A talaj hatása a légkörre: hazai numerikus modellezési kísérletek áttekintése Ács 1 F., Breuer 1 H., Horváth 2 Á., Laza 1 B. and Rajkai 3 K. 1 ELTE, Pázmány Péter sétány 1/A., Budapest 2 OMSz, Vitorlás u. 17, Siófok 3 TAKI, Herman Ottó út 15, Budapest Előadás a 37. Meteorológiai Tudományos Napokon, 2011. november 24-25., Budapest
Tartalom Előzmények (a szárazföldi felszín és a légkör; a talaj és a légkör) Az áttekintés módszertana (talajtulajdonságok szerint, időrendi áttekintésben) Az áttekintés eredményei (talajtulajdonságok szerint, összehasonlító vizsgálatok szerint) Összegzés, kitekintés, felismerés
Nemzetközi előzmények Az első időjárás előre jelző modellt Charney és mtsai. (1950) alkották meg. Charney, J.G., Fjortoft, R., and von Neumann, J., 1950: Numerical integration of the barotropic vorticity equation. Tellus, 2, 237-254. Neumann János az ENIAC gépe mellett E modell határfeltételeinek biztosításához a földfelszíni folyamatok leírására nem volt szükség.
Nemzetközi előzmények Mindössze negyed évszázaddal később, Charney és mtsai. (1975) felismerték a földfelszíni folyamatok időjárás és klíma alakító szerepét. Charney,, J.G., Stone,, P.H., Quirk.. J.W., 1975: Drought in the Sahara: A Biophysical Feedback Mechanism. Science, 187,, 434-435. 435. Charney a talajt és a növényzetet biofizikai mechanizmusnak nevezte.
Hazai előzmények 1960-as, 70-es évek: az az időszak, amikor a talaj-növény-légkör rendszert egy tudomány, az agrometeorológia tanulmányozza. A megismerés módszertana a mérés. A Thornthwaite-Mather-féle evapotranszspirométer elvi sémája
Hazai előzmények 1980-as és 90-es évek: A SVAT (Soil-Vegetation- Atmosphere Transfer) modellek differenciálódásának időszaka. Agrár alkalmazások (a növényi kultúrák hozama) Ökológiai alkalmazások (üvegházhatású gázok) Meteorológiai/klimatológiai alkalmazások (szenzibilis és látens hőáram) A differenciálódás időszakának első számítógépei
Hazai előzmények 2000-es, 2010-es évek: felismerjük a talaj szerepét
Hazai előzmények 2000-es, 2010-es évek: a mezoskálájú modellezés fokozatos, de biztos térhódítása WRF az ELTE-n
Az áttekintés módszertana A meghatározó talajtulajdonságok: albedó, érdesség, talaj vízkészlet A talaj vízkészlettel kapcsolatos numerikus kísérletek (off-line és on-line) időrendi áttekintése Egyedi talajtulajdonságok szerinti áttekintés Összehasonlító vizsgálatok
Albedó, érdesség off-line kisérletek: albedó: : nincs publikáció érdesség: Ács és Drucza (2003) (L)
Kiválasztott talajtulajdonságok A talaj vízkészletét alakító legfontosabb talajtulajdonságok: a talaj mélysége, a talaj fizikai félesége, talaj adatbázis, szabadföldi vízkapacitás (θ f ), hervadáspont (θ w ), a talajnedvesség-tartalom (θ) területi változatossága
Talaj vízkészlet, off-line Ács & Lőke (2001) [L] Ács & Lőke (2001) [AT] Márfy & Ács (2002) [L] Ács (2002) [IJ] Ács & Szász (2002) [TAC] Ács (2003) [IJ] Ács (2003) [BLM] Ács et al. (2005) [L] Ács (2005) [BLM] Ács & Breuer (2006) [AT] Drucza & Ács (2006) [IJ] Ács et al. (2007) [AT] Szász et al. (2007) [IJ] Czender et al. (2007) [ASR] Mészáros et al. (2009) [AE] Breuer & Ács (2011) [AT] Grosz et al. (2011) [Springer] Hidy et al. (2011) [Springer] Fizikai-féleség Talaj mélység ph érték Talajnedvesség Adatbázis Θ inh Θ f Θ w L = Légkör AT = Agrokémia és Talajtan IJ = Időjárás TAC = Theoretical and Applied Climatology BLM = Boundary Layer Meteorology ASR = Advances in Science and Research AE = Atmospheric Environment
Talaj vízkészlet, on-line Horváth et al. (2007) [IJ] Ács et al. (2008) [L] Ács et al. (2008) [AT] Horváth et al. (2009) [AR] Ács et al. (2010) [IJ] Ács et al. (2010) [MZ] Breuer et al. (2011) [AT] Breuer et al. (2012) [AT] Fizikai-féleség Talaj mélység ph érték Talajnedvesség Adatbázis Θ inh Θ f Θ w L = Légkör AT = Agrokémia és Talajtan IJ = Időjárás AR = Atmospheric Research MZ = Meteorologische Zeitschrift
