Következő: Összefoglalás, további tervek Fel: Címlap Előző: Az inicializáció Tartalomjegyzék
Munkám célja többek között az előző fejezetben ismertetett digitális szűrő inicializáció hatásának vizsgálata egy téli hideg légpárnás időjárási helyzetben. A következőkben a hideg légpárna jelenségét ismertetem.
A hideg légpárna [28] egy inverziós időjárási helyzet, mely hegyekkel körülvett medencékben szokott kialakulni a téli félévben. Inverzióról akkor beszélünk, ha van a légkörben olyan réteg, amelyben a magassággal a hőmérséklet a szokásostól eltérően nem csökken, hanem növekszik. Az ilyen légréteg stabil, nem léphet fel benne konvekció.
Télen21 a hideg légpárna kialakulását elősegíti egy anticiklon jelenléte. Ekkor a felszín nagy kisugárzása miatt22 talajmenti-, míg az anticiklonban uralkodó leszálló légmozgás miatt a magasban zsugorodási inverzió alakul ki. E kettő összekapcsolódásával egy stabil légréteg keletkezik. A medence alján lévő hideg légtömeg a hegyek és az inverzió miatt nem tud távozni. A felszín és a felette lévő levegő addig hűl, míg telítődik és köd képződik, kialakul a hideg légpárna. Ha a köd megemelkedik, sztrátusz felhőzetté alakulhat. Az inverzió felett az adiabatikus melegedés miatt kiszárad a levegő.
Egy hidegfront átvonulása után a magasban lejátszódó melegadvekció szintén létrehozhatja az előbb leírt jelenséget.
Megszűnésükhöz magasban lezajló erős hidegadvekció, például egy erős hidegfront szükséges, ami gyengíti az inverziót és kisöpri a hideg légpárnát.
A hideg légpárna tanulmányozása fontos, ugyanis e helyzetben számos veszélyes időjárási jelenség felléphet. Egyik közülük a hosszan tartó erős fagy, amit nagyon száraz hideg levegő megrekedése okozhat, melyet egy erős inverzió sokáig a medencében képes tartani. Így a felszín közeli levegő jóval fagypont alá hűl, mielőtt eléri harmatpontját. Az ilyen időszak nagymértékű zúzmaraképződéssel jár, mely károkat okozhat a villamosvezetékekben. Egy másik veszélyes jelenség a hosszan tartó ónos eső, melyet a hideg levegő fölé érkező nedves meleg levegő okozhat. A hideg légpárnában számottevő horizontális és vertikális légmozgások hiányában a szennyezőanyagok felhalmozódhatnak a kibocsátási helyük környezetében (pl. gyár vagy nagyvárosban a gépjárművek), szmog alakulhat ki. Ez, illetve a hideg légpárnában uralkodó köd jelentős látástávolság-romlást idéz elő. Az említett időjárási jelenségek - ónos eső, zúzmara, alacsony látástávolság - veszélyeztetik a közlekedést, valamint az emberi szervezetre is káros hatással vannak. Hazánkon kívül kevés olyan ország van, melynek egész területe egy ilyen medencében helyezkedik el és ahol a hideg légpárna - létrejötte esetén - az egész országot érinti. Megjegyzés: ez az oka annak, hogy a témának nincs nagy nemzetközi irodalma. Ezek mellett a nehezen előrejelezhető kialakulása és megszűnése miatt fontos e jelenség vizsgálata.
2008. december végén egy anticikon alakította Közép-Európa időjárását (6. ábra bal felső kép). A Kárpát-medencébe keleti-északkeleti irányból történő hidegadvekció mellett a magasban nyugat felől meleg levegő is érkezett. Ezzel kialakult egy hideg légpárna, ami fennmaradt egészen egy magassági hidegörvény és egy 2009. január 2-i hidegfront érkezéséig. Ezt követően változékony időjárás váltotta fel a ködös-borús időt. A nyolcadikán érkező újabb hidegfrontot követően kilencedikén egy magas-nyomású képződmény hatására ismét felépült a hideg légpárna.
|
A fent bemutatott időszakra 24 órás bontásban készítettem négyféle modellfuttatást, melyek a következők:
A zárójelek a futások rövid nevét tartalmazzák, az ábrákon ezekkel hivatkozok rájuk. Az inicializációs beállításokat a 4. táblázatban foglaltam össze. Ezeket a Függelékben leírt módon választottam ki.
