Agroökológia és agrometeorológia

DEBRECENI EGYETEM - ATK Agrometeorológiai és Agroökológiai Monitoring Központ

Agroökológia és agrometeorológia

Mezőgazdasági mérnök BSc. II. évfolyam Levelező tagozat - Partium

Meteorológiai sugárzástan

A sugárzástan alapjai Az éghajlati rendszer energiaforrása: a Napban lejátszódó termonukleáris reakció: - elektromágneses - korpuszkuláris sugárzás Testek sugárzása: minden 0 K-nél magasabb hőmérsékletű test energiát bocsát ki és nyel el Sugárzás meteorológiai értelemben: - napsugárzás: csak a Napból érkező elektromágneses sugárzás - földi felszínek sugárzása: elnyelés és emittancia

Az elektromágneses sugárzás jellemzői • az elektromágneses mező rezgése • az energiaszállítást az elektromágneses hullámok végzik • a hőenergiává alakuláshoz anyag szükséges • elnyelődésekor a sugárzási energia hőenergiává alakul • minden irányban terjed a forrásából, közvetítő közeg nélkül is • anyagi- és hullámtermészete is van

A napsugárzás jellemzői Spektruma, hullámhossza: 10-9 µm-től 109 µm-ig terjed (1 µm=10-6 m) Meteorológiai szempontból lényeges tartomány: 10-1-102 µm között (ultraibolya , látható fény, infravörös)

Rövidhullámú sugárzás: a Napból jövő (szoláris) sugárzás Hosszúhullámú sugárzás: a földi (terresztriális) sugárzás A napsugárzás a légkörön való áthaladáskor számos módosulást, veszteséget szenved: elnyelődés (abszorpció), szóródás (diffúzió), visszaverődés (reflexió)

1: direkt

2: diffúz 3: visszavert napsugárzás

A felszín sugárzási egyenlege • A rövidhullámú sugárzás a légkörben közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) sugárzás formájában éri el a felszínt • Globálsugárzás (S) összetevői: közvetlen és szórt sugárzás összege • A beérkező és visszavert rövidhullámú sugárzás hányadosa az albedó. Az albedó (a) 0 és 1 közötti értéket vehet fel. (0 maradéktalan elnyelést jelent) • Rövidhullámú sugárzási egyenleg: a besugárzásból kivonjuk a felszín által visszavert sugárzás mennyiségét. Rrh = Rg - Rrefl • Hosszúhullámú sugárzási egyenleg: a légköri visszasugárzás és a kisugárzás különbsége. Rhh = Rlv - Eki

Sugárzás mérés Napsugárzás intenzitás mérés

Napfénytartam mérés

a) Direkt sugárzás

a) Campbell-Stokes

• Pirheliométer - direkt (Abbot-féle, Angström-féle) • Aktinométer – relatív (Michelson-Martin, Linke-Feussner) b) Rövidhullámú sugárzás • Piranométer (Kipp&Zonen, Moll-Gorczynski) c) Hosszúhullámú sugárzás • Pirgeométer d) Teljes sugárzás • Pirradiométer

b) intenzitás mérésekből

A napfénytartam Napos órák száma függ: – Csillagászati tényezők: földrajzi szélesség nappal hossza – Orográfiai tényezők: horizontkorlátozás – Meteorológiai tényezők: felhőzet, légkör áteresztőképessége Mérése: Campbell-Stokes-féle napfénytartammérő Intenzitásmérések alapján (napos óra: 120 W/m2 <)

A levegő és a felszín hőmérséklete, hőgazdálkodása

A hőmérséklet mint fizikai mennyiség • az anyag részecskéinek hőmozgásával arányos állapothatározó • intenzitást jelölő mennyiség • nagysága a testek/anyagok közötti hőközlési folyamatok egyenlege: - Hősugárzás (radiáció, pl. a Nap rövidhullámú sugárzása) - Hőáramlás (konvekció, pl. tengeráramlások, szél) - Hővezetés (kondukció, pl. talaj hőátadása a levegőnek) • A hőközlés hatásfokának alapja a hőkapacitás, mely függ: - az anyag fajhőjétől - az anyag sűrűségétől

A hőmérséklet mint fizikai mennyiség Néhány anyag hőtani paraméterei:

A hőmérséklet mint fizikai mennyiség Számszerűsítésének fontosabb alapegységei: Kelvin (T [°K], abszolút hőmérséklet):

T = t+273,15 °C

Alappontja (0°K): abszolút 0 fok, azaz -273,15 °C 1°K = 1 °C

Celsius (t [°C]): alappontja: a víz olvadáspontja 1°C: a víz olvadás és forráspontja közötti különbség 1/100-része

Fahrenheit (f [°F]):

f = t*9/5+32

alappontja: a szalmiákszesz-keverék olvadáspontja (-17,78 °C) 1°F: fenti keverék o.p.-jának és az emberi test hőmérséklete közötti különbség 1/96-része

Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát meghatározó tényezők: • gömb forma

Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát meghatározó tényezők: • tengelyferdeség

Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben A Föld hőforgalmát befolyásoló tényezők: • felszíni heterogenitás ~ albedó -víz/talajfelszín - domborzat - kőzet -talajtípus -talajállapot - növényzet -beépítettség foka

• felhőzet, légköri hatások

Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben Földi hőcsere-mechanizmusok: • lokális légkörzés

Hőmérséklet a talaj-légkör rendszerben Földi hőcsere-mechanizmusok: • globális légkörzés • globális vízkörzés

A hőmérséklet mérése Az agrometeorológiában használt hőmérsékleti kategóriák: (tér-dimenzió szerint)

•Talajhőmérséklet: tipikus mérési szintjei:

•Léghőmérséklet Árnyékolt:

- Felszíni talajhőm.: -0,02 m – -0,25 m

- fűszinti ~ (0,05 m)

