4. fejezet - Meteorológiai állapothatározók és mérésük-II

Tartalom

4.1. A légköri mozgásállapot jellemzői
4.1.1. Alapfogalmak
4.1.2. A szél meghatározása
4.1.3. A szélmérők elhelyezése
4.1.4. Egyéb, speciális szélmérők
4.2. A légköri vízforgalom jellemzői
4.2.1. A csapadék
4.2.2. A csapadék mérése
4.2.3. Csapadékmérő műszerek:
4.3.3. Párolgás
4.3.4. A párolgás meghatározása
4.3. A légköri sugárzásforgalom jellemzői
4.3.1. A sugárzásmérés tárgyköre
4.3.2. Sugárzásmérő műszerek
4.3.3. Sugárzási központok
4.3.4. A globálsugárzás parametrizálása

(Légköri mozgásállapot, vízforgalom és sugárzásforgalom)

4.1. A légköri mozgásállapot jellemzői

A légnyomás horizontális különbségei a légköri mozgások alakításában játszanak fontos szerepet. A horizontális légnyomás gradiens termikus okokra vezethető vissza, s így végső soron a levegő mozgását a különböző területek eltérő sugárzás-háztartása befolyásolja. A Nap, mint a rendszer motorja, a Föld egyes részeit jobban fölmelegíti, ezért horizontális hőmérsékletkülönbség alakul ki. A melegebb levegőben a levegőrészecskék több energiával rendelkeznek, mozgékonyabbak, mint hidegben. A mozgékonyabb légrészecskékből álló meleg levegő kiterjed, s ezáltal csökken a sűrűsége. A könnyebb, meleg levegő felemelkedik, s a magasban szétterül. Így a melegebb terület felett összességében kevesebb levegőrészecske marad, ami a felszíni légnyomás csökkenését vonja maga után. A magasban szétterülő levegő fokozatosan lehűl, s más területek fölé jut, növelve ott a levegőrészecskék számát, vagyis a felszíni légnyomást. A magas nyomású területen leáramló levegő a felszínen szétterülve megindul az alacsonyabb nyomású részek felé – létrejön a szél (4.1. ábra)

A Föld légkörét alkotó levegőrészecskék összetett hatások eredményeként állandó mozgásban vannak. Ezt a mozgást, vagyis a levegőnek a földfelszínhez viszonyított áramlását nevezzük szélnek.

A szél eredete a különböző területek eltérő légnyomásából adódik. A magasabb légnyomású terület felől a levegőrészecskék az alacsonyabb nyomású terület felé mozdulnak el. Minél nagyobb a légnyomás különbsége két pont között, annál élénkebben zajlik e folyamat, azaz annál erősebb a szél.

A levegő mozgását a Föld forgásából származó eltérítő erő, a Coriolis-erő is befolyásolja. Ez azt eredményezi, hogy a kezdetben a nagyobb nyomású terület felől az alacsonyabb felé induló légrészecske mozgása eltérül. A két hatás eredményeként a mozgás végülis az izobárokkal párhuzamos lesz (ez a ún. Buys-Bullot-féle széltörvény, mely kimondja, hogy az északi féltekén a magasabb nyomású terület jobb kéz felé helyezkedik el, ha a szélnek háttal állunk). A kialakuló szelet geosztrófikus szélnek hívjuk. Mivel a valóságban a légköri mozgásrendszerekben az izobárok általában görbültek, ezért a levegő mozgása is görbült pályán történik. Ez egy újabb hatás, a centrifugális erő megjelenését vonja maga után. A földfelszín közelében a légmozgást még a súrlódás és a domborzat is módosítja.

A szél mérésére számos területen szükség van. A légköri mozgásrendszerek leírása, a numerikus időjárási előrejelzési modellek bemenő adatai mellett elengedhetetlen információ a hajózás, a repülés számára, a szélenergia hatékony kihasználásához, valamint a szennyezőanyagok légköri terjedésének modellezéséhez is.

A horizontális áramlás kialakulásának szemléltetése

4.1. ábra: A horizontális áramlás kialakulásának szemléltetése. A Föld egyes részei jobban felmelegszenek, ez a felszínen először hőmérsékletkülönbséget okoz, ami sűrűségkülönbséget von maga után. A melegebb, ritkább levegő kitágul, majd a magasban szétterül és más területek felé jut, ahol növekszik a sűrűség, ezáltal a felszíni légnyomás. A magasabb nyomású hely felől pedig megindul a levegő áramlása az alacsonyabb nyomású területek felé: kialakul a szél (a valóságban a levegőrészecskékre ható erők eredőjeként a szél nem a magas nyomású hely felől fúj az alacsonyabb nyomású területek irányába, de az áramlás beindulásáért a nyomási gradiens erő felel).

