Gozdna hidrologija

1. Gozdna hidrologija Andrej Ceglar Katedra za agrometeorologijo, urejanje kmetijskega prostora ter ekonomiko in razvoj podeželja E-mail: andrej.ceglar@bf.uni-lj.si

2. Vaja 1 • Meteorološki podatki • Meteorološke postaje • Arhiv meteoroloških podatkov • Izmerjeni ter izvedeni meteorološki parametri (dodatek) • Vizualizacija baze meteoroloških podatkov • Dostop do podatkov • Primer spletne aplikacije za poizvedovanje • Hidrološki podatki, podatki o kakovosti zraka • Mesečna in letna poročila • Uporaba podatkov v različnih aplikacijah • Količina ter intenziteta padavin, temperatura, ... • Ekstremni vremenski pojavi

3. Meteorološke postaje • Prve met. opazovalnice v drugi polovici 18. stoletja • Kraljeva akademija znanosti je 1848 ustanovila Zentralstalt fur Meteorologie and Erdmagnetismus - ZAMG • Najstarejša opazovalnica na Slovenskem etničnem ozemlju je bila ustanovljena v Trstu (1779), prvi zapisani podatki datirajo v leto 1839 • 1871 postaja v Gorici • 1784 Tolmin (ta je delovala do 1810) • 1813 Celovec • 1824 Ljubljana (podatki iz začetnega obdobja so se žal izgubili) • Prvi ohranjeni nizi meteoroloških meritev v Ljubljani so iz leta 1850 (temperatura – maj 1850, zračni pritisk – januar 1852) • Ljubljani so sledile še ostale pomembnejše postaje: Celje (1852), Novo Mesto (1858), Maribor (1863), Ptuj in Kranj (1864)

4. Meteorološke postaje • Meteorološka mreža je konec 19. stoletja obsegala 85 postaj; kasneje velike spremembe • Slovenska mreža met. postaj pokriva območje velikosti 20000 kvadratnih km. Klimatski režim Slovenije je izredno kompleksen, kar zahteva gosto mrežo postaj. • Število klimatoloških in padavinskih postaj: • 1940 - 183 postaj • 1950 - 200 postaj • 1977 - 360postaj • 2007 - 212 postaj (40 klimatoloških, 172 padavinskih)

5. Meteorološke postaje • Klimatološke postaje: • Opazovanja 3-krat dnevno (7, 14, 21 CET) – že 120 let takih meritev • Meritve: količina padavin, temperatura zraka, vlažnost, zračni tlak, smer in hitrost vetra, temperatura tal, izhlapevanje, sončno obsevanje, temperatura morja • Opazovanja: oblačnost, vidnost, stanje tal in morja, pojavi v atmosferi • Sinoptične postaje • Urna opazovanja, GTS (Global telecommunications system) • 24 opazovanj / dan na 4 letališčih • Padavinske postaje: • Dnevna opazovanja ob 7 CET • Najgostejša mreža postaj • Meritve: količina padavin v zadnjih 24 urah, glavni vremenski pojavi, pozimi tudi višino snežne odeje ter novozapadlega snega • Avtomatske meteorološke postaje (kontinuirane meritve): • Interval vzorčenja 5 minut za padavine • Interval vzorčenja 30 minut s statistikami (minimum, maksimum, povprečje, standardni odklon) za ostale spremenljivke

6. Meteorološke postaje • Totalizatorji (količina padavin se meri na nekaj mesecev) • Fenološke postaje • Nastop določene razvojne stopnje (fenološke faze) pri izbranih negojenih ter gojenih rastlinah • 61 postaj • Podatki iz postaj predstavljajo osnovo za študije sedanjih klimatskih razmer, časovne ter prostorske spremenljivosti parametrov • Osnova za oceno potencialnih klimatskih sprememb v prihodnosti • Priporočilo WMO: klimatske študije zahtevajo niz vsaj 30-letnih kvalitetnih podatkov • Nehomogeni podatki • Manjkajoči podatki

7. MERITVE Zračni tlak Temperatura zraka in tal (Temperatura morja) Vlažnost zraka Izhlapevanje Smer in hitrost vetra Količina padavin Višina snežne odeje in novo-zapadlega snega Trajanje sončnega obsevanja OPAZOVANJA Oblačnost Vidnost Stanje tal in morja Pojavi v atmosferi Meritve in opazovanja