- Mélységi talajhőm.: -0,5 m – -2,0 m

- talajközeli ~ (0,5 m)

•Felszíni hőmérséklet: - talajfelszín hőmérséklete - növényi felszínek hőmérséklete - állati testfelület hőmérséklete

távérzékelt, infra-, illetve kata-hőmérséklet

- „állomási” ~ (nedves ill. száraz, 2,0 m) - magassági ~ (2,0 m<)

Árnyékolatlan: - Radiációs minimum ~ (0,05 m)

A hőmérséklet mérése Az agrometeorológiában használt hőmérsékleti kategóriák: (idő-dimenzió szerint)

• Pillanatnyi hőmérséklet • Átlaghőmérséklet („valódi” – azaz 24 adatos, ill. 2, 3, 4 adatos) • Szélső értékek: minimum és maximum • Hőingás

Hőátlagok vonatkoztatási időszakai: • 10 perces, 1 órás átlaghőmérséklet • 1 napos, pentád-, dekád-, havi ~ • éves, sokéves ~ (jelenlegi referencia időszak: 1981-2010.)

A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Hőmérők csoportosítása •Kontakt hőmérők -Mechanikus

•Nem kontakt hőmérők IR (infra) hőmérők

- gázhőmérők

- hagyományos infra hőmérők

- folyadékhőmérők

- infra kamerák

- fém (bimetall) hőmérők -Elektromos - termoelem hőmérők - ellenállás hőmérők - termisztorok

A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök

Állomási hőmérő:

A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Hőmérséklet-regiszterek: • Termográf (hőmérséklet-író)

• Elektromos hőmérőelem + adatgyűjtő


Minimum-maximum hőmérő: • Six-féle • Fuess-féle


Talajhőmérő:

A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: Az agrometeorológiában használt mérőeszközök Infra hőmérő:

Infra kamera:

A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérésének eszközei, műszerei: A hőmérséklet mérésének kiegészítő eszközei Árnyékolók: Stevenson-féle hőmérőház előny: tágas, sokféle műszer elhelyezhető hátrány: tömege, hőtehetetlensége nagy Tányéros árnyékoló előny: könnyű, kis hőtehetetlenségű, kis méretű, olcsó, könnyen szerelhető, mozgatható

A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet jellemző napi menete

A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet jellemző éves menete (adatok: Debrecen-Repülőtér)

A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérséklet változása a magassággal: a troposzférában átlagosan 0,65°C/100 m

A hőmérséklet változása időben és térben A hőmérsékleti inverzió agrometeorológiai jelentősége: Típusai kialakulás szerint: • kisugárzási (tavasszal és ősszel) • zsugorodási (téli „hidegpárnás” helyzet)

Gyakorlati jelentősége: •Fagylefolyás: - passzív fagyvédekezés - termőterület helyes megválasztása (hegylábi, dombvidéki termőterületeken) - aktív fagyvédelem - légterelés, melioráció termőhelyi adottságok módosítása •Köd-, inverziós záróréteg képződés - aktív fagyvédelem ( helyi ködképzés, füstölés) - vegetációban növényvédelmi vonatkozások

A hőmérséklet változása időben és térben A klímájára jellemző kardinális hőmérsékleti értékek

Agronómiai (termeszthetőségi, illetve hőstressz) szempontból lényeges hőmérsékleti jelzőszámok: Zord nap:

tmin<=-10 °C

Téli nap:

tmax<=0 °C

Fagyos nap:

tmin<0 °C

Nyári nap:

tmax>=25 °C

Hőségnap:

tmax>=30 °C

Forró nap:

tmax>=35 °C

tmin= napi minimumhőmérséklet tmax= napi maximumhőmérséklet

A hőmérséklet változása időben és térben

*USDA-ekvivalens „plant hardiness” zónatérkép

A levegő mozgása: a légnyomás és a szél

A száraz levegő termodinamikája nyomás

• Egységnyi felületre ható nyomóerő (N/m2) • A légkör nyomásával a tengerszinten 760 Hgmm tart egyensúlyt • = 101325 N/m2 = 105 Pa = 1013,25 mbar

Légköri nyomás

A légkör tömegének 90% alsó 15 km rétegben van

A légkörben ható erők Külső erők (légkör nélkül is hat)

Belső erők (légkör jelenlétéből következnek)

Egyenlőtlen légnyomás eloszlásból származó nyomási gradiens erő

• A Föld tömegéből következő gravitációs erő

•

• A Föld forgásából származó Coriolis erő

• Belső és külső súrlódásból származó súrlódási erő • Görbült mozgások miatt fellépő centrifugális erő

A szél kialakulásának okai •Föld gömbölyű •Ráeső sugárzás különböző mértékben hasznosul nyomás különbségek •Forog a tengelye körül •Hőszállítás

Globális áramlási rendszer

Légmozgás a talajmenti térben A talaj menti térben a levegő mozgása irányítja az érezhető (szenzibilis) hőenergia és a különböző anyagok (pl. CO2, víz, pollen, szennyezőanyagok, stb.) terjedésének sebességét is. A szélsebesség alakulása a függőleges mentén: A felszíni súrlódás mértékét meghatározza: - a felszín érdessége - a felszínnel érintkező gáz sűrűsége - az áramlás sebessége.

Felszín érdessége

Szél a növényállományban

A levegő mozgásának főbb mérési elvei és eszközei

A szélsebességgel kapcsolatos definíciók

• Nagysággal és iránnyal rendelkező vektormennyiség • Szélút: az a távolság, amelyet vízszintesen egy képzeletbeli pont egységnyi idő alatt a légáramlás segítségével megtesz. • A választott átlagolási időegységen belül mért legnagyobb szélsebesség a széllökés, amely a felszín közeli légmozgások turbulens jellegéből adódik. • A szélnyomás nagysága a szélsebesség négyzetével arányos. Hatását magas, nagy légellenállású építmények tervezésénél is számításba kell venni.

