EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNYEGYETEM TERMÉSZETTUDOMÁNYI KAR METEOROLÓGIAI TANSZÉK A REGIONÁLIS SZÉLKLÍMA TENDENCIÁINAK ELEMZÉSE A GLOBÁLIS KLÍMAVÁLTOZÁS FÜGGVÉNYÉBEN Doktori Értekezés (PhD) tézisei PÉLINÉ NÉMETH CSILLA FÖLDTUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA Iskolavezető: Dr. Nemes-Nagy József, egyetemi tanár, az MTA doktora FÖLDRAJZ-METEOROLÓGIA PROGRAM Programvezető: Dr. Szabó Mária, egyetemi tanár, az MTA doktora Témavezető: DR. BARTHOLY JUDIT tanszékvezető egyetemi tanár az MTA doktora Tanszéki konzulens: DR. PONGRÁCZ RITA adjunktus ELTE Meteorológiai Tanszék 2015
1. Bevezetés Az éghajlati rendszerről rendelkezésre álló átfogó ismereteink és a különböző modellszimulációs eredmények együttesen alátámasztják azt a megállapítást, hogy az üvegházhatású gázok koncentrációjának megfigyelt emelkedése melegedéshez, hosszabb távon pedig klímaváltozáshoz vezet. A változó éghajlat globális és regionális hatásainak elemzésére, a XXI. századi következmények becslésére egyre nagyobb az igény. Az átlagos hőmérsékleti viszonyok, illetve a csapadékösszegek várható változása mellett kiemelt figyelmet igényel a hazai szélklíma jelenlegi, s a jövőre várható tendenciáinak megismerése. A Kárpát-medence térségére vonatkozó szélviszonyok átlagértékeinek és szélsőségeinek jövőbeni várható módosulásai fontos részét képezik az alkalmazkodási stratégiának, a regionális teendők kidolgozásának. 2. Célkitűzések A doktori kutatás egyik célja a hazai szélklíma paramétereinek és szélsőségeinek ellenőrzött, megbízható adatsorokon történő részletes elemzése. Az elmúlt időszakra vonatkozóan a hazai szinoptikus mérőhálózat szélsebesség és széllökés adatai vizsgálatát tűztük ki célul. A vizsgálati eredmények megbízhatóságának növelése érdekében homogenizáltuk a rendelkezésre álló hazai szinoptikus mérőhálózat széladatait. A homogén szélsebesség idősorokból számított szélindexek tendenciáinak vizsgálata választ adhat azokra a kérdésekre, hogy gyakoribbá váltak-e a nagy szélsebességű viharos napok, illetve hogyan változott a szennyezőanyagok feldúsulását a nagyvárosokban elősegítő, alacsony szélsebességű napok gyakorisága, tartama. Ezen túlmenően, az ERA Interim reanalízis adatsorok összehasonlító térbeli és időbeli tendenciái, szélsőérték elemzései hozzájárulhatnak a nemzetközileg és a hazai regionális klímamodellezés esetében is alkalmazott, rácspontra interpolált reanalízis adatsorok megbízhatóságának becsléséhez, számszerűsítéséhez. Célunk továbbá a szélklíma jövőbeli állapotának részletes elemzése is, az ECHAM globális klímamodell által meghajtott RegCM regionális klíma- 2
modell két időszeletre (2021 2050 és 2071 2100) vonatkozó modellfuttatások talajközeli szél becsléseinek vizsgálata. Mindezen ismeretek felhasználásával már regionálisan is értékelhetővé válnak a szélklíma esetleges változásainak környezeti hatásai, a változó klímához való alkalmazkodás lehetőségei. 3. Alkalmazott módszerek A doktori kutatás keretében elvégeztük a hazai szélklíma paramétereinek és szélsőségeinek átfogó statisztikai elemzését. A változások vizsgálatát több évtizedes, jó minőségű, homogén földfelszíni szélmérés-adatsorokon végeztük el. A vizsgált mérési adatsorokban található inhomogenitások csökkentése, az adathiányok pótlása és a hibák kiszűrése érdekében a MASH szoftvercsomaggal homogenizáltuk 19 állomás szélsebesség (1975 2012) és széllökés (1975 2013) adatait. Ennek eredményeképpen az automatizálás