8. Reprezentativnost meritev: - določitev opazovalnega prostora - lokalni pojavi v ozračju (hladen zrak v kotlini, nevihta okolici, …) Meritve morajo biti med seboj primerljive ter vsaj približno enako natančne -> standardizirani ter umerjeni inštrumenti Meritve in opazovanja imajo mnogo uporabnikov: - analiza in napoved vremena - splošna javnost - specializirana javnost (letalske, cestne, pomorske, hidrološke službe, civilna zaščita) - službe, ki skrbijo za čistočo zraka Časovna usklajenost meritev Meritve in opazovanja

9. OPAZOVALNI PROSTOR • prostor za opazovanja in meritve na klasični meteorološki postaji • velikost 20m × 20 m • nizko pokošena trava • v okolici ni večjih ovir, ki bi vplivale na meritve (turbulenca, senca)

10. VREMENSKA HIŠICA • 2m nad tlemi (vpliv tal ni več tako izrazit) • bele barve (ni segrevanja) • dvojne žaluzije (zaščita pred vetrom, izmenjava zraka je omogočena) • vrata obrnjena proti severu (pri odčitavanju direktni sončni žarki ne padajo na inštrumente)

11. INŠTRUMENTI • suhi (temperatura zraka) in mokri termometer, ki skupaj z ventilatorejm tvorita psihrometer (vlaga v zraku) • maksimalni in minimalni termometer (ekstremne vrednosti temperature zraka) • termograf (časovno spreminjanje temperature zraka) • higrograf (časovno spreminjanje vlage v zraku) • ponekod v posebni hišici še Wildov evaporigraf (časovni potek izhlapevanja vode) VREMENSKA HIŠICA

12. TEMPERATURA ZRAKA tekočinski termometer Hg ali alkoholni • Meritve • temperatura zraka na 2 m • minimalna temp. zraka na 2 m in 5 cm • maksimalna temp. zraka na 2 m • temperatura mokrega termometra • časovni potek temp. zraka na 2 m bimetalni termograf Namestitev Termograf in termometri (suhi, mokri, minimalni in maksimalni termometer) so nameščeni v vremenski hišici (2m). Dodaten minimalni termometer je nameščen 5 cm nad tlemi. Enote K – Kelvin °C – stopinja (Celsius) °F –stopinja (Fahrenheit)

13. Hg TEMPERATURA ZRAKA suhi in mokri termometer - psihrometer alkohol minimalni termometer 5 cm nad tlemi bimetalni termograf Hg Min maksimalni in minimalni termometer alkohol Max

14. TEMPERATURA TAL alkohol do 30 cm alkohol 50 in 100 cm Meritve temperature tal na globini 2, 5, 10, 20, 30, 50 in 100 cm TEMPERATURA VODE Meritve v primeru,če je v bližini jezero ali morje

15. VLAGA V ZRAKU Enote %, mb,..., odvisno od parametra Namestitev v vremenski hišici (2m) higrograf in higrometer suhi in mokri termometer - psihrometer

16. VETER Namestitev 10 m nad tlemi V okolici ne sme biti visokih predmetov, ki bi povzročali turbulenco. • Meritve Enote • hitrost vetra na 10 m m/s • smer vetra na 10 m ° • Opazovanja • ocena jakosti vetra Bf • ocena karakteristike vetra stalen, ... Vetrovna vreča sonični anemometer klasičen anemometer

17. SONČNO SEVANJE • Meritve Enote • trajanje sončnega obsevanja h • gostota toka globalnega obsevanja W/m2 • gostota toka difuznega obsevanja W/m2 globalno obsevanje solarimeter difuzno obsevanje Namestitev Na inštrument ob kateremkoli času v dnevu ali letu ne sme padati senca zaradi okoliških predmetov. heliograf trajanje sončnega obsevanja

18. PADAVINE • Opazovanja • vrsta padavin (tekoče, trdne) • sprememba njihove intenzitete (rahle, zmerne, močne, plohe, nevihte, nalivi, …) • Meritve Enote • količina padavin mm=l/m2 • višina snežne odeje cm • višina novozapadlega snega cm • gostota snega Namestitev pluviometer 1,5 m nad tlemi, na prostem totalizator nekaj m nad tlemi snegomer na treh mestih na opazovalnem prostoru pluviometer

19. PADAVINE pluviograf Meritve gostote snega. snegomer Meritve višine snežne odeje. totalizator Meritve količine padavin na odročnih krajih.