4.1.1. Alapfogalmak

A szél a levegőnek a földfelszínhez viszonyított vízszintes mozgása, amely iránnyal és sebességgel jellemezhető. A függőleges összetevőt általában nem vesszük figyelembe, esetenként azonban jelentős lehet (fel, leáramlások, turbulens mozgások). Fentiek mellett mérjük a szél lökésességét (gyors fluktuációját) is.

4.1.1.1. Szélcsend

Szélcsend esetén a levegő mozgása nem érzékelhető, a szél irányát műszerrel sem lehet egyértelműen meghatározni, a szél sebessége pedig 1 m/s alatt van.

4.1.1.2. A szél iránya

A meteorológiában a szél irányának azt az irányt tekintjük, ahonnan a szél fúj (4.2. ábra). Gyakran 8 főirányt és 8 mellékirányt különböztetnek meg, a szinoptikus gyakorlatban 10 fokra kerekítve adjuk meg a szél irányát.

Szélirány a meteorológiában

4.2. ábra: a meteorológiába a szél irányának azt az irány tekintjük, amerről a szél fúj

4.1.1.3. A szélsebesség mérőszámai

  1. Szélút: az a távolság, amelyet a széllel együtt mozgó légrészecske időegység alatt megtesz (mértékegysége: m).

  2. Közepes sebesség: megadott időközben az átlagos szélsebesség (mértékegysége: m/s).

    egyéb mértékegységek:

    1 m/s = 3,6 km/h = 2,237 mérföld/h (mi/h) = 1,943 csomó (kn)

  3. Szélnyomás: a szél által 1 m2 felületre gyakorolt nyomóerő (mértékegysége: Pa).

    A szélsebesség és a szélnyomás között felírható az alábbi összefüggés:

    Pw = k V2,

    (4-1)

    vagyis a szélnyomás a szélsebesség négyzetével arányos. Az egyenletben Pw a szélnyomás, k a szélnyomás meghatározására szolgáló felület alakjára vonatkozó érték, V pedig a szélsebesség.

  4. Maximális széllökés: a szélsebesség, vagy szélnyomás átmeneti csúcsértéke.

  5. Turbulens paraméterek:

    A turbulens (örvényes) áramlás – elsősorban a felszín közelében történő – leírásánál használt mennyiségek (pl. szélsebesség fluktuációk).

4.1.2. A szél meghatározása

4.1.2.1. A szélsebesség becslése

Repülőtereken, utak mentén a szélzsák jó támpontot ad a szél irányának és sebességének becslésére. A szélsebesség a füst gomolygása, a növényzet mozgása, vagy a hullámok erőssége alapján is becsülhető. E becslés alapja a Beaufort-féle tapasztalati szélskála, amit Francis Beaufort (1774–1857) 1805-ben alkotott meg (4.1. táblázat).

4.1. táblázat: A Beaufort-féle tapasztalati szélskála

Beaufort fok

Elnevezés

Hatás vízfelszín felett

Hatás szárazföld felett

Szélsebesség

Hullám- magasság

m/s

km/h

m

0

Szélcsend

A víz sima, mint a tükör.

A füst egyenesen száll felfelé.

0 – 0,2

0

0

1

Enyhe légmozgás

A víz enyhén fodrozódik, a fodrok simák, nem törnek meg.

A szélirányt csak a füst mutatja, a szélzászló nem.

0,3 –1,5

1 – 6

0,1

2

Könnyű szellő

A víz fodrozódik, a fodrok még simák, nem törnek meg.

Az arcunkkal érezzük a szelet, a levelek rezegnek.

1,6 – 3,3

7 – 11

0,2

3

Gyenge szél

A víz erősen fodrozódik, a kis hullámok helyenként megtörnek, tajtékosak.

Mozognak a levelek és a vékony gallyak, lobog a zászló.

3,4 – 5,4

12 – 19

0,6

4

Mérsékelt szél

A kis hullámok egyre hosszabbak, számos helyen megtörnek, tajtékosak.

Felemeli a szél a port és a papírt, mozognak az ágak.

