4.2. A légköri vízforgalom jellemzői

A víz légköri körforgalmáról a csapadék és a párolgás egyidejű mérése nyújt információt.

4.2.1. A csapadék

A lebegő felhőelemek idővel akkorára nőnek, hogy súlyuk révén kihullanak a felhőből (ekkor válnak cspadékelemmé). Ezután vízcseppek, hópelyhek, jégszemek stb. alakjában hullanak a felszínre.

A csapadék tehát a légköri páratartalomból folyékony, vagy szilárd halmazállapotban a felszínre hulló víz. A csapadék térben és időben rendkívül változékony meteorológiai elem.

A csapadék mérésének célja kettős:

  1. adott időtartamon belül (1 óra, 1 nap, 1 év stb.) a csapadék területi eloszlásának meghatározása,

  2. egy adott pontban a csapadék hullásának időbeli eloszlása (különös tekintettel a rövid időszak alatt lehulló, nagy mennyiségű csapadékra).

4.2.2. A csapadék mérése

A csapadék mérése során a következő paramétereket határozzuk meg:

  1. A csapadék mennyisége: annak a vízrétegnek a magasságával fejezzük ki, amely a teljesen sima, vízszintes felszínen állna a csapadékhullás után, ha abból semmi sem folyna, párologna, szivárogna el. A csapadékmennyiség mérése 0,1 mm (egyes helyek 0,2 mm) pontossággal történik. 1 mm csapadék 1 négyzetméter felületen 1 liter víznek felel meg.

  2. A csapadékhullás időtartama.

  3. A csapadékhullás intenzitása (az időegység alatt lehullott vízmennyiség). Mértékegysége: mm/óra.

A lehulló vízmennyiség mérésének hibái:

  1. A légáramlás módosító hatása (általában veszteséget okoz, azáltal, hogy kifújja a csapadékmérőből a vizet, havat).

  2. A csapadék az év során különböző halmazállapotban hullik, ami szintén hibát okozhat a mérésben. Minden csapadékot víz egyenértékre kell számolni.

  3. A csapadékmérő magassága is okozhat hibát. Minél magasabban helyezik el, annál nagyobb hibát okoz. A csapadék definíció szerint a felszínre hulló csapadék. Ennek ellenére a csapadékmérőt nem a felszínre helyezik, mert ott a felszínről belefolyhatna víz, illetve hóborítottság esetén sem lehetne pontos mérést végezni. A különböző országokban más-más magasságban helyezik el a csapadékmérőt (WMO, 1989). Magyarországon 1 m a szabvány.

4.2.3. Csapadékmérő műszerek:

A csapadék mérésére szolgáló műszer neve ombrométer, a csapadékíróé ombrográf.

4.2.3.1. Oláh–Csomor-féle csapadékmérő (Hellmann-féle csapadékmérő):

A hazai gyakorlatban elterjedt csapadékmérő (ombrométer) típusa (4.12. ábra). Három részből áll, ezek a felfogóedény, a gyűjtőedény és a tartóedény. A felfogóedény keresztmetszete: 200 négyzetcentiméter, átmérője 159,6 mm. A csapadékmérő fala kettős alumínium henger, ami a hőmérséklet-növekedés általi párolgást hivatott kiküszöbölni. A felfogóedény alul beszűkül. Itt jut a vízmennyiség a gyűjtőedénybe. Ezt tartja a tartóedény.

A csapadékmérő felső pereme a talaj felett 1 m magasságban, vízszintesen helyezkedik el. A meteorológiai mérések során a csapadékmérőt úgy kell elhelyezni, hogy környezetében bármely irányból legalább 45 fokos szögben szabad legyen a terep.

Télen hókeresztet raknak a felfogóedénybe, ami azért kell, hogy a szél által keltett turbulencia ne emelje ki a havat.

A csapadékmennyiség megállapítása:

  1. Leemeljük a felfogóedényt.

  2. A gyűjtőedényben összegyűjtött vizet egy üveg mérőhengerbe öntjük és a 0,1 mm beosztású skálán leolvassuk a vízoszlop magasságát. (a vízoszlop meniszkuszának legalacsonyabb pontját kell leolvasni).