következtében az idősorokban fellelhető inhomogenitások miatt a kezdetben két részre bontott adatsor együttes vizsgálata lehetővé vált. A mérésekhez hasonlóan, az ERA Interim reanalízis szélmező (1979 2012) homogenitás vizsgálatát is elvégeztük. Az adatsorok megbízhatóságának becslése, valamint a szélsőségvizsgálatokra való alkalmasságuk eldöntése céljából összehasonlítottuk a mérési és a reanalízis adatsorokra illesztett függvények paramétereit. Az adatsorok jelentősen eltérő eloszlása miatt a szélklimatológiai célú szélsőérték-vizsgálatokat mind az átlagos szélsebesség, mind a széllökések esetében a homogenizált mérési adatsorokon végeztük el. A szélklíma jelen állapotának részletes elemzésén túl, validáltuk az ELTE Meteorológiai Tanszékén A1B szcenárióval futtatott RegCM regionális klímamodell magyarországi szélmezőit. A RegCM 1961 1990 referencia időszakra becsült átlagos szélsebességértékek jelentős hibája miatt alkalmaztuk a havi percentilis értékek illesztésén alapuló hibakorrekciós módszert. A klímaváltozás szélmezőben való megjelenését már a korrigált szimulált talajközeli szélmezők átlagos és extrém szélviszonyainak elemzé- 3
sével vizsgáltuk hazánk területére a közelebbi jövőre (2021 2050), illetve a század végére (2071 2100). 4. Tézisek A legfontosabb kutatási eredményeket pontokba szedve az alábbiakban öszszegezzük. 1. Az 1975 1994 és 1997 2010 időszakok elemzésének eredményeit az értekezés 5.1.1. fejezete, valamint az [1], [2], [3], [4] és [5] mutatja be: Az ERA-40 reanalízis adatbázis alulbecsli az éves maximumokat az 1975 1994 időszakban, és felülbecsli a minimumokat az időszak végén. A 1997 2010 időszak éves tendenciáit tekintve szembetűnő az ország területi megosztottsága: a Dunántúlon csökkenés, az Alföldön néhány állomáson emelkedés jellemző. A havi átlagos szélsebesség és széllökés tendenciák jelentős áprilisi csökkenést mutatnak. 2. Az ERA Interim szélmező és a szinoptikus mérőállomások széladatainak (1997 2010) összehasonlító értékelését az értekezés 5.1.2. fejezete, valamint az [5], [6] és [7] részletezi: A vizsgált adatsorok eloszlása különböző. Eltérés mutatkozik a kis szélsebességek tartományában, valamint az eloszlások maximumai sem esnek ugyanazon kategóriába. Az áprilisi csökkenések mindkét adatsoron jól láthatók, azonban az állomási és az ERA Interim adatokból számított évszakos és havi tendenciák több esetben ellentétes irányú változást adnak. A reanalízis rácspontok idősorának éves és havi eloszlásai között jóval kisebbek az eltérések, mint ahogyan azt az állomási adatsorok esetében tapasztaltuk. 3. A vizsgált mérési adatsorok (1975 2012) homogenizálásának eredményeit az értekezés 5.1.3. fejezete, valamint a [8], [9], [10] és [11] publikációk foglalják össze: 4
A homogenizálás eredményeképpen az adatsorok együttes vizsgálata lehetővé vált. A közel negyvenéves homogén széladatsor-elemzések validációja megerősítette, hogy az eredetileg meglévő inhomogenitások akár ellentétes irányú, hamis trendeket is eredményezhetnek. A tendenciaelemzések alapján megállapítható, hogy a legtöbb földfelszíni állomáson a szélparaméterek csökkenő tendenciája jellemző, melynek mértéke áprilisban és novemberben a legnagyobb. 