Kitekintő

Korszerű mérőeszközök az Országos Meteorológiai Szolgálat hálózatában

TÓTH RÓBERT

Országos Meteorológiai Szolgálat Marczell György Főobszervatórium; toth.r@met.hu

Bevezetés

Évtizedekkel ezelőtt a meteorológiai állomásokat a fehérre festett hőmérőházról vagy a forgó szélkanalakról lehetett felismerni. A mérőeszközök zöme mechanikus elven működött, s a legtöbbjük leolvasásához szakképzett észlelőre volt szükség. A mért adatok URH adóvevőn, postai táviratban vagy levelezőlapon jutottak el az Országos Meteorológiai Szolgálat központjába. Az adatok feldolgozása, ellenőrzése, archiválása döntően papír alapon történt. Az infokommunikációs technológia gyors fejlődése ezen a területen is ugrásszerű változásokat hozott. A 20. század utolsó két évtizedében indult meg az automata meteorológiai mérőműszerek bevetése, kezdetben a tehetősebb országok szolgálatainál, mint például Japán, Hollandia, Franciaország, Egyesült Királyság. Az Országos Meteorológiai Szolgálat (OMSZ) a jó nevű finn VAISALA cég eszközei mellett döntött, amikor az 1990-es évek elején elkezdte a földfelszíni és a magaslégköri mérőrendszereinek az automatizálását (Tóth R. – Bereczky L. 1993).

A földbázisú meteorológiai mérőhálózat

Napjainkban az OMSZ földbázisú mérőhálózata mintegy 300 automata állomásból, 440 hagyományos csapadékmérő állomásból, 4 időjárási radarból, 2 rádiószondázó állomásból, 46 globálsugárzás-mérőből, 6 UV-B-mérőből, országos villámlokalizációs és gammadózis-teljesítményt mérő, valamint cseppméreteloszlást mérő hálózatból áll. A Szolgálat üzemeltet még 4 háttérlevegőszennyezettség-mérő állomást is, és rendelkezünk olyan mérőeszközökkel, amelyek légköri jellemzők függőleges eloszlásának meghatározására képesek (profilozó berendezések), mint szélprofilmérő, felhőalapmérő és radiométer. Ez a meglehetősen sűrű mérőhálózat látható az alábbi ábrán.

A magyarországi földfelszíni meteorológiai állomáshálózat elhelyezkedése (forrás: Ablonczy D. 2018) A kék számok csapadékmérő-állomásokat, a piros, zöld és világosbarna ötjegyű számmal jelölt helyek automata meteorológiai állomásokat jeleznek. A Szegeden működő radiométert, a Siófokon és Szegeden felállított szélprofilmérőt a műszer képe, a rádiószondázó állomásokat (Budapest Pestszentlőrinc, Szeged) egy meteorológiai ballon, a radart (Pogányvár, Budapest, Napkor, Szentes-Lapistó) a torony képe, az UV-B állomás (Keszthely, Siófok, Budapest, Kecskemét, Kékestető, Szeged) helyét szintén a műszer képe jelzi.

A továbbiakban röviden ismertetem a fenti eszközök működését és főbb műszaki tulajdonságait. Az OMSZ hálózatában közel 300 automata állomás méri percenként az adatokat és küldi azokat tízpercenként a központba. Az állomásokon jellemzően léghőmérséklet, légnedvesség, csapadék, szélsebesség és szélirány mérése folyik, ami számos helyen kiegészül a légnyomás, globálsugárzás, gammadózis-teljesítmény, cseppméreteloszlás, felhőalap, talajnedvesség és talajhőmérséklet mérésével. A mérőállomás fő egységei az adatgyűjtő és az érzékelők. Az adatgyűjtő fogadja az érzékelőktől érkező elektromos vagy elektronikus jeleket, gyűjti, tárolja és továbbítja azokat. Az újabb, programozható adatgyűjtők már a mérés helyszínén is képesek adatellenőrzésre.

