11.3. Földbázisú tengeri mérések

11.3.1. Hajókon végzett megfigyelések

A hajókról történő méréseket a Globális Megfigyelő Rendszer Voluntary Observing Program (VOP) keretében végzik el, amely a Meteorológiai Világszervezet egyik fontos megfigyelési programja. A hajók a mért adatokat az ún. SHIP kód formájában (lásd pl. Simon, 1982) továbbítják.

Világszerte mintegy 2000 hajón végeznek önkéntesen meteorológiai és a tengerfelszínre vonatkozó oceanográfiai méréseket. A nagy pontosságú, megbízható műszereket a Meteorológiai Világszervezet bocsátja a hajók rendelkezésére. A tapasztalatok alapján olyan mérési módszereket és szenzorokat fejlesztettek ki, amelyek alkalmasak a hullámokon hánykolódó hajókon történő mérésekre is.

Egyes hajókról (ezek száma már jóval kevesebb, mintegy 120) nemcsak a légköri és óceánfelszíni adatokat mérik, hanem a tengerek felső 800 méteres rétegének hőmérséklet és sótartalom profiljait is.

Világszerte nagyjából 20 hajóról magaslégköri rádiószonda méréseket (lásd 8. fejezet) is végeznek az Automata Fedélzeti Aerológiai Program (Automated Shipboard Aerological Programme – ASAP) keretében.

A hajókon végzett mérések során általában a következő mennyiségeket határozzák meg (lásd még 2. fejezet).

  • Hajó pozíciója, sebessége,

  • Szélirány, szélsebesség,

  • Légnyomás és légnyomásváltozás,

  • Jelenidő, múltidő,

  • Felhőzet (mennyiség, típus, magasság),

  • Látástávolság,

  • Léghőmérséklet,

  • Légnedvesség,

  • Csapadék,

  • Tengerfelszín hőmérséklet,

  • Hullámok (magasság, periódusidő, irány),

  • Jégképződés.

A hajókon vizuális megfigyeléseket és műszeres méréseket is végeznek. Éjszaka, a fényt nem igénylő megfigyeléseket (látástávolság, felhőzet) a fényt igénylő mérések előtt kell elvégezni, mivel ekkor a szem még hozzá van szokva a sötétséghez. A légnyomás kivételével az adatokat 10 perccel a mérés időpontja előtt kell leolvasni, a légnyomást pedig pontosan a mérési időpontban.

Megfigyelési időpontok a szárazföldi mérésekhez hasonlóan a szinoptikus főterminusok (00, 06, 12 és 18 UTC), esetenként mellékterminusok is (03, 09, 15, és 21 UTC). Viharos időben gyakoribb is lehetnek a mérések, különleges eseményeknél (pl. víztölcsér) pedig speciális jelentést készítenek.

Egyes hajókon a méréseket automatizálják. Ekkor automatikusan történik az adatok gyűjtése, tárolása, átalakítás és továbbítás (lásd 7. fejezet).

Egyes kutató hajókon a hagyományos megfigyeléseken kívül speciális (pl. levegőkémiai) méréseket is végeznek.

11.3.1.1. Szél mérése hajókon

A szél meghatározása történhet vizuális megfigyelés segítségével, illetve műszeres méréssel. Vizuális észlelés esetén a szélsebesség meghatározása a 12 fokozatú Beaufort-féle skála alapján történik, ami a tenger hullámzása alapján ad meg egy sebesség-intervallumot (lásd: 4.1.2.1. fejezet). A szélirány vizuális észlelése során a hullámok irányából lehet a szél irányára következtetni.

Propelleres szélmérő egy hajó elején

10.1. ábra: Propelleres szélmérő egy hajó elején. A mérést befolyásolhatja a hajótest áramlásmódosító hatása és az erős hullámzás. A tényleges szélvektort a hajó sebességvektorát figyelembe véve számítják.

