TAPASZTALATAI
GOMBOS Béla1 – HUDÁK Roland
Szent István Egyetem Agrár- és Gazdaságtudományi Kar, Szarvas, Szabadság út 1-3.
gombos.bela@gk.szie.hu
Bevezetés
A csapadék a felszíni vízmérleg meghatározó bevételi tagja. Mennyiségének ismerete alapvető a mezőgazdaság és a vízgazdálkodás területén. A csapadékmérés alapelve igen egyszerű, a területegységre jutó vízmennyiséget kell meghatározni, 1 mm csapadék 1 m2-en 1 liter víznek felel meg. Ugyanakkor még a legegyszerűbb hagyományos csapadékmérők is bizonyos mérési hibával működnek, melyek forrásait és ezek lehetséges mértékét a kutatásunk előző szakaszában vizsgáltunk (Gombos, 2018).
A csapadékinformáció hibája tovább növekszik, amennyiben mérőhelyek közötti pontokra adunk becslést. A csapadék területi változékonysága igen nagy, különösen záporszerű csapadék esetében. Más meteorológiai elemekhez képest a pontszerű csapadékmérések területi reprezentativitása kisebb.
Kutatási programunkban a gyakorlatban is alkalmazható, megfelelő pontosságú, költséghatékony megoldást keresünk a csapadékinformáció igény (elsősorban mezőgazdasági célú) kielégítésére. Ennek egy fontos lépése a csapadék területi változékonyságának felmérése, különösen a kritikusnak számító néhány km-ig terjedő horizontális skálán.
Irodalmi áttekintés
A csapadék területi változékonyság vizsgálatának klasszikus formája az operatívan működő csapadékmérő (meteorológiai/hidrometeorológiai) állomáshálózatok adatsorain alapul. A kisebb távolságon belüli változékonyság vizsgálatához nagy sűrűségű, kutatási célú mérőhálózatok kialakítása célszerű.
A csapadék területi változékonyága egyszerűen számszerűsíthető a térbeli variációs koefficienssel (CV: standard hiba a területi átlag százalékában kifejezve). Pedersen et al. (2010) igen kicsi mintaterületre (500 m x 500 m) vonatkozó kutatási eredményei alapján a CV értéke jellemzően csökken a nagyobb csapadékmennyiségek esetén. Az átlagos 14%-os érték mellett előfordultak 50% feletti értékek is (max: 77%), azonban csak 5 mm-nél kisebb csapadék esetén.
A közérthetőség miatt célszerű az adott időszakban lehullott (pl. napi) csapadék különbségeit a legkisebb és legnagyobb mennyiség és a mintaterület nagyságának megadásával bemutatni. A csapadékmennyiség horizontális gradiense is szemléletes mm/km vagy mm/100 m egységben megadva. Pedersen et al. (2010) közlése szerint 3 éve alatt előfordult a 0,25 km2-es területen, hogy a csapadék 2,5 – 12,4 mm között alakult.
További információt szolgáltat a területi változékonyságról az állomáspáronkénti korrelációs koefficiens, a Pearson féle r-érték, amelyet nagy eseményszám esetén
77
célszerű meghatározni a statisztikában jól ismert módon. Minden állomáspárra meghatározva az r értéket, majd azt a távolság függvényében ábrázolva a korrelációs függvény csökkenő értéket mutat. A Pearson féle korreláció értékét az extrém értékek jelentősen befolyásolják (csökkentik), továbbá nem érzékeny az adatsorok additív és arányos eltéréseire (Habib és Krajewski, 2001), így használata körültekintést igényel.
Az ún. szerkezeti függvény a horizontális távolság függvényében adja meg a csapadékértékek jellemző eltéréseit (az eredeti definíciójában helyvektorok különbsége szerepel). Hosszabb időszak átlagában meghatározva, a szerkezeti függvény támpontot ad az állomáshálózat optimalizálására a területi átlag, illetve az interpoláció megfelelő pontosságú számításához (Czelnai, 1981). Megállapítható, hogy ugyanakkora megengedett hiba a nyári napi csapadék, a nyári havi csapadék és a téli havi csapadék esetén - ebben a sorrendben - többszörös állomástávolságok mellett érhető el (Czelnai et al., 1963).
