1.2 Biofizikai éghajlat-osztályozási módszerek

1.2.1 Nemzetközi előzmények

A biofizikai éghajlat-osztályozási módszerek megszületése és kialakulása szorosan kapcsolódik Alexander von Humboldt, a növényföldrajz, vagy biogeográfia atyjának nevéhez. Humboldt and Bonpland (1807) észrevették, hogy az egymástól területileg távol eső, de hasonló klímákban a vegetáció típusok is hasonlók. E gondolatot Grisebach (1838) és maga von Humboldt is továbbfejlesztette a vegetáció típusok határainak becslésére. További számos évbe tellett, mire Humboldt gondolata az éghajlat-osztályozásban alkalmazásra került. Az első olyan próbálkozások, amelyek a vegetáció-határokhoz valamiféle klíma-határokat is hozzárendelni próbáltak, a 20. század első felében jelentek meg. Ezek közül Köppen éghajlat-osztályozása (Köppen, 1900; 1936) volt az első. Köppen (1900) saját rendszerét Grisebach (1866) globális vegetáció-térképe és de Candolle (1874) vegetáció-típusai alapján készítette el. E vegetáció-típusok a Föld fő, többé-kevésbé zonális eloszlású éghajlati övezeteihez tartoztak. Köppen de Candolle típikus növényzetét a forró égövben A-val, a mérsékelt égövben C-vel, a hideg és fagyos égövben D-vel és E-vel, míg a száraz övezetekben B-vel jelölte. Így Köppen (1936) klímarendszerezése gyakorlatilag követi az öt klímazónában gondolkodó görög elképzelést, melynek forrásai visszanyúlnak egészen Pythagorasig, azaz i.e. a 6. századig. Itt említsük meg azt is, hogy Köppen osztályozásának legújabb alkalmazását Kottek és mtsai. (2006), valamint Peel és mtsai. (2007) munkáiban láthatjuk. Napjainkban Köppen rendszerét a klímaváltozással kapcsolatos kutatásokban használják (Lohman és mtsai., 1993; Kalvová és mtsai., 2003; Gao and Giorgi, 2008; Roderfeld és mtsai., 2008) az eredmények kiértékelése során. A további módszerek már komplexebbek. Ezek közül megemlítendő Thornthwaite (1931, 1933, 1948), Holdridge (1947), Troll és Paffen (1964), valamint Box (1978) módszere. Mindezek közül Köppen (1936), Holdridge (1947) és Thornthwaite (1948) módszere a legismertebb. E három módszer között ugyanakkor jelentős komplexitásbeli különbségek is vannak.

1.2.2 Hazai előzmények

Hazánkban a biofizikai éghajlat-osztályozási módszerek közül Köppen (1936), Holdridge (1947) és Thornthwaite (1948) módszerét alkalmazták. Köppen módszerét Réthly (1933) elemezte. Eredményei alapján Köppen módszere hazánkra nem alkalmazható (Péczely, 1979). Köppen szerint ugyanis Kárpát-medence klímája többé-kevésbé homogén, azaz a területi változatossága kicsi. Holdridge (1947) módszerét hazánkban legelőször Szelepcsényi és mtsai. (2009a, 2009b) vizsgálták. Ez Köppen és Thornthwaite módszereivel való összehasonlítás kereteiben történt. Ez esetben a klíma területi változatossága már észrevehető volt. Az országot jellemző hideg-mérsékelt klíma a Dunától nyugatra, valamint az ország északkeleti részeiben nedvesebb, míg az Alföld szívében szárazabb. A Thornthwaite módszerrel kapcsolatos vizsgálatok a legszéleskörűbbek. Thornthwaite módszerét Magyarországon először Berényi (1943), majd Kakas (1960) és Szesztay (1958) alkalmazta. Szesztay hidrológiai szempontból elemezte a módszert és alkalmazásai kisebb vízgyűjtő területekre vonatkoztak. Itt említendő még Szepesiné (1966) Kárpát-medencére vonatkozó tanulmánya is, amelyben a szerző egyes állomások energiaháztartását is bevonta a vizsgálatba. E számításokban a talaj hasznos vízkészlete 300 mm volt és területileg állandó. Thornthwaite módszerét Szász (1963) is alkalmazta. Vizsgálataiban a vízháztartási összetevők és a hasznos vízkészlet kapcsolatát elemezte, de csak egyes állomásokra vonatkozóan. Thornthwaite módszerét más módszerekkel összehasonlítva Szelepcsényi és mtsai. (2009b) elemezték. E vizsgálatok alapján bebizonyosodott, hogy Thornthwaite módszere alkalmas Magyarország mezoléptékű klimatikus változatosságának jellemzésére. Az előbbi munkákban a talaj klímára gyakorolt hatásait nem elemezték. A klíma és a talaj kapcsolatát – a talaj hasznos vízkészlete területi változatosságának számításba vétele alapján – először Drucza és Ács (2006), Ács és mtsai. (2007), valamint Breuer (2007) elemezték. E Thornthwaite (1948) típusú biofizikai modellek biogeokémiai modellekké bővíthetők. Az első ilyen próbálkozások Ács és Breuer (2006), valamint Breuer (2007) nevéhez fűződnek. E modellek már az adott terület szénegyenlegének becslésére is alkalmasak (Szász és mtsai., 2007).