A szél műszeres mérése során figyelembe kell venni a hajó mozgását. A valós szélvektort úgy kapjuk meg, hogy a mért szélvektorhoz hozzáadjuk a hajó sebességvektorát. A hajókon általában speciális szélsebesség és széliránymérőket használnak, amelyek képesek minimalizálni a hajó ingásából származó hibákat. Ezen kívül fontos a szélmérő elhelyezése is. Azért, hogy a hajó áramlásmódosító hatását csökkentsék, a szélmérőt általában a hajó elejére egy magasabb rúdra, vagy árbocra helyezik (11.1. ábra).

11.3.1.2. Légnyomás mérése hajókon

A légnyomás mérésekor a legnagyobb problémát az jelenti, hogy egy mozgó hajón kell a mérést megvalósítani, a légnyomásmérők – különösen a hagyományos eszközök – pedig igen érzékenyek a mozgásra.

A mérés történhet hagyományos, higanyos barométerrel, aneroid, vagy elektromos nyomásmérővel.

A tengeri higanyos barométert ma már csak nagyon ritka esetben használják. A műszer lényegében megegyezik a szárazföldi állomási higanyos barométerrel. A mérés során problémát jelent, hogy a hajó ingása miatt a higanyszint is emelkedik és süllyed az egyensúlyi helyzet körül. Ez a hiba úgy csökkenthető, ha a barométert a hajó közepébe helyezik, ahol a lehető legkisebb az ingás, valamint megfelelő felfüggesztést alkalmaznak. A mérési hiba tovább csökkenthető, ha 2–3 mérés átlagát veszik.

A lengésből eredő hiba mértéke függ a lengés periódusidejétől és amplitúdójától: 10°-os lengés közel 4 hPa-os hibát eredményezhet, míg 2°-os lengés csupán 0,2 hPa-osat. Hibaforrás lehet a lengésen kívül a mutató (higanyszint) leolvasásából eredő parallaxis hiba is. A mérés elvégzése után a különböző korrekciókat itt is el kell végezni. A mérés közben le kell olvasni a higany hőmérsékletét, és a mérés után hőmérsékleti korrekciót kell végezni. Figyelembe kell venni a nehézségi gyorsulás földrajzi szélesség szerinti megváltozásából eredő hibát is. Valamint a kapott értéket át kell számítani tengerszintre (amennyiben a hajó nem az adott helyen elfogadott tengerszinten van).

A mai megfigyelőhajókon általában digitális barométereket használnak, amelyek 0,1 hPa-os pontossággal képesek mérni. Ezekben a modern műszerekben általában beépített hidraulikus ingáscsillapító van a mozgás és hullámzás okozta zavarok kiküszöbölésére. A műszer pontosságának növelése érdekében azonban a korszerű barométereket is a hajó közepére kell helyezni, valamint el kell végezni a hőmérsékleti (amennyiben nem automatikus) és a tengerszinti korrekciókat. A WMO előírása szerint a barométereket legalább három havonta parton ellenőrizni és kalibrálni kell (WMO, 2008).

11.3.1.3. Vizuális megfigyelések hajókon

A felhőzet és a jelenidő megfigyelése hasonlóan történik, mint a szárazföldi állomásokon. A látástávolság vizuális becslése azonban tengeren általában nehezebb, mint szárazföldön, mivel a tengeren nincsenek viszonyítási tereptárgyak. Igen kis látástávolság esetén a hajó szerkezetéhez viszonyíthatunk. Ebben az esetben hibaforrás lehet, hogy a hajó által kibocsátott hő és füst befolyásolhatja a látási viszonyokat. Nagyobb látástávolság esetén szárazföld közelében a szárazföldhöz, illetve más hajókhoz viszonyíthatunk, amennyiben ismert ezek távolsága. Ha semmilyen tereptárgy sincs a közelben, akkor a horizont különböző magasságokból történő megfigyelésével lehet a látástávolságot becsülni.

11.3.1.4. Léghőmérséklet és légnedvesség mérése hajókon

A léghőmérséklet és légnedvesség mérése hasonló műszerekkel és hasonlóképpen történnek, mint a szárazföldi állomásokon.

