Hidrológiai Közlöny, 2021 (101. évfolyam)
2021 / 1. szám
52 Hidrológiai Közlöny 2021. 101. évf. 1. szám Hullámzás módosította turbulens impulzusáram mérése és becslése a Balaton légkör-víz határfelületén Lükő Gabriella*, Torma Péter*, Weidinger Tamás**, Krámer Tamás* * Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. (E-mail: torma.peter@emk.bme.hu) ** Meteorológiai Tanszék, Eötvös Loránd Tudományegyetem, 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A Kivonat A szél keltette hullámzás meghatározó szerepet játszik a légkör-víz határfelületen kialakuló turbulens cserefolyamatoknál. A turbulens impulzus- és hőáramok profil-alapú, fluxus-gradiens eljárással lokálisan számíthatók, ami a Monin-Obukhov-féle hasonlósági elméleten (Monin-Obukhov similarity theory - MOST) alapszik. Az oceanográfiai mérések alapján levezetett összefüggések nem helytállók kisebb léptékű és erősen meghajtási hossz-limitált sekély tavi környezetben, ahol a kialakuló hullámok jellemzően fiatalabbak, így nagyobb meredekségűek, valamint a fázissebességük is kisebb, mint az óceáni nyílt vízi környezetben. Jelen kutatás alapját a Balaton Keszthelyi-öblében telepített nyíltvízi hidrometeorológiai mérőállomás adatsorai képezik. Az impulzus- és hőáramokat örvény-kovariancia műszeregyüttes mérte, míg a hullámzást akusztikus vízfelszínkövető rögzítette. A mérések alapján új, sekély tavi, meghajtási hossz-limitált körülményekre alkalmazható légkör-víz határfelületen kialakuló impulzusáramra becslési összefüggéseket vezettünk le. Az eredmények összevetése releváns, hullámzási paramétereket is figyelembe vevő eljárásokkal (pl. a hullámkorral és a hullámmeredekséggel módosított Chamock-féle összefüggésekkel) megmutatta, hogy az ellenállási tényező és érdességi magasság általunk levezetett paraméterezései jelentősen eltérnek az oceanográfiai összefüggésektől. Kulcsszavak Impulzusáram, hullámzás, szél, érdességi magasság, örvény-kovariancia, Balaton. Wave-driven turbulent momentum exchange measurement and parameterization at the airwater interface of Lake Balaton Abstract Wind-induced waves play a key role in air-lake momentum and heat exchange. Turbulent momentum and heat fluxes can be calculated locally using the profile based, flux-gradient method following the Monin Obukhov Similarity Theory (MOST). The water surface of fetch-limited shallow lakes differ significantly from open ocean circumstances since the wave field is characterized by young and growing waves that are steeper and can collapse by whitecapping at lower wind speeds, and travel with a lower phase velocity. Consequently, momentum (and heat) flux estimation methods arising from oceanographic observations cannot be directly applied. However, few attempts have been made to describe air-water turbulent exchange in case of large, but still fetch-limited shallow lakes. Turbulent flux measurements were performed in the basin of Keszthely in Lake Balaton. Momentum and heat fluxes were measured with eddy-covariance technique at an offshore station, while waves were simultaneously recorded with an underwater, upward looking acoustic surface tracking instrument. In this study, we derive new momentum flux estimation formulations based on the measured wind stress and surface waves which are applicable to strongly fetch-limited conditions. We compare our results with relevant model formulations that attempt to estimate momentum flux using different wave state parameterizations (i.e. wave age and wave steepness modified Chamock formulations) and show that derived drag and roughness length parameterizations differ significantly from oceanographic formulas. Keywords Momentum flux, surface waves, wind, roughness length, eddy-covariance, Lake Balaton. BEVEZETÉS A légkör-víz határfelületen kialakuló impulzusáram (o-w*2, ahol p a levegő sűrűsége) meghatározására két módszert alkalmaznak leggyakrabban. A szél-csúsztatósebesség (u*) számítható: (i) ellenállási tényező segítségével a szélsebesség függvényében, vagy (ii) a vízfelszín felett kialakuló (stabilitási függvényekkel korrigált) logaritmikus szélsebességprofil alapján. Ez utóbbi módszert a Monin-Obukhov-féle hasonlósági elmélet (Monin-Obukhov Similarity Theory - MOST) írja le (Weidinger és társai 2000, Kiss és Torma 2014). Az ellenállási tényező (Cd) használata egyszerű, azonban értéke széles skálán mozog 0,0005-0,004 [-] között (lásd a hivatkozásokat a lentebbi ábrákon). A szél-sebességprofiira épülő módszer esetében a számítás összetettebb, mivel mind az impulzusáram, mind a hullámzó vízfelszín érdességi magassága (zo) ismeretlenek. A legelterjedtebb érdességi magasság-becslési módszer a Charnock-féle összefüggés, zo = a-u*2lg, ahol g a nehézségi gyorsulás, a a Charnock-féle tényező, melynek átlagos értéke 0,012-0,018 [-] között változik az irodalomban (Charnock 1955, Garratt 1977, Wu 1980). Vickers és Mahrt (1997) különválasztotta a RASEX program méréseit meghajtási hossz szerint és az ezekből levezetett Charnock-tényezőre a = 0,018-at kapott nagy (15-25 km), a = 0,073-at rövid (2-5 km) meghajtási hossz jellemezte körülmények között. Ismereteink szerint ez az eddigi legmagasabb mért Charnock-a érték. Továbbá, Taylor és Yelland (2001) azt tapasztalta, hogy a meglévő összefüggések, amelyeket oceanográfiai adatsorokra fejlesztettek ki, nem tudják előrejelezni a mért nagyobb felszíni ellenállást az Ontario tóban a nagyon fiatal hullámkorú hullámok esetére.
