a napi jelentéel láthatjuk, hogy a Noah émával kézült zimuláció az orzág nyugati területein még több néhány területen akár 5 mm-rel, vizont Budapeten é tőle keletre keveebb capadékot jelzett. A Tizántúl néhány területén a Noah felzínéma nem mutatott capadékot, vizont a napi jelentében látható 7 9 mm napi capadéközeg i. A legtöbb capadékot a Noah émával kézült zimuláció jelezte előre, a legkeveebbet a RUC. A különbég térképeken jól látható, hogy a Noah a capadékot a máik két felzínémához képet kicit délebbre helyezte, amely a Dunántúli-középhegyég mentén haladt a főváro irányába. Az MM5 é a RUC ezt a capadékot a Kialföld valamint a Duna Győrtől Budapetig tartó zakaza mentén helyezte el. Az MM5 3 6 mm-rel több capadékot adott ezekre a területekre, mint a RUC. A legnagyobb különbégek Va megye területén voltak a felzínémák között, itt a Noah több mint 10 mm-rel magaabb capadéközeget i jelzett a máik két felzínémához képet. Ezeken a területeken az eredeti zimulációhoz képet kb. 50 60%-o az eltéré. A capadékintenzitá időbeli elozláát a vizgált területre úgy állítottam elő, hogy a telje terület capadéközegét leoztottam a capadéko mezők zámával. Amint a 3. ábrán látható, 6 8 UTC környékén valamint 14 18 UTC között volt maximáli a capadékintenzitá. Előbbi Auztria területén eett, utóbbinak jelentő réze pedig hazánkban. Délelőtt a legmagaabb értékeket a RUC mutatja, 7 UTC-kor még a 3 mm/órá intenzitát i eléri. 12 UTC után már a Noah mutatja a legnagyobb intenzitát kb. 15 UTC-ig, majd imét a 22
RUC, 22 23 UTC-kor pedig az MM5. Magyarorzág területén a kéő délutáni órákban eik a legtöbb capadék. A vizgált területen több, mint 160000 mm/km 2 eett mindegyik felzínéma zerint. a) b) c) d) 2. ábra: a) A Noah felzínémával zámított 24 órá capadéközeg, b) a Noah é az MM5, c) a Noah é a RUC, d) az MM5 é a RUC felzínémákkal zámított 24 órá capadéközeg különbég területi elozláa 2006.08.20-án. 3. ábra: A különböző felzínémákkal kapott capadékintenzitáa az adott napon. 23
Özehaonlítottam az egye felzínémákat a capadékintenzitá különbégei alapján i (4. ábra). Minden alkalommal a jelmagyarázat zerint, az elő felzínéma értékéből vontam ki a máodik felzínéma értékét az adott órára vonatkozóan. Az ábráról leolvaható, hogy 6 7 UTC környékén a Noah capadékintenzitáa volt a legkiebb mintegy 20%-kal, míg a délután folyamán a RUC értékei voltak lényegeen magaabbak körülbelül 0,3 0,5 mm/órával, mint a máik két felzínéma. Kéő ete pedig az MM5 mutatott 0,5 0,6 mm/órával magaabb capadékintenzitát, mint a máik két felzínéma. 4. ábra: A capadékintenzitá különbégei a felzínémák között. 5.2 Hőméréklet A 2 métere hőméréklet a vizgált területen 14 é 36 fok között változott a nap folyamán. A napi átlago 2 métere hőméréklet az orzág délkeleti rézén volt a legmagaabb, a Noah eetében 26 27 C (5. ábra), mivel az ézaknyugat felől érkező front következtében a hőméréklet lecökkent a front mögötti területeken, így a Dunántúlon kiebb napi átlaghőmérékletet mértek. A 3 felzínéma között maximum 2 foko eltérét lehet megfigyelni az átlaghőmérékletben. Az orzág keleti rézén a Noah felzínéma zerint átlagoan 0,6 0,8 C-kal volt melegebb az MM5-nél, míg a Dunántúlon az MM5 mutatott magaabb átlaghőméréklet értékeket. Az MM5-ben napfelkeltétől a front érkezééig volt magaabb a hőméréklet 2 3 C-kal, a front mentén a hőmérékletet vizont a Noah jelezte magaabbnak 2 3 C-kal, illetve a hegyégek területén i a Noah jelzett magaabb értékeket, leginkább éjzaka. A RUC-cal kézült zimuláció adta területi átlagban a legalaconyabb hőmérékletet. A RUC felzínémával átlagoan mindöze a Kőröök vidékén volt 0,4 0,6 C-kal melegebb, mint az MM5-ben. Az orzág nagy rézén magaabb hőméréklet az MM5- ben volt, egye helyeken több mint 1 C-kal. A Noah zintén magaabb hőméréklet értékeket 24