Mértékegysége • A szélsebesség mértékegysége : m/s, km/h, csomó(knots)/h, mérföld/óra. Érdemes tudni, hogy: 1m/s = 3,6 km/h = 2.237 mérföld/óra = 1,944 csomó.

Szélrózsa

Megfigyelt szélsebesség

5 csomóra kerekítve

0-2 csomó 0-2 mérföld

Megfigyelt szélsebesség

5 csomóra kerekítve

0 csomó

38-42 csomó (44-48 mérföld)

40 csomó 20 m/s


5 csomó


45 csomó


10 csomó 5 m/s


50 csomó 25 m/s


55 csomó


15 csomó

Alkalmazott szimbólum


20 csomó 10 m/s


60 csomó 30 m/s


25 csomó


65 csomó


30 csomó 15 m/s


100 csomó 50 m/s

35 csomó

102-107 csomó (119-123 mérföld)

105 csomó


Alkalmazott szimbólum

Szélsebesség

Beaufort kategória kt

km/h mph

m/s

Átlagos szélsebesség

Leírás

(kt / km/h / mph)

Hullámmagasság

Tengeri viszonyok

Szárazföldi viszonyok

m

0

0

0

0

0-0.2

0 / 0 / 0

Szélcsend

0

Sima tenger.

Szélcsend. A füst függőlegesen felszáll.

1

1-3

1-6

1-3

0.31.5

2 / 4 / 2

Gyenge légmozgás

0.1

Fodrozódik hab nélkül.

A szélmozgás látható a füstön

2

4-6

7-11

4-7

1.63.3

5 / 9 / 6

Könnyű szellő

0.2

Kis hullámok. A tarajok üvegesek, de nem buknak át.

A szél érezhető a bőrön, a levelek suhognak

3

710

1219

812

3.45.4

9 / 17 / 11

Szelíd szél

0.6

Nagy hullámok. A hullámtarajok kezdenek átbukni, elszórtan fehér a teteje.

Levelek és kisebb gallyak állandóan mozognak

4

1116

2029

1318

5.57.9

13 / 24 / 15

Mérséklet szél

1

A hullámok alacsonyak, de egyre hosszabbak.

A füst és lebegő papír emelkedik. A kisebb ágak mozogni kezdenek.

5

1721

3039

1924

8.010.7

19 / 35 / 22

Élénk szél

2

Mérsékleten (1.2m) hosszú hullámok Néhány taraja habzik és tajtékzik.

Kisebb fák billegnek

6

2227

4050

2531

10.813.8

24 / 44 / 27

Erős szél

3

Nagy hullámok átbukó tarajjal, amelyek néha tajtékzanak.

Nagyobb ágak mozognak Drótok felett fütyül a szél. Nehéz használni az esernyőt.

7

2833

5162

3238

13.917.1

30 / 56 / 35

Nagyon erős szél

4

Viharos tenger. A tajtékzó hab csíkokba rendeződik

Az egész fa mozog. Erőfeszítés kell a széllel szemben haladni

5.5

Mérsékleten magas, hosszú tarajú hullámhegyek, a tajtékzó hab egyértelműen csíkokba rendeződik

Gallyak törnek le a fáról. Autók irányt változtatnak az úton

7

Magas hullámok (2.75 m) sűrűn tajtékkal. A hullámok teteje átfordulnak. A víz jelentősen szóródik és habzik.

Enyhe veszély az épületekre

A fák gyökerestől kifordulnak. Jelentékeny veszély az építményekre.

8

9

3440

4147

6375

7687

3946

4754

17.220.7

20.824.4

37 / 68 / 42

44 / 81 / 50

Szélvihar

Erős szélvihar

10

4855

88102

5563

24.528.4

52 / 96 / 60

Vihar

9

Nagyon magas hullámok. A tengerfelszín fehér és állandóan hánykolódik. A látótávolság csökken.

11

5663

103117

6472

28.532.6

60 / 111 / 69

Heves vihar

11.5

Szokatlanul magas hullámok

Minden építményre veszélyt jelent.

14+

Óriás i hullámok. A levegő tele van tajtékzó vízzel és habbal. A tenger teljesen fehér. A látótávolság jelentősen csökken.

Súlyos veszély minden építményre

12

>63

>117

>72

>32.7

N/A

Orkán, hurrikán

Szélmérés elvei • Szélsebesség és irány mérése: -külön -együttesen (kombinált műszerek) • További lehetőség: az u, v, és w szélvektorok közvetlen mérése, majd ebből szélirány és – sebesség számolása. • Direkt és indirekt szélmérés lehetséges

Szélzászló • Kiegyensúlyozott aszimmetrikus fémlap • Szél nyomóereje fordítja irányba

Szélzsák- anemoszkóp • igen olcsón teszi szemléletessé az áramló levegő tulajdonságait (lökésességét) • repülőtereken, utak mellett (oldalszél jelzésére)

Wild-féle nyomólapos szélzászló • 150x300mm méretű és 200g súlyú fémlap kilendül • 7 fokozatú Beaufort skála • Szélzászló – aszimmetrikus fémlap fordul a szél irányába

Szélirányjelző • 360° vagy 540° beosztású potenciométerek, • mindegyik irányhoz más más elektromos ellenállás tartozik, így ellenállásmérésre vezetjük vissza a széliránymérést. • 2° pontosságúak • pontos tájolás szükséges

Anemométerek 1. Közvetlen mérés - Rotációs anemométerek • • •

Kanalas Lapátkerekes Propelleres

Szónikus anemométer • A hang terjedési sebessége nyugalomban lévő levegőben a tér minden irányába azonos a talajfelszínhez viszonyítva. A levegő földfelszínhez viszonyított relatív elmozdulása a Doppler-effektus miatt módosítja ezt a paramétert.