1.2.3 A vegetáció és az evapotranszspiráció szerepe

Vida (2001) az alábbi módon írja le, hogy a vegetáció a környezet indikátora, és hogy szinte mérőműszerként is alkalmazható a klimatológiai skálán. "A talaj összetételét, savas vagy lúgos jellegét (pH-ját), vízháztartását a növényzet alapján biztosabban lehetett megállapítani, mint az e célra szerkesztett mérőműszereinkkel. Ez utóbbiakkal ugyanis csak az adott pillanatban és egyetlen ponton mérhettünk, míg a növényzet sokéves, olykor évszázados vagy még hosszabb hatásokat is regisztrál."

A vegetáció típusok környezeti tényezőktől való függése. A két legfontosabb környezeti tényező a csapadék és a hőmérséklet.

1.1 ábra. A Föld fő vegetáció-típusai és az évi csapadékösszeg, valamint az átlaghőmérséklet közötti kapcsolat

E tényt az emberiség már a 19. század közepén egyértelműen felismerte. Emellett megállapították azt is, hogy a két legfontosabb éghajlati elem a hőmérséklet (T) és a csapadék (P). Whittaker (1975) szerint e két elem és a Föld fő vegetáció-típusainak kapcsolata az 1. ábra szerint jellemezhető. Az ábrán számszerűsített formában láthatjuk a fő vegetáció típusokhoz tartozó P-T értéktartományokat. A csapadék és a hőmérséklet integrált mutatója az evapotranszspiráció (Holdridge, 1959). Így az evapotranszspiráció az adott terület éghajlatának fontos jellemzője (Woodword, 1987; Stephenson, 1990). Az evapotranszspiráció lehet potenciális és tényleges. Mivel a potenciális evapotranszspiráció csak a légkör állapotától függ, ezért kiemelt fontosságú. Számítása ugyanakkor egyszerű, ezért el is terjedt a használata a biofizikai éghajlat-osztályozásokban. A tényleges evapotranszspiráció mind a légkör, mind a talaj állapotának a függvénye. Becslése nehéz feladat, ezért nem is alkalmazzák a biofizikai éghajlat-osztályozásokban. Ugyanakkor ez a folyamat jellemzi és határozza meg a növényi lét igazi titkait. Ezeket Hamvas (1988) a következőképpen foglalta össze.

„ Minden növény tulajdonképpen géniusz, vagyis angyal, s ezt a kis daimont alakjáról, vagy színéről, vagy virágáról, vagy gyümölcséről is felismerhetem, de nem közvetlenül, hanem csak absztraktul, ahogy a szem valamit fel képes ismerni. Közvetlenül az élő növényről csak az orr szerezhet tapasztalatot, mert a legmélyebbet benne az élő olaj mondja meg. Az illat a növényi lét titka. ”

A növényi gázcsere legfontosabb összetevői azonban a szén-dioxid és a vízgőz. A növényzet ezek arányát is sajátos módon szabályozza: egy liter elpárologtatott víz után 1–5 g növényi tömeg (biomassza) képződik. Ez egy létalapunkat jellemző és meghatározó adat (Bonan, 2002).

