NKFP6-00028/2005 BKOMSZ05
Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére
III. Munkaszakasz 2008.01.01. - 2010.07.15.
Konzorciumvezető: Országos Meteorológiai Szolgálat Konzorciumi tagok: Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék Témavezető: Nagy Zoltán A projekt honlapja: http://www.met.hu/palyazatok/merohalozat
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
Tartalomjegyzék A korábbi beszámolási időszakok eredményeinek összefoglalója .............................. 3 Az adott beszámolási időszakra vállalt részfeladatok.................................................. 7 Az adott beszámolási időszakban elkészült feladatok és elért eredmények ................ 9 Módszertani vizsgálatok folytatása a léghőmérséklet-mérések pontosságának növelése érdekében ............................................................................................... 9 A Debrecen-Kismacs és a Debrecen-Látókép mérőállomások működtetése..... .11 A budapesti és kékestetői mérőállomás napsugárzás mérési programjának korszerűsítése, bővítése...................................................................................... .19 Mérőállomások és csapadékmérő automaták telepítése az ország középső és nyugati területén................................................................................................. .22 Hivatkozások, előadások, publikációk...................................................................... .26 A munkaszakasz költségvetése ................................................................................. .31 A projekt monitoring mutatói ................................................................................... .32 Tájékoztatás és nyilvánosság .................................................................................... .34 A kapott támogatás ösztönző hatása ......................................................................... .34 A részt vevő személyek............................................................................................. .35
2
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
A pályázat célja: az Országos Meteorológiai Szolgálat felszíni automata meteorológiai mérőhálózatába integrálva, egy olyan háttérklíma hálózat létrehozása, ahol a mérési körülmények területi reprezentativitás; természetes és mesterséges tereptárgyak zavaró hatásaitól mentes mérési körülmények, melyek hosszú távra is tervezhetők, illetve ismertek -, az alkalmazott mérési módszerek és eszközök, valamint a mérésekhez kapcsolódó adatellenőrzési és karbantartási eljárások, a mérési eredmények olyan, korábban nem elérhető megbízhatóságát, pontosságát, illetve időbeli stabilitását biztosítják, melyek szilárd alapot nyújtanak a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak lehető legpontosabb nyomon követéséhez.
A korábbi beszámolási időszakok eredményeinek összefoglalója I. Részjelentés: A 2006-os év a hároméves projekt első éve, melyben a fő célkitűzés a mérőhálózat telepítéséhez kapcsolódó módszertani megalapozó tevékenység volt. Célkitűzésünk szerint a tervezett mérőhálózatban minden szempontból olyan méréseket végeznénk, melyek a legreálisabb információt szolgáltatják az alapvető klímaparaméterek jövőbeni alakulásáról, változásáról. Ennek érdekében elsődleges fontosságú feladat volt, hogy a mérőhálózat létrehozását megelőzzék a telepítés körülményeire és a mérési programra vonatkozó módszertani vizsgálatok. •
A mérőhálózat optimális felépítésére vonatkozó módszertani vizsgálatok során meghatározásra kerültek a hazai és külföldi körzetesítési tapasztalatok és vizsgálatok, a hazai hőmérséklet- és csapadék trendek eloszlása, valamint az OMSZ állomáshálózata segítségével végzett reprezentativitás vizsgálatok eredményei alapján a legjobbnak tartott körzetek: - Debrecen és környéke; - a Kisalföld déli, délnyugati része, ahol az Alpokaljával érintkezik; - Kecskemét és környéke; - a beérkező mediterrán ciklonok vonalán vagy Barcs, vagy a Mecsek északi része, vagy Szekszárd környéke; - hegyi állomásnak mindenképpen Kékestető megtartása, amennyiben még valamilyen erőforrás marad a Bükk fennsíkon, vagy a Bakony középső részén egy további állomás telepítése ajánlott.
•
Felállítottuk az állomások elhelyezésével kapcsolatos általános követelményeket. Részletes vizsgálatok történtek arra vonatkozóan, hogy a közvetlen környezet hogyan hat a meteorológiai elemekre, hogyan befolyásolja mérésüket. Alapvető fontosságú volt egyrészt, a mérőműszerek hatásterületének vizsgálata - a horizontális reprezentativitás kérdése - másrészt, a műszerek optimális magasságának a megállapítása - a vertikális reprezentativitás - is.
•
Célzott mérőhálózatunk mérési programját, a mérési szinteket és a műszerezettséget a nemzetközi mérési programok tapasztalatai alapján (NitroEurope, FLUXNET) és a hazai éghajlati mérőhálózat ismeretében, állítottuk össze (Gyuró és Nagy, 2006; Oncley, et al., 2006; Barcza et al., 2006). A nemzetközi áttekintés mellett, egyértelműen fontosnak tartottuk, hogy a mérőhálózat telepítését, hazai kutatási eredményeket felhasználó, megalapozó módszertani vizsgálatokkal támasszuk alá, melyek alapvetően a mikrometeorológiai kutatások (felszín közeli rétegek turbulens kicserélődési folyamatai) témaköréhez tartoznak. Ezen vizsgálatokkal azon kérdésekre is választ kaptunk, hogy a talajfelszín hatása hogyan és meddig befolyásolja az alapvető klímaparaméterek mérését, amely alapvető információul szolgált a szüksége mérési szintek meghatározásánál. A célzott mérőrendszer telepítési körülményei, illetve mérési programja, más országok mérőhálózataihoz képest gyakorlatilag tökéletes illeszkedést mutat
•
Adatfeldolgozási stratégia: Az új mérőállomások az OMSZ adatgyűjtő és adatfeldolgozó rendszeréhez kapcsolódnak. Olyan terepi adatgyűjtő-tároló egységre van szükség (lehetőség szerint Campbell CR-5000), ami a műszerek érzékenységéhez a legjobban igazodik. 3
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ •
A léghőmérséklet az egyik legalapvetőbb klímaparaméter, így a légkör klímájának változására vonatkozó megállapítások döntő többsége a hőmérsékleti adatsorok tanulmányozására támaszkodik. Nyilvánvaló, hogy a légkör klímájára vonatkozó reális kép kialakításához döntő fontosságú a léghőmérséklet mérések megbízhatósága. Méréstechnikai szempontból a léghőmérséklet mérések pontosságát alapvetően két tényező befolyásolja. Az egyik, az alkalmazott mérőszenzor mérési képessége, másrészről, a szenzorok elhelyezésére szolgáló árnyékolók milyensége, melyek egyrészt, védik a szenzorokat az időjárás viszontagságaitól, másrészt, kiszűrik a napsugárzás (rövid és hosszúhullámú komponensek) által okozott zavaró hatásokat. Az első tényező esetében aránylag egyszerű a megoldás, mivel a kereskedelmi forgalomban könnyen hozzájuthatunk a megfelelő méréspontossággal rendelkező hőmérő érzékelőkhöz (esetünkben kizárólag ellenállás hőmérők jöhetnek számításba). Egyértelmű tehát, hogy a léghőmérséklet mérések esetében a „gyenge láncszemet” az árnyékolók okozzák, így a mérőhálózatunk felépítésénél a megfelelő, legkisebb hibát okozó árnyékoló szerkezet kiválasztása meghatározó fontosságú a léghőmérséklet mérések megbízhatóságának biztosítása szempontjából. Ennek érdekében az OMSZ Marczell György Főobszervatóriumában egy célirányosan kiépített mérőhely létrehozása vált szükségessé, ahol összehasonlító méréseket végeztünk a különböző típusú és árnyékolójú mérőeszközökre vonatkozóan.
•
A légkör klímájának változása szempontjából rendkívül fontos a csapadék mennyiségében bekövetkező változás tanulmányozása. Egyértelmű, hogy reális következtetéseket csak megbízható csapadék adatsorokból tudunk levonni, így a célzott mérőhálózat telepítését megelőző módszertani vizsgálatokban a csapadékmérések pontosságát célzó vizsgálatoknak mindenképpen helyet kellett kapniuk. Kevésbé közismert tény, hogy a csapadék mennyisége talán a legmegbízhatatlanabbul mérhető alapvető meteorológiai paraméter, egyrészt a jelentős területi változékonyságából másrészt, a mérőeszközök illetve a mérési körülmények által okozott hibából adódóan. A projekthez kapcsolódóan, a csapadékmérések megbízhatóságának növelése érdekében végzett módszertani vizsgálataink mindkét területet érintették.
•
A célzott mérőhálózat mérőállomásain jellemzően a klasszikus meteorológia paraméterek felszín közeli méréseiből származó adatok állnak majd rendelkezésre, melyek főleg a légkör alsó, az emberi élettér által érintett részére szolgáltatnak információt. A napsugárzás mérések a lehetőségek más dimenzióját nyújtják a légkör állapotának nyomon követésére, mivel a felszínen mérhető különböző napsugárzási paraméterek értékeiben a felszín feletti teljes légoszlop optikai tulajdonságai meghatározó szereppel bírnak, így ezek a mérések egyértelműen pontosítják a légkör állapotára vonatkozó ismereteinket. A kékestetői napsugárzás mérő állomás feladata a közvetlen emberi tevékenységtől többé-kevésbé zavartalan légkör napsugárzásátbocsátóképességének nyomon követése. A légkör napsugárzás-átbocsátóképességét elsősorban az alapvető alkotógázok határozzák meg. Mivel ezek mennyisége hosszútávon gyakorlatilag változatlannak tekinthető, az átbocsátóképesség változását az ún. vendéganyagok okozzák. Ha a klímaváltozáshoz kapcsolódóan a légkör alsóbb rétegeinek átbocsátóképességében jelentkező változásokat szeretnénk nyomon követni, akkor alapvető, hogy tisztában legyünk a közvetlen légszennyezés hatásaitól zavartalanabb, felsőbb légrétegek átbocsátó képességében lezajló változásokkal. Mindezeket figyelembe véve határoztuk meg a kékestetői napsugárzás mérő állomás mérési programját. Törekedtünk arra, hogy a Kékestetőn alkalmazandó napsugárzás mérőeszközök megegyezzenek a budapesti mérőállomáson alkalmazottakkal, egyrészt, a mérőeszközök üzemeltetéséhez kapcsolódó tapasztalatok, másrészt, a mérések összehasonlíthatósága miatt.
II. Részjelentés: A 2007-es év a hároméves projekt második éve, melyben fő feladatként a kiemelt, illetve egy standard mérési programmal működő háttérklíma állomás telepítése, valamint a kékestetői napsugárzás mérő állomás mérési programjának bővítése szerepelt. 4
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ •
Összhangban a projekt 2006-os jelentésével, a kékestetői napsugárzás mérő állomás mérési programjának bővítésekor beszerzésre kerültek az alábbi szenzorok és berendezések: - 1 db CH1 típusú, Kipp&Zonen gyártmányú pirheliométer - 1 db CM11 típusú, Kipp&Zonen gyártmányú piranométer - 1 db CG4 típusú, Kipp&Zonen gyártmányú pirgeométer - 1 db SPO2-L típusú, Middleton Solar gyártmányú 4 csatornás napfotométer - 1 db 2AP típusú, Kipp&Zonen gyártmányú napkövető - 1 db CR3000 típusú, Campbell Scientific gyártmányú adatgyűjtő Ezzel párhuzamosan, a kékestetői és budapesti mérési adatsorok összevethetősége érdekében, a budapesti mérőállomás korábbi PIR típusú, Eppley gyártmányú pirgeométerét ugyancsak CG4 típusúra cseréltük, illetve a budapesti mérőállomáson is tervbe vettük egy SPO2-L típusú napfotométer beüzemelését. 2007 év végére a fent említett berendezések mindegyike beszerzésre került, melyek után megkezdődhetett a berendezések beüzemeléséhez, működtetéséhez szükséges ismeretanyag elsajátítása. Tekintettel a téli időszak időjárási körülményeire a mérőrendszer külső körülmények közötti teszt üzemét csak 2008 év tavaszán tudtuk megkezdeni. Sajnos a teszt üzem megkezdésekor szembesülni kellett azzal a ténnyel, hogy az ausztrál Middleston Solar által leszállított SPO2-L típusú napfotométer mindkét példánya hibás gyári beállítással érkezett, ami megakadályozta a mérőeszközök és ezen keresztül a teljes kékestetői napsugárzási mérőállomás operatív üzembe helyezését. A napfotométerek beállításánál jelentkező hibák kiküszöbölése még a jelentés elkészítésének időpontjában sem zárult le, így a kékestetői napsugárzási mérőállomás beüzemelését, illetve a budapesti napsugárzási mérőállomás mérési programjának bővítését igazoló mérési adatsorok bemutatására a 2007-es szakmai jelentésben nem került sor.
•
A pályázat 2006-os szakmai jelentése alapján nyilvánvalóvá vált, hogy a mérőállomások helyszínének kijelölésekor az ország nyugati és keleti része kiemelten kezelendő, mivel az elmúlt 30-50 év hőmérséklet és csapadék viszonyaiban az ország ezen területein tapasztalhatók egyértelmű változások. Ezzel összhangban a 2007-es célkitűzésben szereplő, bővített mérési programmal működő mérőállomás telepítésére a Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrumának Kismacsi Agrometeorológiai Obszervatóriumának területén került sor. A mérőhely kiválasztásánál a korábban említett szempontokon túl az Obszervatórium szakmai múltja, a meglévő és a közelmúltban teljes körűen felújított infrastruktúra és a mérések folyamatos felügyeletének lehetősége játszott döntő szerepet. A bővített mérési programmal működő debreceni mérőállomás mérési programja: egyrészt, energiaegyenleg mérésekre, másrészt, gradiens mérésekre (10 méteres mérőtorony) épül. Az energia egyenleg komponenseinek meghatározására alkalmazott mérőeszközök: - CSAT3 szónikus anemométer - LICOR LI7500 H2O, CO2 koncentráció mérő - Vaisala HMP45D léghőmérséklet, légnedvesség érzékelő - Kipp&Zonen CMP11 és CMP6 piranométer - Kipp&Zonen CGP4 és CGP3 pirgeométer - Hukseflux HF01-SC talajhőáram mérő - Campbell Scientific CS616 talajnedvesség mérő - Campbell Scientific TVAC talajhőmérő - Campbell Scientific CR1000 adatgyűjtő A debreceni mérőállomás mérési programjának másik fő egysége a 10 méteres mérőtorony, melyen 1, 2, 4 és 10 méter magasságban történnek mérések a léghőmérséklet, légnedvesség és 5
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ szélsebesség gradienseinek meghatározására. A 10 méteres mérőtornyon alkalmazott mérőeszközök: - Vaisala WAA151 szélsebesség mérő - Vaisala WAV151 szélirány mérő - EWS 1/10 DIN mérési képességű Pt100 hőmérő - EWS légnedvesség érzékelő - EWS PG200 súlyméréses csapadékmérő - Campbell Scientific CR1000 adatgyűjtő - Campbell Scientific AM16/32A multiplexer A projekt tervezett mérési programjában szerepel, hogy a bővített és a standard mérési programmal működő mérőállomások csapadék mérései további 3-4, a mérőállomások meghatározott körzetébe telepített csapadékmérő helyek méréseivel egészülnek ki annak érdekében, hogy az egyik legfontosabb klímaparaméter a csapadék esetén a mérések ne pontszerű mérésekből, hanem valamiféle területi átlag alapján kerüljenek meghatározásra. A kismacsi mérőállomást körülvevő csapadékmérő állomásokból egyelőre csak a látóképi mérőállomás valósult meg. •
A bővített mérési programmal működő kismacsi mérőállomás mellett Debrecen-Látóképen egy standard mérési programmal működő mérőállomás telepítésére is sor került: A kismacsi mérőhely Debrecentől észak-északnyugati, míg látókép nyugati irányban helyezkedik el. A két mérőállomás közötti különbség kb.10-12 km. A város déli részén, a repülőtéren található az Országos Meteorológiai Szolgálat mérőállomása, így a három mérőhely mérési eredményeinek összehasonlításával pontosabb képet alkothatunk egy nagyváros alapvető meteorológiai paraméterekre gyakorolt hatásáról. A látóképi mérőállomáson alkalmazott mérőeszközök: - Vaisala WAA151 szélsebesség mérő - Vaisala WAV151 szélirány mérő - EWS 1/10 DIN mérési képességű Pt100 hőmérő - EWS légnedvesség érzékelő - EWS PG200 súlyméréses csapadékmérő - Campbell Scientific CR1000 adatgyűjtő - Campbell Scientific AM16/32A multiplexer
•
A kiemelt mérési programmal rendelkező mérőállomáson a mérések operatív módon március végétől, míg a standard mérési programmal működő mérőállomáson március elejétől indultak. A mérőállomások műszerezettsége a gradiens mérések esetében az OMSZ állomáshálózatában alkalmazott szenzorokra épül, a mérési pontosság, a műszerek kalibrálása és ellenőrzése illeszkedik az OMSZ minőségbiztosítási rendszeréhez. Ebben az esetben a mérőszenzorok kihelyezés előtti kalibrálása megtörtént, illetve a léghőmérséklet és légnedvesség esetében lehetőség van a mérőrendszer helyszínen történő teljes kalibrálására. E műszer együttest egészíti ki a nagypontosságú sugárzási, talaj és direkt árammérés. A nyers mérési adatsorok feldolgozását, azok megbízhatóságának és használhatóságának vizsgálatát az ELTE Meteorológia Tanszéke végezte el. E feladatok elvégzése során támaszkodtunk az ELTE Meteorológia Tanszék hazai és nemzetközi együttműködésben folyó mérési programjaira: (i) Az EU6 NitroEurope program résztvevőiként a bugaci mérőhely fejlesztési tapasztalataira (Nagy et al., 2007) és a program keretében megvalósuló magyar-lengyel mikrometeorológiai mérési expedícióra (Poznan 2008 június, az Európai Tudományos Alap ESF támogatásával); (ii) A Kelemenszéken (Kiskunsági Nemzeti Park) telepített automata, bővített programú mérőállomás adataira; (iii) A HungaroMars program keretében Utah-ban folyt mikrometeorológiai mérésekre; (iv) az Erasmus pályázat keretében a Bayreuthi Egyetem Mikrometeorológiai Tanszékén tett tanulmányútra, ahol az expedíciós mérésekben és a fluxusok 6
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ feldolgozásában sikerült újabb tapasztalatokat szerezni (Foken és Weidinger, 2007); valamint, (v) A GVOP környezetfizikai laborfejlesztési pályázatán beszerzett és alkalmazott meteorológiai mérőműszerekkel folytatott mérésekre.