20. IZHLAPEVANJE Enota mm=l/m2 A-posoda Namestitev na prostem. Dimenzije: premer 1,21 m globina 0,255 m odmik od tal 0,15 m Wildov evaporigraf Namestitev v posebni vremenski hišici 2m nad tlemi.

21. Avtomatska meteorološka postaja MERITVE številnih meteoroloških spremenljivk s pomočjo električnih senzorjev. temperatura zraka vlaga v zraku smer in hitrost vetra temperatura tal vlaga v tleh sončno obsevanje ....

22. Meteorološke postaje

23. Meteorološke postaje

24. Meteorološke postaje

25. Meteorološke postaje

26. Meteorološke postaje • Mreža fenoloških postaj • pojavi razvojnih fenoloških faz izbranih samoniklih (zelišča, trave, grmovnice in drevnine • kmetijskih rastlin (posevki, sadno drevje in vinska trta) )

27. Meteorološki radarji - radar (radio detection and ranging) - ocenakoličine padavin v okolici - domet med 100 in 500 km od radarja Antena meteorološkega radarja na Lisci

28. Meteorološki radarji • Radar je naprava za daljinsko zaznavanje teles z osvetljevanjem z elektromagnetnimi mikrovalovi. • - Vremenski radar je radar, prirejen za zaznavanje in merjenje padavin. • Radarski odmevi se shranjujejo v računalniku – 3D polje • Radarska antena se vrti okrog navpične osi pri različnih naklonskih kotih • Iz 3D polja razberemo vrsto, jakost ter intenziteto padavin • Osnovna informacija – moč odmevov (odvisno od števila ter • velikosti padavinskih delcev) • Oblačni delci so premajhni, da bi jih radar zaznal • Ob določenih predpostavkah o faznem stanju, velikostni • porazdelitvi in hitrostih padanja padavinskih delcev je iz • izmerjene moči odmeva mogoče bolj ali manj natančno • izračunati jakost padavin, to je prostornino • (po potrebi staljenih) padavin, ki v časovni enoti • pade na/skozi horizontalno ploskovno enoto.

29. Meteorološki radarji - delovanje impulzdolg nekaj s (nekaj 100 m), presledeknekaj ms (nekaj 100 km) potuje skozi atmosfero s svetlobno hitrostjo (3×108 m/s) se sipa na ovirah (hrib, letalo, množica kapljic v oblaku) odboj sipanje v vse smeri – del proti anteni – zaznamo odboj • usmeritev antene - smer, kjer je ovira • zakasnitev odmeva za časom izsevanja – oddaljenost ovire • jakost odmeva – odbojne lastnosti ovire • Razlika frekvenc – Dopplerjev efekt – hitrost ovire meritev 5-20 obr. v 5 min. domet 100 – 500 km kot snopa 1-2 ° val. dol. 5-10 cm (μ-valovi)

30. Meteorološki radarji • Prikaz talnih projekcij maksimalnih višinskih jakosti padavin • - izmerjena jakost na vertikali nad vsako talno točko (ni razvidno, na kateri višini je bila posamezna jakost izmerjena in ni nujno, da se v tistem trenutku ujema z jakostjo pri tleh) • Maksimalna jakost je primerna za hiter pregled atmosfere ter določanje intenzivnih padavinskih območij z morebitno točo ter rušilnim vetrom

31. Meteorološki radarji • Napake meritev • odmevi od tal, ukrivljenost zemeljske površine • blokiranje odmevov od mirujočih ovir, prepuščanje odmevov od radialno gibajočih se padavin • pri velikih razdaljah je radarski snop že precej dvignjen nad ukrivljeno površino, zato radar slabo zazna ali ne zazna plitvih padavin • Ukrivljanje žarka zaradi atmosferskih pogojev • Stabilna atmosfera - temperaturna inverzija: refrakcijski indeks naraste, radarski žarek se ukrivi proti tlem • Labilna atmosfera: žarek se ukrivlja navzgor (padavine se “pojavijo” previsoko)

