A meteorológiai modellek talajtani megalapozása térinformatikai módszerek segítségével

NYUGAT-MAGYARORSZÁGI EGYETEM GEOINFORMATIKAI FŐISKOLAI KAR TÉRINFORMATIKA TANSZÉK

A meteorológiai modellek talajtani megalapozása térinformatikai módszerek segítségével Tanszéki konzulens: Dr. Jancsó Tamás Külső konzulens: Dr. Geresdi István

2006


Időszerűség A talaj és a légkör közötti kölcsönhatás fontos eleme az időjárást meghatározó folyamatoknak. A napjainkban alkalmazott mezo-skálájú időjárási modellek figyelembe veszik, hogy a talaj hogyan befolyásolja a felszínközeli levegőréteg hőmérsékletét és nedvesség tartalmát. A számítások nyilvánvalóan csak akkor lehetnek pontosak, ha a talajtípus adatok helyesen vannak megadva.


Célok 1. Az adatbázisok segítségével bizonyítom, hogy nemzetközi éghajlati-időjárási

modellek alapadatbázisai, a talajtani alapadatok tekintetében nem felelnek meg tartalmi vonatkozásaikban az elvárt pontosságnak. Különös tekintettel a MM5 (mesoscale modelling) modell, TERRAIN alapadatbázisában tárolt talajtani adatok nem biztosítanak a megfogalmazott felbontás mértékének megfelelő adatokat. A kutatásaim alapján bizonyítani szeretném, hogy a lokális, magyar adatbázisokkal nagyságrendekkel növelhető az előrejelző modellek pontossága. 2. Ugyancsak az adatbázisok felhasználásával kívánom igazolni, hogy a fizikai talajtípus és a belőle levezetett alapadatok, elégséges információval (és háttárismeretanyaggal) bírnak egy meteorológiai modell alkalmazásakor. 3. Az adatbázisok segítségével be kívánom bizonyítani, hogy a talajok felszíni eloszlása hatással van egyes időjárási-éghajlati elemek (nyári napok, hőségnapok stb.) elterjedésére Magyarország alföldi területein. 4. Terepi mérésekkel szeretném alátámasztani, hogy az összefüggés kimutatható a talajok fizikai állapota, a nedvességtartalma, valamint a talajok hővezetési, hőtárolási tulajdonságai között, valamint, hogy a talajok fizikai tulajdonságai mérhető hatással vannak a felszíni léghőmérséklet alakulására. 5. Végül az előadás legfontosabb célkitűzése, hogy különböző adatok, adatbázisok felhasználásával, a térinformatika segítségével egy klasszikus földrajzi elemzést, modellezést mutassak be, amelyben a talajok, és az időjárás bizonyos elemei közötti összefüggéseket tárom fel.


Módszerek Felhasznált adatbázisok: Agrotopográfiai Adatbázis CLC-2000 Felhasznált műholdképek: LANDSAT TM 5,7 Terepi mintagyűjtés és laboratóriumi mérések: Fritsh lézeres szemcse-meghatározó gép Alkalmazott szoftverek: Arc/GIS IDRISI Carta Linx Surfer Microsoft Excel Microsoft Access Modellek kialakítása: Az adatok elemzésének, pontosabb megértéséhez modelleket készítettem, amelyek reprezentálták az adott térrész, táj számomra fontos jellemzőit.


Az alap adatbázis Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és Agrokémiai Intézetében került kialakításra. Maga az adatbázis rendszere, az agrotopográfiai térképsorozat tematikus adataiból leképezett számítógépes rendszer, amely EOTR szabványos, 1:100 000 méretarányú, országos adatokat tartalmaz NKFP-090300935-ös számú, „Magyarország éghajlatának dinamikai vizsgálata és numerikus modelleken alapuló regionális klímaelőrejelzések módszertanának megalapozása” projekt talajtani és felszínborítottsági viszonyok meghatározására szolgáló alprojektjében a magyar adatbázis interpretálása az amerikai rendszerű talajadatbázist felhasználó értékelő programba (MM5), talajtani alapadatok egzakt meghatározása, az ellentmondásmentes értékátalakítás, az egyes légköri folyamatok talajtani meghatározottságának földrajzi modellezése, a pontosabb előrejelzés biztosítása, valamint annak bebizonyítása, hogy a fizikai talajtípus, mint bemeneti paraméter elégséges információt ad az időjárási modellekben a talaj összképéről.


