Az éghajlatváltozás városi hatásainak vizsgálata a SURFEX/TEB felszíni modellel Zsebeházi Gabriella MMT Légkördinamikai Szakosztály 2016. 12. 14.
Tartalom 1. Motiváció 2. SURFEX 3. Kutatási terv 4. Eredmények 5. Kitekintés 2
Tartalom 1. Motiváció 2. SURFEX 3. Kutatási terv 4. Eredmények 5. Kitekintés 3
A városi légkör Sajátos energiaháztartás - kialakulásában szerepet játszik: utak, épületek (jó hővezető képesség, nagy hőkapacitás) burkolt felületek sűrű beépítettség légszennyezettség antropogén hőtermelés Felszíni energia-egyenleg A városi határréteg szerkezete Oke, 1987 Oke, 1987 4
Oke, 1987 Késő délutáni hőmérséklet [ C] A városi hősziget (UHI) A város belső részei és a környező beépítetlen területek között elsősorban az éjszakai órákban jelentkező pozitív hőmérsékletkülönbség. Pl. átlagos UHIintenzitás Szeged, 2002-2003 (Sümeghy, 2004) EPA, 2008 UHI és a városi lakosság közötti kapcsolat Szeged 5
Motiváció: városi éghajlati modellezés módszertanának kialakítása hazánkban Bizonytalanságok Bizonytalanságok 6
Wilby, 2003 Lehetőségek 1. Regionális éghajlati projekció (10-25 km felbontás) Nem igényel nagy számítógépes kapacitást Statisztikai modell A fizikai folyamat nincs leírva Adott városra érvényes Alkalmazható a jövőre? 7
Lehetőségek 2. Regionális éghajlati projekció (10-25 km felbontás) Input: éghajlati modelleredmények Akár több modelleredmény Valós fizikai folyamatokat ír le Felszíni modell Lokális skálájú modell Hosszútávú szimuláció Teljes városra alkalmazható Egy mikroskálájú modellnél kevésbé részletes (km-es felbontású) 8
Lehetőségek 3. Mikroskálájú modell Valós fizikai folyamatokat ír le Részletes információ Mi legyen a határfeltétel? Nagy számításigényű éghajlati skálájú szimuláció? bizonytalanság? Főként kisebb területre alkalmazható (utca, kerület) https://goo.gl/images/kucwzl 9
Lehetőségek SURFEX 2016.12.16. Doktori kutatási beszámoló 10
Doktori kutatás A városi éghajlatváltozás becslése a SURFEX/TEB dinamikus felszíni modell segítségével SURFEX Témavezetők: Szépszó Gabriella (OMSZ) és Horányi András (ECMWF) Konzulens: Rafiq Hamdi (Belga Meteorológiai Szolgálat ) 2016.12.16. Doktori kutatási beszámoló 11
Tartalom 1. Motiváció 2. SURFEX 3. Kutatási terv 4. Eredmények 5. Kitekintés 12
A felszíni modell szerepe Légköri modell 1. modellszint H, LE, Felszíni modell 13
PHR felszíni rétege A felszíni modell szerepe Nem egyedi épületek átlagos karakterisztikák Pl. fizikai folyamatok: sugárzás csapdázódása, felszíni energiaegyenleg, kanyon-szél 14
SURFEX (= Surface Externalisée) az ALADIN modellcsalád (ARPEGE, ALADIN, ALARO, AROME) felszíni modellje leválasztható a légköri modelltől A felszíni modell visszahathat a légköri modellre Légköri kényszerek: léghőmérséklet légnedvesség szélkomponensek felszíni nyomás csapadék, hó Sugárzási kényszerek: rövid- és hosszúhullámú lefele irányuló sugárzás A cellák között nincs advekció Masson et al., 2013 ECOCLIMAP (Δx=1 km) Outputok: Momentum Szenzibilis hőáram Látens hőáram CO 2 fluxus Kémiai anyagok aeroszolok 15
ECOCLIMAP felszíni adatbázis Felhasznált adatok: korábbi felszíni adatbázisok, klíma atlaszok, műholdas adatok 1 km-es felbontású ECOCLIMAP-I: 215-féle felszíntípus (globális) ECOCLIMAP-II: 273-féle felszíntípus (Európára) Konstans felszíni paraméterek: albedó, minimális sztóma-ellenállás, Változó felszíni paraméterek (10 naponként): LAI, vegetáció aránya, érdességi paraméter, emisszivitás, Forrás: Masson et al., 2003 16
TEB = Town Energy Balance séma Cél: mezoskálájú légköri modellek számára turbulens fluxusok szimulálása a városi felszínek és a legalsó modellszint között Városi felszín + PHR felszíni rétegében (konstans fluxus réteg) zajló fizikai folyamatok parametrizációja Kanyon-séma Sugárzás: csapdázódik, árnyékolás Energiaegyenleg tetőre, falra, útra Hővezetés felszín több rétegre osztott Vízegyenleg tetőre, útra Csatornákba lefolyás Felszínek kis víztározó kapacitásúak Antropogén hő- és nedvességfluxus Masson, 2000 17
TEB = Town Energy Balance séma Hő- és nedvesség Turbulens átvitel 2 forrás: tető és kanyon-levegő súlyozott átlag Ipari kémények antropogén hőés nedvesség kibocsátása légköri energiaegyenleget módosítja Közlekedés kanyon levegő Hőmérséklet diagnosztikusan számított Masson, 2000 Momentum Kanyon felett: logaritmikus szélprofil Kanyonban: exponenciális profil 18
Tartalom 1. Motiváció 2. SURFEX 3. Kutatási terv 4. Eredmények 5. Kitekintés 19