5.5 – 7.9

20– 29

1

5

Élénk szél

Egyre hosszabb közepes méretű hullámok sok tajtékkal, a hullámok tetején helyenként leszakadó vízpermettel.

Mozognak a lombos fák, fodrozódnak a tavak.

8,0 – 10,7

30– 39

2

6

Erős szél

Közepes, erősödő hullámok, a víz mindenütt tajtékos, egyre több helyen alakul ki leszakadó vízpermet.

Mozognak az erősebb ágak, zúgnak a telefonvezetékek.

10,8 – 13,8

40 – 50

3

7

Metsző szél

A tenger felpúpozódik, a megtörő hullámok okozta fehér tajtékokat a szél sávokba fújja.

A fák mozognak, nehéz széllel szemben menni.

13,9 – 17,1

51 – 62

4

8

Viharos szél

Nagy hullámok, a fehér tajtékokat a szél jól kivehető sávokba rendezi.

A szél letépi az ágakat (veszélyes a szabadban tartózkodni).

17,2 – 20,7

63 – 75

5,5

9

Vihar

Nagy hullámok, amelyek elkezdenek forogni; sűrű fehér tajtékok; a hullámokról leszakadó vízpermet csökkenti a látást.

Kisebb károkat okoz a házakban; a gyengébb fák letörnek.

20,8 – 24,4

76 – 87

7

10

Erős vihar

Nagyon nagy, egymáson átcsapó hullámok; a vízfelszín egyre fehérebb; vízpermet; a látástávolság tovább csökken.

Fákat tör ki, kárt okoz a házakban.

24,5 – 28,4

88 – 102

9

11

Orkánszerű vihar

Kivételesen nagy hullámok, a vízfelszín fehér habos tajtékfoltokkal borított.

Jelentős károkat okoz, az épületek súlyosan károsodnak, letarolja az erdőket.

28,5 – 32,6

103 – 119

11,5

12

Orkán

A levegő fehér habos tajtékokkal telített, a vízfelszín szinte teljesen fehér.

Jelentős károkat okoz, az épületek súlyosan károsodnak, letarolja az erdőket

>32,7

>120

>14

4.1.2.2. A szélirány meghatározása

A szélirány szélzászlókkal határozhatjuk meg. A szélzászlók egy függőleges tengely körül szabadon forgó nem-szimmetrikus alumínium testek, melyek egyik vége (az ún. vitorla) viszonylag nagy akadályt képez a szél útjában, ameddig az eszköz be nem fordul a legkisebb ellenállást jelentő aktuális szélirányba. Lehetnek teljesen mechanikus szerkezetek, vagy olyanok, melyek a mechanikai változást elektromos jellé alakítják át.

A hazai gyakorlatban alkalmazott Vaisala elektromos széliránymérők (4.3. ábra) a szélzászló tengelyének forgásából egy fototranzisztor segítségével 64 szélirányt különböztetnek meg (ezáltal nagyjából 5-6 fokos pontosságban képesek meghatározni a szél irányát.)

Szélzászló

4.3. ábra: Vaisala típusú Szélzászló

4.1.2.3. Nyomólapos szélmérő

A szél sebességének függvényében egy fémlap kilendül, a szél irányába egy meghatározott szerkezet fordítja be (4.4. ábra). A kilendülés mértéke egy köríven elhelyezett skáláról olvasható le (4.2. táblázat). A XIX. sz. végétől általánosan elterjedt műszer volt. A mai gyakorlatban már nem használják.

4.2. táblázat: A nyomólapos szélmérőnél használt szélsebesség skála

skála

szélsebesség (m/s)

kilendülési szög

0

0

0

1

2

4

2

4

16

3

6

31

4

8

46

5

10

58

6

14

72

7

20

81

Nyomólapos szélmérő

4.4. ábra: Nyomólapos szélmérő a Dobogókőn (700 m). A szélzászló segítségével mindig a szél irányába fordul A szélmérő már csak tájékoztatást ad, a mérést nem ezzel a műszerrel végzik. A képen a szélmérő teljesen kilendül, ami legalább 20 m/s-os pillanatnyi szelet jelez.