a fizikai talajtípus sorszáma/értéke

a fizikai talajtípus angol megnevezése

1

Sand

2

Loamy sand

3

Sandy loam

4

Silt loam

5

Silt

6

Loam

7

Sandy clay loam

8

Silty clay loam

9

Clay loam

10

Sandy clay

11

Silty clay

12

Clay

13

Organic material

14

Water

15

Bedrock

16

Other (land-ice)

A modell által eredetileg használt fizikai talajféleségek

Kódtáblák A fizikai talajtípus sorszáma/értéke

A fizikai talajtípus magyar megnevezése

1

Homok

2

Homokos vályog

3

Vályog

4

Agyagos vályog

5

Agyag

6

Tőzeg, kotu

7

Durva vázrészek

0

Víz, vagy nincs adat

Az Agrotopo adatbázisban használt fizikai talajféleségek

Az átalakítás a talajok fizikai tulajdonságainak figyelembevételével történt: porozitás nedvességtartó képesség pórusok víztelítettsége a szemcsék elméleti alakja hővezető képesség


MM 5 Mezoskálájú modell alapadatok = peremfeltételek TERRAIN peremfeltételek:

magassági modell, amely a felszíni domborzati viszonyokat tartalmazza, a földhasználati/vegetációs alapréteg, a felszíni vízborítási viszonyok, a talajtípus, valamint a mélységi talajhőmérsékletek.

Klasszikus földrajzi elemzések adatai


MM 5 - AGROTOPO

Peremfeltétel Egyszer kerül betöltésre Nincs változtatási lehetőség


A felbontásból eredő hibák

Az MM5 98 db önálló egységgel biztosítja a teljes lefedettséget, melyek közül több poligon mérete is elhanyagolhatónak számítható, mert csak a Duna vonalának bizonyos pontjain jelez vízborítottságot. A lefedettség az Agrotopográfiai adatbázis esetén 3311 db egységet jelent. Ezek az adatok azt mutatják, hogy a valóságban az MM5 adatainak pontossága és előrejelzési biztonsága 949 km2 tehát 30 x 30 kilométeres egységekben, felbontásban lenne elfogadható, míg ez az érték a magyar adatbázis esetén 28 km2, ami 5 x 5 kilométeres felbontást biztosít.

Tehát az 1 km bármilyen átalakítás során csak az eredeti adatokból már le nem vezethető „pontosításokhoz” vezet.


Tartalmi pontosság

50000 45000 40000

35000

km

2

30000 Agrotopo

25000

MM5 20000 15000

10000 5000 0 homok

vályogos

homokos

homok

vályog

vályog

homokos

agyagos

agyagos

vályog

agyag

tőzeg

víz

durva vázrészek

vályog fizikai talajtípus

Az összehasonlítás során levezetett adatokból látható, hogy az MM5 lényegesen túlértékeli a kisebb szemcsetartományú talajtípusokat, míg az Agrotopóhoz mérten alulbecsüli a homokok részarányát a vizsgált területen . Ami azért lényeges, mert a szemcseméretek kismérvű megváltozása is jelentősen befolyásolja a modell későbbi lefutását.


Tartalmi pontosság Az MM5-ben tárolt talajadatok Magyarország 29 %-án alkalmazhatóak 100 %-os biztonsággal.


Modellek – eredeti adatok pontossága

1. A hét mérőhelyen azonos körülmények, reprodukálható viszonyok és jól definiált metódus alapján, mérik a hőmérsékleti adatokat, 2. A talajhőmérsékleti meteorológiai elemzések, diagramok és térképek, ezen hét mérőhely alapján készülnek el az Alföld területére, 3. A térben elég távol helyezkednek el egymástól ahhoz, hogy az azonos talajok hőtulajdonságai összevethetőek legyenek.