4. Az ERA Interim reanalízis szélmező (1979 2012) homogenitás vizsgálatáról, valamint az állomási és a rácsponti adatsorokra illesztett függvények paramétereinek összehasonlításáról az értekezés 5.1.4. fejezete, illetve [11], [12] és [13] számol be: A reanalízis adatsor homogén. A mérőhelyek közelébe eső reanalízis rácspontokban a Weibull alaktényező túlbecslése jellemző, melynek mértéke télen a legnagyobb. Az alaktényező túlbecslése csökkenti a szélklíma térbeli változékonyságát és az extrém szélsebességek előfordulási valószínűségét. A Weibull skálaparaméter értékeinek szórása jóval kisebb a reanalízis rácspontokban, mint a mérőállomásokon. A reanalízis adatsor hibája nyáron, június és július hónapokban a legkisebb. A magasabb percentilisek hibája nagyobb. A 99%-os percentilis esetében jellemzően 20%-nál nagyobb mértékű az alulbecslés. Az ERA Interim reanalízis adatsor térbeli változékonysága elmarad a mérésekből becsülhető értékektől, azaz nem írja le a tájegységekre jellemző szélmező sajátosságait, különösen az extrém szélsebességek tartományában. 5. A mérési és reanalízis adatsorok eloszlásának eltérései miatt a szélklimatológiai célú szélsőérték-vizsgálatokat (szintátlépések, szélindexek, viszszatérési értékek meghatározása) mind az átlagos szélsebesség (1975 5
2012), mind a széllökések (1975 2013) esetében a homogenizált mérési adatsorokon végeztük el. A szélklíma szélsőségeinek elemzéséhez meghatároztuk a visszatérési értékeket, továbbá szélindexeket definiáltunk, majd becsültük azok tendenciáit. Legfontosabb megállapításainkat az értekezés 5.1.3. fejezete, illetve [9], [10] és [13] foglalja össze: A kis szélsebességű napok száma, illetve a küszöbértékeknél kisebb egymást követő napok tartama általában növekedett, a nagyobb napi átlagos és maximális szélsebességeket leíró szélindexek csökkenő tendenciát mutatnak. A változás szinte minden állomáson szignifikáns. A vizsgált állomásokat együttesen tekintve gyakoribbá váltak a kis szélsebességű periódusok. Ezzel párhuzamosan az egymást követő alacsony (magasabb) szélsebességű napok éves maximális hossza növekedett (csökkent). A legalacsonyabb 50 (100) éves visszatérési érték 9 m/s (10 m/s), az állomások többségén 12 17 m/s (13 18 m/s) közötti, míg a legnagyobb visszatérési érték 24 m/s (26 m/s). Az éves maximális széllökések idősorából számított 50 (100) éves visszatérési értékek 31 46 m/s (33 50 m/s) intervallumba esnek. 6. Elvégeztük a RegCM regionális éghajlati modell szélmezőinek validációját és korrekcióját. Eredményeinket az értekezés 5.2.1. fejezete, valamint [13] mutatja be: A RegCM regionális klímamodell szimulált szélmezői felülbecslik a CARPATCLIM havi átlagos szélsebességeket. A havi eltérés januárban a legnagyobb, és júniusban a legkisebb. 7. A klímaváltozás szélmezőben való megjelenését az A1B szcenárióval futtatott hibakorrigált RegCM szélmezők átlagos és extrém szélviszonyainak elemzésével vizsgáltuk hazánk területére. A korrigált szélmezők referencia időszakhoz (1961 1990) viszonyított várható változásait a 2021 2050 és a 2071 2100 időszeletre az értekezés 5.2.2. fejezete és [13] foglalja össze: 6
A becslések alapján hazánk szélklímája kissé szélsőségesebbé válik, a kis szélsebességű periódusok maximális hossza ősszel és tavasszal növekszik, valamint a kis szélsebességű napok száma is várhatóan emelkedik. A változás mértéke növekszik a század végére, kivéve tavasszal. A nagy szélsebességű napokat jellemző indexek télen csökkennek, a többi évszakban, különösen nyáron emelkedésük várható. A növekedés mértéke mind százalékosan, mind a napok számát tekintve valószínűsíthetően nyáron lesz a legnagyobb. A várható havi változások relatíve kicsik (medián 0,4 m/s, a 90%-os percentilis 0,6 m/s). A 99%-os percentilist tekintve a szélsebességváltozás akár elérheti a 2 m/s-ot is. Valószínűsíthető, hogy emelkedik az a szélsebességérték, mely a vizsgált visszatérési periódusban (50, illetve 100 évente) egyszer fordulhat elő, azaz magasabb visszatérési értékek várhatók. 