11.3.1.5. Csapadék mérése hajókon

A csapadék mérése hajókon nem egyszerű feladat. A hajó szerkezete árnyékolhatja a csapadékgyűjtőt, a hajó ingása befolyásolhatja mérést, erős hullámsás esetén pedig víz kerülhet a gyűjtőbe. Ráadásul a hajó mozgása miatt nem egy adott pont csapadékviszonyairól kapunk információt.

A Meteorológiai Világszervezet ajánlása szerint a csapadékmérést 6 óránként kell végezni. 10 mm csapadékösszegig 0,2 mm-es pontossággal kell mérni, ennél több csapadék esetén pedig 2%-os pontossággal.

Régebben egy csuklós felfüggesztésű csapadékmérőt használták, de ennek nagy hibája volt, hogy viharos időben a lengés hatására könnyen kifolyt az edényből a csapadékvíz.

A csapadék mérésére elterjedten használják az ún. kúpos csapadékmérőt. Egy fordított kúp alakú felfogóedényt rögzítenek a hajó egy magas pontjára, ebbe hullik a csapadék. A felfogott vizet egy csövön keresztül a hajó belsejében található csapadékgyűjtőbe vezetik. Gyakran alkalmaznak elektronikus csapadékírót is, de billenőedényes műszert nem használnak, mert az erős imbolygás miatt az érzékeny műszer hibás adatokat szolgálna (a billenőmérleg nem csak a csapadék hatására billegne, hanem a mozgás miatt is). Ehelyett azt a megoldás alkalmazzák, hogy a bejövő csapadékvíz egy 0,5 mm-es gyűjtőedénybe gyűlik. Amikor az edény megtelik, a megemelkedett vízszint rövidre zár egy áramkört, ami kiüríti az edényt és regisztrálja a mennyiséget. Ezzel a módszerrel a csapadék intenzitása is regisztrálható.

11.3.1.6. Tengerfelszín hőmérséklet mérése hajókon

A tengerfelszín hőmérséklet (Sea surface temperature – SST), a tenger legfelső rétegének hőmérséklete alapvető információt jelent a tengerfelszín energia- és hőháztartási folyamatainak meghatározásához, emiatt mérését is nagy pontossággal kell végezni. A Meteorológiai Világszervezet 0,1 °C-os pontosságot ír elő.

Régebben a hagyományos mintavételes módszert alkalmazták. Ennek során a hajóból egy edény segítségével mintát vesznek a tengervíz felszíni rétegéből és megmérik a víz hőmérsékletét. A megfelelően végzett eljárás pontos eredményt ad, azonban igen nehezen kivitelezhető viharos körülmények között.

Egy másik, régebben alkalmazott módszer során a hajó motorjához hűtővízként beszívott tengervíz hőmérsékletét mérték, itt azonban több hibaforrás is lehetséges (pl. nem a tengerfelszínről veszik a vizek, nincs mindig hűtőfolyadék keringetés, a hajó hőkisugárzása miatt a módszer mintegy 0,3 °C-kal magasabb értéket szolgáltathat).

A mai gyakorlatban a legelterjedtebb megoldást a hajótestre szerelt elektronikus hőmérők jelentik. Drágább, de pontosabb megoldás, ha a hajótesten kívülre helyezik a hőmérőt, lényegesen olcsóbb, de pontatlanabb, ha a hajótesten belül végzik a mérést.

A tengerfelszín hőmérséklete infra hőmérővel is mérhető, de ekkor csak a tengerfelszín legfelső 1 mm-es rétegének hőmérsékletét mérjük, ami nem egyezik meg a klasszikus tengerfelszín hőmérséklettel.

11.3.1.7. Hullámok megfigyelése mérése hajókon

A hullámok keletkezhetnek a megfigyelés helyén fújó szél hatására, vagy távolabbi területen fújó szél által is. Egy megfigyelés során akár mindkét típusú hullám is jelen lehet. Az egyes hullámrendszerek az irány és a periódusidő (két hullám beérkezése között eltelt idő) alapján különíthetők el egymástól. Irány alapján akkor tekintünk két hullámrendszert különbözőnek, ha minimum 30 fokos szögben eltérnek egymástól. Periódusidő alapján pedig akkor, ha az irányuk közötti eltérés kisebb, mint 20 fok, a periódusidejük közötti eltérés pedig nagyobb, mint 4 másodperc. A hosszabb periódusidejű hullámok a távoli szél által keltett hullámok.