Az adott beszámolási időszakra vállalt részfeladatok A pályázat beadásakor meghatározott feladatok Sor Részfeladat A részfeladat szakmai tartalma Közreműködő szám konzorciumi tagok 1. 4. feladat 3 db standard mérőállomás telepítése OMSZ 2. 5. feladat A háttérklíma állomások méréseire OMSZ alapozva a közvetlen környezet hatásait elemző vizsgálatok elvégzése 3. 6. feladat Optimális adatfelületek kidolgozása az ELTE OMSZ éghajlati adatbázisán az ELTE közreműködésével folyó alkalmazott éghajlati kutatásokhoz. A torony- és energiaháztartás mérések feldolgozása. Az új és az alapklimatológiai mérőrendszer adatainak összehasonlító vizsgálata. Az éghajlati adatok alkalmazása modellezési feladatokban (terjedés, alapszennyezettség, ökológiai és anyagáram), továbbá energetikai feladatokban (szél, napsugárzás). Az új mérőrendszer és az általa szolgáltatott adatok beépítése az ELTE meteorológus képzésébe (TDK és szakdolgozati témák, műszertan oktatás).
A projekt végrehajtása során módosított feladatok Sor szám 1. 2. 3.
4.
Feladat megnevezése
A feladat szerepel a III. Feladat státusza munkaszakasz célkitűzései között? Módszertani vizsgálatok folytatása a Többletfeladat, nem szerepel a Teljesült léghőmérséklet árnyékolók okozta hiba III. munkaszakasz célkitűzései felmérése érdekében között A háttérklíma állomások méréseire A feladat része a III. Teljesült alapozva a közvetlen környezet hatásait munkaszakasz célkitűzéseinek. elemző vizsgálatok elvégzése. (5. részfeladat) A Debrecen-Kismacs bővített mérési Többletfeladat, nem szerepel a Teljesült programmal működő és a DebrecenIII. munkaszakasz célkitűzései Látókép mérőállomás folyamatos között működtetése, kalibrálási és működés ellenőrzési feladatok ellátása. Optimális adatfelületek kidolgozása az A feladat része a III. Teljesült OMSZ éghajlati adatbázisán az ELTE munkaszakasz célkitűzéseinek. közreműködésével folyó alkalmazott (6. részfeladat)
7
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
5.
6.
7. 8.
éghajlati kutatásokhoz. A torony- és energiaháztartás mérések feldolgozása. Az új és az alapklimatológiai mérőrendszer adatainak összehasonlító vizsgálata. Az éghajlati adatok alkalmazása modellezési feladatokban (terjedés, alapszennyezettség, ökológiai és anyagáram), továbbá energetikai feladatokban (szél, napsugárzás). Az új mérőrendszer és az általa szolgáltatott adatok beépítése az ELTE meteorológus képzésébe (TDK és szakdolgozati témák, műszertan oktatás). A kékestetői napsugárzás mérő állomáshoz kapcsolódó beruházás bonyolítása, a telepítés végrehajtása
Teljesült A II. munkaszakaszból átütemezett 2.a részfeladat, nem szerepel a III. munkaszakasz célkitűzései között 2 db standard mérési programmal A feladat része a III. Részben teljesült, működő mérőállomás telepítésre munkaszakasz célkitűzéseinek. a terv 3 történő előkészítése, a megfelelő (4. részfeladat) mérőállomás mérőhelyek kiválasztása, a hosszú távú telepítését működtetéshez szükséges irányozta elő együttműködések kialakítása. 2 db standard mérési programmal A feladat része a III. A telepítés nem működő mérőállomás telepítése. munkaszakasz célkitűzéseinek. teljesült. (az (4. részfeladat) előkészítés igen) A standard mérőállomások körül Többletfeladat, nem szerepel a Teljesült összesen 7 automata csapadékmérő III. munkaszakasz célkitűzései telepítése súlyméréses elven működő, között szélárnyékoló gallérral ellátott csapadékmérőkkel.
A III. munkaszakaszban végrehajtott feladatok között többletfeladat, átütemezett feladat, illetve nem teljesült feladat is szerepel. A többletfeladatokhoz, egyrészt a már működő mérőállomások operatív működtetése, a rendszeres helyszíni ellenőrzések, kalibrálások végrehajtása, a mérési adatok feldolgozása és adatbázisba rendezése tartozik, másrészt, többletfeladatként jelent meg a bázis mérőállomások körüli, összesen 7 darab automata csapadékmérő telepítése. A csapadékmérők telepítése a pályázat beadásakor szerepelt a feladatok között, ám a jóváhagyott költségvetést figyelembe véve, ez a feladat kikerült a pályázat elfogadott feladatai közül. A későbbiek során, egyrészt, az OMSZ felszíni automata mérőhálózatának fejlesztése, az időjárási radarok csapadékmennyiség becslés korrekciójára alkalmazott eljárások irányából jelentkező igények miatt, másrészt, a pályázat eredeti célkitűzéseit figyelembe véve az a szakmai döntés született, hogy a csapadékmérők telepítése visszakerül a végrehajtandó feladatok közé, ezzel csökkentve a bázis állomások számát. Az átütemezett feladat alapvetően a telepítendő napfotométerek hibás gyári beállítását korrigáló garanciális javítás elhúzódásának a következménye. A határidőre nem teljesült feladat esetében a mérőállomások megfelelő helyszínének kiválasztásához kapcsolódó nehézségek okozzák a csúszást, melynek részletezésére a későbbiekben még kitérünk 8
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
Az adott beszámolási időszakban elkészült feladatok és elért eredmények I. Módszertani vizsgálatok folytatása a léghőmérséklet-mérések pontosságának növelése érdekében (1. sorsz. többletfeladat) A pályázat I. munkaszakaszában módszertani vizsgálatokat végeztünk a léghőmérséklet és a csapadékmérések megbízhatóságának növelése érdekében. Mivel a léghőmérséklet és a csapadék a legalapvetőbb klímaparaméterek, ezért ezen paraméterek esetében a pontosság alapvető fontosságú a megfelelő következtetések levonása szempontjából. ¾ A III. munkaszakaszban tovább folytattuk az I. munkaszakaszban megkezdett, a léghőmérő árnyékolók hatását vizsgáló méréseket és vizsgálatokat. Ebben nagy szerepe volt annak, hogy egy végzős V. éves meteorológus hallgató diplomamunka témájának választotta ezen vizsgálatokat. Az I munkaszakaszban az OMSZ Marczell György Obszervatóriumában kialakított mérőhelyen 2009 júliusában indítottuk újra a méréseket, amely eredményeképpen közel egyéves, gyakorlatilag minden lehetséges időjárási helyzetet átfogó adatsorhoz jutottunk a különböző árnyékolók által okozott hiba nagyságának vizsgálatához. A vizsgálatok eredményeképpen jóval részletesebb képek kaptunk a problémáról, rávilágítva olyan tényezőkre is, melyekre korábban nem derült fény. Az alapvető árnyékoló típusok által okozott hibákat összefoglaló eredményeket az 1. táblázatban láthatjuk.
Eltérési hibaküszöbök [ºC] ±0,1 ºC ±0,5 ºC +0,1 ºC -0,1 ºC
T3 Mesterségesen szellőztetett 7,3 0,1 4,4 2,9
T4 Tányéros árnyékoló 25,0 0,9 15,6 9,0
T9 Hagyományos hőmérőház 41,5 7,1 33,8 7,8
1. táblázat: A különböző főbb árnyékoló típusok esetén az egyes küszöbértékekhez tartozó eltérések %-os arányai
Az árnyékolók által okozott hiba nagysága alapvetően két paramétertől, a szélsebességtől (WS) és a napsugárzás erősségétől (GR) függ. Ezen tényezők hatását az 1. ábra szemlélteti.
9
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
1. ábra: A szélsebesség és a globál sugárzás hatása a hagyományos hőmérőház által okozott hiba nagyságára
¾ A III. munkaszakaszban folytatott módszertani vizsgálatok eredményeire alapozva az OMSZ mérőhálózatában, illetve a háttérklíma hálózatunkban használatos hőmérő árnyékolókra olyan, a gyakorlatban is használható formulát sikerült kidolgoznunk, amely segítségével nagyrészt korrigálható az árnyékolók által okozott hiba. A formula kidolgozásánál bevezettük a normált globál sugárzást (az aktuális érték és az abban az időszakban mérhető maximális sugárzás aránya) és a normált szélsebesség (a szélsebesség értékét súlyoztuk a nap iránya és az aktuális szélirány által bezárt szög értékével) fogalmát. A hagyományos hőmérőház által okozott hiba nagysága és az említett új paraméterek közötti összefüggést a 2. ábrán láthatjuk.
2. ábra: A mérési hiba csoportosításának eredményei a normált globál sugárzás és a normált szélsebesség függvényében
10
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ ¾ A kidolgozott formulát alkalmaztuk az OMSZ Debrecen-Reptér és a háttérklíma hálózat Debrecen-Kismacs mérőállomásain a 2009-es évben mért havi átlaghőmérsékleti adatsorok korrigálására, melynek eredményét a 3. ábra mutatja A 3. ábrán látható eredmények egyértelműen rávilágítanak arra, hogy a megfelelő léghőmérőárnyékoló alkalmazása alapvető fontosságú a hőmérsékleti adatsorok pontos értelmezésénél. Morvai Krisztián végzős meteorológushallgató, „Az árnyékolók hatása a léghőmérsékletmérések és a hosszú távú adatsorok megbízhatóságára” című diplomamunkáját jeles eredménnyel védte meg az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karának Meteorológiai Tanszékén.
0,2 0,15
Debrecen-Reptér
Eltérések [°C]
0,25
Debrecen-Kismacs
0,1 0,05 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Hónapok
3. ábra: A különböző léghőmérő-árnyékolókkal mért havi átlaghőmérsékletekben a korrekciós eljárás által számított hiba nagysága 2009-ben
II. A Debrecen-Kismacs és a Debrecen-Látókép mérőállomások működtetése (3. sorsz. többletfeladat, a 2. sorsz. 5. részfeladat és a 4. sorsz. 6. részfeladat) A pályázat II. munkaszakaszában került sor a Debrecen-Kismacs, bővített mérési programmal működő, illetve a Debrecen-Látókép mérőállomások telepítésére. A mérőállomások operatív működése lényegében egy időben, 2008. március-áprilisában kezdődött, és azóta a mérések zavartalanul, nagyobb fennakadások nélkül folynak. A pályázat III. munkaszakaszában a feladat ezen állomások folyamatos működésének fenntartása, a szükséges helyszíni ellenőrzések, kalibrálások elvégzése, valamint a mérési adatokat tartalmazó rendezett adatbázis folyamatos bővítése. Az említett feladatok a pályázat III. munkaszakaszában maradéktalanul teljesültek. A mérőállomások helyszíni ellenőrzésére - eltekintve 1-2 esettől - jellemzően 1-2 hónapos gyakorisággal került sor. Meg kell említeni, hogy 2009 év második felétől biztosított a mérőállomások közvetlen internetes elérése, így a mérőállomások működésének ellenőrzése, illetve az adatletöltés távolról is lehetséges. A Debrecen-Kismacs, bővített mérési programmal működő mérőállomáson 2 mérőrendszer működik párhuzamosan. Az egyik mérőrendszer esetében 4 különböző magasságban 1, 2, 4 és 10 méteren történik a léghőmérséklet, légnedvesség és szélsebesség mérése, amely kiegészül a napsugárzási egyenleg 4 komponensének, a csapadék, valamint a talajban tárolódó hőmennyiség meghatározását célzó talajhőmérséklet, talajnedvesség és talajhőáram mérésekkel. Ezen mérőrendszer alapvető funkciója a talajfelszín energiaegyenlegét alapvetően meghatározó sugárzási egyenleg, a talajban tárolódó hőmennyiség, valamint a szenzibilis és latens hőáramok gradiens módszerrel történő meghatározása. A mintavételezés gyakorisága ezen mérőrendszer esetében 3 másodperc, míg az átlagolási gyakoriság 10 perc. A másik mérőrendszert alapvetően két mérőeszköz alkotja, egy háromdimenziós szónikus anemométer, valamint egy nedvesség és CO2 koncentrációmérő berendezés.
11
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ Az említett eszközök Eddy-korrelációs módszerrel direkt áramméréseket végeznek a szenzibilis és a latens hőáramok meghatározására. Ezen mérőrendszer esetében a mintavételezési (0.1 másodperc) és átlagolási (30 perc) gyakoriság jelentősen eltér az előző mérőrendszer esetében alkalmazott gyakoriságoktól, ezért a két mérőrendszer adatait két független adatgyűjtő végzi. ¾ A mérések folyamatosságát szemlélteti a Debrecen-Kismacs 1, 2, 4 és 10 méteres, valamint Debrecen-Látókép 2 és 10 méteres szintjeinek havi átlagos hőmérsékleti értékeit tartalmazó 4. ábra. Havi átlag hőmérséklet Kismacson 25
°C
1m
20
2m 4m
15
10 m 10 5 0 2008
2009
2010
-5
Havi átlag hőmérséklet Látóképen 25
°C 20
2m
15
10 m
10 5 0 2008
2009
2010
-5
4. ábra
A hőmérsékleti adatsorok más szempontból is figyelemre méltóak. A pályázat segítségével megvalósult mérőállomások, kiegészülve az Országos Meteorológiai Szolgálat Debrecen-Reptér mérőállomás adatsoraival, rávilágítanak a lokális hatások hőmérsékleti adatsorokra gyakorolt hatására. A három mérőállomás (1. kép) gyakorlatilag három fő égtáj irányában helyezkedik el a várostól.
1. kép:
12
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ Eltérő mérési környezettel rendelkeznek: míg a reptér esetében a mérések egy nagyterületű sík, mezőgazdasági műveléstől mentes, jelentős méretű beton felszín közelében zajlanak; addig Kismacsnál a sík felszín részben nagyterületű természetes növénytakaróval (rét) fedett, részben mezőgazdasági művelés alatt áll, a látóképi mérőhely környezetében pedig a mezőgazdasági művelés a jellemző. Itt kell megjegyezni, hogy a mérések méréstechnikai szempontból történő megbízhatóságára maximális figyelmet fordítottunk, ami alapvetően a mérőrendszerek rendszeres kalibrálását, valamint a mérési körülmények folyamatos ellenőrzését jelenti. Kismacs esetében a mérések kezdete óta 97.8 %-os az adatrendelkezésre állási mérőszám, míg Látóképen gyakorlatilag egyetlen adatkimaradás sem volt. Természetesen a nyers mérési adatsorok a rendszeres kalibrálás eredményeivel korrigálásra kerültek. A három mérőállomás 2 méteren mért havi adatsorait bemutató 5. ábra egyértelműen tükrözi a lokális hatásokat. A várostól déli irányban elhelyezkedő Debrecen-Reptér havi átlaghőmérséklet értékei, jellemzően 0.3-0.5 C fokkal magasabbak a város északi szélén lévő kismacsi állomásénál. Ezek az eltérések a nyári időszakban kifejezettebben jelentkeznek. Vegyesebb az összkép Látókép esetében, mivel a havi átlaghőmérséklet adatsorok, összehasonlítva a másik két állomás adatsoraival, egyfajta éves menetet mutatnak. Télen a három mérőállomás közül jellemzően Látóképen tapasztalhatjuk a legalacsonyabb értékeket, míg főleg a nyári időszakban Látókép havi átlagai általában közel azonosak a reptéri adatsorokkal.