Mint már említettük, Köppen (1936) éghajlat-osztályozási módszere a növényzet területi eloszlását veszi alapul; a természetes vegetáció megfigyelt eloszlásából indul ki. A módszer nem becsül evapotranszspirációt, s – többek között – ezért is igen egyszerű. Holdridge és Thornthwaite viszont felismerték az evapotranszspiráció becslésének fontosságát. Holdridge (1947, 1959) e tényező hatását a lehető legegyszerűbb módon, az évi potenciális evapotranszspiráció számításával értékelte. Az évi potenciális evapotranszspiráció értékét a havi hőmérsékleti értékek alapján számította. Az így kapott rendszerezés gyakorlatilag életformákban és az adott életformákhoz tartozó tipikus ökológiai egységekben gondolkodik. Ugyanúgy mint Köppen (1923), a Holdridge-féle rendszerezés is egzakt és – tekintettel arra, hogy a Föld komplex ökoszisztémáját jellemzi – egyszerű. Thornthwaite (1948) módszere szintén becsüli a potenciális evapotranszspirációt. Thornthwaite ezt a léghőmérséklet és a nappalok hosszának ismerete alapján értékelte. Emellett Thornthwaite a terület vízháztartását is becsülte.

1.2.4 A talaj szerepe

Köppen (1936) és Holdridge (1947) módszere nem használ fel semmilyen talajinformációt. Thornthwaite (1948) esetében ez azonban nem áll fenn. Thornthwaite a terület vízháztartását a lehető legegyszerűbb módon: a csapadék és a potenciális evapotranszspiráció mérlege alapján becsülte, ami feltételezi a talaj hasznos vízkészletének ismeretét is. A Thornthwaite (1948) féle módszerben a talaj hasznos vízkészlete 100 mm·m-1 és területileg állandó.

Thornthwaite éghajlat-osztályozása tehát nem taglalta a talaj és a klíma kapcsolatát. A módszer azonban könnyen kiegészíthető a talajra vonatkozó legfontosabb információkkal, pl. a talaj fizikai féleségének megadásával. A módszer nyilván ekkor is alkalmazható, a kérdés az, hogy milyen célokra, mekkora sikerrel. Az említettek szemléltetése végett egy ún. módosított Thornthwaite (Ács és mtsai., 2007) féle módszert is ismertetni fogunk.

1.2.5 Az osztályozási módszerek komplexitása

A három éghajlat-osztályozási módszer komplexitása különböző. A komplexitás mértékét három tulajdonság alapján ítélhetjük meg, melyek a következők: (1)a vegetációhoz való viszony, (2) a potenciális evapotranszspiráció (PET) becslése, (3) a talaj tulajdonságainak számításba vétele. Ezen elvek figyelembe vétele alapján Köppen (1936), Holdridge (1947) és Thornthwaite (1948) módszerének komplexitása megítélhető és a módszerek komplexitási sorrendbe is állíthatók. Ezt szemlélteti az 1.1. táblázat.

1.1 táblázat: A biofizikai éghajlat-osztályozási módszerek komplexitása a vegetációhoz való viszony, a potenciális evapotranszspiráció szimulálása és a talaj tulajdonságainak számításba vétele alapján (a komplexitás a plusz jelek számával arányos) (PET-potenciális evapotranszspiráció).

Látható, hogy mindhárom módszer kapcsolódik a vegetációhoz. Köppen egyes klímák határait a vegetáció-határok alapján definiálta. Holdridge potenciális életformákat definiált származtatott klimatikus index-érték tartományokhoz (Lugo és mtsai., 1999). Thornthwaite pedig számításba vette a természetes növénytakaró eloszlását a nedvességi tartományok definiálása során (Péczely, 1979). Köppen (1900) nem becsült potenciális evapotranszspirációt, azonban már valamelyest jellemezte a párolgás folyamatát a száraz klímák definiálására szolgáló, érték-összehasonlító kritériumaival. Holdridge a létező legegyszerűbb módon számította a potenciális evapotranszspirációt (Prentice, 1990). Thornthwaite potenciális evapotranszspiráció számítására szolgáló módszere komplexebb, mint Holdridge-é, mivel a PET-et a sugárzás alapján becsülte. Emellett a vízháztartási összetevők becslésére csöbör modellt használt. A csöbör modell révén – a légköri tényezők mellett – egy fontos talajtényezőt is számításba vett: a talaj hasznos vízkészletét. Köppen és Holdridge módszerében a talaj viszont egyáltalán nincs számításba véve.