| CHAPEAU | WRF | |
|---|---|---|
| séma | Backward+Forward DFI | Twice DFI |
| szűrő | Dolph-Csebisev | Dolph |
 [s] |
300 | 40 |
 [perc] |
130 | 30 |
 [s] |
10800 | 3600 |
Az előző alfejezetben leírt időjárási helyzetet olyan modellváltozókkal vizsgáltam meg, melyek alkalmasak a hideg légpárna jellegzetességeinek bemutatására. Ezek közül a legfontosabb a hőmérsékleti gradiens (K/100m) vertikális metszete, mely jelzi az inverziót. Egy másik szemléletes mennyiség a relatív nedvesség (%) vertikális metszete, amellyel például a köd, valamint az inverzió feletti száraz légtömeg kimutatható. A légpárnák keletkezéséhez és megszűnéséhez hidegfrontok hozzájárulnak, amit a 10 méteres szélirány és szélsebesség (m/s) változásai jelezhetnek, ezért ezeket is ábrázoltam. Az eddig felsorolt változók időbeli menetéből megállapítható, hogy a modellek vissza tudták-e adni az időjárási helyzetet. Ezeket az ábrákat GrADS23-al ábrázoltam az egész időszakra.
Hideg légpárna anticiklonban (ami egy magas nyomású légköri képződmény) alakulhat ki, ezért a tengerszintre átszámított légnyomást (hPa) is vizsgáltam.
A modellek megbízhatóságát és az inicializáció hatását a modelladatok pestszentlőrinci mérési adatokkal való összevetésével, modellverifikációval vizsgáltam. Szinop táviratokhoz a tengerszinti légnyomást, a 2 m-es hőmérsékletet és harmatpontot, rádiószondás adatokhoz pedig 7 nyomási szinten24 e két utóbbit hasonlítottam.
A modelladatokat a GRIB fájlokból GrADS segítségével nyertem ki, majd a mérési adatokkal együtt awk programokkal egy fájlt készítettem belőlük. Ábrázolásukra a gnuplot-ot [29] használtam.
A meteogramok és a (virtuális) szondák Budapest-Pestszentlőrincre vonatkoznak (északi szélesség 47.43°, keleti hosszúság 19.18°)25.
A hőmérsékleti gradiens, a relatív nedvesség és a 10 méteres szél időbeli menetei sorra a 7., a 8. és a 9. ábrákon láthatóak.
|
|
|
A 7. ábrákon sötét szín jelöli a hőmérsékleti inverziót. Jól kirajzolódik a hideg légpárna stabil légrétegződése az időszak elején, illetve végén. A relatív páratartalmat bemutató 8. ábrákon szintén kivehetőek a hideg légpárna jellegzetességei: a köd és az inverzió feletti száraz légtömeg. A két modell közül a WRF kisebb nedvességi értékeket és gyengébb inverziót adott, mint a CHAPEAU.
A 9. ábrán két hidegfront is kirajzolódik, az egyik január 2-a helyett 1-én, a másik a valóságnak megfelelően 8-án. A szél - ahogy Magyarországon ez jellemző egy nyugat felől érkező hidegfrontra - először beállt délnyugatira, majd északira. Nyolcadikán a hidegfrontokra jellemző szélsebesség-növekedés is kivehető.
Hidegfrontok előtt a légnyomás lecsökken (vagy alig változik), mögöttük pedig megnő, amit szintén jól mutat a 10. ábra. Ugyanakkor ezen a grafikonon az is jól látszik, hogy az időszak elején és végén a modellek a valóságnak megfelelően magas tengerszinti légnyomást jeleztek.
|
A következőkben a 2008. december 30. és 2009. január 2. közötti időszak elemzése következik a modelladatok felszíni és rádiószondás megfigyelési adatokkal való összevetésével. Ez a négy nap magában foglalja azt az időt, amikor a hideg légpárna a legerősebb volt (2008. december 30-31.) és azt is, amikor egy magassági hidegörvény hatására megszűnt (2009. január 2.).
A 11. ábra a tengerszinti légnyomás és a 2 méteres hőmérséklet és harmatpont menetét mutatja az említett időszakban (szinop táviratok adatai és modelladatok).
|
A 11. ábrán a felső grafikonon látható, hogy a modellek kissé alábecsülték a légnyomást, de az eltérés nem számottevő. A légnyomás menetén az figyelhető meg, hogy minden nap elején - 00 UTC-kor - a modelladatok megugranak. Ez az inicializáció hatása is lehet, de a mérési adatokhoz hasonlítva látható, hogy ez inkább a kezdeti mezőkhöz való igazodást jelenti.
Az inicializáció általában csak az előrejelzés első néhány óráját befolyásolja. Ez a 11. ábrán is látható, a hőmérséklet menetében jobban, mint a légnyomáséban. Az a legfeltűnőbb, hogy a WRF eredményét kevésbé módosította az inicializáció, mint a CHAPEAU-ét. Ezt az időablakok hosszának különbsége okozhatja (4. táblázat). A harmadik napon az inicializációval futtatott CHAPEAU rosszabb eredményt adott, mint amikor nem volt bekapcsolva a DFI.