O
25
A léghőmérséklet havi átlagai
C
20 15 10 5 0 2008 -5
Debrecen-Reptér
2009 Debrecen-Kismacs
2010 Debrecen-Látókép
5. ábra: A három mérőállomás 2 m-en mért léghőmérsékleteinek havi átlagai
Magyarország klímájának hosszú távú nyomon követésére az OMSZ mérőhálózatában az egyik homogenizált adatsorral rendelkező mérőállomás Debrecen, ahol jelenleg a reptéren folynak a mérések. A hőmérsékleti adatsorok homogenizálása általában jelentős mértékben javítja az adatsorok egységes kezelhetőségét, ám méréseink egyértelműen rávilágítanak arra a tényre, hogy a lokális hatások és főleg az időben változó lokális hatások minimalizálása alapvető fontosságú ahhoz, hogy a léghőmérséklet, mint alapvető klímaparaméter esetében a jövőbeni folyamatok megítélésében helyes következtetéseket vonjunk le. Ez a tény, vagyis az időben változó lokális hatásoktól mentes mérőhelyek kiválasztása a célzott mérőhálózat megvalósítása során olyan kihívást jelentett, melynek nehézségeit a pályázat kezdetekor nem tudtuk pontosan felmérni, és amely nehézségek sajnos csúszást okoztak a pályázat eredetileg tervezett futamidejéhez képest. A Debrecen környéki mérőállomások több mint kétéves adatsorai egy másik érdekességre is rávilágítanak. A kismacsi és a látóképi mérőállomáson 2 és 10 méteres magasságban is folynak mérések, amely adatsorok esetében a havi átlaghőmérsékletek különbségeit a 6. ábrán láthatjuk. A két ábrát tekintve világosan látszik, hogy a 10 méteres magasságban mért havi átlagértékek esetében lényegesen jobb egyezés mutatkozik, mint a 2 méteres magasságban mért adatsorok esetében, vagyis 10 méteren a felszín, illetve az időben változó felszín (mezőgazdasági művelés, albedo) léghőmérsékletre gyakorolt hatása már jelentősen csökken. Ebből levonható az a 13
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ következtetés, hogy a célzott mérőállomások esetében mindenképpen indokolt a 10 méteres magasságban történő léghőmérséklet mérés. O
Látókép-Kismacs 10 m
C
0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4
2009
2008
-0,6
2010
-0,8
O
Látókép-Kismacs 2 m
C
0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6
2009
2008
2010
-0,8
6. ábra: Látókép és Kismacs havi átlaghőmérsékleteinek különbségei 2 és 10 m-en
Az említett eredményekre tekintettel, a jövőben az OMSZ automata mérőhálózatában is indokolt lehet néhány mérőállomáson, első lépésként mindenképpen a Debrecen-Reptér mérőállomáson, a mérési program kibővítése a 10 méteres magasságban mért léghőmérséklettel. Az említett eredményekre tekintettel, mindenképpen indokolt a Debrecen környezetében lévő mérőállomások adatsorainak a fentiekben részletezett szempontok szerinti további vizsgálata. ¾ A Debrecen-Kismacs bővített mérési programmal működő mérőállomáson, ahogy korábban már említettük, egy másik, önálló mérési programmal működő mérőrendszer is üzemel, alapvetően a szenzibilis és latens hőáramok Eddy-korrelációs módszerrel történő meghatározására. A mérések ebben az esetében is 2008 áprilisában kezdődtek. A működtetését nagyban megkönnyítette, hogy 2009 közepétől lehetőség nyílott a mérőrendszer internetes elérésére, lehetővé téve a mérési adatok Budapestről történő folyamatos ellenőrzését és legyűjtést, biztosítva a közel 100 %-os adatrendelkezésre állást. Az Eddy korrelációs módszerrel történő direkt árammérések egyrészt hiányt pótolnak, mivel a felszín energiaegyenleg alapvető komponenseinek - ezen belül a szenzibilis és latens hőáramok operatív meghatározása az OMSZ korábbi mérési gyakorlatának nem képezte részét. Másrészről a Debrecen-Kismacs mérőállomáson a két mérőrendszer párhuzamos működése lehetőséget biztosít azon vizsgálatokra, melyek alapján összehasonlítható a szenzibilis és latens hőáramok meghatározása a direkt árammérésekkel, illetve az ún. gradiens módszer segítségével. A teljes vizsgálati anyagot, melyben összegezzük azt a módszerfejlesztési tevékenységet, amely alapján a Campbell–fluxusszámító program utófeldolgozását végeztük (Törék, 2009, Nagy et al., 2010, Weidinger et al. 2008b, 2010) az 1. Melléklet tartalmazza. A jelentés ezen részébe csak néhány fontosabb eredményt és következtetést emeltünk be, melyek egyrészt a módszertani fejlesztés, másrészt a folyamatos mérések eredményeit mutatják be.
14
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ - Módszertani fejlesztések: Az utófeldolgozást a saját fejlesztésű program adta lehetőségek alapján végeztük el (Barcza, 2001, Weidinger et al., 2002, Maunder és Foken, 2004), mely tartalmazza: i.) a kétdimenziós (2D) koordináta-rendszer forgatást az impulzusáram meghatározásában, ii.) a Moore–féle spektrális korrekciót az impulzus (τ), a szenzibilis (H) és a latens (LE) hőáramra, valamint a szén-dioxid áramra (FCO2). A teljes korrekció – a gyári programból számított Schotanus– és Webb–korrekció, valamint az utófeldolgozás – hatását a 7. ábra szemlélteti 2008. májusára (Törék, 2009, Nagy et al., 2010). A nagyobb impulzusáramok (τ) a koordináta-rendszer forgatás hatását mutatják. A korrekciók alig változtatják a szenzibilis hőáramot (H), míg a latens hőáramnál a nappali órákban meghaladják a 15%-ot, amiből a Moore–korrekció 6-8%.
7. ábra. A nyers és a korrigált τ momentum áram (fent), H szenzibilis (középen) és LE latens hőáram átlagos napi menete, 2008. május.
A fejlesztés következő lépése a gyári adatfeldolgozó program módosítása: i.) a nyers adatok hibaszűrése, ii.) lineáris trendszűrés, iii.) a teljes kovariancia mátrix kiírása (3 szélkomponens, 15
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ hőmérséklet, nedvesség, CO2-koncentráció), iv.) a teljes 2D koordináta-rendszer forgatás, s ennek felhasználásával a beépített, eddig is alkalmazott korrekciók számítása, v.) a Moore–féle spektrális korrekció beprogramozása a CR3000 adatgyűjtőbe. - Folyamatos mérések eredményei A következőkben az adatellenőrzés utáni súrlódási sebesség és energiamérleg komponensek félórás átlagolási idejű adatsorait mutatjuk be 2010 első félévére (pontosabban az első 180 napra). A súrlódási sebesség (u*) félórás idősorát a 8. ábrán láthatjuk. Az adathibák száma 20 alatti. A várakozásnak megfelelően szoros kapcsolat van a szélsebesség (mind a szonikus Uszonikus, mind a profilmérésekből kapott) és a súrlódási sebesség (u*) között, amit a júniusi adatokon szemléltetünk (9. ábra). A korrelációs együttható négyzete 0,9 feletti. Megjegyezzük azonban, hogy az u* és az Uszonikus közötti kapcsolatot megadó egyenlet függ az évszaktól (a felszíni érdesség változása miatt) és a stabilitási viszonyoktól. u* [m/s]
1.2 1
A súrlódási sebesség menete ( 2010. 01. 01. – 06. 28.)
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
30
60
90
120
150
Nap
180
8. ábra. A súrlódási sebesség menete 2010 első félévében. u* [m/s]
1.2
1
y = 0.1016x 2 R = 0.9095
0.8
0.6
0.4
0.2 Vszonikus [m/s] 0 0
2
4
6
8
10
12
9. ábra. A szonikus szélsebesség és a súrlódási sebesség kapcsolata (2010. június)
Az energiamérleg komponenseket (Rn, G, H, LE) a 10. ábrasor mutatja. A talajba jutó hőáramot a talajparaméterek, a felső 6 cm-es talajréteg hőmérséklete és talajnedvessége, illetve a mélyebb talajrétegekbe jutó hőáram (3 hőárammérő lapka átlaga) alapján számítottuk ki. A félórás átlagos értékeket közöljük. A sugárzásegyenleg legnagyobb félórás adatai 600 W/m2 felettiek (Rn minimális értéke – 87 W/m2, maximális értéke 682 W/m2). Érdekesen alakul a talajhőáram menete is. 16
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ A 6 cm mélyen elhelyezett 3 szenzor közül kettő közel azonos értéket mutat, míg a harmadik lapka nagyobb napi ingást mutat, ami nem az önkalibráló műszer hibája, hanem a talaj inhomogenitásából származik (külön ábrát nem mutatunk). A legkisebb talajba jutó hőáramok – 60 W/m2 alattiak, a legnagyobbak megközelítik a 160 W/m2 értéket. 2
Rn [W/m ]
700 600 500
A sugárzásegyenleg napi menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
400 300 200 100 0 -100
0
150
Nap
60
90
120
150
180
150
180
A talajba jutó hőáram menete (2010. 01. – 06. 28.)
G [W/m 2]
200
30
100 50 0 0
30
60
90
120
-50 Nap
-100 H [W/m2]
400
300
A szenzibilis hőáram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
200
100
0 0
30
60
90
120
150
180 Nap
-100
LE [W/m 2]
400
300
A latens hőáram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
200
100
0 0
30
60
90
120
150
180 Day
-100
10. ábra. A sugárzásmérleg komponensek 2010. első félévben a talajadatok, a sugárzásmérések, illetve a Campbell adatgyűjtő programja alapján.
Az átlagértékekre igaz, hogy a talajba jutó hőáram a sugárzásegyenleg hozzávetőlegesen 10%-a (a mi esetünkben ez a két szám 63,8 W/m2 6,2 W/m2) az egyes esetekben és napszakokban
17
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ azonban jelentős eltérések vannak. Ezért is fontos az ilyen nagypontosságú mérések folyamatos végzése, illetve a parametrizációs eljárások javítása. A szenzibilis hőáram (H) maximális értékei 200 W/m2 körüliek. A latens hőáram (LE) átlagértéke nagyobb, mint a szenzibilis hőáramé (H). Nyáron a nappali órákban találkozunk 300 W/m2 feletti áramokkal is. Ez hangsúlyozza a párolgás fontosságát az energiamérlegben, s így a mezőgazdasági alkalmazásokban (növénytermesztés, öntözés, aszálystratégia). Az éjszakai és a hajnali órákban ritkán találkozunk jelentős negatív latens hőárammal (páralecsapódás). Ez az eddy-kovariancia mérések tipikus hibája. Ezért végzünk nedvesség profilméréseket és ezért használjuk a levélnedvességmérő szenzor adatait (harmat, vagy dérképződés ideje). Az éjszakai nedvességáram pontos becslése, a harmat és dérképződés modellezése fontos alapkutatási feladat (Hadvári, 2009), amihez a mérőrendszer az ellenőrzött adatbázist biztosítja.
2 Δ [W/m ]
400 300
Az energiamérleg lezárási tag napi menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
200 100 0 0
30
60
90
120
150
180
-100 Nap
-200
11. ábra. Az energiamérleg lezárási hibája (Δ) 2010. első félévében.
Az energiaháztartás lezárási hibáját a 11. ábra szemlélteti. Az egyes félórák értékei legtöbbször –50 W/m2 és 100 W/m2 közöttiek. Nappal általában pozitívak, éjjel negatívok. Tökéletes lezárást nem várhatunk. Nézzük például a nappali eseteket! A konvektív folyamatokat a besugárzás vezérli, ami megjelenik a sugárzásegyenleg és a hőáramok közötti „fáziskésésben”, vannak ezen kívül olyan rendezett mozgások pl. termikek, amelyek szintén részt vesznek a felszín-légkör kölcsönhatás rendszerben, s hatásukat – lokális advekció – nem tudja mérni a rendszer. Éjszaka a gyenge turbulens kicserélődés, a reggeli órákban a határréteg vastagság hirtelen növekedése okoz problémát (nem teljesül az áramszámításban alkalmazott stacionaritási feltétel). A mérőrendszer lezárási hibája (az eredeti Campbell–program alkalmazásával) 88%, míg a korábban említett Moore–féle spektrális korrekció alkalmazásával 91% körüli, amely a nemzetközi szakirodalom alapján igen jó értéknek számít, amely bizonyítja a mérőrendszerünk működésének megbízhatóságát. A mérések bemutatását a szén-dioxid fluxus zárja (12. ábra). A gyári adatfeldolgozó program eredményeit szemléltetjük. Jól látszik a vegetáció aktivitása, a fotoszintézis évszakos és napszakos változása. A folyamatosan végzett CO2 koncentráció és fluxusmérések jól illeszkednek a debreceni Agrometeorológiai Obszervatórium hosszútávú CO2 méréseihez, de hozzájárulhatnak a debreceni ATOMKI-ban folyó C12/C14 izotóparány mérések értelmezéséhez is.
18
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ 1
A szén-dioxid (CO2) áram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
0.5 0
-1 -1.5 -2
30
60
90
CO2 Flux [mg/m2 s]
0 -0.5
120
150
180
Nap
12. ábra. A CO2 fluxus (FCO2) menete 2010. első félévében a Campbell adatfeldolgozó programjával (Moore– korrekció nélkül).
III. A budapesti és kékestetői mérőállomás napsugárzás mérési programjának korszerűsítése, bővítése (5. sorsz. a II. munkaszakaszból átütemezett 2.a részfeladat) A légkör átbocsátó képességének hosszú távú nyomon követése jelzésértékű a földi klíma állapotában bekövetkezett változásokra. A nyomon követését célzó mérések bizonyos mértékben átfogóbb képet adhatnak a klímaváltozással kapcsolatosan, mivel ezek a mérések a teljes légkörben lezajló változásokat mutatják, vagyis egyfajta integrált hatást jeleznek, szemben a földfelszín közelében végzett egyéb meteorológiai mérésekkel, melyekre a lokális hatások esetenként erősen rányomják bélyegüket. ¾ Azt, hogy egy adott pillanatban hogyan alakul a légkör sugárzásegyenlege egy tetszőleges mérési pont felett, a légkör optikai vastagsága határozza meg, amely a sugárzásátvitel egyik legfontosabb alapmennyisége. Mivel a légkör alapvető alkotógázainak mennyisége hosszútávon gyakorlatilag változatlannak tekinthető, az optikai vastagság változásáért a légkörben lévő vendéganyagok a felelősek. A vendéganyagokról viszont tudjuk, hogy számottevő hatásuk a legalsó légrétegben van, így a legalsó légréteg sugárzás átbocsátási tulajdonságainak változása kulcsfontosságú kitűzött céljaink szempontjából. Ha a klímaváltozáshoz kapcsolódóan a légkör alsóbb rétegeinek átbocsátóképességében jelentkező változásokat szeretnénk nyomon követni, akkor először is pontosan ismernünk kell a közvetlen légszennyezés hatásaitól lényegesen mentesebb, felsőbb légrétegek átbocsátóképességében lezajló változásokat. ¾ Ha a szennyezés szempontjából perturbálatlan légkörsugárzás átbocsátási tulajdonságait akarjuk megismerni, akkor olyan helyen kell méréseket végeznünk, amely már fölötte van a légkör legszennyezettebb legalsó rétegének. Magyarországon a választható tengerszint feletti magasságok eléggé limitáltak, lévén 1015 m magas az ország legmagasabb pontja (Kékes). Mivel az Országos Meteorológiai Szolgálat kékestetői mérőállomása az említett mérések szempontjából, mind infrastruktúra, mind egyéb szempontok tekintetében maximálisan megfelelő, és miután az esetek többségében a szennyezőanyagok magasság szerinti eloszlása olyan, hogy 800-900 m fölött már nincs belőlük számottevő mennyiség, ezért a kékestetői mérőállomás kifejezetten megfelelőnek tekinthető céljaink megvalósításához. . ¾ A Budapest-Pestszentlőrinc mérőhelyen az ott működő főobszervatórium és légkörfizikai intézmény léte nyilvánvalóan eleve biztosítja az infrastukturális feltételek meglétét. Pestszentlőrinc elhelyezkedéséből már az is elég nyilvánvaló, hogy szennyezettség szempontjából is megfelel a feltételeknek, de ennek bizonyítására pont a szóban forgó optikai áteresztési vizsgálatok alapján tudunk kimutatással szolgálni. Az obszervatóriumban 1996 óta folyik spektrális napsugárzás-mérés. A spektrális irradianciákból minden egyes alkalmasan választott
19
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ hullámhosszon kiszámításra kerülnek az aeroszol optikai mélység értékek (az aeroszol optikai mélységet, mint fizikai mennyiséget és a meghatározására alkalmas hullámhosszokat részletesen ismertetjük a 2. Melléklet 2.1.1. pontjában). Jól ismert tény hogy, ha egy mérőhelyen az 500 nmes aeroszol optikai mélység hosszú távra átlagolt („klimatikus”) értéke eléri, vagy meghaladja a 0,3 értéket, akkor a hely ipari vagy belvárosi jellegűnek tekinthető aeroszol terhelés szempontjából. Ha ez az érték nem haladja meg a 0,2 értéket, akkor az adott hely vidéki („háttér”) jellegűnek számít. A pestszentlőrinci obszervatóriumra ez az érték 0,28 és 0,29 közöttinek adódott az 1996 óta tartó spektrális mérésekből számítva, tehát a kívánt feltétel teljesül. ¾ A fentiekben ismertetett lehetőségek miatt szerepel a pályázat célkitűzései között az Országos Meteorológiai Szolgálat budapesti és kékestetői mérőállomásán folyó napsugárzás-mérési program korszerűsítése, bővítése. A korszerűsítés, bővítés a budapesti mérőállomáson egyrészt egy SPO2 típusú napfotométer (2. kép) üzembe helyezését, illetve a korábban is működő mérőeszközök, adatgyűjtő berendezések megújítását jelenti.(3. - 4. kép)
2. kép
3. kép
4. kép
Kékestető esetében a korábbi mérési program bővítése jelenti a pályázathoz kapcsolódó feladatot, melyhez kapcsolódóan egy intelligens napkövetőn került elhelyezésre egy SPO2 típusú napfotométer, egy Kipp@Zonen CH1 típusú pirheliométer és egy CG4 típusú pirgeométer. (5. kép) Az adatgyűjtést és az adatfeldolgozást itt is egy Campbell CR3000 típusú adatgyűjtő végzi. (6. kép) 20
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
5. kép
6. kép
A pályázati feladattervben az említett fejlesztések a II. munkaszakaszban szerepeltek, ám az SPO2 napfotométerek esetében a gyártó ausztrál cég hibás beállítással és szereléssel szállította az eszközöket, melyek garanciális javítását a gyártó cég csak hosszas huzavona után teljesítette, jelentős csúszást eredményezve az említett fejlesztésekben. A 13. és 14. ábrán a főbb sugárzási paraméterek, illetve a különböző hullámhosszakon mért optikai mélység napi menete látható Budapest és Kékestető esetében. A két mérőállomás megfelelő ábráinak összehasonlítása egyértelműen mutatja a közel 1 km-es alsó légréteg sugárzásmódosító hatását, amely a kékesi direkt sugárzás magasabb és a légköri visszasugárzás alacsonyabb értékeiben illetve az aeroszol optikai mélység esetében, főleg a nagyobb hullámhosszakhoz tartozó alacsonyabb értékeiben jelentkezik. A főbb sugárzási paraméterek napi menete Budapesten, 2010.08.29.