SODAR (SOund Detection And Ranging) • A SODAR által kiadott hallható rövid hangimpulzusok a légkör magasságban áramló levegőrétegeiről eltérő időtartam alatt verődnek vissza. • Az 1875Hz frekvenciájú, 340 m/s terjedési sebességű hanghullámok

Szélvektorok különböző magasságokban 2012. 10. 23.

A víz a légkörben; A légnedvesség, felhőzet, csapadék és a párolgás

A víz a légkörben A talaj-légkör rendszer egyszerűsített vízmérlege:

P + ET ± D = 0 P= csapadék

ET= párolgás

D= a talaj által raktározott víz

A víz a légkörben A talaj-légkör rendszer vízmérlege:

A víz a légkörben A vízgőz a légkör változó részarányú, de állandó összetevője, nagy hatású üvegházgáz. Mindhárom halmazállapotában jelen lehet. A légnedvesség számszerűsítése: • Páranyomás: a vízgőz parciális nyomása [mbar, kPa] • Abszolút páratartalom: a légkör egységnyi térfogatában jelen lévő víz tömege [g/m3] • Relatív páratartalom: a levegő aktuális víztartalmának aránya a telített állapothoz viszonyítva [%] • Telítési nedvességtartalom: egységnyi térfogat által maximálisan elnyelhető vízgőz tömege, illetve parciális nyomása [g/m3; mbar, kPa]

A víz a légkörben A telítési páranyomás és a relatív nedvesség függése a hőmérséklettől:

A hőmérséklettel nő a levegő lehetséges legmagasabb abszolút páratartalma (azaz párabefogadó képessége – telítési páranyomása). A telítési (E) és az aktuális (e) páranyomás különbsége a telítési hiány, a levegő „páraéhsége”. Azonos páranyomás mellett a hőmérséklet növelésével csökken, csökkentésével nő a relatív páratartalom (RN).

A víz a légkörben A telítési páranyomás és a relatív nedvesség függése a hőmérséklettől: Azt a hőmérsékletet, ahol adott páranyomású (páratartalmú) levegő telítetté válik, harmatpontnak nevezzük. Az aktuális t és a harmatpont (τ) különbsége a harmatpontdepresszió. Minél kisebb a harmatpontdepresszió, annál nagyobb a telítési arány, vagyis a páranyomás és a telítési páranyomás hányadosa (e/E). Ugyanez egyúttal nagyobb nedvességtartalmat is jelent azonos t mellett.

A víz a légkörben A légnedvesség jellemző értékei, változékonysága

A relatív páratartalom napi menete

A víz a légkörben A légnedvesség jellemző értékei, változékonysága

A páranyomás napi menete

A víz a légkörben A légnedvesség mérése

Eszközei: higrométerek • Abszorpciós higrométerek: - Higroszkópos vegyületet tartalmazó ~ (CaCl2, H2SO4, P2O5) - Hajszálas ~ (Fuess-állomáshigrométer, poliméter, higrográfok) - Membrános ~ - Ellenállás- és kapacitív ~

• Pszichrométerek

(August- és Assmann-féle pszichrométer)

• Kondenzációs vagy harmatpont higrométerek


Higroszkópos vegyületet tartalmazó higrométer


Hajszálas higrométer


Higrográf (légnedvesség-író)


Ellenállás- és kapacitív higrométerek, termohigrométerek


Nedves-száraz hőmérőpár (August-féle pszichrométer)


Assmann-féle aspirált pszichrométer (szellőztetett nedves-száraz hőmérőpár

A víz a légkörben A légnedvesség időbeli és térbeli változása által meghatározott jelenségek: • Felhőképződés: telített állapotban a magasabb szintek levegőjének nedvességtartalma kicsapódik, páracseppek keletkeznek • Ködképződés: a felhőképződés folyamata a talaj közeli légrétegben zajlik le • Csapadékképződés: felhőben vagy ködben az igen apró páracseppek kondenzációs magokra kicsapódva „felhőelemeket” hoznak létre • Párolgás, párologtatás: a párolgó felületek, illetve a növényzet körüli levegő telítési hiánya megszabja a párolgási, párologtatási folyamat intenzitását

A víz a légkörben A felhő- és ködképződés: A levegőnek telített állapotot (relatív nedvesség=100%) kell elérnie: - t csökkentése - abszolút nedvességtartalom növelése Lehetséges módjai: • Nedvesség-advekció, konvergencia (időjárási frontokhoz kapcsolódnak) • Lehűlés - hideg advekció - emelkedés (frontok mentén, konvektív úton vagy orografikusan) - kisugárzás által (talaj közelében ködképződés)

A víz a légkörben Advekció, frontális emelés

A víz a légkörben Orografikus (domborzati) emelés

A víz a légkörben Konvektív emelés

A víz a légkörben Köd képződésének módjai

Kisugárzási

Advektív

A víz a légkörben Csapadékképződés Feltétele: felhőelemek létrejötte - a felhő kétfázisúból (folyékony-légnemű) három fázisúvá válása (jégcsírák) - kicsapódási (kondenzációs) magvak jelenléte - kellő további nedvességtartalom a felhőelemek növekedéséhez A közbenső részfolyamatok: - ütközés

Csapadék hullásának feltétele:

- szétválás - kondenzáció - átpárolgás - párolgás - szublimáció

Felfelé irányuló légmozgás

˂

Gravitáció

A víz a légkörben Csapadékformák osztályzása Halmazállapot Szilárd

Átmeneti

Folyékony

Képződés szintje

havas eső Magassági

hó

hódara

jégeső

ónos eső

eső

fagyott eső

Talaj közeli

dér zúzmara

harmat

A víz a légkörben A csapadék jellemzésére szolgáló mutatók: • Csapadékösszeg (leggyakrabban napi, havi, éves, sokéves) • Intenzitás (mm/h) • Gyakoriság (időszak csapadékos napjainak száma) • Eloszlás: - térbeli (érintett területek nagysága, egybefüggősége) - időbeli (csapadékos és csapadékmentes időszakok aránya, egyenletessége)

