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

Vaja 1 Hidrološki podatki, podatki o kakovosti zraka 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

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)

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 - 360 postaj 2007 - 212 postaj (40 klimatoloških, 172 padavinskih)

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

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

Meritve in opazovanja MERITVE OPAZOVANJA 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 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

prostor za opazovanja in meritve na klasični meteorološki postaji 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)

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)

VREMENSKA HIŠICA 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

tekočinski termometer 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)

TEMPERATURA ZRAKA suhi in mokri termometer - psihrometer 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

TEMPERATURA TAL TEMPERATURA VODE 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

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

VETER Namestitev Meritve Enote 10 m nad tlemi Opazovanja 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

trajanje sončnega obsevanja 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

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

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

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.

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 ....

Meteorološke postaje

Meteorološke postaje

Meteorološke postaje

Meteorološke postaje

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

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

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.

Meteorološki radarji - delovanje impulz dolg nekaj s (nekaj 100 m), presledek nekaj 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)

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

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)

Meteorološki radarji Mreža meteoroloških radarjev v Evropi

Meteorološki sateliti Dve glavni skupini polarno-orbitalni geo-stacionarni

Geo-stacionarni sateliti 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) METEOSAT

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

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

Meteorološki sateliti

Podatki z meritev in opazovanj

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

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

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.

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

Vizualizacija baze podatkov

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

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

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)

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

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)

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

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

Osnovne opisne statistike – mere sredine Modus (F) je najbolj pogosta vrednost, ki se pojavlja v nizu. Odvisen je od natančnosti podatkov: Natančnost na nekaj decimalnih mest -> majhna verjetnost za ponovitev Pri zveznih (številskih) podatkih govorimo o modalnem razredu, ki v frekvenčni porazdelitvi pomeni razred z največjo frekvenco Mediana (razdelitev ranžirne vrste na dva enaka dela) Povprečje -> le za številske spremenljivke aritmetična sredina podatkov, pri čemer je N število vzorcev oz. število razpoložljivih podatkov Primerna za vsaj približno normalno porazdeljene spremenljivke

Osnovne opisne statistike – mere sredine Geometrijska sredina: predstavlja boljšo označbo centralne tendence (kot aritmetična sredina) za manjše podatkovne nize z ekstremnimi vrednostmi Harmonična sredina H (recipročn vrednost aritmetične sredine recipročnih vrednosti). Uporabimo jo za izračun povprečja spremenljivk, ki so definirane kot kvocient drugih spremenljivk

Osnovne opisne statistike – mere variabilnosti Maksimalna vrednost (max) – največja vrednost v obravnavanem nizu podatkov Minimalna vrednost (min) – najmanjša vrednost v obravnavanem nizu podatkov Variacijski razpon (R) – območje, v katerem se giblje obravnavana spremenljivka (med min. ter max. vrednostjo) Kvartlini razmik

Osnovne opisne statistike – mere variabilnosti Varianca ( ) – mera za razpršenost niza okrog njegove povprečne vrednosti Standardni odklon (s) – ocenimo kot koren variance, zato ima enake enote kot spremenljivka, katere lastnosti nas zanimajo Koeficient variacije (KV) – kazalec, ki prikazuje razpršitev statističnih enot okoli aritmetične sredine njihove populacije; v poštev pride pri razmernostnih spremenljivkah Primer: trajanje sončnega obsevanja v Ljubljani Varianca: 14210 ur^2 Standardni odklon: 119 ur Variacijski razpon: 542 ur Koeficient variacije: 7 %

Primer: trajanje sončnega obsevanja

Osnovne opisne statistike – mere povezanosti Primerjava dveh vzorcev ali populacij: ali sta si med seboj neodvisni ali sta kakorkoli povezani Korelacijski koeficient r Brezdimenzijska mera povezanosti Vrednosti med -1 ter 1 Vrednost 0: vzorca ali populaciji med seboj nista povezani

Merska lestvica spremenljivke Najboljša mera sredine Osnovne opisne statistike – mere sredine Merska lestvica spremenljivke Najboljša mera sredine Nominalne (vrednosti se lahko le razlikujejo med seboj) (kategorične) Modus Ordinalne (vrednosti lahko uredimo po velikosti) Mediana Intervalne (primerjamo lahko razlike med vrednostmi) Simetrični podatki: Povprečje Nesimetrični podatki: Mediana Razmernostne (primerjamo lahko razmerja med vrednostmi)

Letni hodi klimatoloških spremenljivk Povprečni hodi, ki jih narišemo na podlagi povprečnih mesečnih vrednosti izbranih spremenljivk preko daljšega obdobja Kdaj izbrane klimatološke spremenljivke dosežejo ekstremne vrednosti, se zadržujejo v ugodnem območju za določene aktivnosti (kmetijstvo, turizem) Povprečna (črna), minimalna (modra), ter maksimalna mesečna temp. (rdeča) za obdobje 1971-2000 Povprečna količina padavin po mesecih za obdobje 1971-2000

Letni hodi klimatoloških spremenljivk

Testiranje hipotez Primer: Primerjava povprečnega trajanja v obdobjih 1961-1990 ter 1991-2007 Dvo-vzorčni t-test: Podatki: trajanje sončnega obsevanja 1961-1990, 1991-2007 t = -5.97, Stopenj prostosti = 45, p-vrednost = 3.46e-07 povprečje (61_90) / povprečje (91_07) 1712.163 / 1949.606