Aeroszol optikai mélységénak napi menete Budapesten, 2010.08.29.
2
1000
W/m
direkt sug.
412 nm
0,35
500 nm
globál sug. lékör visszasug.
optikai mélység
800 600 400 200
0,3
675 nm
0,25
862 nm
0,2 0,15 0,1 0,05 0
0
idő
idő
13. ábra
Az aeroszol optikai mélységének napi menete Kékestetőn, 20010.09.02.
A főbb sugárzási paraméterek napi menete Kékestetőn, 2010.09.02. 2
W/m
direkt sug.
1000
412 nm
0,25
500 nm
globál sug. légkör visszasug.
600 400
675 nm
0,2
optikai mélység
800
862 nm 0,15 0,1 0,05
200
0
0
idő
idő
14. ábra
21
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ A mérési adatsorokra épülő és a jövőben operatív módon alkalmazott eljárások ismertetését a 2. Melléklet tartalmazza. A budapesti mérőállomás korszerűsítése és bővítése lehetővé tette, hogy csatlakozzunk a BSRN (Baseline Surface Radiation Network) mérőhálózathoz, amely célkitűzésként szerepelt a pályázati feladatok között. A Baseline Surface Radiation Network 1992-ben jött létre a World Climate Research Programme gondozásában azzal a céllal, hogy összefogja a Földön végzett, napsugárzással kapcsolatos méréseket. A BSRN által létrehozott adatbázis számos tudományterületen kiválóan használható, a WCRP által indított és más tudományos projektek keretein belül egyaránt. A BSRN a ma elérhető legjobb minőségű adatok egybefogására törekszik, így megfelelő alapot biztosít például a sugárzási komponensek monitorozásához, a műhold-felvételekre támaszkodó felszíni sugárzási áram mérések hitelesítéséhez, vagy a klímamodellek eredményeinek mérésekkel való összevetéséhez, lokális sugárzásklimatológiai modellek fejlesztéséhez is. Az adatgyűjtés elsősorban a felszíni rövid- és hosszúhullámú sugárzási komponensek adataira koncentrál, miközben a résztvevő állomásoktól számos egyéb releváns paramétert is kérnek, mint például az állomásokra vonatkozó földrajzi adatokat, vagy a sugárzásmérésekkel egyidőben megfigyelt további, a légkör állapotát leíró paramétereket. Az adatok gördülékeny továbbításának érdekében a BSRN a részletes dokumentációk, leírások mellett megbízható, e-mailen elérhető személyes segítségnyújtást is biztosít a programban résztvevő állomások számára. A hálózat jelenleg 51 aktív állomásról gyűjti be az adatokat (az állomások listája ezen a webhelyen megtekinthető: http://www.pangea.de/PHP/BSRN_Status.php?q=LR0100), mely lista hamarosan a budapesti mérőállomással is bővülni fog.
IV. Mérőállomások és csapadékmérő automaták telepítése az ország középső és nyugati területén (6. és 7. sorsz. 4. részfeladat, valamint 8. sorsz. többletfeladat) A pályázat első munkaszakaszához kapcsolódó vizsgálatok alapján az elmúlt évtizedek léghőmérséklet és csapadék adatsorai egyértelműen az ország nyugati és keleti területein mutatják a legjellegzetesebb trendeket, ami egyben kijelöli az ország azon régióit, ahol a mérőállomások telepítése a leginkább indokolt. Az említett nyugati és keleti régió mellett egy harmadik területen az ország középső régiójában is tervbe vettük egy mérőállomás telepítését, melyet alapvetően a terület aszályossága indokol. ¾ Az említett mérőállomások telepítésével és működtetésével olyan mérési adatokhoz juthatunk, melyek a leghitelesebben rögzítik és követik nyomon az adott területek klímáját jellemző meteorológiai paramétereket. A mérések hitelességét két tényező biztosítja, egyrészt a mérési program, ami részletesebb és újszerűbb, mint az OMSZ jelenlegi földfelszíni mérőhálózatában alkalmazott mérési program, másrészt a mérési adatok hitelességét döntő mértékben befolyásolják a mérési körülmények, amely körülmények megfelelő biztosítása a vártnál jóval nagyobb kihívást jelentett a projekt megvalósítása során. ¾ Ahhoz, hogy az említett mérőhelyeken egyértelműen a háttérklíma változásából eredő hatásokat tudjuk kimutatni, minimalizálni kell a mérőhely időben és térben változékonyabb lokális hatásainak szerepét, amely hatásokra a Debrecen környéki mérőállomások hőmérsékleti adatsorainak elemzése egyértelműen rávilágított. Szakmailag célszerű ezért lehetőleg minél nagyobb sík, emberi tevékenység - mind a mezőgazdasági művelés, mind egyéb tevékenység tekintetében érintetlen, természetes növénytakaróval borított felszínt választani a mérőállomások telepítésére. A szakmai szempontok mellett egyéb szempontokat is figyelembe kellett venni, ilyen a mérőhely áramellátásának biztosítása, a terület állami tulajdonjoga, a mérőállomás megközelíthetősége akár nehéz időjárási körülmények között is, valamint a minimális emberi felügyelet megléte. A két 22
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ szempontrendszer maradéktalan teljesítése tapasztalataink szerint gyakorlatilag lehetetlen és még az elfogadható mértékű kompromisszumos megoldások elérése is időt, nagyfokú türelmet és kitartást igényelt. ¾ A mérési körülményekre vonatkozó elvárásoknak Magyarországon leginkább a nemzeti parkok, katonai, polgári illetve sportrepülőterek felelhetnek meg, ám a nemzeti parkok esetében a természetvédelmi, míg a repülőterek esetében a repülésbiztonsági és egyéb hatósági szempontok olyan súllyal szerepelnek, amely miatt időként teljes reménytelenség övezte a mérőállomások telepítéséhez szükséges, még az erősen kompromisszumos feltételek biztosítását is. Végül a lehetőségek közül a nemzeti parkokkal, ezen belül a Kiskunsági Nemzeti Parkkal, a Fertő-Hansági Nemzeti Parkkal, illetve a Nyugat-Dunántúli Környezetvédelmi Felügyelőséggel sikerült olyan együttműködést kialakítani, melyek, igaz kompromisszumok árán, de biztosítják a mérőállomások telepítéshez szükséges feltételeket. Magyarország klímaviszonyainak hiteles nyomon követése érdekében az Országos Meteorológiai Szolgálat és a nemzeti parkok között létrejött kapcsolat mindenképpen előremutató és újszerű, mivel ilyen típusú együttműködés korábban nem volt az említett szervezetek között. A projekthez kapcsolódó feladatok megvalósítása mutatott rá egyértelműen ezen együttműködés szükségességére és nyilvánvaló mivoltára, amely a jövőben természetesen már tovább bővíthető, akár az OMSZ és a természetvédelem felügyeletét ellátó Környezetvédelmi Minisztérium hathatós támogatásával is megerősítve. ¾ Annak ellenére, hogy a mérőrendszerek az OMSZ pestlőrinci telephelyén már hónapok óta szinte minden részében telepítésre előkészítve állnak (7. – 8. kép), a konkrét telepítésre a projekt záró időpontjáig nem került sor. A Kiskunsági Nemzeti Park területén a telepítésre a kijelölt helyszínen, a földalapú támogatási rendszer miatt csak szeptember 1 után kezdhetjük el a telepítési munkálatokat, míg a Fertő-Hansági Nemzeti Park területén lévő KÖFE mérőállomás kerítését a nemzeti park szürke marha állománya oly mértékben tette tönkre, hogy annak javítása előtt a mérőrendszerünk telepítése nem biztonságos.
7. kép
8. kép
23
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ A két mérőállomás, Bugac-Orgovány és Sarród-Mexikópuszta tervezett helyszínét, illetve a már 2008 óta működő Debrecen-Kismacs és Debrecen-Látókép mérőállomások elhelyezkedését a 9. képen láthatjuk.
9. kép
¾ Ahogy a projekt munkatervében szerepel, a bázis mérőállomások környezetében, a térségre jellemző csapadék viszonyok pontosabb feltérképezése érdekében, automata csapadékmérők telepítését terveztük, melyek telepítésére és beüzemelésére ugyancsak a projekt III. munkaszakaszában került sor. Az automata csapadékmérők esetében, a mérési körülményekre vonatkozó elvárások jóval egyszerűbbek, mint a bázis állomásoknál, ezért a megfelelő mérőhelyek megtalálása ebben az esetben nem akadályozta lényegesen a telepítések ütemtervét. Az automata csapadékmérők súlyméréses elven működő mérőeszközök (10. kép), melyek alkalmazását az OMSZ már évek óta tervezi a földfelszíni mérőhálózatában, ám ilyen eszközök konkrét alkalmazására csupán a projekthez kapcsolódóan került sor. A csapadékmérők minden helyen szélvédő gallérral kerültek telepítésre, melyek főleg hó estében jelentősen növelhetik a mérések megbízhatóságát. A súlyméréses elven működő csapadékmérők számos előnnyel rendelkeznek az OMSZ földfelszíni mérőhálózatában alkalmazott billenő edényes csapadékmérőkhöz képest, amely egyrészt a mérések megbízhatóságában, másrészt a kalibrálási és karbantartási feladatok egyszerűbb végrehajthatóságában jelentkezik. Teljesen újszerű az automata csapadékmérőkkel történő kommunikáció, amely során egy központi szervergép GPRS modemen keresztül, 10 perces gyakorisággal kérdezi le a mérőeszközöket, illetve küldi az OMSZ központi adatbázisába az adatokat. Ez az eljárás teljes egészében illeszkedik az OMSZ mérőhálózatában alkalmazott adat lekérdezési rendhez. A projekt keretén belül az automatizált csapadékmérésekhez kapcsolódó fejlesztések megnyitották az utat az OMSZ alaphálózatában már régóta esedékes mérőhálózat fejlesztése előtt.
24
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
10. kép: Súlyméréses elven működő, automata csapadékmérő, szélvédő gallérral
A projekt, rendelkezésre álló erőforrásai jelenleg 7 automata csapadékmérő telepítését tették lehetővé, amely mérések a bugaci mérőhelyeken léghőmérséklet mérésekkel egészülnek ki. A mérőhelyek elhelyezkedését a 11. kép szemlélteti. A mérőállomások helyének kijelölésekor igyekeztünk tekintettel lenni arra is, hogy pótoljuk az OMSZ földfelszíni mérőhálózatában meglévő, a területi lefedettségben jelentkező kisebb-nagyobb egyenetlenségeket.
11. kép
25
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
Hivatkozások, előadások, publikációk Cikkek, könyvfejezetek, konferencia-összefoglalók 1.
Machon, A., Horváth, L., Weidinger, T., Grosz, B., Pintér, K., Nagy, Z., Mohácsi, Á., Pogány, A. and Bozóki, Z., 2010: Summary of the N flux measurements and budget estimations over a grassland in Hungary (Bugac L3 site). Reactive Nitrogen and the European Greenhouse Gas Balance. Open Science Conference. 30 January – 4 February 2010, Soloturn, Switzerland, Book of abstracts, 25p.
2.
Nagy, Z., Weidinger, T., Baranka, Gy., Tóth, Z., Nagyné Kovács, E., Mészáros, R., Gyöngyösi, A.Z. and Törék, O., 2008: Baseline climate network in Hungary and application for air quality dispersion models. EMS 2008 Session AW6: Instruments and new challenges in observation strategies: Surface energy fluxes and atmospheric turbulence. Amsterdam, The Netherlands, 29 September – 3 October 2008, (EMS2008-A-00391).
3.
Nagy, Z., Baranka, Gy., Weidinger, T., Popov, Z., Mészáros, R. and Törék, O., 2010: Evaluation of climate reference mast measurements at Debrecen, Hungary for climate studies. EMS 2008 Session AW6, Zürich, Switzerland, 13 – 17 September, 2008.
4.
Pogány, A., Mohácsi, Á., Bozóki, Z., Szabó, G., Varga, L., Horváth, L. and Weidinger, T., 2009: Ammonia concentration and gradient measurements at various sites with a room temperature diode laser based photoacoustic measurement (WaSul-Flux). NEU IP 4th General Assembly & Annual Meeting, 2009 January 26–29 Goteborg, Sweden.
5.
Pogány, A., Mohácsi, Á., Jones, S.K., Nemitz, E., Varga, A., Bozóki, Z., Galbács, Z., Weidinger, T., Horváth, L. and Szabó, G., 2010a: Evaluation of a diode laser based photoacoustic instrument combined with preconcentration sampling for measuring surfaceatmosphere exchange of ammonia with the aerodynamic gradient method. Atmospheric Environment 44, 1490–1496 (If.: 2,724).
6.
Pogány, A., Weidinger, T., Theobald, M., Schelde, K., Bienkowski, J., Bordás, Á., Bozóki, Z., Eredics, A., Hensen, A., Janku, K., Kiss, Gy., Kraai, A., Istenes, Z., Mohácsi, Á. and Szabó, G., 2010b: Energy budget components, ammonia concentration and flux measurements on an agricultural landscape near Bjerringbro, Denmark. Geophysical Research Abstracts 12, EGU2010-14742, 2010, EGU General Assembly 2010.
7.
Pogány, A., Weidinger, T., Theobald, M., Shelde, K., Bienkowski, J., Bordás, Á., Bozóki, Z., Eredics, A., Hensen, A., Janku, K., Kiss, G., Kraai, A., Istenes, Z. and Mohácsi, A., 2010c: Ammonia concentration and flux measurements on an agricultural landscape near Bjerringbro, Denmark. Reactive Nitrogen and the European Greenhouse Gas Balance. Open Science Conference. 30 January – 4 February 2010, Soloturn, Switzerland, Book of abstracts. P82.
8.
Popov, Z., Weidinger, T. and Baranka, Gy., 2010: Assessment of surface layer parameters from routine meteorological measurements in the Pannonia region. Geophysical Research Abstracts 12, EGU2010-5636, 2010, EGU General Assembly 2010.
9.
Theobald, M., Schelde, K., Cellier, P., Bertolini, T., Bienkowski, J., Bleeker, A., Boegh, E., Bordas, A., Bozoki, Z., Braban, C., Breuer, L., Butterbach-Bahl, K., Christen, B., Dalgaard, T., Ditomassi, P., Durand, B., Durand, P., Duretz, S., Els, N., Exbrayat, J., Famulari, D., Flechard, C., Frede, H., Frumau, A., Hensen, A., Janku, K., Kraai, A., Magliulo, E., Pogany, A., Riddick, S., Sanz-Cobena, A., Schlentner, G., Sutton, M., Thomsen, A., van den Bulk, P., Weidinger, T., Willibald, G. and Wohlfart, T., 2010: Field Measurements of Nitrogen Flows in a Rural Landscape (Overview of the NitroEurope Bjerringbro Field Experiment). Reactive Nitrogen and the European Greenhouse Gas Balance. Open Science Conference. 30 January – 4 February 2010, Soloturn, Switzerland, Book of abstracts, 22p.