5. Következtetések Szélklimatológiai vizsgálataink eredményei összhangban vannak a nemzetközi szakirodalommal, melyek többsége csökkenő szélsebességtrendeket mutat a XX. század második felétől az északi félteke közepes földrajzi szélességein. Az elmúlt időszakra vonatkozó vizsgálatainkat homogenizált mérési adatok felhasználásával végeztük el. Az adatsorok minőségellenőrzése növelte eredményeink megbízhatóságát. A klímaváltozás globális és regionális hatásainak elemzése, a szélklíma jelen állapotának megismerése szükséges a regionális klímamodell-projekciók validálásához, értelmezéséhez, mellyel a szélklíma változásai által okozott regionális hatások becsülhetők. Magyarország területére elsőként becsültük a jövőre vonatkozó szélextrémumok várható változásait a RegCM modell projekciói alapján. A becslések szerint hazánk szélklímája kissé szélsőségesebbé válik, a kis szélsebességű periódusok maximális hossza és a kis szélsebességű napok összes száma ősszel és tavasszal várhatóan növekedni fog. Ugyanakkor a nagy szélsebességű napokat jellemző indexekre télen csökkenő, a 7
többi évszakban, különösen nyáron növekvő tendencia valószínűsíthető. A doktori értekezés eredményei elősegíthetik a változó klímához való sikeres alkalmazkodást. Tézisek alapjául szolgáló közlemények [1] Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., Hajdú, M., 2008: A hazai szélmező átlagos és extrém értékeinek térbeli és időbeli változása. Egyetemi Meteorológiai Füzetek, No. 22, pp. 87 94. [2] Péliné, N. Cs., Radics, K., Bartholy, J., 2011: Seasonal Variability of Wind Climate in Hungary. Acta Silv. Lign. Hung. 7, pp. 39 48. [3] Radics K., Bartholy J., Péliné N. Cs., 2007: A szélmező átlagos és extrém értékeinek térbeli és időbeli változás hazánkban. Első Európai Szélnap Magyarországon, Magyar Szélenergia Társaság kiadványai, No. 4, pp. 43 50. [4] Radics, K., Bartholy, J., Péliné, N. Cs., 2010: Regional tendencies of extreme wind characteristics in Hungary. Advances in Science and Research 4, pp. 43 46. [5] Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., 2011: Hazánk szélklímájának térbeli és időbeli változásai (1997 2010). Repüléstudományi Közlemények. 2011/2. különszám [6] Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy,J., 2012: Reanalízis idősorok szélklimatológiai vizsgálata. Repüléstudományi Közlemények, XXIV:(2) pp. 326 334. [7] Radics K., Péliné N. Cs., Bartholy J., 2012: Regionális szélviszonyok tendenciái Magyarországon. In: Mika J., Dávid Á., Pajtókné T. I., Fodor R. (szerk.) HUNGEO 2012, konferenciakötet. 366p., Eger, pp. 211 215. ISBN:978-615-5297-09-0 [8] Péliné, N. Cs., Bartholy, J., Pongrácz, R., 2014: Homogenization of Hungarian daily wind speed data series. Időjárás, Quarterly Journal of the Hungarian Meteorological Service, Vol. 118., No. 2, pp. 119 132. 8