A hullámok észlelése során a következő mennyiségeket határozzák meg:

  1. hullámok iránya,

  2. hullámok periódusideje,

  3. hullámok magassága.

A méréshez általában 15–20 jól meghatározható hullám átlagát veszik (WMO, 2008).

11.3.1.8. Tengeri jég megfigyelése

A tengeri jég többféle módon keletkezhet:

  1. folyókból származó édesvízi jég,

  2. a tengervíz megfagyásából származó jég,

  3. a jéghegyek eróziójából származó jég.

A tengeri jég befolyásolja az óceán és a légkör közötti energiakicserélődési folyamatokat, és jelentős veszélyt jelenthet a hajózásra nézve.

Jégképződés szempontjából három fejlődési állapotot különböztethetünk meg:

  1. Fiatal jég: a jég 30 cm-nél még nem vastagabb, hidegebb helyeken már a tél elején kialakul.

  2. Első-éves jég (first-year ice): a jég vastagsága 30 cm és 2 méter közötti. Hidegebb területeken ez egy tél alatt ki tud alakulni. Jellegzetes zöld árnyalata van.

  3. Öreg jég: a jég vastagsága nagyobb, mint 2 méter, a jég már egy, vagy több nyarat átvészelt. Kék árnyalatú.

A hótakaró is befolyásolhatja a jégképződést. Ha a jeget hó takarja, akkor lassabban hízik, mert a hó elszigeteli a hideg levegőtől. A hótakaró a jég olvadását is késlelteti. Ha a hó megolvad, a jégen tócsák keletkeznek, ami a sugárzás nagy részét elnyeli, ezáltal meggyorsítja az olvadást.

A tengeri jég mozgás szempontjából lehet kötött, vagy sodródó. Sodródó jég esetén a tengeri jég nem összefüggő, a szél és tengeráramlatok mozgatni tudják. A sodródó jeget főleg a szél mozgatja, a tengeráramlások hatása meglehetősen kicsi. A jégtáblák mozgását a Coriolis-erő is befolyásolja. Geosztrófikus szelet feltételezve a jégtáblák közel az izobárokkal párhuzamosan haladnak. Zárt jég (7–8 tizedes borítottság) esetén a jégtáblák sebessége a szélsebesség kb. 2%-a. Nyílt jég (1–3 tized) esetén a jégtáblák sebessége ennél jóval nagyobb lehet. Kötött jég általában a part közelében alakul ki. Itt a jégtáblák a nyomás hatására egymásra torlódhatnak, ami nagyban nehezíti a hajózást.

A hajózás szempontjából rendkívül fontos a jéghegyek megfigyelése is. A jéghegyeknek különböző az összetétele, attól függően hogy hol alakultak ki. Az antarktiszi jéghegyekben sok a hó, emiatt átlagos sűrűségük viszonylag kicsi. Ezért a víz alatti és víz feletti rész aránya: 1:5. Az északi tengereken képződött jéghegyekben több jég van, így ezeknek nagyobb hányaduk merül víz alá (az arány 1:8).

A jéghegy tömege többféleképpen csökkenhet:

  1. leválik egy darabja,

  2. olvadás hatására,

  3. hullámerózió által.

Hideg (közel fagyponti) vízben a jéghegy a vízvonalon olvad. Melegebb vizekben a vízvonal alatt, amely veszélyesebb, mivel gyakoribb leválásokat eredményez a vízvonal alatt. Ezek a leválások megváltoztathatják a jéghegy egyensúlyi viszonyait, amelynek hatására a jéghegy átfordulhat. A jéghegyeket megbízhatóan csak vizuálisan lehet észlelni, mivel a radarjeleket csak kis mértékben verik vissza.

