A Balaton 3D hidro- és termodinamikai modelljének továbbfej-lesztése

Gabriella   Lükő; Péter Torma

doi:10.59258/hk.15658

Lükő Gabriella Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék https://orcid.org/0000-0003-3855-3033
Torma Péter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék https://orcid.org/0000-0001-9282-6931

Kulcsszavak: Balaton, numerikus modellezés, sekély tavi hidrodinamika, szélmeghajtás, 3D hidro- és termodinamikai modell

Absztrakt

Célunk egy olyan igazolt hidro- és termodinamikai modell felállítása a Balatonra, amely részletes transzport vizsgálatokra és a későbbiekben akár az áramlások és hőmérsékleti viszonyok előrejelzésre is alkalmas lehet. Sekély tavakban szeles időben a hullámzás által befolyásolt felszíni és a fenékközeli határrétegek átfedhetik egymást, ennek következtében összetett áramlási és keveredési viszonyok alakulnak ki. Ezzel szemben, szélcsendes időben gyenge hőmérsékleti rétegződés jön létre, amely jellemzően éjszaka felszakad, napi ciklust eredményezve. A numerikus szimulációkhoz az FVCOM modellt alkalmaztuk, valamint áramlás- és hőmérsékletméréseket végeztünk egy nyílt vízi helyszínen, valamint a hőmérsékleteket egy partmenti helyen is rögzítettük a Keszthelyi-medencében. A modellt térben változó szélmezővel hajtjuk meg, annak érdekében, hogy figyelembe vehessük a belső határréteg-fejlődés és mezoskálájú változékonyság hatását a vízfelszínen ható szél-csúsztatófeszültségre. Előbbi a szélsebesség meghajtási hossz menti növekedését eredményezi. Megmutatjuk, hogy az inhomogén szélmeghajtás elengedhetetlen mind a tó különböző pontjain mért vízszint-kilendülések, mind a Keszthelyi-medence nyílt vizén jelentkező áramlási irányok pontos modellezéséhez. Az áramlás mellett a hőmérsékleti szerkezet megbízható szimulációja érdekében érzékenységvizsgálatot végeztünk a modell paramétereire, beleértve a légkör-víz közötti hőcsere paramétereit, a fénykioltási együtthatót és a turbulenciamodell háttérkeveredési együtthatóját. Összehasonlítjuk a Keszthelyi-medence közepén a modellezett és mért áramlásokat, hőmérsékleteket és annak rétegződését, utóbbit a potenciálisenergia-anomália mutatójával. A többcélú kalibráció nagy számú szimulációt igényel, hogy lefedjük a széles paraméterteret és egy optimális paraméterkombinációt találjunk.

Szerző életrajzok

Lükő Gabriella, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

LÜKŐ GABRIELLA 2020-ban szerzett MSc oklevelet, jelenleg negyedéves PhD hallgató a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén. A 2023/24-es tanévben a Colorado School of Mines (USA) Fulbright hallgatói ösztöndíjas vendégkutatója. Doktori kutatása a tavi légkör-víz határfelület turbulens folyamatainak vizsgálatára fókuszál. 2021 óta tagja az MHT-nek.

Torma Péter, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

TORMA PÉTER 2011-ben szerzett építőmérnök MSc oklevelet, majd 2016-ban Ph.D. fokozatot. A BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszékén dolgozik 2011 óta, 2019-től, mint egyetemi docens. Fulbright ösztöndíjasként a UW-Madison (USA) vendégkutatója volt a 2017/18-as tanévben. Kutatási területe a fizikai limnológia, a hidrometeorológia, különös tekintettel a víz-levegő határfelület turbulens cserefolyamatainak örvény-kovariancia elvű mérése, a tavak hőháztartása, valamint a numerikus hidrodinamikai modellezés.

Hivatkozások

Anderson, E., Schwab, D.J., Gregory, A.L. (2010). Real-Time Hydraulic and Hydrodynamic Model of the St. Clair River, Lake St. Clair, Detroit River System. Journal of Hydraulic Engineering 136(8). pp. 507-517. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000203

Chen, C., Liu, H., Beardsley, R.C. (2003). An Unstructured Grid, Finite-Volume, Three-Dimensional, Primitive Equations Ocean Model: Application to Coastal Ocean and Estuaries. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 20(1). pp. 159-186. https://doi.org/10.1175/1520-0426(2003)020<0159:AUGFVT>2.0.CO;2

Dong, F., Mi, C., Hupfer, M., Lindenschmidt, K-E., Peng, W., Liu, X., Rinke, K. (2020). Assessing vertical diffusion in a stratified lake using a three-dimensional hydrodynamic model. Hydrological Processes 34. pp. 1131-1143. https://doi.org/10.1002/hyp.13653

Durski, S.M., Glenn, S.M., Haidvogel, D.B. (2004). Vertical mixing schemes in the coastal ocean: Comparison of the level 2.5 Mellor-Yamada scheme with an enhanced version of the K profile parameterization. Journal of Geophysical Research 109. C01015. https://doi.org/10.1029/2002JC001702

Fairall, C.W., Bradley, E.F., Hare, J.E., Grachev, A.A., Edson, J.B. (2003). Bulk parameterization of air-sea fluxes: Updates and verification for the COARE algorithm. Journal of Climate 16(4). pp. 571-591. https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016<0571:BPOASF>2.0.CO;2