A csapadékmennyiség értelmezése: 1 mm csapadék elfolyás, elszivárgás nélkül a talajt 1 mm vastagságban borítaná be 1 mm csapadék = 1l víz/m2 Hócsapadék vízegyenértéke: 1 cm friss hó kb. 0,3-1,5 mm csapadékvíznek felel meg

A csapadék mérése Hulló csapadék mérése: • Csapadékmérő gyűjtőedények - Hellmann-féle csapadékgyűjtő - Mougin-féle csapadékgyűjtő (totalizatőr)

• Csapadékíró műszerek(ombrográfok) - Hellmann-féle úszóhengeres csapadékíró - Anderkó-Bogdánffy-féle mérleges csapadékíró

• Automata csapadékmérők -Billenőcsészés csapadékregisztráló - Súlymérés elvén működő csapadékregisztráló - Elektromos csapadékjelző

Mikrocsapadék mérésére szolgáló műszerek: •Harmatmérlegek •Zúzmaramérők

A csapadék mérése

Hellmann-rendszerű csapadékmérő


Hellmann-féle úszóhengeres csapadékíró


Billenőcsészés csapadékmérő automata


Súlymérés elvén működő csapadékregisztráló + elektromos csapadékindikátor


Zúzmaramérő

A párolgás, párologtatás • Párolgás (evaporáció, E): a talaj, vizek, növényzet felületéről pusztán fizikai folyamatok által meghatározott módon levegőbe jutó vízpára • Párologtatás (transpiráció, T): a növények szöveteiből a sztómákon át élettani folyamatok által szabályozott módon a levegőbe jutó vízpára • Evapotranspiráció (ET): a növényzettel borított természetes felszínek párolgásának összessége; az evaporáció és a transpiráció összege

Jellemző értékei: - potenciális evapotranspiráció(PET) - tényleges evapotranspiráció(TET)

A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei Referenciafelület a szabad vízfelület: Párolgásmérő kádak: - A-típusú - G-típusú - U-típusú

A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei Referenciafelület a csupasz, vagy növényzettel borított talaj felülete: Evaporiméter: edényben álló csupasz felületű talajmonolit vízbevételét és veszteségét mérve vízmérleg számolható Liziméterek: növényzettel borított talajszelvény párolgásának mérésére szolgálnak • súlyliziméterek: a vízmérleg alapja súlymérés - mechanikus - elektronikus - hidraulikus - úszó • térfogati liziméterek: a vízbevétel és vízveszteség térfogatának méréséből számítható a PET nagysága

A potenciális evapotranspiráció mérésének eszközei

Thornthwaite-rendszerű kompenzációs evapotranspirométer

A párolgás jellemző értékei, változékonysága

A potenciális párolgás évi menete

A párolgás jellemző értékei, változékonysága

Az tényleges és a potenciális párolgás éven belüli alakulásának viszonya

A talaj agrometeorológiája: talajnedvesség és a talajok hőháztartása

A talajnedvesség szerepe • közvetlen kapcsolat a talaj szilárd és légnemű fázisával, a növényzet gyökérrendszerével • mennyisége, mozgékonysága és kémiai összetétele befolyásolja a talaj termékenységét

Nedvességformák a talajban I. Kötött víz

II. Kapilláris víz

III. Szabad víz

1. Szerkezeti víz (kémiailag kötött )

1. Támaszkodó kapilláris víz

1. Kapillárisgravitációs víz

2. Adszorbeált víz (fizikailag kötött)

2. Függő kapilláris víz

2. Gravitációs víz

a) Erősen kötött víz

3. Elkülönült (izolált) kapilláris víz

3. Talajvíz

b) Lazán kötött víz

4. Vízgőz

Talaj-víz-növény kapcsolatrendszerben 1. Holtvíz (HV) (növények számára nem hasznosítható, gyökér szívóerejénél erősebben kötött)

2. Hasznosítható (diszponibilis) víz (DV) (növények számára hozzáférhető)

Talajnedvesség mérése a) Szárítószekrényes (gravimetrikus)

Nt%

Gn − Gsz = *100 Gsz

Nt% = nedvességtartalom tömeg %%-ban Gn = nedves talajminta tömeget Gsz = száraz talajminta tömege.

b) Tenziométeres A nyomásmérés mechanikus úton történik. Mérési tartomány: 0-99 cbar. A standard tenziométerek 15-150 cm hosszúságban kaphatók.

Jet-fill tenziométerek

c) TDR (Time Domain Reflectometry) talaj-nedvesség mérők 12 cm-es vagy 20 cm-es szonda rudak volumetrikus víztartalom és öntözési menedzsment mód Elve: elektromágneses impulzusok visszatérési ideje függ a víztartalomtól

d) Neutronszóródásos (γ-sugár-gyengítéses) talajnedvesség mérés Rendkívül pontos gyorsneutronok a talajban

H atomokon ütköznek

érzékelő

A visszavert lassú neutronok száma arányos a vízmolekulák számával, vagyis a talajnedvességgel.

e) Dielektromos állandó mérése a kondenzátor lemezek közötti vezetőképesség a lemezek közötti talaj nedvességtartalmával szorosan összefügg egyszerű és gyors eljárás nagy sótartalmú pl. szikes talajokon a mérés megbízhatatlan

+

-

AQUATERR talajnedvesség mérő kézi működtetésű nyomószonda a mérendő talajnedvességgel arányosan a dielektromos állandó mérhető

A talaj vízkapacitása Vízkapacitás: az a vízmennyiség, amit a talaj különböző körülmények között befogadni és/vagy visszatartani képes • Szabadföldi (VKsz) • Maximális (VKmax) • Minimális (VKmin) VKsz ≥ VKmin • Kapilláris (VKkap) (10 cm magas oszlopban)