32. Meteorološki radarji Mreža meteoroloških radarjev v Evropi

33. Meteorološki sateliti Dve glavni skupini polarno-orbitalni geo-stacionarni

34. Geo-stacionarni sateliti METEOSAT nad ekvatorjem (φ = 0°) oddaljeni od zemeljskega površja ~36000 km ves čas nad isto točko na Zemlji (λ = konst., ω = ωZemlje) opazujejo ~ 1/3 zemeljskega površja običajni senzorji so na območju VIS, IR, WV, (MIC) ločljivost: najboljša nad ekvatorjem in geografsko dolžino, kjer so nameščeni (VIS ~ 2 km, IR ~ 5 km)

35. Svetli toni – oblaki z nižjo temperaturo (segajo višje v ozračje) Temnejši toni – toplejša področja (ponavadi kopno ali morje, pozimi lahko tudi megla ali nizka oblačnost) Slika oblačnosti v infra-rdečem spektru je posneta z geo-stacionarnega vremenskega satelita METEOSAT

36. Polarno-orbitalni sateliti krožijo nad Zemljo(φkonst.) na višini okrog 900 km(od 800 do nekaj 1000 km) opazujejo pas širok nekaj 100 km, ki ga zamikajo (λ konst.) Zemljo obkrožijo v eni do dveh urah – dvakrat dnevno so nad isto točko na Zemlji. običajni senzorji so na območju VIS, IR, WV, (MIC) + vertikalno sondiranje ločljivost: boljša kot pri geo-stacionarnih - neodvisna od geografskih koordinat

37. Meteorološki sateliti

38. Podatki z meritev in opazovanj

39. Voda v tleh – osnovni pojmi • Volumska vsebnost vode v tleh • gravimetrično določanje vode v tleh • stehtamo maso vlažnega vzorca tal, po sušenju pa še maso suhega vzorca • vzorec tal se suši na 105°C 24 ur za mineralna tla (48 ur na 55°C za organska tla) • Razlika v masi pove količino vode, ki jo je vseboval vzorec tal, izraža se v odstotkih mase ali volumna: • Za volumske % poznati moramo • volumen vzorca tal • Merjenje vodnega potenciala s tenziometri • kazalec energijskega stanja vode v tleh • razlike vodnega potenciala določajo smer premikanja vode • tenziometer napolnimo z vodo, tla vpijajo vodo • skozi porozno kapico – podtlak naraste, dokler • pritisk tekočine v tenziometru ni v ravnovesju s • silo vezave vode v tleh

40. Voda v tleh – osnovni pojmi • Volumska vsebnost vode v tleh • prednosti: dobro poznana metoda, osmotski potencial ne vpliva na meritev, cenovna dostopnost • slabosti: točkovna meritev, delujejo le v vlažnem območju, stik porozne kape s tlemi • niso primerni so za meritve v suhem območju • Nevtronski merilci • vodikovi atomi imajo sposobnost za razprševanje ter upočasnjevanje nevtronov • termalizacija – visokoenergijski nevtroni so ob trku • z atomskimi jedri upočasnjeni in preusmerjeni • večja količina vode v tleh – več trkov • detekcija počasnih nevtronov, ki se vrnejo k cevi – • količina vode v tleh

41. Voda v tleh – osnovni pojmi • Volumska vsebnost vode v tleh • TDR merilci (merjenje časa odboja elektromagnetnega signala) • nezveznosti v mehanizmih zadrževanja energije • opazovanje sprememb v nivoju energije v določenih točkah v mediju • dielektrična konstanta je odvisna od vsebnosti vode v tleh (voda cca 78-80, zrak 0, mineralna snov 4-5) • Delovanje: visokofrekvenčni EM signal, ki potuje preko elektrod, se na mestih s spremenjeno uporbnostjo deloma odbije. Naprava meri čas med poslanim ter sprejetim signalom.

42. Vizualizacija baze – dostop do podatkov • Spletna aplikacija: AGENCIJA REPUBLIKE SLOVENIJE ZA OKOLJE (www.arso.gov.si), METEO PORTAL (meteo.arso.gov.si)