A szemivariogram gyakran alkalmazott függvény az elemi csapadékesemények térbeli szerkezetének leírásához, elemzéséhez. Ez lényegében megegyezik a szerkezeti függvénnyel, a négyzetes eltérések (variancia) átlagát adja meg a távolság függvényében:
ahol y a szemivariancia érték, N az állomáspárok száma, h az állomáspárok távolsága (többnyire egy intervallum), Z a csapadék mennyisége (Ly et al., 2011).
A szórásnégyzettel elosztva az értéke még alkalmasabb az elemi események összehasonlítására.
Anyag és módszer
Méréseinket egy alföldi község (Csabacsűd) belterületén végeztük el. A mintaterület nagysága mintegy 1,2 km2 (1,5 km x 0,8 km), ahol nagy sűrűségű csapadékmérő-hálózatot alakítottunk ki 18 mérőponttal. A legközelebbi 2 mérőhely egymástól való távolsága 150 m, míg a két legtávolabbi két mérő esetében a távolság 1,5 km. A hivatalos mérésekre Magyarországon használt Hellmann-féle mérők nem álltak rendelkezésre, helyette a kereskedelemben beszerezhető, egyszerű műanyag csapadékmérőket alkalmaztunk. A mérők elhelyezése családi házak kertjében történt, a környező tereptárgyaktól (fák, épületek) legalább azok magasságának megfelelő távolságban. Kifejezetten ügyeltünk arra, hogy a mérőedények felfogónyílása stabilan vízszintesen helyezkedjen el a talajfelszín felett 1 méterre, a szél ne tudja kibillenteni ebből az egyensúlyi helyzetéből, illetve a mérések utáni visszahelyezésnél is fennmaradjon ez az állapot. A csapadékmérések fő szisztematikus hibája a szél miatti alámérés (WMO, 2008; Chvíla et al., 2005), amelyet a mérők célirányos elhelyezésével alacsony szinten és egységesen tudtuk tartani (egységes, szélvédett mikrokörnyezet a kertekben), ami az egyik legfontosabb szempont a területi változékonyság feltárására irányuló méréseknél. Az előzetes vizsgálataink szerint (2019-ben pontosan felmérendő) legfeljebb néhány tized mm-es párolgási veszteség sem lényeges tényező. A mérési program 2018 júliusában indult, mintegy 3 hónapig tartott és összesen 12
78
csapadékeseményt sikerült pontosan felmérnünk. Ez magába foglalja az összes olyan napot, amikor a település legalább egy részén jelentős (azaz 5 mm/nap) csapadék hullott.
A csapadék területi szórás, átlag és CV értékeit az Excel táblázatkezelővel számítottuk ki. Az adatok területi kvalitatív és kvantitatív összefüggéseit az ILWIS térinformatikai szoftver segítségével vizsgáltuk, melynek fő elemei:
adatok megjelenítése ponttérképen,
állomáspár távolságok meghatározása,
csapadék gradiensek kiszámítása,
szemivariogram függvény kiszámítása távolság kategóriánként.
A viszonylag kis esetszám miatt a kapott eredményeink statisztikailag még nem teljes értékűek, inkább tájékoztató jellegűek, illetve szükségesek a 2019-ben kezdődő mérési programunk optimalizálásához.
Eredmények és értékelésük
A kutatási időszakban 12 napon volt olyan csapadéktevékenység, amelynek mérése mind a 18 helyen megbízhatóan megtörtént. Ebből 11 alkalommal a csapadék területi átlaga meghaladta az 5 mm-t, valamint előfordult egy igen jelentős, a településen átlagosan 33 mm csapadékot adó záporeső is.
A napi csapadékösszegek területi változékonyságát leíró szórás nagysága jellemzően növekedett a csapadék mennyiségével (1. ábra). Ez részben természetes, mivel nagyobb mennyiségek esetén jöhetnek létre nagyobb négyzetes különbségek. A területi variációs koefficiens – a szórás a területi átlagos érték százalékában megadva – ezért bizonyos értelemben jobb kifejezője a területi változékonyságnak.
1. ábra. A szórás (1) értéke a területi csapadékátlag (2) függvényében.