  3. Télen az egész csapadékmérőt leemeljük, szobahőmérsékleten megolvasztjuk a havat és az előbbi módon határozzuk meg a csapadék mennyiségét (ehhez két csapadékmérő szükséges, hogy a leolvasztás időtartama alatt is mérhető legyen az esetleges csapadék).

Hellmann rendszerű csapadékmérő

4.12. ábra: Hellmann rendszerű csapadékmérő. A csapadékmérő három részből áll, ezek a felfogóedény, a tartóedény és a gyűjtőedény. A csapadékmérő felső pereme a felszín felett 1 m-es magasságban van.

4.2.3.2. Mougin-féle csapadékgyűjtő (totalizatőr):

Olyan helyeken használják, ahol nem megvalósítható a naponkénti észlelés. Hatalmas gyűjtőtartállyal rendelkezik (4.13. ábra), melyet akár csak évente olvasnak le (pl. magas hegyeken). A gyűjtőedényben a víz tetején vékony olajréteg akadályozza a párolgást. A csapadékgyűjtőt szélgallér veszi körül.

4.2.3.3. Hellmann-rendszerű úszóhengeres csapadékíró

Csapadékíró, vagyis ombrográf, ami alkalmasak az automatikus mérésre, valamint a csapadék intenzitásának magállapítására is.

A műszer felépítése és működése a következő:

  1. A csapadék a felfogóedénybe jut (ennek felépítése azonos a csapadékmérőével).

  2. A felfogóedényből a vízmennyiség az úszóhengerbe jut.

  3. Az úszóhengerben a vízszint emelkedése egy úszószelencét emel.

  4. Az úszószelencéhez egy regisztrálókar tartozik, mely egy órahengeren elhelyezett papírszalagra rögzíti a szelence emelkedésének mértékét, vagyis a vízoszlop magasságát (az emelkedés gyorsaságából a csapadék intenzitását kapjuk)

  5. A maximális vízoszlop magassága 10 mm. Amikor az úszóhengerben ez a magasság bekövetkezik, a hengerben levő vizet egy szifon kiüríti, s a mérés kezdődik előröl.

  6. Télen a hőmérsékletet 3 °C-on tartva a hó megolvad, s így mérhető a csapadék.

Mougin-féle csapadékgyűjtő

4.13. ábra: Mougin-féle csapadékgyűjtő a Fekete-Tisza forrása felett (Kárpátalja, Ukrajna). A hatalmas gyűjtőtartályba hullott csapadékot évente mérik le. A csapadékgyűjtőt szélgallér veszi körül, hogy a szél ne fújja ki a csapadékgyűjtőbe tartó, vagy már belehullott cseppeket. A csapadékmérő felső pereme itt 2 m-en van a nagy hóvastagság miatt.

4.2.3.4. Billenőcsészés csapadékmérő

Elektronikus műszer, ami távmérésre is alkalmazható (jelentő automata). A műszer felépítése és működése a következő:

  1. A csapadék a felfogóedénybe jut (ennek felépítése azonos a csapadékmérőével).

  2. Onnan kétrészes billenőcsészébe folyik (4.14. ábra).

  3. Az egyik csésze megtelve átbillen és kiürül, miközben a másik csészébe jut a csapadék.

  4. Az átbillenés meghatározott csapadék mennyiségenként történik (0,1mm, vagy bármekkora lehet a billenőcsésze térfogatának függvényében, ha a felfogó felület pl. 500 négyzetcentiméter, 0,1 mm csapadékot 5 köbcentiméternyi csapadék jelent).

  5. Télen fűthető a rendszer.

Intenzív csapadékhullás esetén alul mér, mert a mérleg nem tudja követni a csapadékhullás intenzitását.

Billenőedényes csapadékmérő

4.14. ábra: Billenőedényes csapadékmérő működési elve.

4.2.3.5. Csapadék indikátor

A csapadék kezdetének és végének jelzésére szolgál. A felfogó rész egy szigetelő anyagból álló lap, mely vezetőkkel sűrűn be van hálózva. A csapadékhulláskor záródik az áramkör. Többféle célra használható, például a nedves ülepedés mérésére (csak akkor nyitott a felfogóedény, ha csapadék hullik – 4.15. ábra).