1.2.6 Célok

E könyv céljai a következők:

  • a legismertebb biofizikai éghajlat-osztályozási módszerek leírása és ismertetése,

  • a módszerek alkalmazása és összehasonlító vizsgálata egy globális és egy lokális léptékű adatbázison. A módszerek alkalmazásával kapcsolatos számításokat Budapest adatain fogjuk illusztrálni. A módszerek tudományos célú alkalmazásait, melyek a jövőbeni éghajlatváltozás kérdéskörét érintik, szintén ismertetni fogjuk.

  • Végül a Thornthwaite (1948) féle módszer éghajlat-osztályozási és agroklimatológiai célú alkalmazásainak rövid ismertetésére és elemzésére is sor kerül.

Mielőtt rátérünk e módszerek ismertetésére, a Walter-Lieth (1960) féle klímadiagrammal is megismerkedünk. Ez egy egyszerű éghajlat-meghatározó módszer, melyben a növényzet, mint tényező ugyan szerepel, de a lehető legegyszerűbb formában. A tematika ismertetése mellett a tárgykör néhány jelentős kutatójának életrajzát is bemutatjuk, azokat objektíven összehasonlítjuk.

A könyv hét fejezetre tagolódik. A bevezetésben (első fejezet) részletesen ismertetjük az éghajlat-osztályozás történelmi hátterét, ezen belül a biofizikai éghajlat-osztályozás rövid történetét, majd rátérünk a három legismertebb és talán legfontosabb biofizikai éghajlat-osztályozási módszer, a Köppen (1936), a Holdridge (1947) és a Thornthwaite (1948) féle módszer tulajdonságainak összehasonlító bemutatására a vegetáció, az evapotranszspiráció és a talaj szerepe szempontjából. A második fejezetben az adatokkal és a módszerek ismertetésével foglalkozunk. Először az adathasználat elvi kérdéseit érintjük, majd rátérünk az általunk használt éghajlati- és talajadatok bemutatására. Mielőtt ismertetjük a biofizikai módszereket, a Walter-Lieth (1960) féle klímadiagrammal is megismerkedünk. Köppen, Holdridge és Thornthwaite módszerének alkalmazását Budapest adatain is szemléltetjük. Mindezek után bemutatjuk az ún. módosított Thornthwaite (Ács és mtsai., 2007) féle modellt is. A harmadik fejezetben az eredmények bemutatására kerül sor, ahol a vizsgálat összehasonlító jellegére helyezzük a hangsúlyt. Itt lesz először alkalmunk jellemezni Magyarország éghajlatát a Köppen (1936), Holdridge (1947) és Thornthwaite (1948) féle éghajlat-osztályozások tükrében. Emellett részletesen ismertetjük a módosított Thornthwaite (Ács és mtsai., 2007) féle modellel kapott évi és havi tényleges evapotranszspiráció és talaj vízkészlet mezőket. A negyedik fejezetben Köppen, Holdridge és Thornthwaite módszerének egyes tudományos célú alkalmazásait ismertetjük. Az ötödik fejezetben a rövid összefoglalás mellett levonjuk a legfontosabb következtetéseket, majd egy rövid kitekintést adunk a további lehetőségekről. A hatodik fejezetben ismertetjük Köppen, Holdridge, Thornthwaite, Réthly és Berényi szakmai életrajzait, majd ezeket röviden összehasonlítjuk a kiválasztott szempontok szerint. Minden egyes fejezet végén vannak kérdések és/vagy feladatok találhatók, melyeket a felhasznált irodalom követ. Az utolsó hetedik fejezet didaktikai célokat szolgál. Ez táblázatos formában tartalmazza a használt globális (Lamb (1978) féle adatok) és lokális (Kakas (1960) féle adatok) léptékű adatbázis legfontosabb adatait. Mindezek alapján a könyv egy alapvető segédletként használható az elméleti ismeretek gyakorlati elsajátításához.