26
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ 10. Weidinger T., 2010: TDK témák általános- ás mikrometeorológiából, Egyetemi Meteorológiai Füzetek 23 (szerkesztette: Mészáros R. ás Komjáthy E.), 37–46. 11. Weidinger T., Tasnádi P. és Bartholy J. (szerkesztők), 2008a: Meteorológia és az alaptudományok. A Meteorológus TDK 2008. évi nyári iskola előadásainak összefoglalói. Egyetemi Meteorológiai Füzetek, 22, ELTE Meteorológiai Tanszék, Budapest, 187 oldal. 12. Weidinger, T., Nagy, Z., Baranka, Gy., Mészáros, R., and Gyöngyösi, A.Z., 2008b: Determination of meteorological preprocessor for air quality models in the New Hungarian Standards. Croatian Meteorological Journal, the 12th International Conference on Harmonization within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, HARMO 12. 460–464. 13. Weidinger T., Istenes Z., Hargitai H., Tepliczky I. és Bérczi Sz., 2008: Mikrometeorológiai állomás a marsi analóg terepgyakorlaton: Utah, 2008. április. 3. Planetológiai Szeminárium 2008. szept. 4-5. 3rd Planetology Seminar Budapest, 4-5 September 2008. E6. (http://planetveab.elte.hu/program.pdf). 14. Weidinger, T., Istenes, Z., Hargitai, H., Tepliczky, I. and Bérczi, Sz., 2009a: Micrometeorological station at the Mars analog field work, Utah, April, 2008. NASA 40. LPSC Conference, Session 631: Mars analogs: chemical and physical, #1282. 15. Weidinger, T., Pogány, A., Janku, K., Wasilewsky, J., Mohácsi, Á., Bozóki, Z., Gyöngyösi, A.Z., Istenes, A., Eredics, A. and Bordás, A., 2009b: Micrometeorological and ammonia gradient measurements above agricultural fields in Turew (Poland), Geophysical Research Abstracts 11, EGU2009-8167. 16. Weidinger, T., Simon, Sz., Mádlné Szőnyi, J. and Bordás, Á., 2009c: Uncertainties in the estimation of a shallow lake water budget. Environmental, Health and Humanity Issues in Down Danubian Region: Multidisciplinary Approach. Edited by Mihailovic, D.T. and Miloradov, M., Publisher: World Scientific, New York, London, Singapore, 265–276. 17. Weidinger, T., Pogány, A., Janku, K., Wasilewsky, J., Mohácsi, Á., Bozóki, Z., Göngyösi, A.Z., Istenes, Z., Eredics, A., Bordás Á. and Törék, O. 2009d: Energy budget components, ammonia gradient and flux measurements above a crop field in Turew Poland). NEU IP 4th General Assembly & Annual Meeting, 2009 January 26–29 Goteborg, Sweden (Poster presentation). 18. Weidinger, T., Pogány, A., Horváth, L., Mohácsi, Á., Bozóki, Z., Gyöngyösi, A.Z., Bordás, Á., Pintér, K., Nagy, Z. and Machon, A., 2009e: Concentration gradient measurements and flux calculations of the atmospheric ammonia over grassland (Bugac-puszta Hungary), Workshop on Modelling and Measuring Aspects of some Environmental Issues in European Union and National Projects, April 27-29 2009, Novi Sad, Serbia. 19. Weidinger, T., Horváth, L., Nagy, Z. and Gyöngyösi, A.Z., 2010: Long-term measurements of energy budget and trace gas fluxes between the atmosphere and different types of ecosystems in Hungary. Advances in environmental fluid mechanics (Mihailovic, D.T. and Gualtieri C. Editors) Publisher: World Scientific, New Jersey, London, Singapore, Beijing, Shanghai, Hong Kong, Taipei, Chennai, 185–208.
Előadások 1. Nagy, Z., Weidinger, T., Szász, G., Baranka, Gy., Tóth, Z., Nagyné Kovács, E. és Gyöngyösi, A. Z.: Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére, HUNGEO 2008, Magyar Földtudományi Szakemberek IX. Világtalálkozója, Budapest, 2008. augusztus 20-24.
27
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ 2. Nagy, Z., Weidinger, T., Szász ,G., Baranka, Gy., Tóth, Z., Nagyné Kovács, E. és Gyöngyösi, A. Z.: Célzott éghajlati mérőhálózat a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nyomon követésére, IV. Magyar Földrajzi Konferencia, Debrecen, 2008. november. 14-15. 3. Weidinger, T., 2008: A planetáris határréteg szerkezete, modellezési lehetőségei, a felszínközeli réteg turbulens kicserélődési folyamatai. Szeminárium a Szegedi Tudományegyetem, Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékén, 2008. március 20. 4. Weidingrer, T., 2008: Investigation of turbulence exchange processes in the surface and the mixing layer. Seminar, Republic Hydrometeorological Service of Serbia, Beograd, 2008. 05. 07. 5. Weidinger, T., Horváth, L., Nagy, Z., Pintér, K., Mészáros, R. and Machon, A., 2008: Measurement and modeling of energy budget and trace gases fluxes between atmosphere and different types of ecosystems of Hungary. (i) The International Scientific Advisory Board (ISAB) meeting University of Novi Sad, Novi Sad, Serbia Centre for Meteorology and Environmental Predictions, 2008. 05. 08., (ii) St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Department of Applied Mathematics, Seminar 2008. 05. 29. (In Russ), (iii) Agrophysical Research Institute, Laboratory of Soil Biophysics, Seminar 2008.06.03. (In Russ). 6. Weidinger T., 2009: A planetáris határréteg szerkezete és modellezési lehetőségei. Problémamegoldó Szeminárium, ELTE Matematikai Intézet, Alkalmazott Matematikus Szak, IV. évfolyam, 2009 december. 7. Weidinger T., Istenes Z., Tepliczky I. és Hargitai H., 2009f: A HUNME Hunveyor-10 meteorológiai állomás fölépítése és mérései az MDRS-en. Kilencedik Hunveyor Szeminárium, 2009. február 19, Soproni Széchenyi István Gimnázium. 8. Wedinger T. és Horváth L., 2009: A COST ES0804 program. COST fórum, Országos Meteorológiai Szolgálat, Budapest, 2009. október 13. 9. Weidinger T., 2009: A planetáris határréteg szerkezete és modellezési lehetőségei. Problémamegoldó Szeminárium, ELTE Matematikai Intézet, Alkalmazott Matematikus Szak, IV. évfolyam, 2009 december.
Poszterek: 1. Baranka, Gy., Weidinger, T., Nagy, Z., Mészáros, R. and Gyöngyösi, A. Z., 2008: Determination of meteorological preprocessor for air quality models in New Hungarian Transmission Standards. Model evaluation and quality assurance. HARMO 12 Conference, 12th International Conference on Harmonization within Atmospheric Dispersion Modeling for Regulatory Purposes, Cavtat, Croatia, 6-7 October 2008. 2. Nagy, Z., Weidinger, T., Szász, G., Szalai, S., Nagyné Kovács, E., Matyasovszky, I. and Gyöngyösi, A. Z., 2008: Baseline climate network in Hungary for high accuracy detection of the local effects of climate change. EGU General Assembly, 2008, Vienna, Austria 13-18 April 2008. 3. Nagy, Z., Weidinger, T., Baranka, G., Tóth, Z., Nagyné Kovács, E., Mészáros, R., Gyöngyösi, A. Z., and Törék, O., 2008: Baseline climate network in Hungary and application for air quality dispersion models. EMS 2008 Session AW6: Instruments and new challenges in observation strategies: Surface energy fluxes and atmospheric turbulence. Amsterdam, The Netherlands, 29 September - 3 October 2008, (EMS2008-A-00391). 4. Nagy, Z., Weidinger, T., Baranka, G., Mészáros, R., Popov, Z. and Törék, O.(2010) Evaluation of climate reference mast measurements at Debrecen, Hungary for climate studies EMS 2010
28
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________ Session AW11: Poster Programme AW6: Atmospheric measurements from local to regional scale: A data source for climate studies and model validation, Zurich, Switzerland, 13 September – 17 September 2010, (EMS2008-512). 5. Popov, Z., Weidinger, T. and Baranka, G. (2010) Assessments of surface layer parameters from routine meteorological measurements in Pannonian region, EGU
Diplomamunkák, szakdolgozatok, TDK dolgozatok 1.
Hadvári M., 2009: A harmat és a dér kialakulásának meteorológiai jellemzői a téli félévben. Diplomamunka, ELTE Meteorológiai Tanszék (Témavezető: Nagy József, konzulens: Weidinger Tamás), 55 oldal.
2.
Kiss Gy., 2010: A dániai NitroEurope mikrometeorológiai mérési expedíció adatfeldolgozása (Bjerringbro, 2009) Szakdolgozat, ELTE Meteorológiai Tanszék (Témavezető: Weidinger Tamás), 51 oldal.
3.
Lehoczky A., 2010: A 2009-es ázsiai teljes napfogyatkozás a Shanghai térségében végzett mikrometeorológiai mérések tükrében. TDK dolgozat, ELTE meteorológiai Tanszék.
4.
Morvai K., 2010: Az árnyékolók hatása a léghőmérséklet-mérések és a hosszútávú adatsorok megbízhatóságára. Diplomamunka, ELTE Meteorológiai Tanszék (Témavezető: Nagy Zoltán, konzulens: Weidinger Tamás), 55 oldal.
5.
Törék O., 2009: A lehetséges éghajlatváltozás hazai hatásait detektáló célzott meteorológiai mérőhálózat és adatfeldolgozási rendszere. Diplomamunka, ELTE Meteorológiai Tanszék (Témavezető: Weidinger Tamás, Konzulens: nagy Zoltán), 59 oldal.
A részjelentés elkészítéséhez felhasznált további irodalom Bozó L., Mészáros E. és Molnár Á., 2006: Levegőkörnyezet. Modellezés és megfigyelés. Akadémiai Kiadó, Budapest, 245 oldal. COTAG System User Manual, 2009: Poznan University of Life Sciences, Version 1.5, Manuscript (EU6-NitroEurope program). Foken, T., 2008: Micrometeorology. Original German edition published by Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 308p. Foken, T. and Wichura, B., 1996, Tools for quality assessment of surface-based flux measurements. Agric. For. Meteorol. 78, 83–105. Irwin, J.S., 1979: A theoretical variation of the wind profile power-law exponent as a function of surface roughness and stability. Atmospheric Environment 13, 191–194. Maunder, M. and Foken, Th., 2004: Documentation and Instruction Manual of the Eddy Covariance Software Package TK2, University Bayreuth, Arbeitsergebnisse, Nr. 26. Barcza, Z. 2001. Long term atmosphere/biosphere exchange of CO2 in Hungary. Ph.D. thesis, Eötvös Loránd University, Budapest. 115p. Weidinger T., Barcza Z. és Matyasovszky I., 2002: Turbulens áram számító programok összehasonlítása az EBEX-2000 mérési expedíció adatai alapján. Levegő-növény-talaj rendszer. Debreceni Egyetem Agrártudományi Centrum. Lícium-Art Könyvkiadó, 121–128. Weidinger, T., Pinto, J. and Horváth, L., 2000: Effects of uncertainties in universal functions, roughness length, and displacement height on the calculation of surface layer fluxes. Meteorologische Zeitschrift 9, No. 3, 139–154.
29
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
A részjelentés elkészítéséhez felhasznált INTERNET-es hivatkozások http://daac.ornl.gov/FLUXNET/fluxnet.shtml (A FluxNet nyitóoldala) http://www.neu.ceh.ac.uk/ (A NitroEurope program nyitóoldala: magyarországi résztvevők Erdészeti Tudományos Intézet, Szent István Egyetem, Szegedi Tudományegyetem, ELTE) http://www.dwd.de/de/FundE/Observator/MOL/MOL.htm (A Német Meteorológiai Szolgálat Richard Aßmann Obszervatóriuma, Lindenberg) A HungaroMars-2008 információs oldalai: http://www.mta.hu/index.php?id=634&no_cache=1&backPid=390&tt_news=8531&cHash=699b5 38d83 http://planetologia.elte.hu/1cikkek.phtml?cim=hungaromars2008.html http://www.campbellsci.com/eddy-covariance (A Campbell műszergyártó cég oldala) http://www.vaisala.com/ (A Vaisala műszergyártó cég oldala) http://cost729.ceh.ac.uk/ (A COST 729 program kezdőlapja) http://www.ileaps.org/multisites/cost0804/ (A COST ES0804 program kezdőlapja) http://www.nine-esf.org/?q=node/205 (A NinE Nitrogen in Europe ESF program kezdőlapja)
30
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
A munkaszakasz költségvetése A III. munkaszakasz tervezett és tényleges költségei költségnemenkénti bontásban
Eszköz beszerzés Terv Tény Eltérés Dologi Terv Tény Eltérés Személyi juttatások Terv Tény Eltérés Összesen
Konzorcium vezető (OMSZ)
Konzorciumi partner (ELTE)
20 640 000 22 194 829 1 554 829
400 000 154 306 -245 694
4 880 000 3 433 414 -1 446 586
1 900 000 1 730 346 -169 654
3 000 000 2 891 757 -108 243 28 520 000
1 700 000 2 115 348 415 348 4 000 000
31
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
A projektek monitoring mutatói Formanyomtatvány monitoring adatszolgáltatásra A táblázatot értelemszerűen csak a projekt kapcsán értelmezhető sorokban kell kitölteni
A *-gal jelölt mutatókat az éves, illetve a záró beszámolókban, a többi adatot a projekt lezárását követően a KPI felhívására kell megadni, ezeknek az adatoknak a szolgáltatását a KPI felhívására a projekt lezárását követően 5 évig kell biztosítani. 1.
2.
3.
4.
5.
Eredmény A projekt hasznosítható eredménye • Kifejlesztett új* o termék(db) o szolgáltatás (db) 1 (mérés-adatgyűjtő és feldolgozó rendszer energetikai célú szélmérésekhez) o technológia (db) 1 (mobil mérés-adatgyűjtő és feldolgozó rendszer mikrometeorológiai és energiaháztartási mérésekhez) o Benyújtott szabadalmak száma* o hazai (db) o PCT (db) o külföldi (db) • Megítélt szabadalmak száma o hazai (db) o PCT (db) o külföldi (db) • Egyéb iparjogvédelmi oltalom.(db)* (pl: védjegy, mintaoltalom, stb.) Tudományos eredmények • Publikációk* (előadásokat is beleértve) 19 o Hazai(dbx impact faktor) 2 (Cereal Res. Comm., Időjárás) o Nemzetközi (dbximpact faktor) (2*1.414); (3*5,552) (2 Boundary-Layer Met., 1 Int J. Environ and Poll.), 2,724 (Atmospheric Environment) • Disszertációk száma; PhD (db)* • Eredményezett új nemzetközi projektek száma (db) 3 Magyar-Lengyel mérési expedíció az EU6 NitroEurope (2006-2011) keretében az ESF támogatásával, 2008.; COST ES0804 2009-2012, Bjerringbro, Dánia, 2009. április, mérési expedíció az EU6 NitroEurope (2006-2011) program és a COST729 támogatásával. Emberi erőforrás * • A projektbe bevont PhD hallgatók száma (db) 4 • A projektbe bevont új posztdoktorok száma (db) • A projekt teljesítésére hazatelepült külföldi kutatók száma (db) • A projekt révén létrejött munkahelyek száma (db) 0.5 • Oktatásban/képzésben hasznosított eredmények száma? (db) 3 (PhD, Ms kurzusok, TDK tevékenység) Gazdasági hasznosítás Az eredményt hasznosító cég(ek) száma (db) 1 (GAIASOLAR, szélmérések) • A projekt eredményeként létrejött többlet árbevétel (Ft) és/vagy költségcsökkenés (Ft) • A hasznosító cég(ek) száma (db), elérhetősége Társadalmi hasznosítás • Horizontális szempontok érvényesülése (fenntartható fejlődés, környezetvédelem, 32
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
6.
esélyegyenlőség, biztonság, regionális egyenlőtlenségek mérséklése) o a fenntartható fejlődéshez és a környezetvédelemhez? (I) Részvétel az alap éghajlati mérőrendszer tervezésében, működtetésében, az adatfeldolgozó és minőségbiztosítási rendszer kidolgozásában, fejlesztésében, hazai és nemzetközi publikálás o az esélyegyenlőség megvalósításához? (I) Nők, egyetemi hallgatók, határon túli fiatal kutatók bevonása a programba o a biztonsághoz? (I) Az alap-éghajlati mérőrendszer alkalmas terjedési modellszámításokhoz szükséges parametrizációs eljárások kialakításához. Pontosabb képet kapunk a lehetséges éghajlatváltozás mértékéről, ami a gazdasági-tervezési feladatok megalapozásához szükséges. o a regionális egyenlőtlenségek mérsékléséhez? (I) EU6 program keretében a Kiskunsági Nemzeti Parkban (Bugac-puszta) folynak folyamatos mikrometeorológiai és levegőkémiai mérések, valamint Kelemenszéken vízfelszín feletti energiaháztartás mérések. • A projekt eredményeinek nyilvános bemutatása o Szakmai körökben Tudományos előadások, konferenciák, Meteorológiai Tudományos Napok, cikkek, kiadványok; EMS EGU, kutatási együttműködés az Újvidéki Egyetemmel és a Szerbiai Meteorológiai Szolgálat Újvidéki Irodájával, részvétel a COST ES0804 programban. o Nagyközönség körében: GLOBE program keretében tájékoztató középiskolásoknak, Matematikus hallgatói Szeminárium, Meteorológus TDK Nyári Iskola (2008, 2009, 2010) Egyéb, a projekt jellegéből adódó, speciális monitoring mutatók A project hozzájárult további hazai K + F kutatásokban való részvételhez, ami a felszín-légkör kölcsönhatások mérésén és modellezésén keresztül kapcsolódik a jelen kutatáshoz: (i) GVOP -3.2.1.-2004.-04.-0233/3.0 Környezettudományi Műszerpark fejlesztés (2005. 04. 19. – 2006. 06. 20.), (ii) Többléptékű terjedési modellrendszer fejlesztése a 2010-ig várható hazai légszennyezettség környezeti hatásainak becslése 3A/088/2004 NKFP, (iii) Részvétel a COST ES0804 programban, (iv) bekapcsolódás a TÁMOP Kutatóegyetemi Pályázatba (TÁMOP 4.2.1./B-09/KMR-2010-0003).