Kutatási terv Tesztelés Célja: Optimális modellbeállítások Fejlesztés Megvalósítás: Kényszerek: ALADIN és ALARO Különböző beállításokkal rövid (néhány éves) szimulációk Projekció Megvalósítás: Kényszerek: több regionális modell több forgatókönyvvel (bizonytalanság) Felszínváltozás (várostervezési döntések) figyelembe vétele Célja: A SURFEX városi éghajlati vizsgálatokra való alkalmazhatóságának megismerése Városok: Budapest, Szeged Megvalósítás: Kényszerek: ALADIN-Climate (LBC: reanalízis) Hosszabb (néhány évtizedes) múltbeli szimulációs időszak Referencia: állomási mérések a városon belül és kívül Validáció 20
Kutatási terv Tesztelés Célja: Optimális modellbeállítások Fejlesztés Megvalósítás: Kényszerek: ALADIN és ALARO Különböző beállításokkal rövid (néhány éves) szimulációk Projekció Megvalósítás: Kényszerek: több regionális modell több forgatókönyvvel (bizonytalanság) Felszínváltozás (várostervezési döntések) figyelembe vétele Célja: A SURFEX városi éghajlati vizsgálatokra való alkalmazhatóságának megismerése Városok: Budapest, Szeged Megvalósítás: Kényszerek: ALADIN-Climate (LBC: reanalízis) Hosszabb (néhány évtizedes) múltbeli szimulációs időszak Referencia: állomási mérések a városon belül és kívül Validáció 21
Tartalom 1. Motiváció 2. SURFEX 3. Kutatási terv 4. Eredmények 5. Kitekintés 22
Validáció Kárpát-medence, Carpathian Basin, 10x10 km Szeged, 1x1 km Szeged, 1x1 km ALADIN-Climate Interpoláció Interpolation SURFEX/TEB ALADIN-Climate RCM határfeltétel ERA-40 Tartomány Kárpát-medence Felbontás 10 km Integrálási időszak 1991 2000 SURFEX Tartomány Szeged Felbontás 1 km Integrálási időszak 1991 2000 23
SURFEX, 1km ALADIN, 10km Validáció Nyári városi hősziget-intenzitás 1991 2000 2-m hőmérséklet 1991 2000, nyár, 00UTC A városi hősziget jelensége kimutatható UHI i T u i T n i i : rácspontok 24
UHI-intenzitás [ C] UHI [ C] Hőmérséklet-különbség [ C] Validáció Éves menet, 1999 2000 Nyári UHI, 1999 2000 ALADIN hibái öröklődnek Kicsi eltolódás a menetben Éjszaka alábecslés UHI-intenzitás az év első felében jó 25
Tesztkísérletek ALADIN-Climate RCM határfeltétel ERA-Interim Tartomány Közép-Európa Felbontás 10 km Integrálási időszak 1 év (2001) SURFEX Mely beállításokra a legérzékenyebb a modell a városi éghajlat szimulációja szempontjából? Kényszerek csatolása 1 h / 3 h Kényszerek magassága 20 50 m Város az ALADIN-ban TEB/ISBA 2-m hőmérséklet Diagn / progn. Felszíni paraméterek ECOCLIMAP / mérés 26
Tesztkísérletek ALADIN-Climate RCM határfeltétel ERA-Interim Tartomány Közép-Európa Felbontás 10 km Integrálási időszak 1 év (2001) SURFEX Mely beállításokra a legérzékenyebb a modell a városi éghajlat szimulációja szempontjából? Kényszerek csatolása 1 h / 3 h Kényszerek magassága 20 50 m Város az ALADIN-ban TEB/ISBA 2-m hőmérséklet Diagn / progn. Felszíni paraméterek ECOCLIMAP / mérés 27
Kényszerek csatolása 03UTC Nyári UHI UHI-hiba napi menete (ref. állomási mérések) 1h > 3h bias 3h > bias 1h Idő (UTC) 28
Mi okozza ezt? Felszínre érkező direkt rövidhullámú sugárzás egy 2001. júliusi napon Az ALADIN-ban a sugárzás kumulatívan tárolódik SURFEX számára pillanatnyi értékek kellenek számítani kell X t X t 1 3600h h=1,3 Idő (UTC) 29
Mi okozza ezt? Felszínre érkező direkt rövidhullámú sugárzás egy 2001. júliusi napon Az ALADIN-ban a sugárzás kumulatívan tárolódik SURFEX számára pillanatnyi értékek kellenek számítani kell X t X t 1 3600h h=1,3 Idő (UTC) 30
Mi okozza ezt? Felszíni energiamérleg komponensei a városi pontban nyáron EXP_3h: RN napi menetében eltolódás RN=SW + LW RN = H + LE + G Az energia-elosztás napi menete változik Az ALADIN outputok 3 óránkénti mentése nekünk nem elég 31
Összefoglalás Városi éghajlatváltozási hatásvizsgálatok végzése az OMSZ-ban Eszköz: SURFEX felszínleíró modell Éghajlati információ: ALADIN-Climate Hőmérséklet-validáció, 1991 2000 SURFEX alkalmas a városi hősziget térbeli megjelenésének és időbeli menetének szimulációjára ALADIN hibái megjelennek a SURFEX eredményekben éghajlati modelleredmények minősége különösen fontos Tesztkísérletek, kényszerek csatolása Sugárzás az ALADIN-ban kumulatív mennyiség pillanatnyi értékek számítása 1 / 3 óránként (lineáris interpoláció) napkelte és napnyugta tájékán a 3 órás lépés nem elég Rövidtávú tervek: az érzékenységvizsgálat folytatása mely tagokra a legérzékenyebb a modell? 32
Köszönöm szépen a figyelmet!