Figure 1. Relationship between standard deviation (1) and the areal average of precipitation (2).
79
A CV nagysága 7 és 37% kötött alakult a mintegy 1,5 km2-es mintaterületen a 12 mérési napon. A 37%-os érték az egyedüli kis (1,1 mm) átlagcsapadékú napot jellemezte, egyébként a legnagyobb értéke 29% volt (egy 8 mm átlagú napon). Az augusztus vége – szeptember időszakban mindhárom esemény CV értéke a 7-10%-os tartományban alakult, ugyanakkor az azt megelőző csapadékeseményeknél a CV értéke meghaladta a 10%-ot. Ez az eredmény – noha a kis elemszám miatt statisztikailag nem bizonyító erejű – arra utal, hogy a nyári időszakban jellemzően nagyobb a csapadék területi változékonysága, mint később.
Az egyes napokon a településen mért legnagyobb és legkisebb csapadék különbsége is jól szemlélteti a területi eltérések mértékét. 5 alkalommal a különbség meghaladta az 5 mm-t, sőt július 11-én elérte a 17 mm-t (min: 25 mm, max: 42 mm). Ez utóbbi esetben közel 1,4 km távolságra esett ez az eltérés, ami mintegy 12,2 mm/km horizontális gradiensnek felel meg. Megjegyezzük, hogy ezen a napon a szomszéd településen, Szarvason csupán 7 mm csapadékot mért az OMSZ automatája. Egymáshoz közelebbi mérőhelyek között lényegesen nagyobb, közel kétszeres gradiensek is voltak (1.
táblázat). Más napokon szintén előfordultak hasonló nagyságú csapadék gradiensek, a legnagyobb érték augusztus 14-én, amikor a két szomszédos mérőhely közötti 150 m távolságra 5,4 mm eltérés jutott, azaz 100 méterre vonatkoztatva 3,6 mm.
1. táblázat. A településen mért legnagyobb csapadék gradiens értékek a vizsgált időszakban dátum
Table 1. The largest values of precipitation gradient measured in the study area and period.
(1) date, (2) distance of the rain gauge stations, (3) difference of precipitation (4) gradient of precipitation
Az ILWIS térinformatikai szoftver segítségével csapadékeseményenként (az egyes napokra) előállítottuk a félvariogramot (szemivariogram). A 18 mérőállomás összesen 153 állomáspárt alkot, ezeket a távolságuk szerint kategorizálva történt a csapadék variancia-átlagok kiszámítása. 200 m-es intervallumokat alkalmazva, az elemzéshez megfelelő 20 feletti állomáspár szám esett a következő tartományokba: 100-300 m, 300-500 m, 300-500-700 m, 700-900 m. A 900-1100 m-es tartomány 17, míg az 1100-1300 m-es 11 állomáspárral már kevésbé megbízható információt ad a varianciáról. Két, markánsan különböző csapadékeloszlás figyelhető meg a példaként már bemutatott két napon (2. ábra). Július 8-án a csapadék maximuma Csabacsűd nyugati részén volt, ahonnan egyértelmű a KDK felé irányuló csökkenés, minél távolabb van egy állomás, annál nagyobb az eltérés, a variancia függvény a teljes vizsgálati tartományban növekvő (3. ábra). Augusztus 22-én legkevesebb csapadék a település középső-déli részén
80
hullott, jól látszik, hogy keleti és nyugati irányba is növekszik a mennyisége, a variogram maximuma 800 m-nél van.
2. ábra. A mért csapadékmennyiség 2018. július 11-én és 2018. augusztus 22-én Csabacsűdön.
Figure 2. The amount of precipitation measured on the 11th of July and 22th of August 2018 in Csabacsűd
3. ábra. A július 11-i és az augusztus 22-i csapadékmezők szemivariogramja, továbbá a vizsgált 12 csapadékesemény szemivariogramjának átlagos értékei.
Figure 3. Semivariogram of precipitation on the 11th of July and 22th of August, and average semivariogram of 12 precipitation field meesured.