Nem az volt a célom, hogy az Agrotopográfiai adatbázist reambuláljam, hiszen ehhez a mérőhelyek száma nem elégséges!

Nem készült interpolált talajhőmérsékleti térkép, mert ennyi mérőhely adatával nem megoldható!


Modellek - csapadékképződés

1.

A talaj-légkör rendszerben a talajparaméterek nagyságrendileg kisebb szerepet játszanak, mint a légköri hatások, de az elemzésből látható, hogy ez a behatás is elemezhető különbségeket ad,

2.

Mivel a talajtani adatbázist csak Magyarország területére javított, így a modell legjobb értékelhetősége és előrejelzési biztonsága csak idáig terjed,

3.

A határvonal közelében az előrejelzés biztonsága javult tekintve, hogy a gridre történő interpoláció, a távolsági súlytényező értéke, a nem változtatott határontúli adatbázisra is hatással van,

4.

A távolsági súlytényező hatókörén túl nincs értéklehető változás,

5.

Az új adatbázis felhasználásával jobban lehatárolhatóvá váltak a csapadékképződési központok, az eredeti viszonyokhoz képest sokkal markánsabb képet mutatnak.


A hőm érséklet átlagos változása a hét m érőállom áson

25

23

21

Modellek – talajhőmérsékletek

°C

19

17

15

13

11

9 2005.05.28

2005.06.02 2005.06.07

2005.06.12 2005.06.17

2005.06.22

2005.06.27 2005.07.02

2005.07.07 2005.07.12

2005.07.17

mérési időpont

1. 2. 3. 4.

A fizikai talajtípus, azaz a talajok textúrája jelentősen meghatározza a talajhőmérsékletet, Az azonos szemcsefrakcióba sorolt talajok egymástól kismértékű eltérése is lényeges felmelegedési és lehűlési különbségeket okozhat, A fizikai talajtípus áttételesen befolyásolja a felszíni hőmérsékleteket, valamint Fizikai talajtípusokból előállított digitális adatbázisok elégséges információtartalommal bírnak egy mezoskálájú időjárási modell alaprétegeként.


Modellek – talajhőmérsékletek Van-e lehetőség a talaj hatásainak detektálására? 2005.06.06. - 2005.06.09. Szeged 30

25

a1 15

Szeged felszín Szeged ET5

a2

Szeged ET10

a3

Szeged ET20

10

22

19

16

13

7

10

4

1

22

19

16

13

7

10

4

1

22

19

16

13

7

10

4

1

22

19

16

13

7

10

0

4

5

1

hőmérséklet (°C)

20

idő (nap)

A felszíni hőmérséklet-változások: Akkor zajlanak le az éjszaka folyamán, amikor a talajhőmérséklet-változások is megfigyelhetőek Többször, hasonló módon játszódnak le


Modellek – elméletileg legmelegebb területek A nyári napok kialakulásának a lehetősége elvileg ezeken a területen a legnagyobb

A valóság egy összetettebb felületi rajzolatot mutat


Modellek – nyári napok és a fizikai talajtípus

Az éghajlati-időjárási elemek hasonlóak, akkor honnan a területi különbségek


Modellek – talajhőmérsékletek A fizikai talajtípus és a nyári napok elhelyezkedésének hisztogramja homok