33
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
Tájékoztatás és nyilvánosság A projekt eredményeinek nyilvános bemutatása Szakmai körökben Eredményeinket bemutattuk hazai és nemzetközi fórumokon: a NitroEurope program közgyűlésein, az Európai Geofizikai Unió (EGU) és az Európai Meteorológiai Társaság (EMS) évi konferenciáin és egy EU6-os programhoz kapcsolódó munkaértekezleten Szerbiában, az Újvidéki Egyetemen. Nagyközönség körében Fontosnak tartottuk a program megismertetését a diákokkal (egyetemi hallgatók, a GLOBE programban résztvevő középiskolások); e célt szolgálta többek között az éves GLOBE tanártovábbképzés, a projekt eredményeinek beépítése az egyetemi oktatásba - a matematikus hallgatói szemináriumokon tartott előadás és szemináriumi munka vezetése, Meteorológus TDK Nyári Iskola, diplomamunkák készítése
A kapott támogatás ösztönző hatása A projekt keretén belül az automatizált csapadékmérésekhez kapcsolódó fejlesztések megnyitották az utat az OMSZ alaphálózatában már régóta esedékes mérőhálózat fejlesztése előtt. Morvai Krisztián végzős meteorológushallgató, „Az árnyékolók hatása a léghőmérséklet-mérések és a hosszú távú adatsorok megbízhatóságára” című diplomamunkáját jeles eredménnyel védte meg az Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Karának Meteorológiai Tanszékén A kidolgozott mérési és adatfeldolgozási eljárások használhatók a telepítésre kerülő új állomásokon is. Megvan a társadalmi igény és a közreműködő szervezetek (OMSZ, a Debreceni Egyetem és az ELTE Meteorológiai Tanszék) szándéka i.) a mérőrendszer folyamatos működtetésére, és fejlesztésére, ii.) a minőségbiztosított adatok feldolgozására és iii.) az erre épülő alap és alkalmazott kutatások elvégzésére A K+F tevékenység eredményei felhasználásra kerültek az EU6 NitroEurope programban kialakított COTAG (Conditional Time Averaged Gradient) mérőrendszer adatgyűjtő programjában (szonikus anemométer, 2 szinten folyó denuderes mérések az ammónia és a salétromsav havi átlagos ülepedésének meghatározására különböző stabilitási viszonyok mellett). A Poznani Mezőgazdasági Egyetemen épített mérőrendszerrel különböző európai ökoszisztémák felett folynak hálózatszerű mérések. Hazánkban a bugac-pusztai mérőhelyen működik ilyen berendezés (COTAG System User Manual, 2009), Részvétel külföldi mérési programokban, Lengyelországban (Turew, 2008. június, október) és Dániában (Bjerringbro, 2009. április): energiamérleg komponensek, szél, hőmérséklet, nedvesség és ammónia gradiens mérések, az adatfeldolgozó program fejlesztése (Theobald, et al., 2010; Weidinger et al., 2009d,e), A Jedlik Ányos pályázatra alapozva kiegészítő források bevonása a K+F tevékenységbe, a nemzetközi mérési expedíciók finanszírozására (ESF – European Scientific Foundation, Nine Short Visit Grant 2414; COST 729; EU6-NitroEurope központi keret), Új kutatási programok (TÁMOP 4.2.1./B-09/KMR-2010-0003) indítása, új pályázatok (OTKA, EU7) beadása, hazai és bilaterális (magyar-szerb) kutatási együttműködések szervezése.
34
III. Munkaszakasz
NKFP6-00028/2005
Szakmai anyag
__________________________________________________________________________________
A részt vevő személyek Szakértő neve
Szakértő azonosítója
Nagy Zoltán Dr. Baranka Györgyi Nagyné Kovács Eleonóra Tóth Zoltán Dr. Weidinger Tamás Gyöngyösi András Zénó Machon Attila Bordás Árpád
Közreműködő státusza Projektvezető, PhD fokozat nélküli kutató PhD fokozatú kutató PhD fokozat nélküli kutató PhD fokozat nélküli kutató Egyetemi docens
Konzorciumi tag sorszáma 1.
Feladatok sorszáma
Munkaidő ráfordítás (óra) (FTE) 639 0,14
1.
120
1.
275
1.
137
2.
360
PhD hallgató
2.
320
Tudományos segédmunkatárs vendégkutató
2.
360
2.
200
0,03 0,06 0,03 0,08 0,07 0,08
Összesen (FTE) Teljes munkaidőre átszámított létszám (fő) 2411
Budapest, 2010.09.24. ……………………………….. Dr. Bozó László OMSZ elnök
35
0,04 0,53 0,55
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomonkövetésére 6/028/2005 NKFP program, III. részjelentés Az ELTE Meteorológiai Tanszék kutatási beszámolója Weidinger Tamás1, Nagy Zoltán2, Baranka Györgyi2, Gyöngyösi András Zénó1, Machon Attila1, Istenes Zoltán3 , Bordás Árpád1,4, Törék Orsolya Mária1 és Kiss Győző1 1
ELTE TTK Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék 2 Országos Meteorológiai Szolgálat 3 ELTE Informatikai Kar, Programozáselmélet és Szoftvertechnológiai Tanszék 4 Zentai Tehetséggondozó Gimnázium, Szerbia, ELTE TTK PhD hallgató
1. Bevezetés A globális klímaváltozás hazai hatásainak hosszútávú, nagypontosságú nyomon-követésére tervezett mérőrendszer fejlesztésének harmadik szakaszában az ELTE Meteorológiai Tanszék feladatai közé tartozott: • közreműködés a központi mérőállomás (Debreceni Agrometeorológiai Obszervatórium) adatfeldolgozási rendszerének fejlesztésében, a mérési adatok minőségbiztosításában (Morvai, 2010, Nagy et al., 2008, 2010; Popov et al., 2010; Törék, 2009; Weidinger et al., 2008b), • a Campbell típusú mérésadatgyűjtő (CR1000, CR3000) nyílt kódú fluxusszámító gyári programjának (ECSoft-EB Eddy Covariance program) fejlesztése. A K+F tevékenység eredményei felhasználásra kerültek az EU6 NitroEurope programban kialakított COTAG (Conditional Time Averaged Gradient) mérőrendszer adatgyűjtő programjában (szonikus anemométer, 2 szinten folyó denuderes mérések az ammónia és a salétromsav havi átlagos ülepedésének meghatározására különböző stabilitási viszonyok mellett). A Poznani Mezőgazdasági Egyetemen épített mérőrendszerrel különböző európai ökoszisztémák felett folynak hálózatszerű mérések. Hazánkban a bugac-pusztai mérőhelyen működik ilyen berendezés (COTAG System User Manual, 2009), • a Campbell adatgyűjtő nyers eddy-kovariancia adatainak (ECSoft-EB Eddy Covariance program) utófeldolgozása, a Bayreuthi Egyetem Mikrometeorológiai Tanszékén kifejlesztett fluxus-számító módszer adaptálásával (Maunder és Foken, 2004; Törék, 2009; Nagy et al., 2010), • mobil mikrometeorológiai mérő-adatgyűjtő rendszer fejlesztése és alkalmazása expedíciós mérésekre (Kiss, 2010; Pogány et al., 2009, 2010a-c; Weidinger et al., 2009a-c,f), • részvétel külföldi mérési programokban Lengyelországban (Turew, 2008. június, október) és Dániában (Bjerringbro, 2009. április): energiamérleg komponensek, szél, hőmérséklet, nedvesség és ammónia gradiens mérések, az adatfeldolgozó program fejlesztése (Theobald, et al., 2010; Weidinger et al., 2009d,e), • a K+F tevékenység eredményeinek bemutatása hazai és nemzetközi fórumokon, a projekt eredményeinek beépítése az egyetemi oktatásba, TDK és diplomamunkák készítése (Weidinger et al., 2008b; Weidinger, 2009; Weidinger és Horváth, 2009; Weidinger, 2010), • a Jedlik Ányos pályázatra alapozva kiegészítő források bevonása a K+F tevékenységbe, a nemzetközi mérési expedíciók finanszírozására (ESF – European Scientific Foundation, Nine Short Visit Grant 2414; COST 729; EU6-NitroEurope központi keret),
1
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ • új kutatási programok (TÁMOP 4.2.1./B-09/KMR-2010-0003) indítása, új pályázatok (OTKA, EU7) beadása, hazai és bilaterális (magyar-szerb) kutatási együttműködések szervezése. A kutatási beszámolóhoz tartozó irodalomjegyzék négy részből áll. Tartalmazza a témakörben publikált cikkeket (19), köztük két könyvfejezetet, és egy impakt faktoros cikket, előadásokat (3), TDK és diplomamunkákat (5), valamint a jelentés elkészítéséhez felhasznált további hivatkozásokat. A munkában az ELTE Meteorológiai Tanszék oktatói mellett részt vettek egyetemisták, hazai és határon túli PhD hallgatók. A mikrometeorológiai mérő- és adatgyűjtő rendszer fejlesztésében az ELTE Informatikai Kar szakembere, Dr. Istenes Zoltán segített. Jó kapcsolatok alakultak ki az OMSZ, a Nyugat-magyarországi Egyetem és a Szegedi Tudományegyetem munkatársaival. A K+F tevékenység során fontosnak tartottuk a program megismertetését a diákokkal (egyetemi hallgatók, a GLOBE programban résztvevő középiskolások) és a szélesebb szakmai közvéleménnyel. E célt szolgálta többek között az éves GLOBE tanártovábbképzés, a Meteorológus TDK 2008-as és 2010-es Nyári Iskolája (Weidinger et al., 2008; Weidinger 2010), továbbá a COST ES0804 programban való részvétel (Weidinger és Horváth, 2009), vagy a matematikus hallgatói szemináriumokon tartott előadás és szemináriumi munka vezetés (Weidinger, 2009). Eredményeinket bemutattuk a NitroEurope program közgyűlésein, az Európai Geofizikai Unió (EGU) és az Európai Meteorológiai Társaság (EMS) évi konferenciáin és egy EU6-os programhoz kapcsolódó munkaértekezleten Szerbiában, az Újvidéki Egyetemen (Weidinger et al., 2009e).
1. ábra. Az alapéghajlati mérőhálózat debreceni állomása (Nagy Zoltán, OMSZ felvétele). Fent: direkt árammérések (impulzus, CO2, szenzibilis és latens hőáram), szélsebesség, hőmérséklet és nedvesség profil mérések (jobbra). Lenn: sugárzásmérő állvány (balra), talaj energiaháztartás mérések: talajhőmérséklet, -nedvesség és -hőáram (jobbra). A pályázat harmadik évére rendelkezésre álló pénzkeret (4000 ezer Ft) az előzetes pénzügyi tervvel egyezően – a pályázat adta lehetőségeken belül – felhasználásra került. A bérjellegű kiadások biztosították két fiatal kutató részbeni alkalmazását. Mindketten abszolutóriumot szereztek a PhD képzésben, egyikük már a doktori szigorlatra készül. Jutott pénz a mikrometeorológiai mérőrendszer fejlesztésére és számítástechnikai beszerzésre is. A dologi kiadások a mérésekhez kapcsolódó költségeket, konferencia részvételt, illetve az egyetemi
2
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ rezsit fedezték. Szándékaink szerint a 3. évre rendelkezésre álló pénzt hasznosan, a program célkitűzéseinek megfelelően költöttük el. A beszámolóban hangsúlyos szerepet kap a központi mérőállomás folyamatos működése, az expedíciós mérések alapján kifejlesztett fluxus számítási programok bemutatása, de kitérünk a mérőrendszer üzemeltetésével, hazai és nemzetközi felhasználásával kapcsolatos elképzeléseinkre is. 2. A központi állomás adatfeldolgozási programjának fejlesztése A fejezetben áttekintjük a Debreceni Egyetem Agrárcentrumában megvalósult központi állomás fluxusszámító rendszerének a fejlesztését (Törék, 2009, Nagy et al., 2010, Weidinger et al. 2008b, 2010). Az állomás felépítését (profil és fluxusmérő oszlop, sugárzásmérő platform, talajhőháztartási mérések) az 1. ábra szemlélteti. Elsőként a profilmérő-rendszer szélenergetikai alkalmazását szemléltetjük. A légkör alsó 100 m-es rétegében elterjedten alkalmazzák a hatványkitevős szélprofil-közelítést.
2. ábra. A b hatványkitevő átlagos napi menete a debreceni 10 m-es mérőtorony 30 perces átlagos szélsebesség adataiból 2008. december – 2009. február. Kiegészítő feltételként azokat az eseteket vizsgáltuk, ahol U(1 m) > 1,5 m/s, és a profilillesztés maximális hibája 0,2 m/s-nál kisebb volt. Az alacsony vegetációjú mezőgazdasági terület feletti mérések lehetővé teszik, hogy a 4 szinten (1, 2, 4, 10 m) folyó profilmérések alapján határozzuk meg a profilkitevőt (b). u ( z2 ) = u ( z1 ) ⋅ ( z2 / z1 )b , ahol u1 és u2 a z1 és z2 szinten mért szélsebesség. Indifferens egyensúlyi helyzetben a b kitevő értéke 1/7 (Irwin, 1979). Példaként a 2008–2009-es téli adatok feldolgozását mutatjuk be a 2. ábrán. Kis szelek esetén nem bír jelentőséggel a b paraméter. Ha az összes eset alapján számítjuk ki a b hatványkitevő átlagos napi menetét, akkor ugyan a szakirodalommal egyező jellegzetes napi menetet kapunk, de nem megfelelően becsüljük az energetikai számításokhoz szükséges szélprofilokat. Ha azokat az eseteket elemezzük, amikor az 1 m-es szint szélsebessége meghaladja az 1,5 m/s sebességet, s a profilillesztés maximális hibája 0,2 m/s-nál kisebb, akkor télen már az indifferenshez közeli profilkitevőt kapunk, kis napi menettel. Ez a hatványkitevők átlagolásában rejlő bizonytalanságra hívja fel a figyelmet. A debreceni állomás mérési programja alkalmas a turbulens diszperziós paraméterek meghatározására is (Bozó et al., 2006; Foken, 2008). Ehhez a turbulencia paraméterek
3
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ (u*, T*, L, a súrlódási sebesség, dinamikus hőmérséklet, Monin-Obukhov–hossz) ismerete szükséges. Ilyen feldolgozásokat is végeztünk (Weidinger et al., 2008; Törék, 2009) A következőkben röviden áttekintjük azt a módszerfejlesztést, amely alapján a Campbell– fluxusszámító program utófeldolgozását végezzük. Első lépésként a nyers adatok közül kiszűrjük a hibásakat (pl. a párásodás, vagy az advekció hatása). Ha az egyes áramok, illetve a korrekciók (Schotanus, Webb) az általunk megadott, évszaktól függő intervallumon kívül esnek, akkor törüljük az adatokat. Szintén nem fogadjuk el azokat az eseteket, amikor az egyes félórák között ugrásszerű változások vannak (pl. éjszaka a latens és a CO2 áram irreálisan nagy értékű és/vagy előjelet vált). A szűrést szándékosan félempirikus módszerrel végezzük. A Licor-7500 műszer jellege miatt több adathibát találunk (a két műszerfej közötti sugárzásgyengülést mérjük), mint a CSAT3 szonikus anemométer méréseiben. A műszer adatminőségét egy kimenő kód is jelzi. A szonikus anemométer nagy megbízhatósággal dolgozik. Az impulzusáram (τ) becslésében 20 alatti adatot szűrtünk ki 2010 első félévi adatsorában (30 perces átlagolási időt használtunk). A szűrési eljárás során a súrlódási sebesség (u*) és a szélsebesség (szomikus anemométer által szolgáltatott vagy a mérőtorony adataiból számolt) értékeit hasonlítottuk össze (lásd a 9. ábrát is). A szenzibilis hőáramnál (H) több hibás adatot találtunk, különösen az éjszakai órákban. Az esetek 2%-át szűrtük ki. A CO2 (FCO2) és a latens (LE) hőáramnál (szonikus anemométer és a Licor-7500 együttes feldolgozása) ez az érték már 9,5%, ami hazai és nemzetközi összehasonlításban is jó eredmény. Az automatikus minőségbiztosítási rendszer (Foken és Wichura, 1996; Maunder és Foken, 2004) beépítése az adatgyűjtő programjába a közeli jövő feladata. Megjegyezzük, hogy a mérőrendszer megbízhatósága a 10 Hz-es direkt mérési adatok rögzítésével válik teljessé (Maunder és Foken, 2004). Ehhez a hardvert beszereztük. A hiányzó adatokat, amelyek legfeljebb néhány órás időszakot ölelnek fel, lineáris interpolációval pótoltuk. Ha a karbantartás esetén legalább fél napi adathiány van (a mérőrendszer rendelkezésre állása egyébként 99% feletti volt 2010. első félévében), akkor az előző és a rákövetkező nap fluxus-értékeinek az átlagával helyettesítjük a méréseket. A gyári fluxusszámító program a szenzibilis hőáram (H) kiszámításánál a Schotanus– korrekciót, a latens hőáram (LE) és a CO2-áram (FCO2) meghatározásánál a Webb–korrekciót alkalmazza. Kiírja a szélsebesség komponensek kovariancia mátrixát is. Elsőször a program adta lehetőségek alapján végeztük el az utófeldolgozást (Barcza, 2001, Weidinger et al., 2002, Maunder és Foken, 2004). Ez tartalmazza i.) a kétdimenziós (2D) koordináta-rendszer forgatást az impulzusáram meghatározásában, ii.) a Moore–féle spektrális korrekciót az impulzus (τ), a szenzibilis (H) és a latens (LE) hőáramra, valamint a szén-dioxid áramra (FCO2). Az utófeldolgozó program turbo-pascal nyelven készült. A teljes korrekció – a gyári programból számított Schotanus– és Webb–korrekció, valamint az utófeldolgozás – hatását a 3. ábra szemlélteti 2008. májusára (Törék, 2009, Nagy et al., 2010). A nagyobb impulzusáramok (τ) a koordináta-rendszer forgatás hatását mutatják. A korrekciók alig változtatják a szenzibilis hőáramot (H), míg a latens hőáramnál a nappali órákban meghaladják a 15%-ot, amiből a Moore–korrekció 6-8%. A fejlesztés következő lépése a gyári adatfeldolgozó program módosítása: i.) a nyers adatok hibaszűrése, ii.) lineáris trendszűrés, iii.) a teljes kovariancia mátrix kiírása (3 szélkomponens, hőmérséklet, nedvesség, CO2-koncentráció), iv.) a teljes 2D koordináta-rendszer forgatás, s ennek felhasználásával a beépített, eddig is alkalmazott korrekciók számítása, v.) a Moore–féle spektrális korrekció beprogramozása a CR5000 adatgyűjtőbe.