Összehasonlítás, futtatások típusai talaj, A= referencia futtatás Fut. Talajtextúra területi eloszl. Talaj adatbázis Θ f Θ w Θ területi változatossága A HU 1 pf=2,3 3 pf=4,2 inhomogén B US 2 K=0,5 mm nap -1 3 pf=4,2 inhomogén C D FAO HU 2 K=0,5 mm nap -1 1 pf=2,3 3 pf=4,2 3 pf=4,2 inhomogén homogén E 1 pf=2,3 4 5 ρ hy inhomogén A/B= érzékenység a talaj adatbázis használatára A/C= érzékenység a θ f parametrizálására A/D= érzékenység a Θ területi változatosságára A/E= érzékenység a θ w parametrizálására
Vizsgált elemek off-line kísérletek: evapotranszspiráció, vízkészlet, felszíni hőmérséklet on-line kísérletek: konvektív csapadék (mély konvekció), a planetáris határréteg magassága (sekély konvekció)
θ területi változatossága off-line kísérletek, vályog, erős légköri kényszer Látens hőáram (W m -2 ) 600 500 400 300 200 100 0 1) 2) 3) 4) 0.02 0.08 0.14 0.2 0.26 0.32 0.38 Felszíni hőmérséklet o ( C) 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 1) 2) 3) 4) 0.02 0.07 0.12 0.17 0.22 0.27 0.32 0.37 0.42 Talajnedvesség-tartalom (m 3 m -3 ) Talajnedvesség-tartalom (m 3 m -3 )
Fizikai-féleség, adatbázis, területi változatosság off-line kísérletek, agyag, homok, erős légköri kényszer 600 600 Látens hőáram (W m -2 ) 500 400 300 200 100 a) 1) 2) 3) 4) Látens hőáram (W m -2 ) 500 400 300 200 100 b) 1) 2) 3) 4) 0 0 0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.16 0.22 0.28 0.34 0.4 0.46 Átlagos területi talajnedvesség-tartalom (m 3 m -3 ) Átlagos területi talajnedvesség-tartalom (m 3 m -3 )
Fizikai-féleség off-line kísérletek, Θ, ET Kakas-féle adatbázis
Fizikai-féleség off-line kísérletek, O 3
Fizikai-féleség és mélység off-line kísérletek, CRU (Climatic Research Unit) adatbázis
Talajnedvesség θ 20%, konvektív csapadék különbség [mm nap -1 ]
Adatbázis 2006.08.01. HU 2006.08.01. (HU-US) MM5, konvektív csapadék
Adatbázis Planetáris határréteg magasság HU-US 2007.07.18., 12:30 UTC
Adatbázis Planetáris határréteg magassága területi átlagának menete a nap nappali szakaszában, 2006.07.19. PBL height [m] 1200 1000 800 600 400 200 HU US 0 5:00 6:30 8:00 9:30 11:00 12:30 14:00 15:30 17:00 Time (UTC)
Összehasonlítás: talaj - növény 2007.05.05., adatbázis - sztómaellenállás 2.5 Csapadékintenzitás [mm/h] 2 1.5 1 0.5 A B P Q 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Idő [UTC]
Összehasonlítás: talaj - légkör 2007.05.05., adatbázis cumulus konvekció (Grell/Kuo) 2.5 Csapadékintenzitás [mm/h] 2 1.5 1 0.5 A B N1 0 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Idő [UTC]
Összegzés A talaj légkörre gyakorolt hatása a konvektív időjárási helyzetekben jelentős. Ekkor a hatását a hidraulikus tulajdonságoktól függő evapotranszspiráció változásain keresztül fejti ki. A talaj légkörre gyakorolt hatása jelentős mind a mély, mind a sekély konvekciót eredményező időjárási helyzetekben.
Összegzés A talaj légkörre gyakorolt hatása összemérhető a növényzet légkörre gyakorolt hatásával, de mindig kisebb, mint a légköri tényezők hatása. Ennek ellenére e talajhatások sok esetben szignifikánsak. Az ökológiai alkalmazású vizsgálatok száma a meteorológiai/klimatológiai alkalmazású vizsgálatok számához képest sokkal kisebb.
Kitekintés Tervek: A felszín közeli léghőmérsékletnek (T 2 ) az adatbázis használatára való érzékenysége, az ezzel kapcsolatos szignifikancia vizsgálatok elvégzése, a talaj légkörre gyakorolt hatásainak klimatológiai elemzése, WRF futtatások.
Felismerés A tudományos és a művészi struktúrák hasonlósága
Köszönet E prezentáció nem születhetett volna meg munkatársaim önzetlen és pótolhatatlan segítsége nélkül. Ezért itt és ezúttal is köszönettel tartozom Nekik.