A 11. ábra alsó grafikonjai - a 2 méteres hőmérséklet és harmatpont - illusztrálják legjobban a két modell közötti eltérést. A WRF hőmérséklete a negyedik nap kivételével minden nap első hat-nyolc órájában jó pontossággal visszaadta a valóságot, az idő teltével viszont eltért attól (az utolsó két napot leszámítva). A harmatpontjában éppen fordított tendencia figyelhető meg: a nap elején jóval alacsonyabbat mutat, majd a nap folyamán egyre inkább megközelíti a mérési adatokat. Az újabb nap, újabb futás és kezdeti feltételek ismét ,,kiszárítják" a modellt. Tehát ezt az FNL-es kezdeti harmatpont-mező hibája okozta (a 11. ábrán az FNL-es adatok fekete jelekkel szerepelnek). Emiatt a WRF-ben nem tudott kialakulni párásság, köd, ami a hideg légpárnára jellemző. Így napfelkelte után a bejövő rövidhullámú sugárzás elérte a felszínt és napi menetet okozott a hőmérsékletben. A CHAPEAU hőmérséklete jobban eltért a mérési adatoktól. A harmatpontja viszont az első nap kivételével a többi elején igazodott a méréshez, tehát ez a kezdeti mező jobb, mint a WRF-é. A pontos harmatpont-deficit - így a valóságnak megfelelő párásság - ellenére a hőmérséklet a WRF-hez hasonlóan napi menetet mutat. E jelenség oka a parametrizációkban keresendő, hiszen a 2 méteres hőmérsékletet a parametrizációs sémák szolgáltatják.
Ez a napi menet a mérési adatokban csak a megfigyelt időszak második felében, a hideg légpárna leépülésének idején figyelhető meg. Ez a folyamat a 12. ábra szerint, a modellekben egy gyenge hidegfront érkezésével (január 1-i szélfordulás) kezdődött, majd 2-án a magasban fellépő erős szél hatására fejeződött be. A szél mind irányát, mint nagyságát tekintve egyezést mutatott a szondaadatokkal, ami el is várható, hiszen a bemenő adataikat mérési adatok felhasználásával kapták a modellek.
|
Az eddigiekben a modellek megbízhatóságán volt a hangsúly: a hideg légpárna fő jellemzőit - az inverziót és a relatív nedvesség vertikális profilját - a felszín közeli állapothoz képest jobban, a 2 méteres értékeket kevésbé megfelelően tükrözik a modellek. A következőkben a hőmérséklet és a harmatpont vertikális menetét rádiószondás mérési adatokkal összevetve a digitális szűrő inicializáció hatását mutatom be. Budapesten a vizsgált időszakban éjfélkor és délben történtek rádiószondás mérések. A 13. ábrán az 1000 és 600 hPa-os szint közötti értékeket ábrázoltam 2009. január 1-én, egy gyenge hidegfront, illetve 2-án, a hideg légpárnát feloszlató magas szintű hidegörvény érkezésének napján.
|
A 13. ábrán végig követhető a hideg légpárna feloszlása: 1-én éjfélkor az inverzió a talajtól indul, délben már az alsó rétegben a hőmérséklet csökken a magassággal. Másodikán az inverzió egyre gyengül, majd megszűnik. Mind a nyolc grafikon azt mutatja, hogy a hőmérsékletben kisebb hibák adódtak, mint a harmatpontban. Ez várható volt, hiszen a nedvességet mérni is nagyobb hibával lehet. Emellett a harmatpontot a légnyomásból és a specifikus nedvességből számoltam, ami növelte a hibát.
Az inicializáció hatása csak az első néhány órában érvényesül, délben már nem vehető észre a 13. ábrákon sem. Január 1-én éjfélkor az inicializált és az inicializálatlan grafikonok közötti különbség látható, főként a CHAPEAU esetében, a WRF-nél nincsenek számottevő különbségek, ahogy korábban már kiderült. A CHAPEAU 925 hPa-os hőmérséklete inicializáció használata nélkül közelebb áll a méréshez, mint az inicializált futásnál. Ezzel szemben az 1000 hPa-os harmatpontjában javulás figyelhető meg a DFI használata esetén (°C).
A modellek harmatpont-deficitje elsején 00 UTC-kor az alsóbb rétegekben nagyobb (ami kisebb páratartalmat jelent) a mérési adatokhoz képest. A 925 hPa-os szinttől felfelé viszont a valóságban szárazabb volt a levegő, mint amilyennek a modellek látták. A CHAPEAU-nál délre az alsóbb szinteken a harmatpont-deficit megközelíti a valóságot, de magasabban ekkor is nedvesebb. Tehát a modellek nem voltak képesek megfelelően visszaadni a felszín közeli párásságot, és a felette lévő nagyon száraz légtömeget.