Csapadék indikátor

4.15. ábra: Nedves ülepedés mérésére szolgáló csapadékmérő (a képen nyitott állapotban) mellé telepített csapadék indikátor. Ha a csapadékindikátor csapadékot érzékel a csapadékmérő fedele kinyílik. A csapadékhullás megszűnésekor bezáródik a fedél, annak érdekében, hogy száraz időben ne kerüljön szennyeződés a csapadékmérőbe és csak a csapadék által kikerülő szennyezőanyagokat mérjük.

4.2.3.6. A hó mennyiségének mérése

A lehullott hó víztartalma eltérő lehet. Ennek a mérése úgy történik, hogy a csapadékmérőbe hullott havat megolvasztják, majd megmérik, hogy ez hány milliméter víznek felel meg. Általában 1 centiméter frissen hullott hó elolvadva 1 milliméter víznek felel meg. A nedves, fagypont körüli hőmérsékleten hullott hóból már 6 milliméter jelent 1 milliméter vizet. Ezzel szemben a hideg, „száraz” hóból ehhez mintegy 30 milliméternek kell hullania.

A hóréteg mérése során egyéb mennyiségeket is meghatározhatnak (lásd pl. WMO, 1994).

A hótakaró vastagságát egy mérőléccel cm-es pontosságban, vízszintes, szélvédett helyeken állapítják meg, ahova a szél nem fújja össze a lehullott havat. Általában három ponton mérik a hóvastagságot, és azt átlagolják. A mérést reggel 7 órakor végzik.

Hóvastagság-mérő szenzor

4.16. ábra: Hóvastagság-mérő szenzor a Fogarasi-havasokban (Bâlea lac állomás, 2034 m)

Hóvastagság-mérő szenzor működési elve

4.17. ábra: Hóvastagság-mérő szenzor működési elve

A hótakaró vastagságának mérése történhet hóvastagság-mérő szenzorral is (4.16. ábra). Ennek során egy ismert magasságban elhelyezett szenzorból nagyfrekvenciás hanghullámot bocsátanak ki lefelé, a hóréteg irányába. A hóról visszaverődő hanghullámot érzékelve meghatározható a kibocsátás és az érzékelés között eltelt idő, ezáltal a szenzor és a hóréteg közti távolság. Ebből számítható a hóréteg magassága (4.17. ábra).

4.2.3.7. Lézeres cseppspektrum-mérő

A lézeres cseppspektrum-mérők multifunkcionális csapadékmérő eszközök. A jeladó és a detektor közötti térben érzékelik a csapadékot, annak intenzitását, továbbá a csapadékelemek (hidrometeorok) méreteloszlását és sebességeloszlását is. A szenzor akár kis időbeli felbontásban, gyenge csapadékot is jól tud mérni.

Előnye a billenőcsészés csapadékmérőhöz (4.2.3.4. fejezet) képest, hogy nincs mozgó alkatrész, nagyon gyenge csapadékot is jól tud mérni, nagy csapadékintenzitásnál sem mér alá, télen sem kell fűteni, ezáltal jóval kevesebb hibalehetőség adódik.

A lézeres cseppspektum-mérőket néhány éve kezdték alkalmazni, az Országos Meteorológiai Szolgálat OTT Parsivel2 típusú lézeres cseppspektrum-mérőt használ egyelőre csak néhány állomáson (4.18. ábra).

OTT Parsivel2 típusú lézeres cseppspektrum-mérő

4.18. ábra: OTT Parsivel2 típusú lézeres cseppspektrum-mérő (www.ott.com). Az Országos Meteorológia Szolgálat 14 állomáson tervezi az alkalmazásukat.

4.2.3.8. Mikrocsapadékok (lecsapódó részecskék) mérése

A hulló csapadék mellett a lecsapódó részecskék is vízbevételt jelentenek egy adott területen. Egyes régiókban jelentős arányban hozzájárulhatnak az évi vízbevételhez (pl. ködlecsapódás hegyvidéki területeken, harmat sivatagi éghajlaton). A hazai gyakorlatban a lecsapódó részecskéket nem számítjuk a csapadékmennyiséghez, de néhány állomáson végeztek, illetve végeznek mikrocsapadék, elsősorban zúzmaraméréseket.

a.) Ködlecsapódás:

Az áramló ködből 0 °C fölött hőmérsékleten 0 °C fölötti hőmérsékletű tereptárgyakra csapódhatnak ki a vízcseppek. Ez különösen hegyvidéki területek szél felőli oldalán lehet jelentős mértékű. Mennyiségének mérése köd-hálóval történik. A sűrű szövésű, függőleges helyzetben elhelyezett háló felfogja az áramló cseppeket, majd a háló felületén lefolyva egy bádogcső vezeti a csapadékmérőbe a vizet (4.19. ábra)

Ködháló a Veleit-hegységben

4.19. ábra: Ködháló a Velebit-hegységben (Horvátország) A hegygerincen átkelő nedves levegő a függőleges felületekre (pl. fatörzsek) lecsapódva és ott a talajba lefolyva jelentős vízbevételt jelent. A legnagyobb napi vízbevétel Zavižan állomáson (Velebit-hegység, 1594 m) 19,1 l/m2 volt, ami 19,1 mm csapadéknak felel meg (Mileta et al., 2007).

b.) Harmat:

A harmat a levegő vízgőztartalmának kicsapódása fagypont feletti hőmérsékleten. Mennyisége mérhető a tömegmérésen alapuló, ún. Hiltner-mérleggel, vagy különböző harmatgyűjtő szenzorokkal, melyek adott felületre kicsapódott vizet gyűjtenek össze (lásd pl. Jakobs et al, 2008).

c.) Dér:

A dér a levegő vízgőztartalmából, közvetlen kifagyás által jön létre fagypont alatti hőmérsékleten. Mennyiségének meghatározására ún. dérkorongot használnak. Ez egy fakorong a felszín felett 5 cm magasságban, felülete akkora, mint a csapadékmérőé (1/50 m2). A korongra kikristályosodott deret összegyűjtik, és egy üveghengerben megolvasztva meghatározzák a víztartalmát.

d. Zúzmara:

A zúzmara túlhűlt vízcseppekből képződik, amikor azok olyan tárgyaknak ütköznek, melyeknek a hőmérséklete fagypont alatti. Jelentős terhet jelenthet a távvezetékeken, fákon, ami szakadásokhoz, törésekhez vezethet. Pozitív hatása, hogy vízbevételhez juttatja a talajt.

Hagyományos zúzmaramérő eszköz

4.20. ábra: Hagyományos zúzmaramérő eszköz

A zúzmara mérése a hazai gyakorlatban zúzmaramérő műszerrel történik (4.20. ábra). A zúzmaramérő műszer 4 (esetleg 6) db 31 mm átmérőjű, egyenként 1 m hosszú távvezeték mintadarabból (mérőtest) áll. E vezetékdarabok a 4 fő égtáj felé mutatnak, a felszínnel párhuzamosan 2 m-es magasságban olyan helyen, ahol a légáramlás akadálytalanul éri őket.

Először a mérőtesteken képződött bevonat vastagságát határozzák meg egy tolómérce segítségével mm pontosságban. Ezután megállapítják a lerakódás fajtáját (a zúzmaráról részletes leírást lásd még az 5. fejezetben). Ez lehet:

  • finom, kristályos zúzmara,

  • durva, szemcsés zúzmara,

  • jeges, durva bevonat,

  • síkjég (ónos eső jégbevonata),

  • fagyott, tapadó hó,

  • vizes, tapadó hó,

  • keverék formák.

Megállapítják a lerakódás irányát, majd a mérőtesteket leemelve, egy megfelelő tégelybe helyezve leolvasztják s a vízmennyiséget csapadékmérő üveghengerben meghatározzák mm pontosságban.

Jelenleg csak néhány állomás végeznek zúzmara méréseket. A mérési adatok fontos információt jelentenek többek között a tapadó hóval kapcsolatos kutatások számára (lásd pl. Gulyás et al., 2012).

4.3.3. Párolgás

Globális vízmérleg: évente globálisan annyi víz párolog el a különböző felszínekről, mint amennyi csapadék lehullott (900–1000 mm). Területileg és időben azonban rendkívül nagy lehet a változékonyság a csapadék és a párolgás különbségében.

A párolgás több összetevőből áll:

  1. evaporáció

    • vízfelszín, illetve hófelszín párolgása,

    • csupasz talajfelszín párolgása,

  2. transzspiráció

    • növények párolgása

A két mennyiséget együtt evapotranszspirációnak nevezzük.