Holthujsen, L.H. (2007). Waves in Oceanic and Coastal Waters. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511618536

Homoródi K., Józsa J., Krámer T., Ciraolo, G., Nasello, C. (2012). Identifying wave and turbulence components in wind-driven shallow basins. Periodica Polytechnica Civil Engineering 56(1). pp. 87-95. https://doi.org/10.3311/pp.ci.2012-1.10

Ji, Z.G., Jin, K.R. (2006). Gyres and seiches in a large and shallow lake. Journal of Great Lakes Research 32(4). pp. 764-775. https://doi.org/10.3394/0380-1330(2006)32[764:GASIAL]2.0.CO;2

Józsa J. (2001). Sekély tavak cirkulációs áramlásai. MTA Doktori Értekezés, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem.

Józsa J. (2014). On the internal boundary layer related wind stress curl and its role in generating shallow lake circulations. Journal of Hydrology and Hydromechanics 62(1). pp. 16-23. https://doi.org/10.2478/johh-2014-0004

Józsa J., Milici, B., Napoli, E. (2007). Numerical simulation of internal boundary-layer development and comparison with atmospheric data. Boundary-Layer Meteorology 123. pp. 159-175. https://doi.org/10.1007/s10546-006-9134-9

Kang-Ren., J., Zhen-Gang, J. (2005). Application and Validation of Three-Dimensional Model in a Shallow Lake. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering 131(5). pp. 213-225. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(2005)131:5(213)

Kocsis M., Szatmári G., Kassai P., Kovács G., Tóth J., Krámer T., Torma P., Homoródi K., Pomogyi P., Szeglet P., Csermák K., Makó A. (2022). Soluble phosphorus content of Lake Balaton sediments. Journal of Maps 18(2). pp. 142-150. https://doi.org/10.1080/17445647.2021.2004943

Krámer T. (2006). Solution-adaptive 2D modelling of wind-induced lake circulation. Ph.D. Értekezés. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem.

Laval, B., Imberger, J., Hodges, B.R., Stocker, R. (2003). Modeling circulation in lakes: Spatial and temporal variations. Limnology and Oceanography 48(3). pp. 983-994. https://doi.org/10.4319/lo.2003.48.3.0983

Lükő G., Torma P., Weidinger T. (2022b). Intra-seasonal and intra-annual variation of the latent heat flux transfer coefficient for a freshwater lake, Atmosphere 13. 352. https://doi.org/10.3390/atmos13020352

Lükő G., Torma P., Krámer T., Weidinger T. (2022a). Air-lake momentum and heat exchange in very young waves using energy and water budget closure. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 127. e2021JD036099. https://doi.org/10.1029/2021JD036099

Lükő G., Torma P., Weidinger T., Krámer T., Vecenaj, Z., Grisogono, B., Lázár I. (2021). Internal boundary layer development over lake surface in case of very young waves. EMS Annual Meeting Abstracts. https://doi.org/10.5194/ems2021-155

Mellor, G.L. (2008). The Depth-Dependent Current and Wave Interaction Equations: A Revision. Journal of Physical Oceanography, 38(11). pp. 2587-2596. https://doi.org/10.1175/2008JPO3971.1

Niu, Q., Xia, M. (2017). The role of wave-current interaction in Lake Erie’s seasonal and episodic dynamics. Journal of Geophysical Research: Oceans 122. pp. 7291–7311. https://doi.org/10.1002/2017JC012934

Qi, J., Chen, C., Beardsley, R.C., Perrie, W., Cowles, G.W., Lai, Z. (2009). An unstructured-grid finite-volume surface wave model (FVCOM-SWAVE): Implementation, validations and applications. Ocean Modelling 28(1–3). pp. 153–166. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2009.01.007

Torma P., Krámer T. (2017). Wind Shear Stress Interpolation over Lake Surface from Routine Weather Data Considering the IBL Development. Periodica Polytechnica Civil Engineering 61(1). pp. 14–26. https://doi.org/10.3311/PPci.9542

Torma P. (2016). Modelling wind-driven shallow lake hydrodynamics and thermal structure. Doktori értekezés Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest.

Warner, J.C., Sherwood, C.R., Signell, R.P., Harris, C.K., Arango, H G. (2008). Development of a three-dimensional, regional, coupled wave, current, and sediment-transport model. Computers & Geosciences 34(10). pp. 1284-1306. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2008.02.012

Wiles, P.J., van Duren, L.A., Häse, C., Larsen, J., Simpson, J.H. (2006). Stratification and mixing in the Limfjorden in relation to mussel culture. Journal of Marine Systems 60(1-2). pp. 129-143. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2005.09.009

Zhao, Q., Ren. J., Wang, J.X.L. (2018). Temporal and spatial characteristics of potential energy anomaly in Lake Taihu. Environmental Science and Pollution Research 25. pp. 24316-24325. https://doi.org/10.1007/s11356-018-2204-y

Zhao, Q., Sun, J., Zhu, G. (2012). Simulation and Exploration of the Mechanisms Underlying the Spatiotemporal Distribution of Surface Mixed Layer Depth in a Large Shallow Lake. Advances in Atmospheric Sciences 29(6). pp. 1360-1373. https://doi.org/10.1007/s00376-012-1262-1