A planetáris határréteg szerkezete, felszín-légkörkölcsönhatások

Weidinger Tamás

ELTE Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék

A szerzı köszönetet mond a és a a TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001pályázat támogatásáért

Tartalom

2. A PHR szerkezete

3. A légköri hidro-termodinamikai egyenletrendszer,lezárási hipotézisek

1. Mi a mikrometeorológia?

5. A felszínközeli réteg turbulens kicserélıdésifolyamatai, a fluxusmérések módszertana

4. A keveredési rétegvastagság modellezése

6. Ajánlott témakörök

A Föld-légkör rendszer energiaháztartása

A párolgás a Napból jövı energia 23%-a, a szenzibilis hıszállítás pedig a 7%-a

A nagyskálájú idıjárási jelenségek, illetve az általános cirkuláció mozgásrendszereinek fejlıdéséhez szükséges energia túlnyomórészt a planetáris határrétegen keresztül kerül a légkörbe. (Arya, 1988)

A mikro- és mezoskálájú folyamatok fejlıdésében a felszín – mint termikus és mechanikus kényszer – szerepét, energiaháztartását, a turbulens kicserélıdési folyamatok jelentıségét, természetességénél fogva nem kell külön hangsúlyozni.

A planetáris határréteg szerkezete

Szabad légkör

Konvektívhatárréteg

Beszívási zóna Felsı inverzió

Átmeneti réteg

Stabil (éjszakai) határréteg

Beszívási zóna

Felszíni réteg

Dél Napnyugta Éjfél Napkelte Dél

2000

1000

Felszíni réteg Felszíni réteg

Felhõréteg

Konvektívhatárréteg

z(m)

SzabadLégkör

z

u c r

Keveredési réteg

Θ

Felszíni réteg

Beszívási zóna

Geosztrófikus

Aktuális

A konvektív határréteg jellegzetes profiljaiA konvektív határréteg jellegzetes profiljai

Tényleg, hogy fúj a szél? A stabilis határréteg jellegzetes profiljaiA stabilis határréteg jellegzetes profiljai

u Θ

Szabad légkör

Stabil (éjszakai) határréteg

Átmeneti réteg

Megmaradó beszívási zóna

Aktuális

Geosztrófikus

z

A nappali és az éjszakai határréteg szerkezete. Milyen különbségeket látunk? Miért hasonló szerkezető a földi és a marsi határréteg?

u, v, w, p, T, ρρρρ, ρρρρv, q = ρρρρv/ρρρρu, v, w, p, T, ρρρρ, ρρρρv, q = ρρρρv/ρρρρ

Θ =T(p0/p)R/cpΘ =T(p0/p)R/cp

A termodinamikai egyenlet:

dt

dQ

cTdt

d

p

1Θ=

Θ .

A kontinuitási egyenlet:

→

ρ−=ρ

Vdivdt

d .

A vízgızre vonatkozó kontinuitási egyenlet:

Mdt

dq

ρ=

1 .

Az állapotegyenlet:

TRp

p =ρ

=α

Lezárási probléma

'xxx += , 'yyy += , xx =_

, 0' =y

'' yxyxxy +=

s

x

s

x

∂

∂=

∂

∂

A meteorológiai elırejelzésekben az átlagértékek idıbeli változását vizsgáljuk, erre írunk fel egyenleteket DE megjelennek a második momentumok is. Több az ismeretlen, mint az egyenlet – Le kell zárni az egyenletrendszert.

n-ed rendő lezárás

n-ed rendő momentumokat használunk.

A turbulens kicserélıdésA turbulens kicserélıdés

Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)Fluxus = c’ w’ = c* u* = K (∆c / ∆z)

Ha a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıjeHa a talaj ill. növényzet az adott tulajdonság nyelıje

Együttmőködés a Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülı és Légvédelmi Tanszék Repülésmeteorológiai Laboratóriumával 2012-2013.

TÁMOP-4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0001 Kritikus infrastruktúra védelmi kutatások „A projekt azEurópai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg”.

Hasznos teher: 3 kg

Tervezett szenzorok: GPS, 3D pozíció mérésehımérséklet, nedvesség, légnyomás,szélsebesség,

Sugárzás, infrahımérséklet, aeroszol mintavevı

Tesztrepülés 2012 VI. negyedév

A határréteg szerkezet mérése pilótanélküli repülıgéppel

Példák UAV alkalmazásra: Carlo T200 (University Braunschweig, Spiess et al., 2007)

Pozíció és helyzetjelzı

Aeroszol mintavevı

Szélsebesség pillanatnyi értéke

Szélsebesség

Sugárzás mérleg komponensek

Nyomásmérı

Infra hımérséklet

Pillanatnyi hımérséklet

Hımérséklet, relatív nedvesség

Hımérséklet, relatív nedvesség

Mért mennyiség

D2523T Helical GPS, DIYDrones

M-Dust II

5 pontos nyomás-mérı fejlesztés

Airspeed V3 microsensor

IESRE Two-channel reflectometer

MEMs Barometric Pressure sensor

MLX90614 infra hımérı

Vékonyfilm termoelem

SHT75, digital humidity and temp.