4
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________
3. ábra. A nyers és a korrigált τ momentum áram (fent), H szenzibilis (középen) és LE latens hőáram átlagos napi menete, 2008. május. A programfejlesztési munkát elvégeztük. 2009. őszén bekapcsolódtunk a NitroEurope program keretében működő európai ammónia és salétromsav ülepedést mérő rendszer (COTAG) fluxusszámító moduljának tesztelésébe. Itt egy kisebb kapacitású CR1000-es adatgyűjtőt programoztunk.
5
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ 3. Mobil mikrometeorológiai mérőrendszer fejlesztése, expedíciós mérések Az elmúlt években meghívást kaptunk több expedíciós mérésre az EU6-NitroEurope program keretében (Turew, Lengyelország, 2008. június és október; Bjerringbro, Dánia, 2009 április). Az ELTE Meteorológiai Tanszék műszerei ott voltak az utahi sivatagban (USA) végzett HungaroMars mérési terepgyakorlaton (Weidinger et al., 2008c; Weidinger, 2009; Weidinger et al., 2009a) és Shanghai mellett a 2009-es kínai napfogyatkozás idején (Lehoczky, 2010). Közreműködtünk az Edinburgh-ban szervezett 2008-as nyári ammónia koncentráció és fluxus összehasonlító mérés adatfeldolgozásában (Pogány et al., 2010a). E mérések, a nemzetközi együttműködés szélesítése és a tapasztalatszerzés mellett hozzájárultak a mikrometeorológiai mérő-adatgyűjtő rendszer, illetve az adatfeldolgozási módszerek fejlesztéséhez, a pályázati célkitűzések teljesítéséhez.
4. ábra. Mikrometeorológiai állomás a 2009. áprilisi dániai (Bjerringbro) EU6 NitroEurope mérési kampányon. Balról jobbra: szonikus anemométer, gradiens mérő oszlop, Wasul-Flux fotoakusztikus ammóniamérő, csapadékmérő, tápegység és adatgyűjtő modul, sugárzásmérő oszlop (Pogány Andrea felvétele). Az expedíciók közül részletesebben a dániai mérési programmal foglalkozunk. Az MTASZTE Lézerfizikai Tanszéki Kutatócsoport és az ELTE Meteorológiai Tanszék munkatársaiból álló csoport mikrometeorológiai, energiaháztartási, illetve ammónia koncentráció és gradiens méréseket végzett (4. ábra). Mértük a sugárzásmérleg komponenseket, a talaj energiaforgalmát. Az impulzus (τ) szenzibilis (H) és latens hőáramot (LE) direkt árammérések (METEK USA-1 szonikus anemométer, τ, H), illetve szélsebesség, hőmérséklet és relatív nedvesség gradiens adatok alapján határoztuk meg. Eddy-kovariancia, gradiens- és Bowen–arány módszert alkalmaztunk.
6
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ u* [m/s]
1
0.8
Nap (2009. 04. 19. – 29.)
u* (szonikus) u* (gradiens) u* (Bowen-arány)
0.6
0.4
0.2
0 109
111
112
113
114
115
116
2
H [W/m ]
300
110
250
117
118
119
120
H (szonikus) H (gradiens) H (Bowen-arány)
200 150 100 50 0 109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
-50 -100
Nap (2009. 04. 19. – 29.)
5. ábra. A gradiens, Bowen–arány és a direkt árammérések alapján számított súrlódási sebesség (u*) és szenzibilis hőáram (H) értékek a 2009. áprilisi dániai (Bjerringbro) EU6 NitroEurope mérési kampányon. A két különböző szántóföld (repce és tavaszi búza) határán elhelyezkedő mérések feldolgozásában a kiszorítási rétegvastagság (d) meghatározása jelentette a kulcsszerepet (Kiss, 2010). Ezt a gradiens és a direkt árammérések (τ, H) illesztésével számítottuk ki (Kiss, 2010; Pogány et al., 2010b,c; Theobald et al., 2010). A gradiens módszernél három különböző univerzális függvényt alkalmaztunk, így következtetéseket vonhattunk le a módszer bizonytalanságára, a turbulens áram becslési pontosságára (Weidinger et al., 2000; Kiss, 2010). A d kiszorítási rétegvastagság hangolja össze a gradiens módszert a direkt árammérésekkel. Jó egyezést mutat a direkt árammérésekkel a Bowen–arány módszerrel kapott szenzibilis hőáram. A súrlódási sebesség értékek is együtt mozognak (5. ábra). Megjegyezzük, hogy a Bowen–arány módszer esetén az impulzusáramot (és így a súrlódási sebességet is) a szenzibilis hőáram, a kiszorítási rétegvastagság és a szélsebesség gradiens alapján számoltuk az univerzális függvények ismeretében. Az energiamérleg tagjait és a lezárási bizonytalanságot (Δ) a 6. ábra szemlélteti.
Δ = Rn − G − H − LE ,
7
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ ahol Rn a sugárzásegyenleg, G a talajba jutó hőáram, amit a talajhőmérséklet, a talajnedvesség és a mélyebb talajrétegekbe jutó hőáram ismeretében számítunk ki, tudva a száraz talaj sűrűségét és hőkapacitását. Az energiamérleg lezárása (6. ábra)
A=
∑ H + LE ∑ Rn − G
76%-os, ami elfogadható, tekintve a mérőhely elhelyezkedését a két különböző felszínborítottság (két különböző növényállomány) határán.
6. ábra. Az energiamérleg komponensek és a lezárási bizonytalanság (Δ) a 2009. áprilisi dániai (Bjerringbro) EU6 NitroEurope mérési kampányon. A gradiens méréseknél használt program alkalmazható a debreceni profilmérések adatfeldolgozására is. 4. A felszíni energiamérleg komponensek és a CO2 áram szolgálatszerű mérése Az eredmények bemutatását a debreceni folyamatos árammérések ismertetésével tesszük teljessé. A mérőrendszer rendelkezésre állása a működés teljes időszakára (2008 májusától) 98% feletti. E részben az adatellenőrzés után kapott fluxus adatsorokat mutatjuk be 2010 első félévére (pontosabban az első 180 napra). A súrlódási sebesség (u*) félórás idősorát a 7. ábrán közöljük. Az adathibák száma 20 alatti. A várakozásnak megfelelően szoros kapcsolat van a szélsebesség (mind a szonikus Uszonikus, mind a profilmérésekből kapott) és a súrlódási sebesség (u*) között. Ezt a júniusi adatokon szemléltetjük (8. ábra). A korrelációs együttható négyzete 0,9 feletti. Megjegyezzük azonban, hogy az u* és az Uszonikus közötti kapcsolatot megadó egyenlet függ az évszaktól (a felszíni érdesség változása miatt) és a stabilitási viszonyoktól. Az energiamérleg komponenseket (Rn, G, H, LE) a 9. ábrasor mutatja. A talajba jutó hőáramot a talajparaméterek, a felső 6 cm-es talajréteg hőmérséklete és talajnedvessége, illetve a mélyebb talajrétegekbe jutó hőáram (3 hőárammérő lapka átlaga) alapján számítottuk ki. A félórás átlagos értékeket közöljük.
8
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ u* [m/s]
1.2 1
A súrlódási sebesség menete ( 2010. 01. 01. – 06. 28.)
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
30
60
90
120
150
Nap
180
7. ábra. A súrlódási sebesség menete 2010 első félévében. u* [m/s]
1.2
1
y = 0.1016x 2 R = 0.9095
0.8
0.6
0.4
0.2 Vszonikus [m/s] 0 0
2
4
6
8
10
12
8. ábra. A szonikus szélsebesség és a súrlódási sebesség kapcsolata (2010. június). A sugárzásegyenleg legnagyobb félórás adatai 600 W/m2 felettiek (Rn minimális értéke – 87 W/m2, maximális értéke 682 W/m2). Érdekesen alakul a talajhőáram menete is. A 6 cm mélyen elhelyezett 3 szenzor közül kettő közel azonos értéket mutat, míg a harmadik lapka nagyobb napi ingást mutat, ami nem az önkalibráló műszer hibája, hanem a talaj inhomogenitásából származik (külön ábrát nem mutatunk). A legkisebb talajba jutó hőáramok –60 W/m2 alattiak, a legnagyobbak megközelítik a 160 W/m2 értéket. Rn [W/m 2]
700 600 500
A sugárzásegyenleg napi menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
400 300 200 100 0 -100
0
30
Nap
60
90
9
120
150
180
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________
A talajba jutó hőáram menete (2010. 01. – 06. 28.)
G [W/m 2]
200 150 100 50 0 0
30
60
90
120
150
180
-50 Nap
-100
A szenzibilis hőáram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
H [W/m2]
400
300
200
100
0 0
30
60
90
120
150
180 Nap
-100
A latens hőáram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
LE [W/m 2]
400
300
200
100
0 0
30
60
90
120
150
180 Day
-100
9. ábra. A sugárzásmérleg komponensek 2010. első félévben a talajadatok, a sugárzásmérések, illetve a Campbell adatgyűjtő programja alapján. 2
Δ [W/m ]
400 300
Az energiamérleg lezárási tag napi menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
200 100 0 0
30
60
90
120
150
180
-100 Nap
-200
10
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________ 10. ábra. Az energiamérleg lezárási hibája (Δ) 2010. első félévében. Az átlagértékekre igaz, hogy a talajba jutó hőáram a sugárzásegyenleg hozzávetőlegesen 10%-a (a mi esetünkben ez a két szám 63,8 W/m2 6,2 W/m2) az egyes esetekben és napszakokban azonban jelentős eltérések vannak. Ezért is fontos az ilyen nagypontosságú folyamatos mérések végzése, a parametrizációs eljárások javítása. A szenzibilis hőáram (H) maximális értékei 200 W/m2 körüliek. A latens hőáram (LE) átlagértéke nagyobb, mint a szenzibilis hőáramé (H). Nyáron a nappali órákban találkozunk 300 W/m2 feletti áramokkal is. Ez hangsúlyozza a párolgás fontosságát az energiamérlegben, s így a mezőgazdasági alkalmazásokban (növénytermesztés, öntözés, aszálystratégia). Az éjszakai és a hajnali órákban ritkán találkozunk jelentős negatív latens hőárammal (páralecsapódás). Ez az eddykovariancia mérések tipikus hibája. Ezért végzünk nedvesség profil méréseket és ezért használjuk a levélnedvességmérő szenzor adatait (harmat, vagy dérképződés ideje). Az éjszakai nedvességáram pontos becslése, a harmat és dérképződés modellezése fontos alapkutatási feladat (Hadvári, 2009), amihez a mérőrendszer az ellenőrzött adatbázis biztosítja. 1
A szén-dioxid (CO2) áram menete (2010. 01. 01. – 06. 28.)
0.5 0
-1 -1.5 -2
30
60
90
CO2 Flux [mg/m2 s]
0 -0.5
120
150
180
Nap
11. ábra. A CO2 fluxus (FCO2) menete 2010. első félévében a Campbell adatfeldolgozó programjával (Moore–korrekció nélkül). Az energiaháztartás lezárási hibáját a 10. ábra szemlélteti. Az egyes félórák értékei legtöbbször –50 W/m2 és 100 W/m2 közöttiek. Nappal általában pozitívak, éjjel negatívok. Tökéletes lezárást nem várhatunk. Nézzük például a nappali eseteket! A konvektív folyamatokat a besugárzás vezérli, ami megjelenik a sugárzásegyenleg és a hőáramok közötti „fáziskésésben”, vannak ezenkívül olyan rendezett mozgások pl. termikek, amelyek szintén részt vesznek a felszínlégkör kölcsönhatás rendszerben, s hatásukat – lokális advekció – nem tudja mérni a rendszer. Éjszaka a gyenge turbulens kicserélődés, a reggeli órákban a határréteg vastagság hirtelen növekedése okoz problémát (nem teljesül az áramszámításban alkalmazott stacionaritási feltétel). A mérőrendszer lezárási hibája (az eredeti Campbell–program alkalmazásával) 88%, míg a 2. részben említett Moore–féle spektrális korrekció alkalmazásával 91% körüli; lényegesen jobb mint a dániai expedíciós méréseknél kapott 76%-os érték. Ez köszönhető a homogén felszínnek és az egyenszilárdságú mérőrendszernek. (Dániában nem végeztünk direkt latens hőárammérést. Ott a szonikus anemométer rendelkezésre állása 80% alatti volt. A gradiens, talaj és sugárzási mérések a teljes mérési időszakban folytak.) A mérések bemutatását a szén-dioxid fluxus zárja. A gyári adatfeldolgozó program eredményeit szemléltetjük. Jól látszik a vegetáció aktivitása, a fotoszintézis évszakos és napszakos változása. A folyamatosan végzett CO2 koncentráció és fluxusmérések jól illeszkednek a debreceni Agrometeorológiai Obszervatórium hosszútávú CO2 méréseihez, de hozzájárulhatnak a debreceni ATOMKI-ban folyó C12/C14 izotóparány mérések értelmezéséhez is.
11
NKFP6-00028/2005 1. Melléklet ________________________________________________________________________________
5. Összefoglaló megjegyzések Elkészült és folyamatosan üzemel a debreceni központi mikrometeorológiai állomás. Kialakításra került az adatgyűjtő-ellenőrző és adatfeldolgozó rendszer: a profil, talaj, sugárzási és direkt árammérések együttes kezelése. Az folyamatos energiaháztartási mérések rendelkezésre állása a teljes időszakra 98% feletti. A félempirikus minőségellenőrzési eljárás a latens és a szenzibilis hőáramoknak hozzávetőlegesen a 10%-át szűri ki. A debreceni állomás adatfeldolgozó rendszere alkalmas a többi alapklimatológiai állomás sugárzási, profil és talajadatainak a fogadására és kiértékelésére. Biztosított a mérőrendszer folyamatos üzemeltetése hazai és külföldi beágyazottsága. Az adatokra szükség van. -
A mérések bekerülnek az OMSZ adatbázisába, megvannak az adatellenőrzési és adatfeldolgozási programok (természetesen itt is folyamatos a fejlesztés), készülnek szélenergetikai, levegőkörnyezeti és energiaháztartási feldolgozások, a mérőrendszer adatait használja az OMSZ a Debreceni Egyetem és az ELTE Meteorológiai Tanszéke, bekapcsolódtunk a COST ES0804 programba, melynek célja a felszíni energia, vízháztartási és nyomanyag áram mérések harmonizációja, részt veszünk az Európai Meteorológiai Társaság (EMS) évi konferenciáin, a hosszútávú mérési programok számára szervezett szekcióban, aktív, határon-átnyúló kapcsolat alakult ki az adatfeldolgozásban a Szerbiai Meteorológiai Szolgálat Újvidéki Irodájával. Itt a cél a standard meteorológiai mérések alapján történő energiamérleg és határréteg vastagság számítás. Az állomás ehhez szolgáltat teszt adatsorokat. hosszútávú terveink között szerepel a FLUXNET mérőrendszerhez való csatlakozás, így hazánkat már 3 mérőhely képviselhetné a programban.
