 |
Interaction of physical processes across spatial and temporal scales in shallow lakes
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
120551 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Józsa, János |
| Title in Hungarian |
Sekély tavak fizikai folyamatainak kölcsönhatása tér- és időbeli léptékeken keresztül |
| Title in English |
Interaction of physical processes across spatial and temporal scales in shallow lakes |
| Keywords in Hungarian |
hidrodinamika, termodinamika, vízcsere, hullámzás, áramlás, üledékmozgás |
| Keywords in English |
hydrodynamics, thermodynamics, water exchange, waves, currents, sediment motion |
| Discipline |
| Water Management (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Water management |
|
| Panel |
Natural Sciences Committee Chairs |
| Department or equivalent |
Department of Hydraulic and Water Resources Engineering (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Csibrán, Adrián Zoltán
Homoródi, Krisztián
Honti, Márk
Istvánovics, Vera
Krámer, Tamás
Torma, Péter
|
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2021-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
39.587 |
| FTE (full time equivalent) |
10.00 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nagy, sekély tavakban a hidrodinamikai folyamatok széles léptéket ölelnek fel, emellett a levegő-víz és a víz-mederüledék határfelületen fellépő fluxusoknak kiemelkedik a jelentősége. Ebben a projektben egy megfigyelések által vezérelt fizikai modellrendszert kívánunk kidolgozni, amely a helyi jelenségeket kellő pontossággal képzi le és ezzel egyidőben a tóléptékű fizikai folyamatokat is képes szimulálni. A kutatás két alapon nyugszik:
1. A Balaton és a Fertő litorális zónájában végzett kisléptékű megfigyeléseken, amelyek megbízható lokális adatokat adnak a hidrodinamikai és ökológiai folyamatokról;
2. Ezeknek a tavaknak a többskálájú hidrodinamikai modellezésén, amit reprezentatív és módszeresen áthelyezett mérésekkel választunk ki, kalibrálunk és igazolunk.
A kutatás céljai:
1. Meghatározni a vízből kiemelkedő makrofitaszigetek (egyéni és aggregált) hatását a szélre, hullámzási mezőre, hullámzás-áramlás kölcsönhatására, a hordaléktranszportra és a hosszútávú mederváltozásokra.
2. Feltárni az advekció, a függőleges fluxusok és a termelés relatív szerepét a helyi fizikai változók időbeli alakulásában és meghatározni a modellkalibráció és a térbeli extrapoláció bizonytalanságának forrásait és mértékét.
3. Kifejleszteni egy validált, teljes tóra kiterjedő termodinamikai modellt, amely alkalmas hosszú szimulációkra és statisztikai elemzésekre, figyelembe veszi a hullámzás okozta elkeveredést és leképezi a hőmérsékleti rétegződést, mederfluxusokat és a tavi áramlások okozta függőleges konvekciót is.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A nagy, sekély tavak fizikai modellfejlesztései főként a tavat átfopgó folyamatok leírására irányultak. Ezek a nagy léptékű modellek nem képesek olyan pontossággal számítani a lokális hidrodinamikai viszonyokat, hogy a szimulált fizikai változókkal meghajtva magasabb szintű jelenségeket (mint pl. a vízminőség alakulása) modellezhessünk. Ugyanakkor a gyakran figyelmen kívül hagyott lokális feltételek fontosak a nagyléptékű megközelítésekhez, mégpedig az alábbi, egymással összefüggő okokból:
1. Amikor a mérések által érzékelt lokális változékonyság jelentősen meghaladja a nagyléptékű modelllel becsültet, akkor nehéz megítélni, hogy a mérések igazolják-e, vagy éppen megcáfolják a modelleredményeket.
2. A helyi feltételek hosszú távon tóléptékú változásokban összegződhetnek, így pl. a nádas- vagy kákaszigetekhez hasonló akadályok egyénileg és csoportosan megváltoztathatják a medermorfológiát a közvetlen környezetükben.
A lokális léptéknek a felbontás egyszerű növelésével való leírása nemcsak drága, de nem is garantálja azt, hogy a nagy léptékben jól működő egyenletek a kis léptékre vetítve is megfelelnek.
Az a hipotézisünk, hogy lehetséges olyan olcsóbb és pontosabb aggregált modelleket alkotni, amelyek leírják a rácsméret alatti változékonyság nemlineáris hatásait. Ilyen modellek összekapcsolhatók a nagy léptékű modellekkel és áthidalják az űrt a tavat átfogó modellezés és a lokális ökológiai megfigyelések / modellezés között.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás előremozdítja a sekély tavak fizikai folyamatainak idő- és térbeli dinamikájának, azok relatív fontosságának az alapvető megértését. Változók széles körének térben szórt mintázással és nagy időfelbontással való mérésével megbízható adathalmazt hozunk létre, és ennek alapján modelleket fejlesztünk ki és igazolunk a következők elemzésére:
1. a vízből kiemelkedő makrofiták egymással összefüggő és széles léptéktartományt átfogó hatása a légkörre, a vízre és a mederre,
2. látszólag egyenletes tóterületeken kialakuló nagy helyi változékonyság a fizikai és vízminőségi változókban, valamint
3. a szél által teljesen átkeveredő sekély tavakban a vízhőmérséklet idő- és térbeli eloszlása.
A tóléptékű modelleket továbbfejlesztjük ahhoz, hogy azok a lokális jelenségeket pontosabban megbecsüljék és emellé olyan beágyazott modelleket fejlesztünk ki, amelyekkel a tavi és a lokális léptékek közötti átvitel megvalósítható. Az egyik vezérelvünk az, hogy eredményül konkrét és költséghatékony modelleket kapjunk amelyek nagy felbontású statisztikai elemzéseket is lehetővé tesznek.
Ezeket az eredményeket gyakorlatilag az összes olyan folyamat kutatása felé közvetlenül át lehet vinni, amely az anyagáramok részletes elemzésén és előrejelzésén alapszik, ilyen a vízminőség, ökológia vagy hidromorfológia. Így a kutatási projekt közvetett társadalmi haszna messzemenő, kiterjed a közegészségügyre, katasztrófavédelemre, természetvédelemre és az idegenforgalomra.
Magyar kutatócsoportok a Pannon Egyetemen, az MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézetében és az ELTÉ-n szintén foglalkoznak tavi hidrodinamikával és limnológiával. Hasonló kutatásnak otthont adó nemzetközi intézményből számtalan ismert.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A nagy, sekély tavakban a vízmozgások széles léptéket ölelnek fel, emellett a vízfelszínen és a medefenéken fellépő erőknak és anyagáramoknak kiemelkedik a jelentősége. Ebben a projektben egy megfigyelések által vezérelt fizikai modellrendszert kívánunk kidolgozni, amely a helyi jelenségeket kellő pontossággal képzi le és ezzel egyidőben a tóléptékű fizikai folyamatokat is képes modellezni. A kutatás két alapon nyugszik:
1. A Balaton és a Fertő parti zónájában végzett kisléptékű megfigyeléseken, amelyek megbízható helyi adatokat adnak az áramlástani és ökológiai folyamatokról;
2. Ezeknek a tavaknak a mérésekkel igazolt áramlástani modellezésén.
A kutatás céljai:
1. Meghatározni a vízből kiemelkedő nádasszigetek hatását a szélre, hullámzásra, hordalékvándorlásra és a hosszútávú mederváltozásokra.
2. Feltárni az áramlások sodrása, a függőleges hatások és a helyi termelődés szerepét a helyi fizikai változók (hullámzás, sebesség, hőmérséklet, oxigéntartalom) időbeli alakulásában és meghatározni a modell bizonytalanságának forrásait és mértékét.
3. Kifejleszteni egy igazolt, a teljes tóra kiterjedő hőmérsékletmodellt, amely alkalmas hosszú időszakok számítására és statisztikai elemzésekre, figyelembe veszi a hullámzás okozta elkeveredést és leképezi a mélség menti hőmérséklet-különbségeket és a tavi áramlások hatását is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Hydrodynamic processes in large, shallow lakes span a wide range of scales, with utmost importance of boundary fluxes through the water-atmosphere and water-sediment interfaces. In this project we aim at developing a cascade of observation-driven physical models that account for local phenomena with sufficient accuracy and can simultaneously be used to simulate lake-wide, long-term physical processes. The research is based on two tiers:
1. Small-scale hydrodynamic and ecological observations made in the littoral zone of Lake Balaton and Lake Neusiedl to provide reliable local data about hydrodynamic and ecological processes;
2. Hydrodynamic modelling of these lakes at various scales, along with representative and systematically relocated observations made at distributed points in the lake to support model choice, calibration and validation.
The objectives of the research can be summarized as the following:
1. Determine the effect of emergent macrophyte patches (individual and aggregated) on wind, wave field, wave-current interaction, sediment transport and long-term bed changes.
2. Assess the relative role of advection, vertical fluxes and production in the time evolution of local physical and water quality variables and determine sources and magnitude of uncertainty in model calibration and spatial extrapolation.
3. Develop a validated thermodynamic model for the whole lake suitable for long simulations and statistical analyses that accounts for the effect of wave-induced mixing and resolves thermal stratification, bed fluxes, vertical convection due to the mean flow.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Developments in the physical modelling of large, shallow lakes have aimed mostly at describing lake-wide processes. These large-scale models are not capable of simulating local hydrodynamic conditions with an accuracy that would allow simulated physical variables to be used as drivers of higher level phenomena, for example development of water quality. However, the often-overlooked local conditions are important for large-scale approaches for several interconnected reasons:
1. When local variability sensed by measurements significantly exceeds variability predicted by the large-scale model, it is difficult to judge whether the observations validate or defy model results.
2. Local conditions sum up to lake-wide changes in the longer run. Individually small obstacles such as emergent macrophyte stands may alter bed morphology through changing the physical environment in their direct vicinity.
Describing the local scale by simply increasing the spatial resolution of large-scale models is not only costly, it is not guaranteed that equations performing well on large scale could do the same when projected to small locations.
Our hypothesis is that it is possible to come up with cheaper and more accurate aggregated models that account for nonlinear effects of subgrid-scale variations. Such models could be coupled to large-scale models and bridge the gap between the scales of lake-wide modelling and local ecological models / observations.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The research will advance the basic understanding of the relative importance and time- and space dynamics of physical processes in shallow lakes. Measuring a wide range of variables with spatially distributed sampling and high temporal resolution will provide a sound dataset, based on which mathematical models will be developed and substantiated for
1. the interrelated action of emergent macrophyte on air, water and the lakebed over a wide range of scales,
2. the local variability of physical and water quality variables in seemingly uniform parts of a lake, and
3. the spatial and temporal evolution of temperature in polymictic lakes.
Lake-wide models will be refined to yield more accurate predictions for local events or embedded models that translate between lake-wide and local scales will be developed. One of the governing goals is to obtain concrete and cost effective methods that will make high-resolution statistical analyses possible.
These results will be directly transferrable towards to practically all research of processes that rely on a detailed analysis and prediction of mass transport, such as water quality, ecology, hydromorphology. Thus the indirect societal benefits from this research project are far reaching, including public health, emergency management, nature conservation and tourism.
Other Hungarian research teams deal with lake hydrodynamics and limnology at the Pannon University, the Lake Balaton Limnological Research Institute of the Hungarian Academy of Sciences and the Eötvös Loránd University. There are too many international institutions with a similar research to list here.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Physical processes in large, shallow lakes span a wide range of scales, with utmost importance of the forces and heat exchange at the water surface and at the bottom. In this project we aim at developing a series of models that account for small-scale phenomena (such as waves, turbulence, vertical temperature differences) with sufficient accuracy and can simultaneously be used to simulate lake-wide, long-term physical processes (such as bed changes due to sediment transport).
The research is based on two tiers:
1. Small-scale observations made at several points in the nearshore zone of Lake Balaton and Lake Neusiedl to provide reliable local data about the fluctuations of wind, waves, currents, temperature, dissolved oxygen;
2. Creating accurate computer models of these lakes at various resolutions.
The objectives of the research can be summarized as the following:
1. Determine the effect of emergent vegetation patches (e.g. reed) on wind, wave field, sediment transport and long-term bed changes.
2. Assess the relative role of (i) transport by currents, (ii) exchange with the bed and the air, and (iii) production in the time evolution of local physical and water quality characteristics and determine the uncertainty in their modeling.
3. Develop a model for the 3D distribution of temperature in the whole lake suitable for months-long simulations and statistical analyses that accounts for the mixing by waves, temperature differences along the depth, heat exchange with the bed and heat transport with currents.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Kocsis, M., Szatmári, G., Kassai, P., Kovács, G., Tóth, J., Krámer, T., Homoródi, K., Pomogyi, P., Szeglet, P., Csermák, K., Makó, A.: Soluble phosphorus content of Lake Balaton sediments, Journal of Maps, 2022 | | Lükő, G., Torma, P., Weidinger, T.: Intra-Seasonal and Intra-Annual Variation of the Latent Heat Flux Transfer Coefficient for a Freshwater Lake, Atmosphere, 2022 | | Lükő, G., Torma, P., Weidinger, T., Krámer, T.: Air-Lake Momentum and Heat Exchange in Very Young Waves Using Energy and Water Budget Closure, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2022 | | Szilágyi, M., Zsugyel, M., & Krámer, T.: Légi felvételezés alkalmazhatósága sekély tavi növényzetfoltok hidrodinamikai hatásainak meghatározására, Hidrológiai Közlöny, 2019 | | Szilágyi M., Zsugyel M., Krámer T., Rehák A., Baranya S.: Mapping the Hydraulic Impact of Emergent Lake Vegetation Patches Using UAVs, Proceedings of the 2nd International Symposium and Exhibition on Hydro-Environment Sensors and Software, 2019 | | Lükő, G., Torma, P., Krámer, T., Weidinger, T., Vecenaj, Z., & Grisogono, B.: Observation of wave-driven air-water turbulent momentum exchange in a large but fetch-limited shallow lake, Proceedings of the EMS Annual Meeting, Copenhagen, DK, 2019 | | Lükő, G., Torma, P., Weidinger, T., & Krámer, T.: Hullámzás módosította turbulens impulzusáram mérése és becslése a Balaton légkör-víz határfelületén, HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY, 2021 | | Lükő, G,. Torma, P., Weidinger, T., Krámer, T., Vecenaj, Z., Grisogno, B., Lázár, I.: Internal boundary layer development over lake surface in case of very young waves, EMS Annual Meeting Abstracts, 2021 | | Szilágyi, M., Krámer T., Cinkler T., Rehák A., Csonthó M, Nagy Zs., Jászberényi Á.: A lightweight, autonomous, down-looking wave gauge array in shallow lakes, IAHR webinar on“Experimental Methods and Laboratory Instrumentation in Hydraulics", 2021 | | Szilágyi, M., Homoródi, K., Krámer, T.: Investigation of Wave Dynamics around a Vegetation Patch in a Shallow Lake, Proc. 12th IWA Eastern European Young Water Professionals Conference - WATER RESEARCH AND INNOVATIONS IN DIGITAL ERA, 2021 | | Szilágyi, M., Homoródi, K., Józsa, J., & Krámer, T.: Nádassziget hullámzásmódosító hatása – numerikus vizsgálatok, HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY, 2021 | | Lükő, G., Torma, P., Krámer, T., Weidinger, T., Vecenaj, Z., & Grisogono, B.: Observation of wave-driven air-water turbulent momentum exchange in a large but fetch-limited shallow lake, ADVANCES IN SCIENCE AND RESEARCH, 2020 | | Istvánovics V., Honti M.: Stochastic simulation of phytoplankton biomass using eighteen years of daily data - predictability of phytoplankton growth in a large, shallow lake, Science of The Total Environment, 2021 | | Honti, M., Istvánovics, V.: Error propagation during inverse modeling leads to spurious correlations and misinterpretation of lake metabolism, Limnology and Oceanography Methods, 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