A párolgás mértéke a felszínről az időegység alatt egy területegységről a légkörbe jutó vízmennyiség. Az elpárolgó vízmennyiséget mm-ben adjuk meg. A párolgás mértéke fontos információ az időjárási folyamatok megismerése és előrejelzése, a felszín-légkör kölcsönhatások vizsgálata, továbbá a mezőgazdasága és a hidrológia számára.

4.3.4. A párolgás meghatározása

A párolgás meghatározása során a meteorológiai állomásokon az evaporációt, azon belül a vízfelszín párolgását határozzák meg. Egyes speciális állomásokon a növényzettel borított felszín evapotranszspirációját is mérik. Az evapotranszspiráció közvetetten, különböző módszerekkel is becsülhető (pl. vízháztartás módszer, energiaháztartás módszer, aerodinamikai módszer, Penman–Monteith módszer, Priestley–Taylor módszer stb. – lásd pl. WMO, 1994).

4.3.4.1. Atmométerek

Az atmométer egy egyszerű mérőeszköz, amivel egy nedves porózus felszínről történő párolgás által bekövetkező vízveszteség határozható meg. E benedvesített felszínre állandóan biztosítják a vízutánpótlást egy tartályból. Vagy egy nedvesítő anyagon keresztül szívják fel a vizet, vagy magát a tartályt fordítják fejjel lefelé (pl. Piche-cső esetén: 4.21. ábra).

4.3.4.2. Párolgási kádas és párolgási tartályok:

A mérésére szolgáló eszközök. Az elterjedt változatok az amerikai ún. „A” kád, és az orosz „GGI-3000” és az orosz 20 négyzetméteres tartály.

A hazai gyakorlatban a levegő párologtatóképességét az „A” káddal mérik (4.22. ábra) néhány állomáson. E kád felülete 1,14 négyzetméter, mélysége 25 cm. A kád kívül-belül fehérre van festve, és egy kettős farácson áll.

A vízszint mérése úgy történik, hogy a kádban elhelyezett hengerüregbe egy mérőhengert helyezünk, amelyben a kád vízszintjével megfelelő magasságig emelkedik a vízszint. Ezután elzárunk egy csapot és a henger víztartalmát a csapadékméréshez hasonlóan 0,1 mm pontossággal leolvassuk (utána a vizet visszaöntjük a kádba). A párolgás egy adott időtartam, pl. 2, 24 óra időközzel mért vízmennyiség különbsége, kivonva az ez időszak alatt hullott csapadékmennyiséget (ami a kádban lévő víz szintjét is növelte).

Atmométer - Piche-féle evaporiméter

4.21. ábra: Atmométer - Piche-féle evaporiméter: a párolgás mérésére alkalmas egyszerű eszköz

Párolgásmérő „A” kád

4.22. ábra: Párolgásmérő „A” kád. Egyes országokban a kád mellé 50 cm-es magasságban egy szélmérőt is helyeznek és a víz hőmérsékletét is mérik. A leolvasás során a vízszintmérő hengerbe egy csavar segítségével beengedjük a vizet, ami a kádban lévő víz szintjével azonos magasságba kerül. Ezután elzárva a vízszintmérő és a kád közötti rést, a vízszintmérő hengert kiemelve és a benne lévő vizet mérőhengerbe áttöltve leolvasható tized milliméter pontossággal a vízszint. A párolgás az előző és az aktuális mérés különbsége. Csapadékhullás esetén a mérési időtartamra vonatkozó csapadékmennyiséget le kell vonni. Léteznek elektromos eszközök is, melyeket a párolgásmérő kádban lévő víz párolgását képesek meghatározni.

4.3.4.3. Evapotraszspirométerek (liziméterek)

Az evapotranszspiráció, vagyis a növényzettel borított felszín párolgásának meghatározása bonyolult feladat, a gyakorlatban liziméterekkel történik. Ezek nagyméretű, földbe süllyesztett tartályok, melyekben a környezeti viszonyokra jellemző talaj és növényzet található. Egyes liziméterek esetén az evapotranszsipációs veszteséget a talajkád alatt elhelyezett mérleggel határozzák meg (4.23. ábra), más típusoknál egy tartályból való víz átszivárgást mérik, ami ahhoz szükséges, hogy a talajkádban állandó szinten tartsák a talajnedvességet (l. Czelnai, 1981; WMO, 1994).

Hídmérleges liziméter működési elve

4.23. ábra: Hídmérleges liziméter működési elve