A debreceni mérőállomás műszerezettsége folyamatos működése, megbízható sugárzási, profil és energetikai mérései, valamint az OMSZ minőségbiztosítási rendszere alkalmassá teszik az állomást a hosszútávú éghajlatváltozások nagypontosságú detektálására. A kidolgozott mérési és adatfeldolgozási eljárások használhatók a telepítésre kerülő új állomásokon is. Megvan a társadalmi igény és a közreműködő szervezetek (OMSZ, a Debreceni Egyetem és az ELTE Meteorológiai Tanszék) szándéka i.) a mérőrendszer folyamatos működtetésére, és fejlesztésére, ii.) a minőségbiztosított adatok feldolgozására és iii.) az erre épülő alap és alkalmazott kutatások elvégzésére. 6. Köszönetnyilvánítás A Jedlik Ányos pályázat teljesítéséhez hozzájárult az EU6-NitroEurope program, a COST ES 0804 és a COST 729 program, az Európai Tudományos Alap (European Scientific Foundation ESF, Nine Short Visit Grant 2414), az ELTE-BME INFOPARK Alapítvány 11/2009, valamint a TÁMOP Kutatóegyetemi Pályázat (TÁMOP 4.2.1./B-09/KMR-2010-0003), amiért ezúton mondunk köszönetet.
12
NKFP6-00028/2005 2. Melléklet __________________________________________________________________________________
1. Mért fizikai mennyiségek 1.1. Szélessávú komponensek Az szélessávú átbocsátás vizsgálatához a napkorong térszögéből érkező, a kvázi-teljes szoláris kibocsátási tartományra integrált ún. direkt sugárzást kell mérni pirheliométerrel, illetőleg a légkör termikus sugárzását, más néven a légköri visszasugárzást pirgeométerrel. A direkt sugárzás ismeretében a légoszlop széles hullám-hossztartományú sugárzás átbocsátására jellemző szürke optikai mélység határozható meg, amelyet részletesen a 2.1.2. szakaszban ismertetünk. A budapesti illetve a kékestetői mérőállomáson mért légköri hosszúhullámú visszasugárzási adatok összehasonlításával kimutatható, hogy a felszínen mérhető visszasugárzáshoz mennyivel járul hozzá legalsó kb. 1 km-es légréteg, illetve a felette lévő légkör. 1.2. Spektrális komponens A légkör sugárzás-átbocsátásában döntő fontosságú aeroszolok összmennyiségére jellemző fizikai mennyiség, az ún. aeroszol optikai mélység kiszámításához meghatározott hullámhosszon kell megmérnünk a napkorong térszögéből beérkező (direkt) sugárzási fluxust, amely spektrális fluxus méréstechnikai okok miatt valójában a λ hullámhossz egy kicsi környezetében beérkező integrált fluxus. Így a mért kvázi-monokromatikus fluxus az alábbiak szerint áll elő: λ + dλ
Iλ = q
I λ dλ ∫ λ λ −d
ahol I λq : kvázi-monokromatikus irradiancia; I λ : elméleti monokromatikus irradiancia; λ : a spektrális sáv centrumának hullámhossza; dλ : a spektrális sáv félszélessége.
2.
Számított fizikai mennyiségek
2.1. Optikai mélység, a sugárzásátvitel alapvető fizikai mennyisége Egy adott közegbe belépő λ hullámhosszúságú I λ 0 monokromatikus irradiancia dx út megtétele utáni dI λ csökkenése arányos az I λ 0 -lal és a dx -szel, tehát:
− dI λ = σ eλ I λ 0 dx , ahol: σ eλ extinkciós koefficiens csak a közeg anyagi minőségétől és a λ hullámhossztól függ (ha a közegben az abszorpciós koefficiens σ aλ és a szórási koefficiens σ sλ , akkor: σ eλ = σ aλ + σ sλ ). Az egyenlet megoldása: I λ = I λ 0 eσ eλ dx , Ebből az extinkciós koefficiens:
NKFP6-00028/2005 2. Melléklet __________________________________________________________________________________
σ eλ =
1 Iλ0 ln . d Iλ
Ha a fentieket az atmoszférára alkalmazzuk, akkor az optikai mélység azt jellemzi, hogy a λ hullámhosszúságú sugárzás milyen mértékben gyengül, ha a világűrből a z magasságú pontba jut, vagy a z magasságú pontból a világűrbe. Földfelszíni napspektrofotométeres méréseknél így nyilván praktikusan z = 0. Ezért az optikai mélységet úgy definiáljuk, hogy az extinkciós koefficienst a z magasságtól végtelenig integráljuk: ∞
δ λ ( z ) = ∫ σ eλ ( z ' )dz ' z
A fenti módon minden λ hullámhosszra kiszámítható az adott komponens abszorpciója és szórása okozta gyengítés mértéke. Figyelembe véve, hogy a λ hullámhosszon nemcsak a gázok abszorpciója van, hanem aeroszoloktól származó extinkció (abszorpció és szórás), valamint a légkör gázmolekuláin való szóródás (Rayleighszórás) is hozzájárul az optikai mélységhez, a légkör teljes optikai mélysége a λ hullámhosszon:
δ λ = δ aλ ( g1 ) + δ aλ ( g 2 ) + ... + δ aλ ( g n ) + δ Aλ + δ Rλ , ahol σ aλ ( g1 ) , σ aλ ( g 2 ) , ..., σ aλ ( g n ) a λ hullámhosszon elnyelő g1 , g 2 , ... g n gázok abszorpciós koefficiense, δ Aλ az aeroszol optikai mélység, δ Rλ pedig a Rayleigh-szórás (molekuláris szórás) optikai mélysége. 2.1.1. Aeroszol optikai mélység A fentiek figyelembevételével az aeroszol optikai mélység a következőképpen számítható ki:
δ Aλ =
I 1 P ln λ 0 − ( δ Rλ + δ O3λ ) M Iλ S P0
ahol:
δ Aλ
: aeroszol optikai mélység;
Iλ0 Iλ S
: extraterresztriális irradiancia közepes naptávolságnál; : irradiancia az észlelési pontban; : a naptávolságra vonatkozó korrekciós faktor (a Föld mérési időpontban érvényes és közepes naptávolságának a hányadosa); : relatív optikai légtömeg; : a légköri molekuláris szórás (Rayleigh-szórás) optikai mélysége : az ózon abszorpció optikai mélysége: δ O3λ = xO3 σ O3λ ,
M
δ Rλ δO λ 3
ahol xO3 az légoszlop ózontartalma;
σ O λ az ózon abszorpciós koefficiense; 3
P , P0 : aktuális nyomás és standard tengerfelszíni nyomás.
A fentiekből nyilvánvaló, hogy az aeroszol optikai mélység számítása akkor a legpontosabb, ha pontosan ismerjük az adott hullámhosszon abszorbeáló gázok légoszlopnyi össz-menyiségét. Mivel ez legjobb eséllyel az ózonra teljesül, azokra a hullámhosszokra érdemes meghatározni, ahol egyetlen
NKFP6-00028/2005 2. Melléklet __________________________________________________________________________________ gáznak sincs, vagy legfeljebb csak az ózonnak van abszorpciója. Ezek a hullámhosszok: 368, 380, 412, 450, 500, 610, 675, 778, 862, és 1028 nm. Elvileg meg lehet határozni az aeroszol optikai mélységet egyéb hullámhosszokra is (a széles vízgőz abszorpciós sávok kivételével), de azokhoz egyéb gázok légoszlopnyi össz-mennyiségét is ismerni kell, amit azonban nem szoktak mérni (kivéve egyes helyeken a nitrogén-dioxidot, amelyet a Brewer spektrofotométerek MKIV jelű változata tud mérni), így azok meghatározásának nagyobb a bizonytalansága. A két mérőhely közül a fent említett összes hullámhosszon csak Budapesten történik az aeroszol optikai mélység meghatározása, ahol LI-1800 monokromátoros spektrofotométerrel folynak a spektrális mérések. A berendezés 300 és 1100 nm között 1 nm sp ektrális felbontással szkenneli végig a Nap spektrumát. Mindkét mérőhelyen folyik a mérés SP02 napfotométerekkel. Ezek outputja már eleve az aeroszol optikai mélység (pontosabban annak megfelelő feszültség). Ezek a napfotométerek négy hullámhosszon dolgoznak, amelyek a következők: 412, 500, 675 és 862 nm. 2.1.2. Szürke (szélessávú) optikai mélység Két okból célszerű az aeroszol optikai mélység mellett egy az átbocsátásra jellemző általánosabb, nemspektrális (szélessávú) fizikai mennyiséget is meghatározni a mérési adatokból. A egyik az, hogy míg az aeroszol optikai mélység kifejezetten az aeroszol miatti extinkcióra lesz jellemző, addig egy szélessávú mennyiség a teljes extinkciót fogja jellemezni. A másik ok nem független az előzőtől: a kettő között kapcsolat létesíthető, és ez az egyszerűbben kivitelezhető szélessávú mérések alapján lehetőséget ad esetleg olyan mérőhelyekre is az aeroszol optikai mélység becslésére, ahol nincsen spektrális mérés. A mért szélessávú direkt fluxusokból a monokromatikus optikai mélység definícióját alkalmazva meghatározhatunk egy optikai mélységet, amely a direkt sugárzást mérő detektor (pirheliométer) érzékenységi tartományára lesz jellemző a következőképpen:
∫ I λ dλ = ( ∫ I λ dλ ) e 0
S PYR
− Mδ GB
S PYR
így:
δ GB
∫ I 0λ dλ 1 S PYR = ln M ∫ I γ dλ S PYR
ahol: Iλ: monokromatikus irradiancia a mérési pontban a földfelszínen Iλ0 : monokromatikus irradiancia a légkör tetején SPYR: a pirheliométer érzékenységi tartománya (kb. 300 – 3000 nm) δGB: szürke optikai mélység M: relatív optikai légtömeg A szürke optikai mélység tehát a szélessávú rövidhullámú mérőeszközök teljes érzékenységi tartományára jellemző átlagos optikai mélység lesz, amely az atmoszféra rövidhullámú átlátszóságát fogja jellemezni. 2.2. Ångström-féle hullámhossz exponens
Az atmoszféra sugárzásátbocsátási képességét jelentős részben meghatározó aeroszolnak fontos tulajdonsága az őt alkotó részecskék méreteloszlása. A méreteloszlást jól jellemzi a domináns
NKFP6-00028/2005 2. Melléklet __________________________________________________________________________________ részecskeméret. A domináns részecskeméretet meg lehet határozni az ugyanazon időpontban különböző hullámhosszokon mért aeroszol optikai mélység értékekből, azaz aeroszol optikai mélység spektrumból. Mivel az aeroszol extinkció alakításában sokkal inkább az aeroszol szórása, mint abszorpciója a meghatározó, így az aeroszol spektrum meredekségét leginkább az aeroszolt alkotó részecskék mérete fogja meghatározni. Így tehát, ha meghatározzuk aeroszol optikai mélység spektrum meredekségét, abból meg lehet becsülni a domináns részecskeméretet. Ha β az ún. Ångström-féle homályossági együttható, akkor:
δ Aλ = βλ −α Mindkét oldal természetes alapú logaritmusát véve: ln δ Aλ = ln β − α ln λ Azaz ha olyan koordinátarendszert használunk, amelyben az x és y tengely rendre a hullámhossz és az aeroszol optikai mélység természetes alapú logaritmusa, az aeroszol optikai mélység spektrum egy lineáris függvénnyel közelíthető, és ennek meredeksége α, amelynek elnevezése hullámhossz exponens (az Ångström-féle homályossági együttható definíciójában való szerepe miatt). Ångström laboratóriumi kísérletek sorozatával igen jó kapcsolatot kapott az α hullámhossz exponens és a domináns részecskeméret között. Ha a részecskesugár μm-ben van megadva, akkor az empirikus összefüggés: r = −0.173α + 0.731 Ez alapján minden spektrumból meg tudjuk becsülni a domináns részecskesugarat. 2.3. King-féle részecskeméret eloszlás
Bonyolultabb matematikai számításokkal a rendelkezésre álló aeroszol optikai mélység spektrumokból lehetőség van nemcsak a domináns részecskeméret meghatározására, hanem az aeroszolt alkotó részecskék méreteloszlásának a becslésére is. Egy a King-féle számítási eljáráson alapuló saját fejlesztésű algoritmusnak köszönhetően képesek vagyunk ennek a számításnak az elvégzésére. A módszer az aeroszol spektrum függvény alapján inverziós módszerrel becsli a méreteloszlást. A pestszentlőrinci aeroszol optikai mélység adatbázisunkból meghatároztuk ezeket a méreteloszlásokat és jó kapcsolatot kaptunk a hullámhossz exponenssel. A hullámhossz exponens értékével szabályosan változik a részecskeméret eloszlást leíró függvény alakja (meredeksége, konvex vagy konkáv volta stb.) Ezzel a módszerrel meg tudjuk vizsgálni, milyen különbségek adódnak a legalsó légkör és a felette lévő réteg aeroszol részecske összetételében részecskeméret szempontjából. A budapesti mérőállomás korszerűsítése és bővítése lehetővé tette, hogy csatlakozzunk a BSRN (Baseline Surface Radiation Network) mérőhálózathoz, amely célkitűzésként szerepelt a pályázati feladatok között. A Baseline Surface Radiation Network 1992-ben jött létre a World Climate Research Programme gondozásában azzal a céllal, hogy összefogja a Földön végzett, napsugárzással kapcsolatos méréseket. A nemzetközi projektért Dr. Ellsworth G. Dutton (BSRN Project Manager, NOAA/GMD, Boulder, Colorado, USA), Dr. Christian Kummerow (BSRN Science Chair, Colorado State University) és Dr. Gert König-Langlo (Alfred Wegener Institute, Bremerhaven, Germany) felelnek. A BSRN által létrehozott adatbázis számos tudományterületen kiválóan használható, a WCRP által indított és más tudományos projektek keretein belül egyaránt. A BSRN a ma elérhető legjobb minőségű adatok egybefogására törekszik, így megfelelő alapot biztosít például a sugárzási komponensek monitorozásához, a műhold-felvételekre támaszkodó felszíni sugárzási áram mérések
NKFP6-00028/2005 2. Melléklet __________________________________________________________________________________ hitelesítéséhez, vagy a klímamodellek eredményeinek mérésekkel való összevetéséhez, lokális sugárzásklimatológiai modellek fejlesztéséhez is. Az adatgyűjtés elsősorban a felszíni rövid- és hosszúhullámú sugárzási komponensek adataira koncentrál, miközben a résztvevő állomásoktól számos egyéb releváns paramétert is kérnek, mint például az állomásokra vonatkozó földrajzi adatokat, vagy a sugárzásmérésekkel egyidőben megfigyelt további, a légkör állapotát leíró paramétereket. Az adatok gördülékeny továbbításának érdekében a BSRN a részletes dokumentációk, leírások mellett megbízható, e-mailen elérhető személyes segítségnyújtást is biztosít a programban résztvevő állomások számára. A hálózat jelenleg 51 aktív állomásról gyűjti be az adatokat (az állomások listája ezen a webhelyen megtekinthető: http://www.pangea.de/PHP/BSRN_Status.php?q=LR0100), mely lista hamarosan a budapesti mérőállomással is bővülni fog. A BSRN számára a http://www.bsrn.awi.de/fileadmin/user_upload/Home/Publications/Hegner.pdf oldalról letölthető dokumentumban leírtaknak megfelelően az adatküldés havi összefoglaló fájlokban történik, meghatározott időbeli felbontásban. Tájékoztatásul az alábbi táblázatban olvasható az adatok időbeli sűrűségére vonatkozó előírás: Meteorológiai paraméter
Mérések sűrűsége
globálsugárzás
1 min
direkt sugárzás
1 min
diffúz sugárzás
1 min
felfelé/lefelé irányuló rövid-/hosszúhullámú sugárzás
1 min
UV-sugárzás
1 min
SYNOP adatok
(SYNOP-format)
rádiószondás mérések
in launch intervals
ózon adatok
1 hour
felhőzet adatai
1 hour
spektrális aeroszol optikai mélység
1 hour
levegő hőmérséklete
10 min / 30 min
relatív nedvesség
10 min / 30 imn
Minden állomáshoz minden hónapra vonatkozóan külön adatfájlt kell készíteni, ezek lesznek az úgynevezett „station-to-archive” fájlok, melyek az adatok (a BSRN tagjai számára) nyilvánossá tétele előtt több ellenőrző vizsgálaton esnek át úgy formai, mint szakmai szempontok alapján. Ennek mikéntjét szintén a már jelzett dokumentum foglalja össze.