mutatott, mint a RUC. Egyedül a front mentén volt jelentő különbég a hőmérékletben, itt ugyani a RUC-ban 5 6 C-kal magaabb értékeket i meg lehetett figyelni. A 2 méterre zámított hőméréklet a Noah felzínémában függ a talajhőméréklettől, az emiziótól amely a növényzet függvényében változik, valamint egy úgynevezett béta paramétertől ami a ténylege é a potenciáli párolgá hányadoaként írható le -, utóbbi kettő függ a talaj é a növényzet tulajdonágaitól. A Noah eetén befolyáolja leginkább a talaj é a növényzet a vizgált paramétereket. A RUC eetén zámít a talajtextúra, de a növényzet nem játzik nagy zerepet. Az MM5 eetén em a növényzettel, em a talajjal nem zámol a hőméréklet é a hőáramok zámítáakor. A hőméréklet különbégeinek mintázatát például a b) ábrán a talajnedveég területi elozláa, míg a d) ábrán a talajtextúra adja. a) b) c) d) 5. ábra: a) A Noah felzínémával zámított napi átlago 2m-e hőméréklet [ C], b) a Noah é az MM5, c) a Noah é a RUC, d) MM5 é a RUC felzínémákkal zámított napi átlago 2m-e hőméréklet különbég területi elozláa 2006.08.20-án. 25
5.3 Láten- é zenzibili hőáram A fáziátalakuláok orán felzabaduló láten hő hőmérékletfüggő, amelyet a láten hőáram területi elozláa i jól illuztrál. Jól látható, ahol hőméréklet növekzik, ott a láten hőáram i nő. A láten hő napi átlaga (6. ábra) 60 140 Wm -2 környékén alakult a vizgált felzínémákban auguztu 20-án, mindöze a tavak területén mutatott ennél kiebb értékeket. A Noah é az MM5 közel azono láten hőáram értékeket mutatott a napi átlagra, mindöze a nyugati rézen nagyobb 20 40 Wm -2 -rel a Noah-val kapott zimuláció, vizont ugyanennyivel kiebb a Tiza mentén, Szolnok környékén. A nap folyamán a láten hőáram térképeken jól látható, hogy 8 UTC-kor a Balatontól délnyugati irányban, illetve 10 UTC-kor Hajdú-Bihar megye ézaki rézén 60 80 Wm -2 -rel kiebb a láten hő, mint a környező területeken. Ennek oka, egy özefüggő középmaga felhőzet volt. Az MM5 napi átlago láten hőáram térképén i meg lehet figyelni az említett felhőzetet. Délután 14 15 UTC-kor az orzág középő rézén a maga- é középzintű felhőzet miatt közel 60 Wm -2 -rel kiebb a láten hőáram. a) b) c) d) 6. ábra: a) A Noah, b) az MM5, c) é a RUC felzínémákkal zámított napi átlago láten hőáram [Wm -2 ], d) a Noah é a RUC felzínémákkal zámított napi átlago napi átlago láten hőáram különbég területi elozláa 2006.08.20-án. 26
A RUC mutatta a legmagaabb értékeket, az orzág ézaknyugati rézén az átlago láten hőáram a 160 Wm -2 -t i elérte. A RUC eetében elmondhatjuk, hogy a talajtextúra vezérli a hőáramokat, ugyani ok haonlóágot lehet felfedezni a hőáramok é a talajtextúra térképei között (Laza, 2012). A Dunántúlon 60 80 Wm -2 -rel magaabb értékeket mutatott a RUC, mint a máik két felzínéma. Kellően erő beugárzá mellett a hőáramoknál a növényzet fonto befolyáoló tényező. A felzínémákban van különbég a növényzet között, a Noah különbözteti meg a legtöbb típut. A felzíntípuok emiziója é az albedója i má az egye felzínémák között, ugyani ezek függenek a növényzet borítottágától, mellyel kizárólag a Noah zámol. A zenzibili hőáram napi átlagára a Noah mutatta a legkiebb értéket, a Dunántúl nagy rézén 20 40 Wm -2 -rel keveebbet, mint a máik két felzínéma. A zenzibili hőáram térképeknél i jól látható a növényzet é a talaj befolyáoló hatáa, ugyani ezek okozzák a legfőbb különbégeket az egye felzínémák között. Tekintük a zenzibili hőáram térképeket 11 UTC-kor (7. ábra). a) b) c) d) 7. ábra: a) A Noah, b) az MM5, c) é a RUC felzínémákkal zámított átlago zenzibili hőáram [Wm -2 ] 11 UTC-kor d) a Noah é a RUC felzínémákkal zámított átlago zenzibili hőáram különbég területi elozláa 2006.08.20-án 11-UTC-kor. 27