Automata meteorológiai állomás (fotó: Kálmán Imre)

Az érzékelők működése

A hőmérséklet mérésére széles körben elterjedt a 100 ohm ellenállású platinaszál alkalmazása, mert az ellenállása és a környezeti hőmérséklet között lineáris összefüggés van (Pt100 hőmérséklet-érzékelő). A hőmérséklet- és nedvességszenzort gyakran építik egy mikrofonra emlékeztető, a végében elhelyezett érzékelőket porózus kupakkal védő egységbe, amelyet függőlegesen helyeznek a fehér, lefelé néző tányérok sorozatára hasonlító árnyékolóba. Az árnyékoló az egykori hőmérőház szerepét tölti be, azaz védi az érzékelőket a közvetlen napfénytől és a csapadéktól.

A Pt100 hőmérsékletérzékelő
Árnyékoló a hőmérséklet és nedvesség szenzor elhelyezésére 

A védőtokkal ellátott Pt100 hőmérséklet-érzékelő alkalmas a talajhőmérséklet mérésére is, általában 5, 10, 20, 50 és 100 cm mélységbe ássák le. A légnedvességmérők kapacitív elven működnek. A fejrészükben két vezető elektróda között ún. vékonyfilm polimer helyezkedik el (VAISALA), aminek dielektromos tulajdonságai változnak az abszorbeált vízpára függvényében, és ez a kapacitásváltozás mérhető. 

A VAISALA cég légnedvesség érzékelője 

A csapadék térben és időben igen változékony, ugyanakkor jelentős hatást gyakorol az életünkre, ezért ezt az elemet mérjük a legtöbb ponton (jelenleg kb. 750 helyen), de a távérzékelési eszközök egy része is a csapadék meghatározását szolgálja. Az automata csapadékmérőknek két típusa terjedt el: a billenőedényes és a súlyméréses. Mindegyik felfogó felülete 200 cm2. Így a billenőedényes mérő esetében 2 g víz felel meg 0,1 mm csapadéknak, ez a mérés felbontása. A billenőtartályon lévő mágnes minden billenéskor jelet ad a relének, amit elektronikus számláló rögzít. A súlyméréses csapadékmérő nagy, kb. 30 literes tartálya egy mérlegcellán helyezkedik el, ami nagy pontossággal méri a tartály súlyát (valójában a tömegét). Mivel nincs mozgó alkatrésze, elég megbízható. Mindkét típus rendszeres tisztítást és kalibrálást igényel. Ha a csapadékmérő felfogó karimája fűthető, akkor a téli csapadékot is tudja mérni. Pontosabb mérésre képes a billenőedényes és a súlyméréses elveket ötvöző ún. hibrid csapadékmérő.

A billenőedényes csapadékmérés elve 

A talajra lehullott hóréteg vastagságát hagyományosan mérőléccel határozták meg, és a társadalmi munkában csapadékot mérő személyek a mai napig így mérik reggel 6:45 órakor. Kékestetőn üzemeltetünk egy lézeres hóvastagságmérőt. Az érzékelő 2,5 méteres magasságban egy oszlopon van elhelyezve, és a talajszintet 0 cm-re kalibrálják. A kibocsátott lézerfény visszaverődik a hórétegről, az érzékelő a visszaverődés idejét méri, ami fordítottan arányos a hó magasságával.

A német gyártmányú OTT Pluvio súlyméréses csapadékmérő belseje 

Mintegy három évszázadon át a légnyomásmérés elsődleges eszköze a higanyos barométer volt. Az automatizálás az aneroid eszközökkel indult. Napjainkban kapacitív és piezo elven működő nyomásérzékelőket egyaránt alkalmazunk. Az első esetben egy szilíciumos érzékelő egyik fegyverzete a légnyomás változására kissé meghajlik, miáltal megváltozik az érzékelő elektromos kapacitása. A második esetben a fegyverzetek között egy piezo lapka helyezkedik el, ami a nyomáskülönbség hatására feszültséget generál. A kapacitás- és feszültségváltozások értékei alapján kiszámítható a légnyomás mértéke. 

