A LÉGKÖR NAPSUGÁRZÁS-ÁTBOCSÁTÁSÁNAK HOSSZÚTÁVÚ VÁLTOZÁSA BUDAPEST FELETT DIMMING VAGY BRIGHTENING? Tóth Zoltán Országos Meteorológiai Szolgálat, Légkörfizikai és Méréstechnikai Osztály Budapest, Gilice tér 39. 8 E-mail: toth.z@met.hu
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 2.5 2 extraterresztriális spektrum.5 spektrum a földfelszínen.5 3 4 5 6 7 8 9 nm
NAPSUGÁRZÁS - FÖLDSUGÁRZÁS
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?
. GLOBÁLSUGÁRZÁS 2. CLEARNESS INDEX (G / G max ) 3. Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER 4. SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG 5. AEROSZOL OPTIKAI MÉLYSÉG
Adatok: Vizsgált mérési hely: Budapest Periódus: 967 2 Felbontás: órás (967-993), tízperces (994-2) Trendvizsgálathoz használt adatok: éves átlagok Szükséges előfeldolgozás: szűrés SZŰRÉSEK:. Felhős esetek kiszűrése 2. Kis napmagasságok kiszűrése (refrakció bizonytalansága miatt)
. 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
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:
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
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
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)
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.
Beer- Bougert- Lambert törvény: R m e I I ).2 4.5 (.9 ) ( p p p R A légkör tetején a spektrális irradiancia általunk használt alakja a Planck- törvény értelmében: 2 2 5 8 58 4388 exp.9 r r r R I N Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Rayleigh-atmoszféra optikai mélysége:
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
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: 3.3 3.3 ) exp( ) exp( 2 d m I d m I D I R R R R Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER
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
Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Θ paraméter szórásának évi menete a két szűrés esetén szórás.8 3 okta okta.6.4.2. 2 3 4 5 6 7 8 9 2 hónap
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 4 4 4 3 3 3 2 2 2 965 975 985 995 25 év (január) 965 975 985 995 25 év (február) 965 975 985 995 2 év (március) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 4 4 4 3 3 3 2 2 2 965 975 985 995 25 év (április) 965 975 985 995 25 év (május) 965 975 985 995 2 év (június)
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 4 4 4 3 3 3 2 2 2 965 975 985 995 25 év (július) 965 975 985 995 25 év (augusztus) 965 975 985 995 2 év (szeptember) 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 5 okta 3 okta 4 4 4 3 3 3 2 2 2 965 975 985 995 25 év (október) 965 975 985 995 25 év (november) 965 975 985 995 25 év (december)
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 4 3 2 965 97 975 98 985 99 995 2 25 év
Θ SZÓRÁSI PARAMÉTER Hónapok évi átlag időszak J F M Á M J J A Sz O N D okta 3 okta 967-22 A -.54.6.9.58.4..39.56.76..42.99.82.8 A 2.57.67.865 2.59 2.24 2.357 2.489 2.38 2.247 2.68.85.88 2.45 2.94 t.458 2.84 2.948 2.5 2.568.964.634.24.96.22.942.827 2.2 2.889 t p=% 2.763 2.744 2.728 2.728 2.733 2.738 2.738 2.733 2.733 2.733 2.738 2.763 2.728 2.728 t p=5% 2.48 2.4 2.32 2.32 2.35 2.37 2.37 2.35 2.35 2.35 2.37 2.48 2.32 2.32 t p=%.7.696.69.69.692.694.694.692.692.692.694.7.69.69 % -9 35 35 25 22 5 5 8 2 2 27 9 3 9. táblázat. A Θ paraméter teljes időszakra vonatkozó trendanalízisének eredményei (iránytangens dimenziója / év) és a kritikus t- értékek három szignifikanciaszinten.