Látható, hogy a melegebb órákban a zenzibili hőáramot a növényzet, é a talajtextúra befolyáolja a leginkább. A Noah eetében látni a növényzet okféleégét, a RUC eetében pedig a talajtextúra-térképpel való haonlóágot lehet felfedezni. A Noah é a RUC közötti különbégtérképen lehet látni, hogy a zenzibili hőáramban 60-80 Wm -2 -e eltéréek vannak a 11 UTC- időpontban. A Dunántúlon a RUC, míg az orzág többi rézén a Noah mutat magaabb zenzibili hőáram értékeket. A front áthaladáa nagyon zemlélete a felzíni hőáramok területi elozláán, ugyani a front mögött megnő a zélebeég kb. 5 7 m/-mal, turbulencia lép fel, amely pozitív zenzibili é láten hőáramot generál. Ennek zemléltetéére tekintük a láten hőáram területi elozláát 19 UTC-kor (8. ábra). a) b) c) d) 8. ábra: a) A Noah, b) az MM5, c) é a RUC felzínémákkal zámított átlago látenhőáram d) a Noah é a RUC felzínémákkal zámított átlago láten hőáram különbég területi elozláa 2006.08.20-án 19 UTC-kor. 28
A három felzínéma nem teljeen ugyanoda helyezte el a frontot. Míg a Noah é a RUC eetében a front még nem érte el a fővárot, addig az MM5 a frontot már Budapet térégére jelezte. Jól látható, hogy a front mentén a láten hőáram megnőtt, illetve a front mögötti területeken i magaabb láten hő értékeket láthatunk, mint az orzág keleti rézén. A frontot jól meg lehet figyelni a Noah é a RUC felzínémák közötti 19 UTC- hőméréklet különbég térképen i (nem ábrázoljuk). Itt a RUC 3 5 C-kal magaabb hőméréklet értékeket mutat, mint a Noah. Egy-egy rácpontban még a 6 C-o különbég i megfigyelhető. 29
6. Özefoglalá Dolgozatomban özehaonlítottam a Noah, az ISBA, a TESSEL é a JULES felzínémákát. Az özehaonlítákor a talaj é a növényzet tulajdonágokat, illetve a modellek főbb folyamatait vizgáltam. Habár három felzínéma i négy rétegű talajjal zámol, az egye talajzintek vatagága különböző, valamint a talajtextúra területi változékonyága i eltér az egye felzínémák között. A négy modell a növényzetet zintén eltérően reprezentálja míg pl. a JULES-ben cak 5 típuú növényi felzínt különböztet meg, addig a Noah 16 kategóriá felzínborítottággal rendelkezik, mindemellett máhogyan zámítja a hőáramokat, a talajnedveéget, a párolgát, é az egyéb felzíni folyamatokat. A négy éma hómodelljeiben i eltérően végzik a zámítáokat, illetve a rétegek záma i változó. A dolgozatom máodlago célja a WRF modell egítégével lefuttatott zimulációk özehaonlítáa volt, melyekben három különböző émát haználtunk a futtatáokhoz: a Noah, az MM5 é a RUC felzínémákat. A zimulációkat a 2006. auguztu 20-i napra végeztük el. A zimulációk a nyugati orzágrézre több capadékot vártak, mint amennyi ténylegeen lehullott, vizont Budapettől keletebbre alulbecülték a capadék mennyiégét. Az egye futtatáok között a területi elozlában i találtunk kiebb-nagyobb eltéréeket a front mentén akár 10 mm-e különbéget i megfigyelhettünk. A capadék időbeli elozláa i jelentő különbégeket mutatott 0,5 mm/órá capadékintenzitá különbégek i voltak az egye modellek között. A nap különböző zakazaiban mindig má felzínéma mutatta a legmagaabb capadékintenzitát: délelőtt a Noah, délután a RUC, ete pedig az MM5. A hőmérékletben, valamint a hőáramokban i jelentő különbégeket vehettünk ézre a hőmérékletben akár 2 C-o különbégek i adódtak, a hőáramoknál pedig akár 60 80 Wm -2 - e különbégeket i megfigyelhettünk, amelyek egy rézét vizavezethetjük a talaj é a növényzet változékonyágára. Megfigyelhettük egy özefüggő felhőzet hatáát i a hőáramokra, valamint a front mentén, é után i jelentő különbégek alakultak ki, ugyani a három modell eltérő ebeéggel zámította a front haladáát. Özeégében levonhatjuk azt a következtetét, hogy a felzínéma válaztáa jelentően befolyáolja a modell előrejelzéét. 30