A tengeri jég és jéghegyek megfigyelésének eredményeit a SHIP kód ICE csoportjában közlik. A megfigyelés során az alábbi paramétereket vizsgálják:

  1. a jég vastagsága és fejlődési stádiumai,

  2. a jég mennyisége (tizedekben megadva, hogy a vízfelszín hányad részét borítja jég),

  3. a jég formáját,

  4. a jég mozgását.

11.3.2. Kötött bójákon végzett megfigyelések

Világszerte több mint 400 kötött bóján (10.2. ábra) végeznek részletes oceanográfiai és meteorológiai méréseket. Az első kötött bójákat az 1950-es évek elején kezdték telepíteni. A bójákat a tengerfelszínhez rögzítik. A legkisebbek 1,5 m, a legnagyobbak 12 m átmérőjűek. A csendes-óceáni trópusi területek kötött bója hálózata nagy segítséget nyújt a világszerte szélsőségeket okozó El-Niño előrejelzéséhez.

A kötött bójákon az alábbi meteorológiai elemeket mérik:

  1. szélsebesség,

  2. szélirány,

  3. légnyomás,

  4. tengerfelszín hőmérséklet,

  5. hullámmagasság és periódus,

  6. léghőmérséklet,

  7. harmatpont hőmérséklet, vagy relatív nedvesség.

Néhány kötött bóján további méréseket is végeznek:

  1. hullámspektrum,

  2. globálsugárzás,

  3. felszíni tengeráramlás (esetleg áramlási profil),

  4. sótartalom,

  5. felszín alatti hőmérséklet 500 m mélységig,

  6. látástávolság,

  7. csapadék.

Tengeri méréseket végző bóják a világtengereken 2013 márciusban

10.2. ábra: Tengeri méréseket végző bóják és fix parti mérőállomások a világtengereken 2013 márciusban. A mérésekben kötött bóják, sodródó bóják, cunami-jelző bóják és egyéb fix mérőállomások vesznek részt. (Forrás: http://www.jcommops.org)

11.3.3. Sodródó bójákon végzett megfigyelések

Sodródó bójákat 1979 óta telepítenek alapvetően a tengeráramlatok vizsgálata céljából, de egyes bójákon kiegészítő oceanográfiai meteorológiai méréseket (tengerfelszín hőmérséklet, légnyomás, léghőmérséklet, szélirány, szélsebesség, felszín alatti vízhőmérséklet, áramlás sebessége) is végeznek.

Világszerte több mint 1000 sodródó bója szolgáltat folyamatos oceanográfiai és tengeri meteorológiai adatokat (10. 2. ábra).

11.3.4. Tengerszint-mérő állomások

A tengerszint magasságát, az árapály okozta változásokat és a hosszú távon bekövetkező tengerszint változásokat világszerte 290 állomáson mérik a Globális Tengerszint Megfigyelő Rendszer (Global Sea Level Observing System – GLOSS) állomásain (10.3. ábra).

A Globális Tengerszint Megfigyelő Rendszer állomásai

10.3. ábra: A Globális Tengerszint Megfigyelő Rendszer (Global Sea Level Observing System – GLOSS) állomásai (Forrás: http://www.gloss-sealevel.org/)

11.3.5. Az ARGO Rendszer

Az ARGO rendszert speciális merülő szondák alkotják, melyek adott vízmélységbe (akár 2000 méter mélyre) süllyedve az óceánok mélyebb rétegeiben uralkodó áramlásról, hőmérsékletről és sótartalomról szolgáltatnak adatokat. A szondák adott időközönként (tíz naponként) felemelkednek a felszínre, és műholdakon keresztül továbbítják az adatokat. Világszerte több mint 3500 ARGO bója szolgáltat adatot a tenger állapotáról (10. 4. ábra).

A Globális Tengerszint Megfigyelő Rendszer állomásai

10.4. ábra: Az ARGO rendszer bójái 2013 márciusban. A szondák 2000 méteres mélységig süllyednek, majd 10 naponként felemelkednek és automatikusan műholdaknak továbbítják a mért adatokat. Jelenleg 3552 bója szolgáltat adatot a tenger állapotáról.