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
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
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
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)
SZÜRKE KÖZELÍTÉS CSILLAGFOTOSZFÉRÁKBAN
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
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(.6.4.2. 2 3 4 5 6 7 8 9 2 hónap
SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység és 3 oktás szűrésel kapott havi átlagainak idősorai (jan-júl).7.6.5.4.3.2. okta 3 okta. 965 975 985 995 25 év (január).7.6.5.4.3.2.. okta 3 okta 965 975 985 995 25 év (február).7.6.5.4.3.2.. okta 3 okta 965 975 985 995 25 év (március).7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.6.6.6.5.5.5.4.4.4.3.3.3.2.2.2.... 965 975 985 995 25 év (április).. 965 975 985 995 25 965 975 985 995 25 év (május) év (június)
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.6.6.6.5.5.5.4.4.4.3.3.3.2.2.2.... 965 975 985 995 25 év (július). 965 975 985 995 25 év (augusztus). 965 975 985 995 25 év (szeptember).7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.7 okta 3 okta.6.6.6.5.5.5.4.4.4.3.3.3.2.2.2.... 965 975 985 995 25 év (október).. 965 975 985 995 25 965 975 985 995 25 év (november) év (december)
SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke optikai mélység és 3 oktás szűréssel kapott évi átlagainak időbeli menete.7 okta 3 okta.6.5.4.3.2.. 965 97 975 98 985 99 995 2 25 év
SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A szürke opt. mélység átlagos évi menete Budapesten.45.4 I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A(.35.3.25 J F M Á M J J A Sz O N D
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
SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A direkt sugárzás útjába eső közeg optikai mélységének Box- Whisker diagramjai 4 3 2 2 3 4 5 6 7 8 borultság (okta) Max Min 75% 25% Median
SZÜRKE OPTIKAI MÉLYSÉG A direkt sugárzás útjába eső közeg optikai mélysége átlagértékeinek függése a borultságtól.6.4.2..8.6.4.2. 2 3 4 5 6 7 8 borultság (okta)
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 967-22 967-994 I( ) P a -.5.5.4.22.23 ( ).2 ln (.5 A R( ).2 ( ).7.2.5 -.2.7.9 M I( ) S P a.3.32.322.345.33.36.386.365.377.326.39.295.326.352 t.427.45.338.784 2.33 2.23.6 2.65.497.429.268.27.855 2.285 t p=5% 2.48 2.4 2.32 2.32 2.35 2.37 2.37 2.35 2.35 2.35 2.37 2.48 2.32 2.32 % -6 6 5 22 24 2 4 2 6 2 7-2 7 9 a.37.53.59.69.5.5.52.52.65.85.58.6.4.56 a.268.252.273.292.299.329.347.33.33.255.264.276.288.3 t 2.49 2.987 5.298 4.625 3.558 3.72 4.43 4.684 3.77 5.293 3.82.235 4.34 6.29 t p=5% 2.86 2.69 2.56 2.56 2.6 2.64 2.64 2.6 2.6 2.6 2.64 2.74 2.56 2.56 % 9 29 3 32 23 2 2 22 28 45 3 8 2 25
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
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
WROD A szürke optikai mélység és az AOD közötti kapcsolat.9.8.7.6.5.4.3.2. Az 5 nm-es aeroszol optikai mélység és széles sávú optikai mélység kapcsolata.2.4.6.8.2 AOD (5).6.4.2.8.6.4.2 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
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
A számított aeroszol optikai mélység (folytonos vonal) és a szürke optikai mélység (szaggatott vonal) időbeli menete.6.5.4.3 I( ) P ) ln ( R( ) ( ) M I( ) S P A(.2. 965 97 975 98 985 99 995 2 25 év
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
J/cm 2 5 A globál sugárzás éves összegei, 936-24 45 4 35 36 4 44 48 52 56 6 64 68 72 76 8 84 88 92 96 4 A globál sugárzás normált értékeinek menete, 936-24,2,,9,8,7 36 4 44 48 52 56 6 64 68 72 76 8 84 88 92 96 4 év
A szürke optikai mélység évi átlagai, Budapest, 967-2,6,5,4,3,2, 966 97 976 98 986 99 996 2 26 2
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