0.004

vályog

0.004

0.0035

0.0035

0.003

0.003

0.0025

0.0025

0.002

0.002

0.0015

0.0015

0.001

0.001

0.0005

0.0005

0

0 36

48

60

72

84

agyagos-vályog

0.003

36

48

60

72

84

72

84

agyag

0.0009 0.0008

0.0025

0.0007

0.002

0.0006 0.0005

0.0015

0.0004

0.001

0.0003 0.0002

0.0005

0.0001

0

0

36

48

60

72

84

36

48

60


Modellek – talajok vízgazdálkodása

Magyarország és az Alföld talajainak vízgazdálkodási típusai


Modellek – talajok vízgazdálkodása alacsony víztartó képesség

0.014

magas víztartó képesség

0.007

0.012

0.006

0.01

0.005 0.004

0.008

Adatsor1

Adatsor1 0.006

0.003

0.004

0.002

0.002

0.001 0

0 44

55

66

77

88

44

55

66

77

88


A hőkapacitás, a víztartalom és a fizikai talajtípus kapcsolata

Ctalaj

( ρ víz * cvíz * x%) + ( ρ szilárd * c szilárd * z %) = 100 VKmax térfogat %-ban

VKmax-hoz tartozó fajlagos hőkapacitás

Fajlagos hőkapacitás homok %-ban

homok

40

3,0056

100

vályog

50

3,2025

106,559

agyag

60

3,3009

109,826

A maximális vízkapacitáshoz tartozó fajlagos hőkapacitási értékek

A maximális vízkapacitás esetén kétfázisú, (víz és szemcsék) rendszerről beszélünk


A hőkapacitás, a víztartalom és a fizikai talajtípus kapcsolata C talaj =

( ρ víz * cvíz * x%) + ( ρ levegő * clevegő * z %) + ( ρ szilárd * c szilárd * z %) 100 VKsz térfogat %-ban

VKsz-hez tartozó fajlagos hőkapacitás

Fajlagos hőkapacitás homok %-ban

homok

10

2,1414

100

vályog

31

2,6552

123,99

agyag

46

3,3137

139,901

A szabadföldi vízkapacitáshoz tartozó fajlagos hőkapacitási értékek


Eredmények •

Vizsgálataim alapján megállapítható, hogy a modellezéshez használt adatbázisok több hibával is terheltek lehetnek. A modellező programokban tárolt alapadatok csak az adott program készítési mintaterületén alkalmazhatók nagy biztonsággal,

•

Az általam vizsgált MM5 TERRAIN fizikai talajtípus adatbázis túlértékeli a finom szemcseméretek arányát és teljesen alulértékeli a homoktérszínek megjelenését,

•

Az Agrotopográfiai adatbázis esetén lézeres szemcsefrakcióvizsgálatokkal igazoltam, hogy az eredeti adatok a korszerű méréstechnika eredményeivel nem minden esetben állnak egyensúlyban. Így az adatbázis, egy nagyterületre kiterjedő, pontos mérőhelyek kijelölésével járó frissítésére lenne szükség,


Köszönöm a figyelmet


Termális infravörös felvételek

A 6-os sáv már a termális infravörös tartományba tartozik, ahol már nem a Nap visszavert sugárzása, hanem a testek saját hőmérsékletének emissziója érzékelhető. Terepi felbontás 120x120 méter.


Ellenőrizetlen osztályba sorolás Klaszterezés A talajok fizikai típusa hatással van a talajok felmelegedésére és közvetett (kismértékű, de kimutatható) módon a légkör felszínközeli rétegeinek hőstruktúrájára. A kimutatható összefüggés nem jelent mást, mint hasonló módon történő viselkedést, a földrajzi tér meghatározott részében. Azonban a termális sávban készült felvétel, egy pillanat eredménye, amikor nem egy folyamat figyelhető meg (és így a talajok hasonló viselkedési struktúrái) hanem az adott sugárzási intenzitás.

Nincsenek prekoncepciók A program önállóan osztályoz Nincs beavatkozás


Ellenőrzött osztályba sorolás

Tanulóterületek a lézeres mérések alapján


- A talajhőmérsékletek detektálása a növényzet jelenléte miatt nehézkes

- Mindig a felszínre vetítjük a hőmérsékleteket, de az algoritmusok nem tökéletesek

A növényzet hatásai a detektálásra: -árnyékolás (növényzet magassága, sűrűsége) -párologtatás - jelentős felületi (levélen) vízfelületek


A talajtípusok és az éghajlat-időjárás modellezésének végső állomása egy összetett flash-flood előrejelzési modell megalkotása. Ennek csak egyik összefüggését jelenti a talaj-levegőhőmérséklet, talaj-csapadék rendszer elemzése.

Egy összetett mérőhálózat rendszer kiépítését tervezzük a kiválasztott mintaterületen,ahol pontosan kimért mérőhálózatban észleljük a talaj, a levegő, valamint a csapadék egymásra hatását.

A meteorológiai modellek talajtani megalapozása térinformatikai módszerek segítségével

Recommend Documents