A talajok nedvességforgalma 1. Beszivárgás Szakaszai: 1. Felületi beázás, a talajfelszín benedvesedése, a víz összegyülekezése a felszíni egyenlőtlenségekben. 2. Gravitációs beszivárgás a nagy pórusok, repedések, a gyökér- és állatjáratok feltöltődését jelenti. Ezzel egy időben, esetleg időben kissé eltolódva történik a kapilláris beszivárgás a kisebb járatokba. 3. Beszivárgás a réteg teljes telítődése esetén, amikor a beszivárgás minimumra csökken, lassan megállapodik és gyakorlatilag egy állandó értéket vesz fel. A Horton féle beszivárgási modell

Vízbefogadás szakaszai: 1) Vízelnyelés 2) Áteresztés-vezetés Beázási profilok

A nedvesség eloszlása a talaj profilban

1=eredeti nedvességprofil, 2= közvetlenül a vízadagolás megszüntetése után, 3=a víz szétoszlása után (24 óra múlva) 4= 3nappal a beázás után; A = vályog; B = homokos vályogtalaj

2. Száradás Oka: • evaporáció (talaj párolgása) • transzspiráció (növények párologtatása) növényzettel borított területen - evapotranszspiráció Befolyásolja: • talaj mozgékony vízkészlete és kapilláris vezetőképessége • légmozgás (szél) • felszínt érő hősugárzás intenzitása és időtartama • növényzet (faj-fajta, fejlettségi állapot, állománysűrűség)

A vízháztartás típusát a talajszelvényre ható input és output elemek számszerű értéke és egymáshoz viszonyított mennyisége (a vízmérlegek) alapján lehet megállapítani.

Egy terület egyszerűsített vízmérlege a következő elemekből áll: [PM + Pm +RO++ROu++ CR+I] – [ET+ RO- + ROu- + DP +In] = ΔR PM= hulló csapadék

ET= párolgás

Pm= felszín közelében képződő csap.

RO-= felszíni elfolyás

RO+= felszíni hozzáfolyás

ROu-= felszín alatti elfolyás

ROu+= felszín alatti hozzáfolyás

DP= mély leszivárgás

CR= kapilláris vízemelés

In= növények által felfogott víz (intercepció)

I= öntözővíz

ΔR= a talaj /levegő rendszer vízkészletében beállt változás

A talaj vízforgalmának és vízmérlegének elemei

A talajok vízforgalmának alaptípusai: Erős felszíni lefolyás típusa

Egyensúlyi vízmérleg típusa

Kilúgozásos típus

Párologtató vízforgalmi típus

A talajok vízgazdálkodása Vízgazdálkodás

Talajtermékenység

• Termesztett növények víz- és levegőellátottsága • Talaj biológiai aktivitása • Agrotechnikai módszerek meghatározása (cél: termékenység fokozása) Pl. talajművelés, öntözés, vízelvezetés, talajjavítás

A talajok hőháztartása Szerepe: • növények csírázása, növekedése, légzése, tápanyagfelvétele • mikrobiológiai folyamatok intenzitása • tápanyagfeltáródás üteme • talajképződés folyamatainak sebessége A talaj hőmérsékletét befolyásolja: • beérkező és távozó hő egyensúlya • talaj hőtani jellemzőit kialakító tulajdonságok

Érkező energia forrása: a) napsugárzás intenzitása függ: - földrajzi helyzet - tengerszint feletti magasság - lejtős területen kitettség befolyásolja: - növényi fedettség - talajfelszín színe és szerkezete b) talajban lejátszódó kémiai és biológiai folyamatok c) kéreg mélyebb rétegeiből hővezetéssel érkező geotermikus energia (geotermikus gradiens) átlagban 33 m-ként 1°C nálunk 15-20 m-ként 1°C

Hőveszteség: - atmoszférába történő hosszú hullámhosszú sugárzás - talajfelszínről történő párolgás - mélyebb rétegekbe történő hővezetés

Hőfelvevő képesség függ: - víz- és levegőtartalom - hővezető képesség száraz talaj: 0.05-0.4 °C cm-1 min-1 nedves talaj: 0.5-1.6 °C cm-1 min-1 - talajt borító élő és élettelen anyagok (növényzet, avar, hó) - kitettség, lejtőszög

A talajhőmérséklet napi és éves menete

-5

0

5

10

15

20

A talajhőmérséklet időbeli fáziseltolódása és mélységi profilja az év folyamán

Talajhőmérséklet mérése Talajhőmérők Cél: talajhőmérséklet különböző mélységekben való meghatározása Elhelyezési mélység alapján:

A) Felszíni talajhőmérők leolvasás naponta 6-12-18 UTC

B) Mélységi talajhőmérők leolvasás naponta 12 UTC

A talajok hőgazdálkodása Befolyásolja: • talaj szerkezete • talaj víztartalma • talaj levegőzöttsége Laza szerkezetű, levegős talaj – gyorsan felmelegszik, de gátolja az alsóbb rétegek felmelegedését és lehűlését nagy, de kis mélységig terjedő hőmérsékletingadozás Aprómorzsás felszín – csökkenti a talaj felmelegedését gátolja a gyors hőmérsékletváltozást

Különböző talajtípusok hőgazdálkodása Homoktalajok

Vályogtalajok

Kis belső felület Kis vízmennyiséget (150-250 mm/m) képesek visszatartani

250-300 mm/m víz visszatartása a nehézségi erővel szemben

Agyagtalajok Nagy az abszorbeáló felület 350-450 mm/m víz visszatartása

Kicsi hővezető képesség Harmonikus hővezető Magas hővezető és hőkapacitás képesség és hőkapacitás képesség és hőkapacitás Szélsőséges hőmérsékletek kialakulása a felső talajrétegben