A piezoelektromos légnyomásmérő mérési elve 

A szél mérésére is több módszer alkalmas. Az OMSZ-nél a forgókanalas szélsebességmérők és a forgózászlós széliránymérők honosodtak meg, de üzemeltetünk néhány ultrahangos (szónikus) szélmérőt is. A forgókanalas szélsebességmérőnél a szél forgat egy 3 kanálból álló rendszert (a kanalak nem félgömbök, hanem kónuszosan kialakítottak, azaz kissé kúposak), és a forgási sebességet fototranzisztor érzékeli. A szélirány meghatározása hasonló módszerrel történik. Az ultrahangos szélsebességmérő érzékelője megméri a terjedési időt az adó és a vevő között, és mivel a szél irányától függően erősíti vagy gyengíti a hang terjedését, ebből számítható a szél sebessége.

Szónikus és forgókanalas szélmérő Hegyhátsálon a TV-tornyon (fotó: Haszpra László)

Korábban a Campbell–Stokes-féle üveggömbös napfénytartammérőt használtuk hálózatszerűen (Tóth R. 2014). Az ebből nyerhető információnál lényegesen több célra használható a globálsugárzás-mérő adata, ami a Napból érkező teljes rövidhullámú (direkt és diffúz) sugárzási tartományt méri. A mérőfejen kettős üvegbúra alatt egy feketére festett termooszlop a Nap beérkező energiájával arányos feszültséget generál (piranométer). A jelenleg működő 46 globálsugárzás-mérő jó területi fedettséget biztosít. A pestszentlőrinci Marczell György Főobszervatórium 1978 óta a Meteorológiai Világszervezet (WMO) Regionális Sugárzási Központja, ezért több speciális sugárzási paraméter mérésére szolgáló eszközzel is rendelkezik, ilyenek például a direkt sugárzást mérő pirheliométer, a hosszúhullámú sugárzást mérő pirgeométer és a légkör függőleges ózontartalmának mérésére készített Brewer-spektrofotométer. 1993-ban indult a közepes hullámhosszú ibolyántúli sugárzást (UV-B) megfigyelő és a lakosságot figyelmeztető rendszer, amit jelenleg 6 UV-B mérő szolgál.

A globálsugárzás mérő (piranométer) elvi felépítése 

Hazánkban több szervezet is méri a környezetben előforduló különböző radioaktív sugárzásokat az Országos Katasztrófavédelmi Főigazgatósággal együttműködve. Az OMSZ mintegy 25 helyen, főleg az országhatár mentén méri folyamatosan a gammadózis-teljesítményt. A mérőeszköz egy Geiger–Müller-számláló, amiben proporcionális számlálócső (a töltött részecskék számát és energiáját is meghatározni képes gáztöltésű detektor). helyezkedik el. A csőben a szigetelő gáz miatt alapesetben sugárzás hiányában nem folyik áram, a beérkező radioaktív részecskékazonban ionizálják a gázt, ami vezetővé válik, és a keletkező elektromos áramot mérjük.

A gammadózis-teljesítmény mérő mérési elve 

Távérzékelési eszközök

Cseppméreteloszlás-mérő eszköz 2 m magasságban elhelyezett lézeres adóból és vevőből áll. Működése során a csapadékelemek (esőcsepp, jégszem, hópehely stb.) lézerfényszalagon esnek át, és esésük során kitakarják azt. A kitakarási időből ismerjük a csepp sebességét, a kitakarás nagyságából pedig a térfogatát (Ablonczy D. 2018). E két adatból meghatározható a halmazállapot is. Mindezekből az eszköz képes megállapítani a csapadékhullás kezdetét és végét, a hullás intenzitását, a csapadék alakját és mennyiségét, sőt az adó és vevő közötti légállapotot extrapolálva a vízszintes látástávolságot is megadja.

A cseppméreteloszlást mérő műszer (fotó: Kálmán I.)

