A planetáris határréteg szerkezete, felszín-légkör kölcsönhatások
Tartalom 1. Mi a mikrometeorológia? 2. A PHR szerkezete
Weidinger Tamás
3. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer, lezárási hipotézisek 4. A keveredési rétegvastagság modellezése 5. A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdési folyamatai, a fluxusmérések módszertana
ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék
6. Ajánlott témakörök A szerzı köszönetet mond a és a a TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 pályázat támogatásáért
A Föld-légkör rendszer energiaháztartása
A nagyskálájú idıjárási jelenségek, illetve az általános cirkuláció mozgásrendszereinek fejlıdéséhez szükséges energia túlnyomórészt a planetáris határrétegen keresztül kerül a légkörbe. (Arya, 1988) A mikro- és mezoskálájú folyamatok fejlıdésében a felszín – mint termikus és mechanikus kényszer – szerepét, energiaháztartását, a turbulens kicserélıdési folyamatok jelentıségét, természetességénél fogva nem kell külön hangsúlyozni.
A párolgás a Napból jövı energia 23%-a, a szenzibilis hıszállítás pedig a 7%-a
A planetáris határréteg szerkezete
AAkonvektív konvektívhatárréteg határréteg jellegzetes jellegzetesprofiljai profiljai z
z(m)
Szabad Légkör
2000 Szabad légkör Beszívási zóna
Átmeneti réteg
Konvektív határréteg Felszíni réteg Dél
A ktuális
1000
Beszívási zóna
Felsı inverzió Beszívási zóna
Napnyugta
Konvektív Stabil (éjszakai) határréteg határréteg Felszíni réteg Felszíni réteg Éjfél
Napkelte
Dél
Geosztrófikus
Felhõréteg
Keveredési réteg
Felszíni réteg Θ
u
c
r
Tényleg, hogy fúj a szél?
AAstabilis stabilishatárréteg határréteg jellegzetes jellegzetesprofiljai profiljai z Szabad légkör Megmaradó beszívási zóna Aktuális Átmeneti réteg
Stabil (éjszakai) határréteg Geosztrófikus u
Θ
A nappali és az éjszakai határréteg szerkezete. Milyen különbségeket látunk? Miért hasonló szerkezető a földi és a marsi határréteg?
u, u,v, v,w, w,p, p,T, T,ρρ,, ρρvv,, qq== ρρvv//ρρ
R/cp ΘΘ=T(p =T(p00/p) /p)R/cp
A termodinamikai egyenlet:
Lezárási probléma
d Θ Θ 1 dQ = . dt T c p dt A kontinuitási egyenlet: → dρ = − ρ div V . dt
A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet:
dq 1 = M . dt ρ
_
x = x + x', y = y + y', x = x , y' = 0 xy = x y + x ' y '
∂x ∂ x = ∂s ∂s
A meteorológiai elırejelzésekben az átlagértékek idıbeli változását vizsgáljuk, erre írunk fel egyenleteket DE megjelennek a második momentumok is. Több az ismeretlen, mint az egyenlet – Le kell zárni az egyenletrendszert. n-ed rendő lezárás
Az állapotegyenlet:
pα =
p = RT ρ
n-ed rendő momentumokat használunk.
A A turbulens turbulens kicserélıdés kicserélıdés
A határréteg szerkezet mérése pilótanélküli repülıgéppel
Fluxus Fluxus == c’c’w’ w’ ==cc** uu**==KK (∆c (∆c//∆z) ∆z)
Hasznos teher: 3 kg Tervezett szenzorok: GPS, 3D pozíció mérése hımérséklet, nedvesség, légnyomás,szélsebesség, Sugárzás, infrahımérséklet, aeroszol mintavevı Tesztrepülés 2012 VI. negyedév
Ha Haaatalaj talajill. ill. növényzet növényzet az azadott adott tulajdonság tulajdonságnyelıje nyelıje
Példák UAV alkalmazásra: Carlo T200 (University Braunschweig, Spiess et al., 2007)
Együttmőködés a Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülı és Légvédelmi Tanszék Repülésmeteorológiai Laboratóriumával 2012-2013. TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 Kritikus infrastruktúra védelmi kutatások „A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg”.
Tervezett meteorológiai mőszer-együttes Mért mennyiség
Mőszer típusa
Ár [Ft]
Hımérséklet, relatív nedvesség
Vaisala HMP50 (Campbell)
105 000
Hımérséklet, relatív nedvesség
SHT75, digital humidity and temp.