4.1.2.4. Rotációs szélsebesség-érzékelők

A rotációs szélsebesség mérők a szélsebesség mérésére leggyakrabban alkalmazott műszerek.

a.) Forgókanalas szélmérő:

Az első forgókanalas szélmérőt John Thomas Romney Robinson alkotta meg 1846-ban. A műszerben négy félgömb alakú kanalat alkalmazott. Később azonban rájöttek, hogy háromágú kanálkereszt alkalmazása előnyösebb és a kónuszos kanalak is kedvezőbb tulajdonságúak. A XX. századtól már ilyen anemométerket használnak. A kanalakat és az azokat tartó karokat úgy méretezik, hogy a rotor tehetetlenségét minimalizálják, és a szél által gyakorolt forgatónyomatékot maximalizálják.

Vaisala típusú forgókanalas szélmérő

4.5. ábra: Vaisala típusú forgókanalas szélmérő. A szélkanalak tengelyének forgása által keltett elektromos impulzusokból határozható meg a szél sebessége.

A hazai gyakorlatban alkalmazott Vaisala típusú forgókanalas szélmérő (4.5. ábra) indulási küszöbe 0,4 m/s. A mérés során a szélkanalak tengelyének forgása által keltett elektromos impulzusokból határozható meg a szél sebessége.

b.) Propelleres szélmérő:

A propelleres szélmérők pontosabbak, mint a forgókanalasak. Azonban csak akkor végezhető velük pontos mérés, ha a propeller a szél irányába fordul. A gyakorlatban ezért általában a szélzászlóval egybeépítve alkalmazzák őket (4.6. ábra).

Propelleres szélmérő

4.6. ábra: Young típusú propelleres szélmérő. Pontos mérés végezhető vele, de szélirányfüggő, ezért a szélzászlóval egybeépítve alkalmazható meteorológiai célokra.

c.) Fuess-féle egyetemes szélíró:

Az elektromos eszközök elterjedése előtt a meteorológiai állomásokon a szél irányának, sebességének és lökésességének egyidejű meghatározására használt bonyolult, de pontos szerkezet volt.

Nehéz felszerelni, de utána tartósan, megbízhatóan működik. A műszer egy felfogó részből és írószerkezetből áll.

A szélirány mérése szélzászlóval történik, ennek változásait egy merev rúd közvetíti az írókarra. A szélsebesség mérése a szélút regisztrálás alapján történik, a széllökést pedig egy Pitot–Prandtl cső elven működő nyomócsöves anemométer méri. Ez utóbbi két érzékelőből áll, az egyik közvetlenül a szél irányába mutat (teljes szélnyomás), a másik azzal ellentétes irányba (statikus szélnyomás). A levegőt csöveken vezetik az írószerkezet alatti úszóházhoz amiben egy úszó mozog a nyomáskülönbségek hatására. A műszerrel folyamatos mérés végezhető, a regisztráló szalagot naponta kell cserélni.

Rotációs szélsebesség érzékelők dinamikus jellemzői:

a.) Indulási küszöb: a legkisebb szélsebesség, ahol a kanál, vagy propeller éppen elkezd forogni, vagyis a szél forgatónyomatéka legyőzi a csapágy súrlódását. Ebben a sebességtartományban azonban a műszer még nem hiteles, a valódi szélsebességnél kevesebbet jelez. (nem biztos, hogy az alacsonyabb indulási küszöb a jobb, ez ugyanis sokkal érzékenyebb).

b.) Pontos követés: ahonnan kezdve a műszer már érvényes értéket szolgáltat

c.) Válaszidő: a gyors változásokat a kanalas, propelleres szélmérők bizonyos késéssel követik.

d.) Túlmérés: változékony szélben a kanalas műszerek magasabb értékeket mérnek, mivel a pozitív gyorsulásra a kanál jobban reagál, mint a negatívra.

Mechanikus és elektromos szélmérők összehasonlítása:

A mechanikus és elektromos szélmérők főbb tulajdonságait a 4.2. táblázat foglalja össze.

4.2. táblázat: Mechanikus és elektromos anemométerek összehasonlítása (Forrás: Simon, 1984)

Mechanikus szélmérők

Elektromos szélmérők

áramforrás:

nem kell külső áramforrás, a regisztráló mechanizmust működtető energiát a szélből veszi

működtetéséhez külső áramforrás igényel

szélmérés:

a sebességet két, egymástól független rendszerrel méri:

a.) szélút: kanállal,

b.) széllökés: Pitot csővel

- a két rendszer nincs mindig összhangban

egyetlen érzékelővel méri a szélutat és ebből elektronikusan állítja elő az átlagot, széllökést

regisztrátum:

jól értékelhető regisztrátum, de csak manuálisan dolgozható fel

digitális adatgyűjtés, közvetlen feldolgozásra alkalmas

élettartam:

megbízható, hosszú élettartamú műszer

rövidebb élettartam, gyakoribb karbantartást igényel

méret:

nagyobb súly és méret

kis súly és méret

széllökés mérése:

Pitot-csöves lökésmérés hibákat tartalmazhat

lökésmérés egyszerű, mintavételezési idő könnyen állítható

4.1.3. A szélmérők elhelyezése

A szélmérőket nyílt terepen, a felszín felett 10 m magasságban kell elhelyezni (4.7. ábra). A nyílt terep a szélmérés esetén azt jelenti, hogy a szélmérő és a tereptárgy közötti távolság minimum tízszerese legyen a tereptárgy (pl. házak, fák) magasságának (WMO, 2008). A 10 m-es magasságra azért van szükség, mert a felszín a súrlódás révén erősen befolyásolja a szél sebességét. A tereptárgyaktól vett távolság pedig azért fontos, hogy a lehető legkevésbé módosítsák lokálisan a nagyobb térségre jellemző légáramlást.

A gyakorlatban gyakran nehéz megfelelő helyszínt találni a szélmérőnek. Ráadásul elképzelhető, hogy az állomás környezetét az évek során beépítik, vagy a növényzet megnő. Ha a felszíni érdességi elemek (növényzet, épületek) megkövetelik, akkor a szélmérőt magasabbra kell helyezni. Fontos, hogy a mérőhelyen, illetve a mérési magasságokban, körülményekben bekövetkezett változásokat megfelelően dokumentálják (lásd: metaadatok az 1. fejezetben).

A szélmérő telepítése különösen városi környezetben okozhat nehézségeket (4.8. ábra).

A szélirány és szélsebességmérő egy 10 m magas oszlopon

4.7. ábra: A szélirány és szélsebességmérő egy 10 m magas oszlopon

Szélirány és szélsebességmérő városi környezetben

4.8. ábra: A szélirány és szélsebességmérő az Eötvös Loránd Tudományegyetem lágymányosi épületének tetején, városi környezetben

4.1.4. Egyéb, speciális szélmérők

4.1.4.1. Hődrótos anemométer

A hődrótos anemométerben egy vékony platina, vagy volfrámszál az érzékelő (4.9. ábra), amit a levegő áramlásának, és ezáltal hűtő hatásának függvényében különböző mértékben kell fűteni, hogy hőmérséklete állandó maradjon. Ennek hatására a fémszál ellenállása megváltozik. Az ellenállás és az áramlási sebesség közötti összefüggés alapján pedig számszerűsíthető a szél sebessége. Érzékeny, pontos műszer. Kis mérete és gyors válaszideje alkalmassá teszi a turbulens momentumáramok mérésére.

Hődrótos anemométer érzékelője

4.9. ábra: Hődrótos anemométer érzékelője.

4.1.4.2. Szónikus anemométer

A szónikus anemométereket az 1970-es évektől kezdték alkalmazni a szélsebesség és szélirány mérésére. E műszerek érzékelői hangimpulzusokat bocsátanak ki, ami a széltől függően különböző időeltérésekkel jut el a többi mérőtesthez. Az eltérések számítógépes feldolgozásával képet kapunk a szélvektorról. Hosszú távon megbízható műszerek. A 2D szónikus anemométerek (4.10. ábra) a horizontális szélmező pontos meghatározását teszik lehetővé.

Vaisala WS425 2D szónikus anemométer

4.10. ábra: Vaisala WS425 2D szónikus anemométer a horizontális szél meghatározására.

A 3D szónikus anemométereket elsősorban a felszínközeli turbulens áramok (momentum, szenzibilis hőáram, latens hőáram, nyomgáz áramok) meghatározása céljából telepítik kutatóállomásokon ún. eddy kovariancia mérőrendszerek részeként (4.11. ábra). Az adatok feldolgozása során különböző korrekciókat kell alkalmazni, mert a mérést többek között a hőmérséklet és a légnedvesség is befolyásolják (lásd pl. Mészáros et al., 2009).

Különböző típusú 3D szónikus anemométerek

4.11. ábra: Különböző típusú 3D szónikus anemométerek egy mikrometeorológiai mérési programon (Braunschweig, Németország, 2000, fűfelszín) – eddy kovariancia mérőrendszer. A gyors válaszidejű szónikus anométerekkel a három dimenziós szélmező feltérképezése által a felszínközeli turbulens áramok meghatározására alkalmasak.