Ennek oka a WRF esetében az lehet, hogy az integrálás során a vertikális rácsfelbontás a felszín közelében nem eléggé sűrű. A legalsó modellszint 1000 hPa-os, ami a hideg légpárna esetében a sűrű levegő és a magas felszíni nyomás miatt akár 300 m felszín feletti magasban is lehet. Emiatt a modell nem érzékeli megfelelően a felszín közeli folyamatokat.
A 13. ábrákon az incializáció hatása alig látható, ezért az 5. táblázatban bemutatom a modelladatok mérési adatoktól való eltérését (szintenként számolva, futásonként összegezve). A számításról bővebb információ a Függelékben található.
| időpont | futás | CHAPEAU | WRF | ||
| T (°C) | Td (°C) | T (°C) | Td (°C) | ||
| 2008. december 31. 00 UTC | inicializálatlan | 15,202 | 32,084 | 14,391 | 43,211 |
| hideg légpárna | inicializált | 14,907 | 35,687 | 14,501 | 43,481 |
| 2008. december 31. 12 UTC | inicializálatlan | 9,332 | 35,928 | 10,492 | 34,511 |
| hideg légpárna | inicializált | 9,405 | 36,212 | 10,483 | 34,582 |
| 2009. január 1. 00 UTC | inicializálatlan | 3,496 | 19,305 | 7,54 | 24,038 |
| gyenge hidegfront | inicializált | 3,850 | 18.377 | 7,56 | 23,761 |
| 2009. január 1. 12 UTC | inicializálatlan | 12,210 | 29,778 | 11,085 | 29,067 |
| gyenge hidegfront | inicializált | 12,409 | 29,358 | 11,143 | 29,059 |
| 2009. január 2. 00 UTC | inicializálatlan | 5,815 | 10,411 | 5,704 | 14,356 |
| magassági hidegörvény | inicializált | 4,628 | 11,211 | 5,534 | 14,490 |
| 2009. január 2. 12 UTC | inicializálatlan | 4,936 | 16,165 | 9,673 | 20,402 |
| magassági hidegörvény | inicializált | 4,998 | 16,143 | 9,747 | 20,376 |
Általánosságban elmondható, hogy délre a kezdeti különbségek - a CHAPEAU harmatpontját leszámítva - csökkentek, ahogyan az a 13. ábrán is megfigyelhető. A hideg légpárnás napon az 00 UTC-s eltérések délre lecsökkentek mindegyik futás és változó esetében, kivéve a CHAPEAU harmatpontját. Ez a tendencia a gyenge hidegfront érkezésének napján éppen fordított.
A DFI használata sok esetben növelte az eltérést, de a különbségek nagyon kicsik. Az inicializáció hatását leginkább a korábban definiált zaj paraméterekkel lehet szemléltetni. Ezek menete 2008. december 31. 00 UTC és 2009. január 2. 00 UTC között a 14. ábrán látható.
Az egyik feltűnő jelenség a CHAPEAU 
görbéjének 12 órás
periódusú ingadozása. Ez a modellbe bevitt - főleg a rádiószondás - mérési adatok hatása. Az is látható,
hogy ezek a tüskék az inicalizált futásoknál éjfélkor kisebbek, délben viszont nincs különbség a kétféle
- inicializált és inicializálatlan - görbe között. Ez is mutatja, hogy a DFI-nek és általában az
inicializációnak csak a modellfutás első néhány órájában van hatása.
A horizontális divergenciás zaj paraméter menetében a legfeltűnőbb a WRF görbéinek levágása a napok
kezdetén. Ez annak tudható be, hogy a kezdeti mezőkben nincs nagy divergencia. A CHAPEAU 
görbéi a napok kezdetén távolodnak egymásól, vagyis az
inicializált értéke lecsökken, a nem inicializálté pedig megnövekszik. Mindkét modell grafikonjaiban kivehető egy napi menet, dél körüli
minimummal. A WRF-nek ez a zaj paramétere az éjféli levágásokat leszámítva az egész időszakban nagyobb,
mint a CHAPEAU-é. Ez a nem-hidrosztatikus közelítés következménye lehet.
Ha az ugrásokat leszámítjuk, mindkét paraméter grafikonjaiban kivehető egy maximum a 48. időlépcső -
január 1. 00 UTC - körül, ami az érkező hidegfront hatása lehet. Az is látható, hogy ennek ellenére
például a CHAPEAU paramétere január 1. első óráiban
ugyanúgy viselkedik, mint a többi napon. Vagyis az inicializálatlan nagyobb, az inicializált kisebb
értéket mutat, majd az idő teltével a közöttük lévő különbség eltűnik, beáll az egyensúly.