Kiegyenlített hőmérsékletek Leghosszabb tenyészidőszak

Hideg talajok Legrövidebb tenyészidőszak

A növényállományok és a klíma kölcsönhatásai; Fenológia, fenometria

A hőmérséklet hatása az élő szervezetekre A biológiai aktivitás jeles hőmérsékleti értékei: Minimum: az élőlény számára elviselhető legalacsonyabb hőmérséklet Maximum: az élőlény számára elviselhető legmagasabb hőmérséklet Optimum: tágabb értelemben a két fenti érték közötti intervallum (mind erősen életszakasz-, sőt szervfüggő érték, értelmezhető életben maradásra, vagy aktivitásra)

Hőstresszek: Negatív hőstressz: -Hűlés : 0 °C feletti alacsony hőmérséklet okozza, lehet reverzibilis, vagy letális -Megfagyás: visszafordíthatatlan szöveti károsodás 0 °C alatt -Felfagyás: a talaj térfogatváltozása a gyökereket károsítja, a növényt a talajból kiemeli -Fulladás: tartós hó, vagy jégréteg alatti oxigénhiányos állapot kártétele -Élettani szárazság: télen is párologtató növények fagyott talajból történő vízfelvétele gátolt

Pozitív hőstressz: - Sejtfehérjék, membránok károsodása: „hőhalál”, többnyire erős napsugárzás is súlyosbítja - Kiszáradás: a vízfelvétel nem fedezi párolgást, lankadás, majd hervadás lép fel

A hőmérséklet hatása az élő szervezetekre Hőegység-rendszerek: a hőmérséklet és a növényi növekedés összefüggésének , azaz a növényi hőigénynek a számszerűsítésére szolgálnak • Tenyészidő hossz: a keléstől (kihajtástól) betakarításig (lombhullásig) tartó hasznos periódus alapján történő termőhely értékelés • Hőösszegek: a bázishőmérsékletet meghaladó napi hőmérsékletek összege bázishőmérséklet: fajra, fajtára jellemző „vitális aktivitási zéruspont” • Hőhatékonysági indexek: a hőösszegzési eljárások módosított változatai, a különböző termőtájak ,éghajlati körzetek adott növényre szabott értékelésére szolgálnak • Élettani indexek: a növény életszakaszainak változó hőigényét számszerűsítik, a klasszikus hőösszeg számításnál pontosabb „hasznos” hőösszeg értéket adnak

A vízellátottság hatása az élő szervezetekre A növényi vízellátottságot jellemző mutatók, fogalmak Vízigény: élettani értelemben a zavartalan életműködéshez szükséges, egységnyi idő alatt felvett vízmennyiség, melynek mértéke időben változó A hőmérséklethez hasonlóan minimum, optimum és maximum jellemzi.

A vízigény, -ellátottság és –többlet fogalmainak kapcsolata

A vízellátottság hatása az élő szervezetekre Vízstresszek: Negatív vízstressz (vízhiány): -Lankadás: átmeneti és/vagy kis mértékű vízhiány, hatása visszafordítható -Hervadás: tartós, súlyos vízhiány következtében irreverzibilis szöveti károsodások lépnek fel

Pozitív vízstressz: - növényeknél közvetve károsít, a levegő relatív hiányát okozva fulladás léphet fel A növények alkalmazkodása a nedvességviszonyokhoz Vízigény szempontjából megkülönböztethető növénycsoportok: • Hidrofitonok: vízigényesek, rossz szárazságtűrők • Mezofitonok: közepes vízigényűek • Xerofitonok: kifejezetten szárazságtűrők

A növényállományok mikroklímája Állományklíma fogalma: A növényállomány energia- és anyagforgalmát meghatározó folyamatok rendszere

Jellemzésének paraméterei: • A főbb meteorológiai elemek napi menete az állomány egyes rétegeiben • A főbb meteorológiai elemek függőleges profilja az állományban • A főbb meteorológiai elemek közötti különbség a növényzet nélküli környezethez képest •Az energiamérleg alakulása az állomány szintjén •A fotoszintetikus aktivitást meghatározó meteorológiai paraméterek alakulása, a fotoszintézis intenzitása

A növényállományok mikroklímája Az állományklímát kialakító tényezők: • Meteorológiai tényezők

• Biológiai tényezők

- Sugárzási viszonyok

- A növény faja, fajtája

- Szélviszonyok

- Fejlettségi állapot

- Csapadékviszonyok

- Egészségi állapot

-Párolgási viszonyok

-Az állomány egybefüggő területe

• Termőhelyi tényezők

• Termesztési (agrotechnikai) tényezők

- Talaj fizikai félesége

- Állománysűrűség

- Talaj vízforgalmi helyzete

- Tápanyagellátottság

- Talaj termőképessége

- Öntözés

-Az állomány területének kitettsége, domborzata

A növényállományok hőmérsékleti viszonyai A növényi szervek felszíni hőmérséklete radiációs hőmérsékletnek felel

meg. Nappal: a levegőnél melegebb

Éjjel: a levegőnél hidegebb

Jelentősége: • káros hőstressz (vízstressz) esetén – gátolt transpiráció • fagyveszély esetén – ugyanakkor a károsodási küszöb nem feltétlenül esik egybe a fagyponttal

Fagy a növényállományokban A növényállomány éjszakai minimum hőmérsékletét meghatározó tényezők: • állományt körülvevő léghőmérséklet • kisugárzás erőssége (légnedvesség, felhőzet) • lejtőviszonyok • a talaj nedvességi állapota • felszíni talajhőmérséklet • a talaj borítottsága • állománysűrűség • állománystruktúra

Fagy a növényállományokban Fagyvédelem módjai:

Passzív: • termőhely, fajta megválasztása • légterelés, fagylefolyás javítása • késleltetett metszés

A fagyok kialakulásának aerodinamikai alapjelenségei

Aktív: • takarás • fűtés • füstölés • fagyvédő öntözés • szélkeltés (átkeverő ill. fagylevezető)