10 000
Pillanatnyi hımérséklet
Vékonyfilm termoelem
21 000
Infra hımérséklet
MLX90614 infra hımérı
11 500
Nyomásmérı
MEMs Barometric Pressure sensor
7 000
Sugárzás mérleg komponensek
IESRE Two-channel reflectometer
35 000
Szélsebesség
Airspeed V3 microsensor
Szélsebesség pillanatnyi értéke
5 pontos nyomás-mérı fejlesztés
380 000
Aeroszol mintavevı
M-Dust II
128 000
Pozíció és helyzetjelzı
D2523T Helical GPS, DIYDrones
Sugárzásmérı Sebességmérı
A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület
Infra hımérı
18 000
66 000
Vékonyfilm hıelem
Mikrometeorológiai mérések Erdıhátpuszta 1950-1965 Talaj mintavétel
Erdıhátpusztai Mikroklímakutató Állomás
Kelemenszék
… a mikroklimatikus kutatás mégis inkább csak az utolsó tíz évben nyert nagyobb lendületet, különösen a modern ökológiai növényföldrajzi kutatásokkal kapcsolatban (Bacsó Nándor és Zólyomi Bálint 1934, Mikroklíma s növényzet a Bükk-fennsíkon, Idıjárás, 1934) Meteorológiai mérıkert
A A felszíni felszíni energiamérleg, energiamérleg, turbulens turbulens áramok áramok Rn Rn --G G==HH++LE LE++Res Res Rn Rn––sugárzási sugárzásiegyenleg egyenleg
GG––talajba talajbajutó jutóhıáram hıáram
HH––szenzibilis szenzibilishıáram hıáram
LE LE––latens latenshıáram hıáram
Res Res--maradéktag maradéktag
Turbulens Turbulens áramok áramok meghatározása meghatározása
Direkt árammérések: 5-20 Hz mérési frekvencia Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5-20 Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében Profilmérés: 5 - 30 perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása Energiaháztartási mérések:
Rn +G + H + LE = ( 0 )
Kamrás mérési technika: ismert tétfogatú kamrában mérjük a koncentráció változását.
Módosított Módosított Bowen-arány Bowen-arány módszer módszer B=
=
Fc FT
Egy skalár fluxus és a hımérséklet fluxus aránya
w'c ' w 'T '
Eddy kovariancia (gyors szenzorok)
K [C ( z1 ) − C ( z2 )] = c K H [T ( z1 ) − T ( z 2 )]
Direkt Direktárammérı árammérımőszerek mőszerek és ésaz azadatgyőjtı adatgyőjtıegység egység
Gradiens módszer, több szint – profil módszer Relaxációs eddy akkumuláció Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció
=
Cowc ( f lassú ) CowT ( f lassú )
A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárás Bandpass Covariance
Bugac-puszta
O3 és NO koncentráció és fluxusmérés Bugacpuszta EU FP7 ECLAIRE program
Dinamikus kamra NO fluxus méréshez
Dániai Expedíció, 2009
Kamrás mérések
Plexi kamra Helsinki Egyetem
Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel
Dániai Expedíció, 2009
Debreceni mérıállomás Annual variation of surface radiation balance Daily averages Shortwave Balance 350
Longwave Balance
300
Radiation Balance
250
W/m2
200 150 100 50 0 -50
Szonikus anemométer
-100 -150 1
30
59
88
117
146
175
204
233
262
291
320
349
Julian day 2009
Mikrometeorológiai állomás a 2009. májusi dániai (Bjerringbro) EU6 NitroEurope mérési kampányon. Balról jobbra: szonikus anemométer, gradiens mérı oszlop, Wasul-Flux - fotoakusztikus ammóniamérı, csapadékmérı, tápegység és adatgyőjtı modul, sugárzásmérı oszlop (Pogány Andrea felvétele).
A mérési feladatok, s az ahhoz kapcsolódó adatfeldolgozás Milyen kutatási feladatok vannak? Nyomanyag fluxus mérések Bugacon (O3, NO, NOx) (EU FP7 ECLAIRE)
1. Ózon fluxus számítás optimalizálása - Bugac
Barlangi mérıállomás kiépítése (T, Rh, CO2, pH, vezetıképesség, csepegı víz)
2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése
Pilótanélküli repülıre szerelhetı meteorológiai és levegıkörnyezeti szenzorok (TÁMOP pályázat)
4. Szélenergetikai és sugárzási energia becslések verifikálása és pontosítása
3. A légoszlop teljes víztartalmának összehasonlító elemzése
5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata?
Milyen idı lesz a hétvégén?
Köszönöm a figyelmet