[9] Péliné N. Cs., Bartholy J., Pongrácz R., Radics K., 2014: Szélsőérték vizsgálatok hazai szinoptikus mérőállomások homogenizált széladatsorai alapján. Repüléstudományi Közlemények, XXVI.: 2014/2, pp. 68 80. [10] Péliné N. Cs., Bartholy J., Pongrácz R., Radics K., 2014: Szélsőségvizsgálatok homogenizált széladatsorok felhasználásával. In: Mesterházy B. (szerk.) XIII. Természet-, Műszaki és Gazdaságtudományok Alkalmazása Nemzetközi Konferencia: Cikkgyűjtemény. pp. 52 59. ISBN 978-963- 359-039-3 [11] Péliné, N. Cs., Bartholy, J., Pongrácz, R., Szentimrey, T., Radics, K., 2014: Biases and correction of wind speed time series. In: Lakatos, M., Szentimrey, T., Marton, A. (Eds.): Climate Data and Monitoring WCDMP-No. 84, WMO, 171p., 8 th Seminar for Homogenization and Quality Control in Climatological Databases and 3 rd Conference on Spatial Interpolation Techniques in Climatology and Meteorology, Budapest, 12 16 May 2014, pp. 151 159. (library.wmo.int/pmb_ged/wcdmp_84_en.pdf) [12] Péliné N. Cs., Bartholy J., Pongrácz R., Radics K., 2014: Szélmezők hibái, korrekciója, a szélklíma jelenlegi és jövőre vonatkozó tendenciái. In: Cserny T., Kovács-Pálffy P., Krivánné H. Á. (szerk.) HUNGEO 2014, Cikkgyűjtemény. pp. 136 139. ISBN 978-963-8221-53-7 [13] Péliné, N. Cs., Bartholy, J., Pongrácz, R., Radics, K., elfogadva 2015: Analysis of climate change influences on the wind characteristics in Hungary. Időjárás, Quarterly Journal of the HMS (in press) A témában megjelent további publikációk Bartholy J., Radics K., Péliné N. Cs., 2012: Hazánk szélklímája, a szélenergia hasznosítása. Múlt, jelen, jövő. LÉGKÖR 57. évf.:(4) pp. 153 155. Bartholy J., Radics K., Péliné N. Cs., 2014: Változik hazánk szélklímája? A szélenergia hasznosítása. TERMÉSZET VILÁGA 145. évf.:(2014/2.) pp. 83 85. Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., 2008: A szélmező átlagos és extrém értékeinek változása Magyarországon. In: Füzesi I., Puskás J. (szerk.): 9
VII. Természet-, Műszaki- és Gazdaságtudományok Alkalmazása Nemzetközi Konferencia, ISBN 9-639290-69-6 Péliné N. Cs., Czender Cs., Kocsis F., 2009: Automata mérőállomások széladatainak vizsgálata a hazai katonai repülőtereken. Repüléstudományi Konferencia 2009 Szolnok, CD ROM Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., 2010: A regionális szélviszonyok változékonysága hazánkban. In: Füzesi I., Puskás J. (szerk.): IX. Természet-, Műszaki- és Gazdaságtudományok Alkalmazása Nemzetközi Konferencia, CD ROM, ISBN 9-639290-69-6 Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., 2011: Hazánk szélklímájának térbeli és időbeli változásai (1975 2010). In: Füzesi I., Puskás J. (szerk.): X. Természet-, Műszaki- és Gazdaságtudományok Alkalmazása Nemzetközi Konferencia, CD ROM, ISBN 9-639290-69-6 Péliné N. Cs., Radics K., Bartholy J., 2012: A Kárpát-medence szélklímájának XXI. század során várható változásai. In: Mika J., Dávid Á., Pajtókné T. I., Fodor R. (szerk.) HUNGEO 2012, konferenciakötet. 366p., Eger, pp. 223 228. ISBN:978-615-5297-09-0 Péliné N Cs., Bartholy J., Pongrácz R., Radics K., 2014: Széladatok homogenizálása és korrekciója. In: Wantuchné D. I. (szerk.) Nap- és szélenergia kutatás és oktatás. Budapest, pp. 10 19. Radics K., Péliné N. Cs., Bartholy J., 2009: Regional tendencies of extreme wind climate over Hungary. New Challenges in the Field of Military Sciences 2009, 6th International Conference, 7p., CD ROM Radics K., Bartholy J., Péliné N. Cs., 2010: Regional effects of climate change on extreme wind characteristics in Hungary. New Challenges in the Field of Military Sciences 2010, 7th International Conference, 5p., CD ROM Radics K., Bartholy J., Péliné N. Cs., 2010: Magyarország szélklímája, a szélenergia hasznosítása: múlt, jelen, jövő. Egyetemi Meteorológiai Füzetek 23, pp. 69 74. ISBN 0865-7920 ISBN 978-963-284-162-5 10