A talaj hatása a légkörre: hazai numerikus modellezési kísérletek áttekintése Ács1 F., Breuer1 H., Horváth2 Á., Laza1 B. and Rajkai3 K. 1ELTE,
Pázmány Péter sétány 1/A., Budapest 2OMSz, Vitorlás u. 17, Siófok 3TAKI, 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. •
E modell határfeltételeinek biztosításához a földfelszíni folyamatok leírására nem volt szükség.
Neumann János az ENIAC gépe mellett
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.
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-VegetationAtmosphere 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 (θf), hervadáspont (θw), a talajnedvesség-tartalom (θ) területi változatossága
Talaj vízkészlet, off-line Ács & Lőke (2001) [L]
Ács & Breuer (2006) [AT]
Ács & Lőke (2001) [AT]
Drucza & Ács (2006) [IJ]
Márfy & Ács (2002) [L]
Ács et al. (2007) [AT]
Ács (2002) [IJ]
Szász et al. (2007) [IJ]
Ács & Szász (2002) [TAC]
Czender et al. (2007) [ASR]
Ács (2003) [IJ]
Mészáros et al. (2009) [AE]
Ács (2003) [BLM]
Breuer & Ács (2011) [AT]
Ács et al. (2005) [L]
Grosz et al. (2011) [Springer]
Ács (2005) [BLM]
Hidy et al. (2011) [Springer]
Fizikai-féleség
Adatbázis
Talaj mélység
Θinh Θf Θw
pH érték Talajnedvesség
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
Adatbázis
Talaj mélység
Θinh Θf Θw
pH érték Talajnedvesség
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
A
HU
B
US
C D E
1
HU
Θ területi változatossága
pF=4,2
pF=2,3
3
inhomogén
2
K=0,5 mm·nap-1
3
inhomogén
2
3
inhomogén
3
homogén
K=0,5 mm·nap-1
FAO
Θw
Θf
1
pF=2,3
1
pF=2,3
pF=4,2 pF=4,2 pF=4,2
4
5·ρ·hy
inhomogén
A/B= érzékenység a talaj adatbázis használatára A/C= érzékenység a θf parametrizálására A/D= érzékenység a Θ területi változatosságára A/E= érzékenység a θw 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 500
o
400 300 200 100
Felszíni hőmérséklet (C)
-2
Látens hőáram (W m )
600
1) 3)
2) 4)
0 0.02 0.08 0.14 0.2 0.26 0.32 0.38 3
-3
Talajnedvesség-tartalom (m m )
38 36 34 32 30 28 26 24 22 20
1) 3)
2) 4)
0.02 0.07 0.12 0.17 0.22 0.27 0.32 0.37 0.42 3
-3
Talajnedvesség-tartalom (m m )
Fizikai-féleség, adatbázis, területi változatosság off-line kísérletek, agyag, homok, erős légköri kényszer a)
-2
500
600 Látens hőáram (W m )
-2
Látens hőáram (W m )
600
400 300 200 100
1) 3)
2) 4)
0
500
b)
400 300 200 1) 3)
100
2) 4)
0
0.05 0.09 0.13 0.17 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 3
-3
Átlagos területi talajnedvesség-tartalom (m m )
0.16
0.22
0.28
0.34
0.4
0.46 3
-3
Átlagos területi talajnedvesség-tartalom (m m )
Fizikai-féleség off-line kísérletek, Θ, ET Kakas-féle adatbázis
Fizikai-féleség off-line kísérletek, O3
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.
1200 HU
PBL height [m]
1000
US 800 600 400 200 0 5:00
6:30
8:00
9:30
11:00 12:30 Time (UTC)
14:00
15:30
17:00
Összehasonlítás: talaj - növény 2007.05.05., adatbázis - sztómaellenállás 2.5
Csapadékintenzitás [mm/h]
A 2
B P
1.5
Q 1
0.5
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)
Csapadékintenzitás [mm/h]
2.5
A
2
B
N1
1.5
1
0.5
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 (T2) 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.