(1) average
81 Következtetések
A 4 hónapos mérési programunk eredményei alapján kijelenthető, hogy egy kistelepülésen belül is jelentős különbségek alakulhatnak ki a napi csapadékmennyiségben. A nyári záporok alkalmával az esetek közel felében kimértünk 200-300 méteren belüli legalább 5 mm-es különbséget, azaz 2 mm/100 méter értéket meghaladó horizontális gradienst. A területi szórás és az abszolút eltérések is növekednek a nagyobb napi csapadékmennyiséggel, míg a variációs koefficiens ellentétes tendenciát mutat.
A szemivariogramok alkalmasnak bizonyultak az egyes csapadékesemények területi különbözőségeinek feltárásában, de mérési programunk sajátosságai miatt nem tekinthetők teljes értékűnek. Szükségesnek tartjuk távolabbi mérőhelyek létesítését, hogy megfelelő számú állomáspár legyen egymástól nagyobb távolságra is (10 km-ig).
A vizsgálatokat célszerű két kategóriára külön-külön elvégezni a záporszerű és a nem záporos jellegű csapadék eltérő karaktere miatt, amihez további mérések szükségesek.
Összefoglalás
A csapadék nagyfokú területi változékonyságot mutató meteorológiai elem. A napi csapadékok interpolációval történő becslésére záporszerű csapadék esetén az operatívan működő meteorológiai/hidrometeorológiai mérőhálózatok sűrűsége nem elegendő. A mezőgazdaság csapadékinformáció igényének kielégítése csak részben megoldott.
Kutatásunk a csapadék területi változékonyságának felmérésére irányult, a kritikusnak számító néhány km-ig terjedő horizontális skálán. A 2018 július-szeptember időszakban Csabacsűd belterületén 18 ponton végeztünk költséghatékony csapadékméréseket.
Megállapítottuk, hogy vizsgált 1,5 km x 0,8 km nagyságú területen belül is jelentős különbségek alakulhatnak ki a napi csapadékmennyiségben. A nyári záporok alkalmával az esetek közel felében kimértünk 200-300 méteren belüli legalább 5 mm-es különbséget, azaz 2 mm/100 méter értéket meghaladó horizontális gradienst. Eddigi eredményeink alapján szükségesnek tartjuk távolabbi mérőhelyek létesítését a csapadékmező nagyobb horizontális skálájú vizsgálatához.
Kulcsszavak: csapadék, területi eloszlás, gradiens, csapadékmérő-hálózat Köszönetnyilvánítás
A publikáció az EFOP-3.6.1-16-2016-00016 azonosítószámú, SZIE Szarvasi Campusának kutatási és képzési profiljának specializálása intelligens szakosodással:
mezőgazdasági vízgazdálkodás, hidrokultúrás növénytermesztés, alternatív szántóföldi növénytermesztés, ehhez kapcsolódó precíziós gépkezelés fejlesztése című projekt keretében jött létre.
Irodalom
Chvíla, B. – Sevruk, B. – Ondrás, M.: 2005. The wind-induced loss of thunderstorm precipitation measurements. Atmospheric Research. 77: 29-38.
Czelnai R.: 1981. Bevezetés a meteorológiába III. Tankönyvkiadó, Budapest
Czelnai R. – Dési F. – Rákóczi F.: 1963. On Determining the Rational Density of Precipitation Measuring Networks. Időjárás, 67. évf. 5. sz. 257-267.
82
Gombos B.: 2018. A hagyományos csapadékmérés pontossága és területi reprezentativitása. Víztudományi Nemzetközi Konferencia. Szarvas, 2018.03.22.
Ly, S. – Charles, C. – Degré, A.: 2011. Geostatistical interpolation of daily rainfall at catchment scale: The use of several variogram models int he Ourthe and Ambleve catchments, Belgium. Hydrology and Earth System Sciences. 15. 2259-2274.
Pedersen, L. – Jensen, N.E. – Christensen, L.E. – Madsen, H.: 2010.Quantification of the spatial variability of rainfall based on a dense network of rain gauges. Athmospheric Research. 95. 441-454.
Habib, E. – Krajewski, W.F.: 2001. Estimation of Rainfall Interstation Correlation. Journal of Hydrometeorology. 2. 621-629.
WMOWorld Meteorological Organization (WMO). 2008: Guide to meteorological instruments and methods of observation. WMO-8 8 1-681