Numerikus modellezési feladatok a Dunántúlon 2015. február 10.
A Balaton szél keltette vízmozgásainak modellezése
Torma Péter Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Tavak vízmozgásai és jelentőségük
Horizontális diszkretizáció
Számított állapotváltozók: • sebességkomponensek • vízszint És további skalárok: • hőmérséklet • hordalék koncentráció • vízminőségi változók • stb
Vertikális diszkretizáció
Áramlás 2D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt Mélység-átlagolt áramkép Hosszú távú folyamatok leírhatók így pl. hordalékmozgás Szél
Felszíni áramlás
Fenék közeli áramlás
Mélység-átlagolt
Áramlás 3D leírása Permans és nempermanens állapotok egyaránt. Sebesség mélység menti változását is számítjuk.
2D vagy 3D leírás Felszíni sebességmező
Mélység-átlagolt sebességmező
Részecske útvonala
2D modell alapján 3D modell alapján
Térbeli folyamatok Hőmérsékleti rétegződés kialakulása: - napi ciklussal, - de akár hosszabb távon is szélcsendes időben.
Stabil rétegződés
Instabil rétegződés
Vízfelszín mozgása: kilendülés (HD modellek számítják) Balatonfűzfő
Siófok
Keszthely
Vízfelszín mozgása: hullámzás (Hullámzás modellek számítják) Hullámmagasság
Hullámzás periódus ideje
Hullámmagasság és hullámgerincek Permanes és nempermanens állapotok egyaránt
Modell igazolás: Kyrill vihar
Vízlengés számítása Első alkalmazás: Kyrill-vihar , 2007 január ˃ Max. szélsebesség: 90 km/h (nem széllökés!) ˃ Tó hossz-tengelyével párhuzamosan fújó szél. ˃ Több, mint 1 m vízszintkülönbség a tó két végén. ˃ Vízszínkilendülés és lecsengésének számítása teljes 3D térbeli modellel.
Modell igazolás: 1997 és 1998-as mérések
Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége
Szélmező OMSZ modellből (WRF) ˃ felbontás: 900 m ˃ z = 10 m felszín felett
τ - a szél-csúsztatófeszültség U10 - a szélsebesség 10 m-en
ρ - a levegő sűrűsége
C10 = ? Belső határréteg fejlődés figyelembe vétele?
irány (°)
v (m/s)
irány (°)
v (m/s)
Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége
v (m/s)
Szélmeghajtás meteorológiai modellből 1997. május vége
É ÉNY
NY
Modell igazolás: tanulságok Eltérések lehetséges okai ˃ Szél-csúsztatófeszültség nem elegendően pontos számítása: ˃ Térbeli változékonyság (orográfiai, mikrometeorológiai hatások) ˃ Időbeli változékonyság
˃ Terepmodell hibái ˃ Meteorológiai modell esetén ˃ 900 m-es felbontás ˃ 10 m-re a felszín felett kezdődik a modellezett tartomány: Felszíni folyamatok közelítő számítása (pl. hasonlósági elmélettel) . Ezáltal mikro léptékű változások, mint a határréteg fejlődés figyelmen kívül hagyása
Belső határréteg fejlődés a tó felett z
z
z
z0,land u1 < u2 < u3 u1
LAND
u2
u3
x
WATER
Meghajtási hossz: N-NW wind
z0,water
Feszültség:
Határréteg fejlődés hatása az áramlásra
Szélmező interpoláció ˃ Állomások mérési adatai alapján szélmező számítása a teljes tófelületre ˃ Figyelembe veszi és számítja: ˃ ˃ ˃
szélirány eltérést, belső-határréteggel kialakuló szél-csúsztatófeszültség eloszlást, Parti és tavi állomásokat is képes felhasználni visszafelé is számolja határréteg fejl.
˃ Extrapolációra is képes legyen.
Számított vízszint ingadozás Balatonfűzfő
Balatonszemes
Keszthely
Alkalmazási területek Beavatkozások várható hatásának vizsgálata: • kotrás • kikötők építése • hullámtörők építése • stb. Hullámzás
Áramlás és fenékcsúsztató feszültség
Alkalmazási területek Számos lehetséges helyzet modellezése „békeidőben” : • Partvédő művek tervezéséhez tervezési segédletek létrehozása: Félempirikus összefüggések alkalmazásán túl modellezéssel támogatott tervezés
•
Vízszín kilendülés különbőz szélirányok és szélsebességek esetére Elöntés- és veszélytérképezés (szabályozási vízszint megváltozásával újraszámolandó)
Szél keltette vízmozgás: Szélmérési adatsorok részletes statisztikai vizsgálata jellemző irányok és nagyságok meghatározásra.
Szélmeghajtás számítása mérések alapján Balatoni Viharjelző Rendszer keretében zajló mérések: ˃ ˃ ˃ ˃
Szél Léghőmérséklet Vízhőmérséklet Páratartalom
Pontbeli mérésekből interpolációs eljárással térbeli szélmező, amely tó feletti szélviszonyok sajátosságait figyelembe veszi.
Balatoni hidrodinamikai előrejelző rendszer Közép-Európa legnagyobb tava: A = 600 km2, hátl= 3,5 m
Tókezelők operatív feladatai: − megfelelő vízminőség biztosítása − kiktötők kotrása, fenntartása; − elöntés és hullámzás elleni védelem; − bajba jutottak mentése; − havária események kezelése − ... Valós idejű leírása a tó aktuális és közeljövőbeli környezeti állapotának, vagyis a vízbiztonság megteremtése Hidrodinamikai előrejelző és döntéstámogató rendszer
Előrejelző rendszer felépítése
Torma Péter
[email protected] Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