Vaisala HMP50 (Campbell)

Mőszer típusa

66 000

128 000

380 000

18 000

35 000

7 000

11 500

21 000

10 000

105 000

Ár [Ft]

Tervezett meteorológiai mőszer-együttes

Sugárzásmérı Sebességmérı Infra hımérı Vékonyfilm hıelem

… a mikroklimatikus kutatás mégis inkább csak az utolsó tíz évben nyert nagyobb lendületet, különösen a modern ökológiai növényföldrajzi kutatásokkal kapcsolatban (Bacsó Nándor és Zólyomi Bálint 1934, Mikroklíma s növényzet a Bükk-fennsíkon, Idıjárás, 1934)

ErdıhátpusztaiMikroklímakutató Állomás

Kelemenszék

A mikrometeorológia, mint alkalmazott tudományterület Mikrometeorológiai mérések

Erdıhátpuszta 1950-1965

Meteorológiai mérıkert

Talaj mintavétel

A felszíni energiamérleg, turbulens áramokA felszíni energiamérleg, turbulens áramok

Rn - G = H + LE + ResRn - G = H + LE + Res

Rn – sugárzási egyenlegRn – sugárzási egyenleg G – talajba jutó hıáramG – talajba jutó hıáram

H – szenzibilis hıáramH – szenzibilis hıáramLE – latens hıáramLE – latens hıáram

Res - maradéktag Res - maradéktag

Turbulens áramok meghatározásaTurbulens áramok meghatározása

Direkt árammérések: 5-20 Hz mérési frekvencia

Eddy akkumulációs technika: szélsebesség mérés 5-20 Hz, nyomanyag mérés a feláramlás függvényében

Profilmérés: 5 - 30 perces átlagos profilok, hasonlósági elmélet alkalmazása

Energiaháztartási mérések: Rn +G + H + LE = ( 0 )

Kamrás mérési technika: ismert tétfogatú kamrában mérjük a koncentráció változását.

Módosított Bowen-arány módszerMódosított Bowen-arány módszer

1 2

1 2

[ ( ) ( )]

[ ( ) ( )]c

H

K C z C z

K T z T z

−=

−

( )

( )wc lassú

wT lassú

Co f

Co f=

' '

' '

w c

w T=

c

T

FB

F= Egy skalár fluxus és a

hımérséklet fluxus aránya

Eddy kovariancia (gyors szenzorok)

Gradiens módszer, több szint – profil módszer

Relaxációs eddy akkumuláció

Hiperbolikus relaxációs eddy akkumuláció

A spektrumok hasonlóságán alapuló eljárásBandpass Covariance

Direkt árammérı mőszerek

és az adatgyőjtı egység

Direkt árammérı mőszerek

és az adatgyőjtı egység

Bugac-pusztaO3 és NO koncentráció és fluxusmérés

Dinamikus kamra NO fluxus méréshez

BugacpusztaEU FP7 ECLAIRE program

Kamrás mérések

Plexi kamra Helsinki Egyetem

Olasz fejlesztéső mérıkamra nyomáskiegyenlítıvel

Dániai Expedíció, 2009

Dániai Expedíció, 2009

Szonikus anemométer

Mikrometeorológiai állomás a 2009. májusi dániai (Bjerringbro) EU6 NitroEurope mérési kampányon. Balról jobbra: szonikus anemométer, gradiens mérı oszlop, Wasul-Flux - fotoakusztikus ammóniamérı, csapadékmérı, tápegység és adatgyőjtı modul, sugárzásmérı oszlop (Pogány Andrea felvétele).

Annual variation of surface radiation balance

Daily averages

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

1 30 59 88 117 146 175 204 233 262 291 320 349

Julian day 2009

W/m

2

Shortwave Balance

Longwave Balance

Radiation Balance

Debreceni mérıállomás

A mérési feladatok, s az ahhoz kapcsolódó adatfeldolgozás

Nyomanyag fluxus mérések Bugacon (O3, NO, NOx) (EU FP7 ECLAIRE)

Barlangi mérıállomás kiépítése (T, Rh, CO2, pH, vezetıképesség, csepegı víz)

Pilótanélküli repülıre szerelhetı meteorológiai és levegıkörnyezeti szenzorok (TÁMOP pályázat)

Milyen kutatási feladatok vannak?

1. Ózon fluxus számítás optimalizálása - Bugac

2. A átlagolási hossz várhatóérték és a kovariancia optimális becslése

3. A légoszlop teljes víztartalmának összehasonlító elemzése

4. Szélenergetikai és sugárzási energia becslések verifikálása és pontosítása

5. Hogy mőködik az ALADIN modell egyetemi változata?

Milyen idı lesz a hétvégén?

Köszönöm a figyelmet