7. Közönetnyilvánítá Szeretném megközönni témavezetőmnek, Breuer Hajnalkának, hogy rám áldozott idejével, körültekintő útmutatáával é hazno tanácaival egítette a zakdolgozat létrejöttét. Továbbá közönöm Göndöc Júliának, hogy az általa kézített zimulációkat felhaználhattam további elemzé céljából. biztoította. A zakdolgozatban felhaznált OMSZ é TAKI adatokat az OTKA K-81432 pályázata 31
8. Irodalomjegyzék André, J. C., Goutorbe, J. P., Perrier, A., 1986: HAPEX-MOBILHY, a Hydrologic Atmopheric Pilot Experiment for the Study of Water Budget and Evaporation Flux at the Climatic Scale. Bull. Amer. Meteorol. Soc., 67, 138 144. Balamo, G., Viterbo, P., Beljaar, A., Van den Hurk, B., Hirchi, M., Bett, A. K., Scipal, K., 2009: A Revied Hydrology for the ECMWF Model: Verification from Field Site to Terretrial Water Storage and Impact in the Integrated Forecat Sytem. Journal of Hydrometeorology, 10, 623 643. Bet, M. J., Hopwood, W. P., 2001: Modelling the local urface exchange over a gra field ite under table condition, Q. J. R. Meteorol. Soc., 127, 2033 2052. Bet, M. J., Pryor, M., Clark, D. B., Rooney, G. G., Eery, R. L. H., Ménard, C. B., Edward, J. M., Hendry, M. A., Poron, A., Gedney, N., Mercado, L. M., Sitch, S., Blyth, E., Boucher, O., Cox, P. M., Grimmond, C. S. B., Harding, R. J., 2011: The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), model decription Part 1: Energy and water fluxe. Geocientific Model Development, 4, 677 699. Bett, R. A., Cox P. M., Lee, S. E., Woodward, F. I., 1997: Contrating phyiological and tructural vegetation feedback in climate change imulation. Nature, 387, 796 799. Bett, A. K., Ball, J., Barr, A., Black, T. A. B, McCaugney, J. H., Viterbo, P., 2006: Aeing land-urfaceatmophere coupling in the ERA-40 reanalyi with boreal foret data. Agricultural and Foret Meteorology, 140, 355 382. Bowling, L.C., Lettenmaier, D.P., Nijen, B., Graham, L.P., Clark, D.B., El Maayar, M., Eery, R., Goer, S., Guev, Y., Habet, F., van den Hurk, B., Jin, J., Kahan, D., Lohmann, D., Ma, X., Mahanama, S., Mocko, D., Naonova, O., Niu, G., Samuelon, P., Shmakin, A.B., Takata, K., Vereghy, D., Viterbo, P., Xia, Y., Xue, Y., Yang, Z. L., 2003: Simulation of high-latitude hydrological procee in the Torne Kalix bain: PILPS Phae 2(e): 1 Experiment decription and ummary intercomparion. Global and Planetary Change, 38, 1 30. Braud, I., Noilhan, J., Beemoulin, P., Maeart, P., Haverkamp, R., Vauclin, M., 1993. Bareground urface heat and water exchange under dry condition: Obervation and parameterization. Bound-Layer Meterorol., 66, 173 200. Campbell, G. S., 1974: A imple method for determining unaturated conductivity from moiture retention data. Soil Sci., 117, 311 314. Champeaux, J. L., Acro, D., Bazile, E., Giard, D., Gourtorbe, J. P., Habet, F., Noilhan, J., Roujean, J. L., 2000: AVHRR-derived vegetation mapping over wetern Europe for ue in numerical weather prediction model. Int. J. Remote Sen., 21, 1183 1199. Chen, F., Aviar, R., 1994a: Impact of land-urface wetne heterogeneity on meocale heat fluxe. J. Appl. Meteor., 33, 1323 1340. Chen, F., Aviar, R., 1994b: Impact of land-urface moiture variability on local hallow convective cumulu and precipitation in large-cale model. J. Appl. Meteor., 33, 1382 1401. 32