A hőeloszlás az állományban nappal…

….és az éjszaka folyamán

Gyümölcsfajok hőküszöb értékei fagykár szempontjából

A növényállományok hőmérsékleti viszonyai Növényállományok mikroklíma-típusai hőmérsékleti rétegződés szerint fiatal , fejletlen

A

állományok, gabona, zöldségfélék

B

jól fejlett gabona, kukorica,

erdők, zárt szántóföldi

C

állományok (cukorrépa, burgonya)

A hőm. anomáliák idő- és térbeli alakulása különböző szerkezetű állományokban

Fenológia, fenometria Fenológiai alapfogalmak:

Fenológia: a növények életfolyamatainak vizsgálata a növekedés, fejlődés fenotípusos változásainak megfigyelése alapján. Fenológiai (feno-)fázis: a növény életfolyamatának morfológiai jegyek alapján megkülönböztetett pontja, szakasza. Pl. új szervek megjelenése, a szervek számának változása, stb. Vegetációs időszak: a fenológiai szakaszok összessége a vetés/kiültetés/rügyfakadás idejétől a betakarításig/lombhullásig. technológiai érettségig: nem teljes vegetációs időszak biológiai érettségig: teljes vegetációs időszak

Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fenofázisok időpontja és tartama függ: -a meteorológiai elemek értékeinek alakulásától - a növényi igényektől, tűrőképességtől (minimum/optimum/maximum) Optimum: adott tényezőnek a fejlődés szempontjából legkedvezőbb intervalluma Alsó ekvivalens: adott tényező legkisebb/alacsonyabb kritikus értéke (minimum) Felső ekvivalens: adott tényező legnagyobb/magasabb kritikus értéke (maximum) A fenológiában alapvető fontossága a hőmérsékleti ekvivalenseknek van. Alsó ekvivalens Bázishőmérséklet

Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: Bázishőmérséklet (Tb): a vegetációs zéruspont fajspecifikus hőmérsékleti értéke. Az effektív hőösszegszámítás alapja: n

∑T

b

=

∑ (T

i

− Tb )

i

A bázishőmérséklet: - ugyanazon növényfaj, -fajta esetében is függ a termőtájtól - a tenyészidőszak alatt nem állandó - függ a megelőző időszak hőmérsékletétől

Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fejlődés elsődleges meghatározója az effektív hőösszeg. Korlátozó, módosító tényezők: - vízellátottság (közvetve a közeg hőmérsékletére is hat!) - sugárzási egyenleg (megszabja a szárazanyag termelés ütemét) - tápanyagellátottság - stresszorok A fenológiai fázistartam kiszámítása: N= fázistartam T0= napi középhőmérsékletek átlaga a fenofázisban Tb= bázishőmérséklet b= növény- és fázis-specifikus állandó

N =

∑T

0

T 0 − Tb

T ∑ = T0 b

0

Fenológia, fenometria A meteorológiai tényezők szerepe a fenológiában: A fenológiai adatok szemléltetése: Időbeli eloszlás szerint: • Fenológiai naptár • Fenogram Térbeli eloszlás szerint • Fenológiai térkép (izokrón, izoflór)

A kukorica virágzásának kezdete

Fenológia, fenometria Fenometriai alapfogalmak:

Fenometria: az élő szervezet fejlődését jellemző tulajdonságok mérőszámok alapján történő vizsgálata, a fejlődés folyamatának ezek alapján történő leírása Célja: a mérhető állapotváltozás objektív meghatározása. Gyakran alkalmazott mérhető (modellezhető) paraméterei: • Növénymagasság • Biomassza (szárazanyag) tömeg • Levélfelület (LAI – levélfelületi index)

Fenológia, fenometria A növénymagasság Tenyészidőszak alatti változásának leírása: növekedési görbe (logisztikus trendfüggvény)

Fenológia, fenometria A levélfelületi index (LAI) [m2/m2] Kifejezi 1 m2 tenyészterületre eső (aktív vagy összes) levélfelület nagyságát. Meghatározásának módszerei: • Planimetrikus módszer: a levél körvonalát papírra átrajzolva, planiméterrel megállapítható a terület. Az eredményt a befoglaló négyszög területéhez viszonyítva a levélállandót (alaki tényező) kapjuk meg.

• Számítás Montgomery-képlettel: Smax= a levél maximális szélessége hmax= a levél maximális hossza K= levélállandó (osztótényező)

S max ⋅ hmax LA = = k ⋅ (S max ⋅ hmax K

k= levélállandó (szorzótényező) (k=1/K)

LA-t 1 m2 tenyészterületre vonatkoztatva kapjuk a LAI [m2/m2] értékét.

)

Fenológia, fenometria

A különböző levéltípusok alaki tényezőinek értékei

Fenológia, fenometria

A kukorica növénymagassága és LAI értékei közötti kapcsolat

Ajánlott irodalom: Szász G.-Tőkei L. szerk. (1997.): Agrometeorológia mezőgazdáknak, kertészeknek, erdészeknek Mezőgazda Kiadó Budapest. Filep Gy. (1999.): Talajtani alapismeretek I-II. DATE-MTK Debrecen. Baros Z.-Kircsi A.-Szegedi S.-Tóth T. (2006.) Meteorológiai műszerek. szerk: Szegedi S.-Tóth T. Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen

Kapcsolat: DEBRECENI EGYETEM – AGRÁRTUDOMÁNYI KÖZPONT Agrometeorológiai és Agroökológiai Monitoring Központ DE-ATK - Böszörményi úti Campus MAG-Ház - III. emelet

Dr. Dobos Attila Csaba tudományos főmunkatárs III./308 e-mail: [email protected]

Rácz Csaba tudományos segédmunkatárs III./306 e-mail: [email protected], [email protected]

Agroökológia és agrometeorológia

Recommend Documents