A meteorológiai célú időjárási radart (rádiólokátort) elsősorban a csapadékmezők felderítésére, mozgásuk, fejlődésük követésére használjuk, de alkalmas erdőtüzek és nagyobb madárvonulás érzékelésére is. A radar folyamatosan forog, és több magassági szögön igen rövid idejű elektromágneses impulzust bocsát ki. Ez a jel a levegőben lebegő szilárd és folyékony vízrészecskékről (a hidrometeorokról) visszaverődik. A doppler üzemmód és a kétféle polarizáció segítségével megállapítható a csapadékmező kiterjedése, a csapadék halmazállapota, mozgása és intenzitása is. Időjárási radarjaink mérési távolsága 250 km, de ilyen messziről – a Föld görbülete miatt – az alacsonyabb szintű jelenségeket már nem észleli. Jelenleg az OMSZ 4 amerikai duálpolarizációs radart üzemeltet, és folyamatban van az ötödik radar telepítése. Ezek segítségével belátható az egész Kárpát-medence légtere, nemzetközi együttműködés keretében pedig szinte egész Európáé.

Az időjárási radar mérési elve 

Két éve újította meg az OMSZ a villámlokalizációs hálózatát 11 német gyártmányú LINET antennával. Az antennák kis időkülönbséggel érzékelik a villámkisülés rádiójeleit, az ezekből készült hiperbolák metszéspontja adja a villámlás helyét. A rendszer képes megadni a villámlás erősségét, polaritását, és megkülönbözteti a felhők közötti villámot a lecsapótól. Villámlás kizárólag zivatarfelhőben keletkezik, ezért ez a rendszer fontos szerepet játszik az ország felett átvonuló zivatartevékenység előrejelzésében és nyomon követésében. Egy markáns hidegfront átvonulása során akár 60 000-70 000 villámkisülés is keletkezhet.

Villámlokalizációs LINET antenna 

A távérzékelési eszközök elterjedése előtt a felhők fajtája, alakja, mozgása és magassága alapvető információt jelentett az előrejelzéshez. A légiközlekedés biztonsága érdekében ma is fontos a zivatarfelhők és tornyos gomolyfelhők helyének és várható megjelenésének az ismerete. Ehhez nyújt komoly segítséget a lézeres felhőalapmérő, ami lényegében lézeres radar, azaz LIDAR (Lufft CHM15K felhőalapmérő). A kibocsátott impulzus visszaverődik a felhők vízcseppjeiről, ebből megállapítható azok magassága. A felhőborítottság algoritmusa (a felhők változása 30 perces időablakban) segítségével pedig becslést ad a borultság nagyságára. Az eszköz alkalmas a nagy koncentrációjú aeroszolréteg mozgásának megfigyelésére is, így például az afrikai eredetű por ideszállítása is kimutatható. Az OMSZ jelenleg 12 felhőalapmérőt üzemeltet.

A szélprofilmérő segítségével egy függőleges mentén rétegenként meghatározható a szélvektor. A kibocsátott elektromágneses hullám a szél által keltett mikroturbulenciákról visszaverődik. A kibocsátás és a visszaverődés között eltelt időből számítható a magasság, a frekvencia eltolódásából pedig a szélvektor egyik irányú összetevője. Ha vízszintesen, függőlegesen és döntve is kiadunk jelet, akkor a visszavert jelekből összeáll a háromdimenziós szélvektor (link 12). Az OMSZ mérőhálózatában egy finn és egy francia gyártmányú szélprofilmérő működik Szegeden és Siófokon.

A szélprofilmérő működési elve 

A légkörből a mikrohullámú frekvenciatartományba érkező sugárzás elsősorban az oxigénből, a vízgőzből és a folyékony vízből ered, és a sugárzás energiája függ az említett közegek hőmérsékletétől és helyi eloszlásától. A troposzféra függőleges hőmérsékleti profilja megismerhető a földbázisú passzív mikrohullámú radiométeres méréssel a 60 GHz spektrum közelében. A 22–30 GHz vízgőzelnyelési sáv a vízgőz és a folyékony víz együttes mennyiségéről ad információt. A földbázisú és űrbázisú radiométerek jól kiegészítik egymást, mert míg a műholdas eszköz durva tér- és időbeli felbontással méri a felső troposzférát, addig a földi berendezés nagy tér- és időbeli felbontásra képes a planetáris határrétegben és az alsó troposzférában. Az OMSZ egy mikrohullámú radiométerrel rendelkezik, amely tartós, üzemszerű alkalmazására még nem került sor.