43. Vizualizacija baze podatkov

44. Baze podatkov • Podzemne vode (prostornina podzemne vode, vodonosnikov ali več vodonosnikov) • Površinske vode (vodostaj, pretok, temperatura) • Kakovost zraka (žveplov dioksid, dušikovi oksidi, ozon, pm10, benzen) • Mesečni bilten – mesečni pregledi stanja (meteorologija, agrometeorologija, hidrologija, potresi) - http://www.arso.gov.si/o%20agenciji/knji%C5%BEnica/mese%C4%8Dni%20bilten/ • Ekstremni vremenski dogodki: • Vetrolomi • severni fen (močan severni veter nad pobočji Karavank ter Kamniško-Savnijskih Alp) • Topel in suh • Enkrat do dvakrat letno (hladna polovica leta) • Enkrat na 10 let z rušilno močjo • pokrajina in arhitektura nista prilagojeni močnim vetrovom -> velika škoda • jugo • Nastane pred hladno fronto ob prečkanju sredozemskega ciklona • Enako pogost, kot burja • Ob obali, pojavi se 20 krat na leto

45. Baze podatkov • Burja • Ob prehodu hladne fronte sredozemskega ciklona • Hladen zrak se dvigne preko dinarskih planot ter se nato pospešuje Jadranskemu morju • Sunkovit veter, pogost na Primorskem in Notranjskem • Sunki močne burje nad 140 km/h • V Vipavski dolini nad 25 zapor letno • Vegetacija na področjih z burjo zaradi pogostosti dogodka prilagojena. Za burjo niso značilni vrtinci, kot npr za orkanski severni ali južni veter. • Vetrolom lahko povzročijo tudi sunki vetra ob nevihtah, pojavijo se kjerkoli v SLO. • Opozorila na prihajajoče ektremne vremenske dogodke - meteoalarm

46. Analiza podatkov • Vrste spremenljivk • Imenske (nominalne) -> vrednosti lahko le razlikujemo med seboj • Urejenostne (ordinalne) -> vrednosti lahko uredimo po velikosti • Razmične (intervalne) -> primerjamo lahko razlike med vrednostma dvojic enot, ni absolutne ničle • Razmernostne (racionalne) -> smiselno je tudi razmerje dveh vrednosti, obstaja absolutna ničla • Vrsta spremenljivke – vrsta analize oz. izbira primerne statistike • Klimatski sistem je negotov: • Ni v celoti opazovan • Radi bi dostop do različnih parametrov (npr. meritev na populaciji, ki karakterizira eno izmed njenih lastnosti) • Računamo statistiko (npr. merilo karakteristike iz naključno izbranega vzorca)

47. Analiza podatkov • Ni v celoti razumljiv • Kljub numeričnim modelom ne razumemo popolnoma dinamike klimatskega sistema • Nekaj pomembnih fizikalnih procesov se odvija na manjši skali, kar zahteva uporabo parametrizacij • Dinamični sistem je občutljiv na začetne pogoje – dinamični kaos • Deterministična klimatologija je omejena na kratke časovne skale • Klimatske napovedi so po naravi verjetnostne • Redukcija negotovosti je temelj klimatskega napovedovanja

48. Osnovne opisne statistike in grafična predstavitev • Velikost populacije, ranžirna vrsta, frekvenčna porazdelitev, kvantili, okvirji z ročaji • Frekvenčna porazdelitev: razporeditev podatkov v izbrano število razredov • Primer: Letno trajanje sončnega obsevanja v Ljubljani med leti 1961 – 1990 • Kadar podatki variirajo, izbiramo širine razredov, ki enakomerno naraščajo (npr. količina padavin)

49. Osnovne opisne statistike in grafična predstavitev • Kvantili -> statistično izračunane meje, ki nam določa kje se nahaja posamezna enota v primerjavi z drugimi enotami • Kolikšen del celotnega razmika ima manjše vrednosti od dane vrednosti – kvantilni rang • Mediana: srednja vrednost v nizu podatkov, če jih razvrstimo po velikosti. Polovica vrednosti v nizu je po velikosti večje od mediane, polovica pa manjše. Če smo podatke v nizu razvrstili po velikosti potem mediano izračunamo kot • štirje razredi -> kvartili ( ), med posameznimi kvartili je četrtina podatkov • deset razredov -> decili • sto razredov -> percentili • V spolšnem ob razdelitvi na poljubno število razredov govorimo o kvantilih

50. Osnovne opisne statistike in grafična predstavitev • Okvir z ročaji -> osamelci, kvartili, pogojni minimum ter maksimum • Primer: trajanje sončnega obsevanja v Ljubljani • Min. :1445 ur • 1st Qu.:1642 ur • Median :1700 ur • Mean :1712 ur • 3rd Qu.:1777 ur • Max. :1987 ur