MP-3070A típusú radiométer a szegedi rádiószondázó állomáson. A műszer hőmérséklet, a légnedvesség és a folyékony víztartalom meghatározására egyaránt képes. Háttérben a szélprofilmérő. (forrás: OMSZ)

A magaslégkör állapotának felderítésére több mint 100 éve alkalmaznak felfújt ballonhoz kötött mérőberendezéseket. Ezek a kezdetben mechanikus eszközök jelentős műszaki fejlődésen mentek át a mérés és az adattovábbítás terén egyaránt. Az OMSZ régóta üzemeltet két rádiószondázó állomást Pestszentlőrincen és Szegeden. Tavaly állítottuk üzembe mindkét helyen a finn VAISALA cég autoszondázó berendezését, ezzel a napi két-két felszállás nem igényel emberi közreműködést. Az automatika gondoskodik a ballonok hidrogénnel való töltéséről, a rádiószonda hozzáerősítéséről és a pontos időben történő elengedéséről (6. ábra). A meteorológiai ballon kb. 300 métert emelkedik percenként, és 30-35 kilométeres magasságban pukkan szét. Emelkedés közben méri a hőmérsékletet, a légnedvességet, GPS-adatokból számítja a szelet, a légnyomást pedig méri vagy számítja. Kísérletek folynak arra, hogy a lefelé eső szonda adatait is ki lehessen nyerni. A magaslégköri adatok fő alkalmazási területe az időjárási modellezés, a repülésmeteorológia és a ballisztika.

Rádiószondát indítása a pestszentlőrinci főobszervatórium mérőkertjében (fotó: Kálmán I.)

Összefoglalás

Manapság a meteorológiai megfigyelések (a felhőfajták elkülönítése kivételével) automatizálhatók. Az automatizálás útjára lépett az OMSZ is, és az elmúlt három évtizedben jelentősen átalakította mérőhálózatát. 14 mérőponton maradt meg az emberi észlelés általában egy fővel, akiknek a munkáját a fent felsorolt modern eszközök segítik. Ha az előrejelzések szerint nem várható a repülésre veszélyes időjárás (zivatar, köd, alacsony felhőzet, változó halmazállapotú csapadék, havazás), akkor a keleti és nyugati országrészben egy-egy észlelő végzi mind a 14 pontra a vizuális észleléseket a távészlelést támogató rendszer segítségével, amihez webkamerák is tartoznak. Az automatizálással a korábbiakhoz képest nagyságrendekkel több megfigyelési adat fut be a Szolgálathoz. Ezek valós idejű ellenőrzéséhez pár éve létrehoztuk az Adatellenőrzési Osztályt. Az itt dolgozók felügyelik a mérőeszközök folyamatos adatküldését, hibaüzeneteit,ésautomatikus szűrési algoritmusokkal igyekeznek kiszűrni a hibás adatokat, mielőtt azok bekerülnének az adatbázisba.

Irodalom

  • Ablonczy D. (2018): Hogyan mérjük az esőt? Mennyire süt most a Nap? Hogyan működik a szélmérő? (meteorológiai érzékelők egyszerűen, a hétköznapokban). – Légkör 63. 4. pp. 162–176.
  • Tóth R. (2014): A napfénytartammérő élt 160 évet. – Légkör 59. 4. pp. 178–180.
  • Tóth R. – Bereczky L. (1993): A földfelszíni megfigyelések automatizálása. – Légkör 38. 4. pp. 22–25.

Vélemény, hozzászólás?

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük