 |
Climate change and atmospheric dispersion processes
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
121305 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Haszpra, Tímea |
| Title in Hungarian |
Éghajlatváltozás és légköri terjedési folyamatok |
| Title in English |
Climate change and atmospheric dispersion processes |
| Keywords in Hungarian |
éghajlatváltozás, légköri terjedés, kaotikus rendszerek, topologikus entrópia, szökési ráta |
| Keywords in English |
climate change, atmospheric dispersion, chaotic systems, topological entropy, escape rate |
| Discipline |
| Meteorology, atmospheric physics and dynamics (Council of Complex Environmental Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Meteorology |
|
| Panel |
Earth sciences 2 |
| Department or equivalent |
HUN-REN-ELTE Research Group for Theoretical Physics (Eötvös Loránd University) |
| Starting date |
2016-10-01 |
| Closing date |
2019-09-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.090 |
| FTE (full time equivalent) |
2.10 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az éghajlatváltozás lehetséges következményei rengeteg nyitott kérdést tartogatnak még. Az egyik fontos, de jelenleg még kevéssé vizsgált terület az éghajlatváltozás hatásainak felmérése a légköri szennyezések (gázok, aeroszol részecskék) terjedésére. A kutatás célja a légköri nagyskálájú terjedési folyamatok tanulmányozása a dinamikai rendszerek szemléletében valósághű meteorológiai adatok felhasználásával. Mivel korábbi vizsgálataink kimutatták, hogy a szétterjedés sajátosságai évszakos függéssel rendelkeznek, ami a tipikusan eltérő jellegzetességekkel rendelkező légköri áramlási viszonyoknak köszönhető, feltételezhető, hogy változó éghajlat mellett is módosulnak ezen tulajdonságok. Korábbi kutatásaink feltárták, hogy a különböző káosz-mérőszámok terjedésszámításba való átültetése egy általánosabb, átfogóbb képet nyújt a terjedésről. A folyamat jellemzésére jelen vizsgálatban az ún. topologikus entrópiát (mely a szennyeződésfelhők nyúlásának mértékét írja le), valamint az ún. szökési rátát (mely a kiülepedés ütemét számszerűsíti) tervezzük használni. Ekkor minden terjedési eseményhez egy-egy mérőszámot tudunk hozzárendelni, így vizsgálataink alkalmasak lesznek nagy számú numerikusan szimulált terjedési folyamat statisztikai analízisére. A modellszimulációk új ismeretekkel szolgálhatnak arról, hogy jövőbeli vulkánkitörések hamufelhői vagy ipari balesetek során kikerülő szennyezőanyagok terjedésének előrejelezhetőségében és más sajátosságaiban milyen mértékű változás várható.
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 kutatás célja annak a jelenleg még részleteiben nem vizsgált kérdésnek a felderítése, hogy változó éghajlati viszonyok miként befolyásolják a légköri szennyeződések kontinentális és globális léptékű terjedését. Abból adódóan, hogy korábbi munkáink azt mutatták, hogy a terjedés jellemzői (pl. gyorsasága, előrejelezhetősége, a szennyeződésfelhő szerkezete) évszakos függést mutatnak az eltérő cirkulációs viszonyokból adódóan, feltételezhető, hogy megváltozott éghajlati körülmények között a tulajdonságok más-más értékei lesznek uralkodók. A cél ezen különbségek felderítése, elemzése. A kutatás azt vizsgálja, hogy a jelenleg észlelt (pl. hőmérsékleti) változások már észlelhető hatást fejtenek-e ki a nagyskálájú terjedésre. Ezt követően egy közepes összetettségű éghajlati modell által előállított, jelentősen eltérő éghajlati viszonyokat képviselő meteorológiai mezőkben vizsgáljuk meg a terjedési jellemzők megváltozását. A modellszimulációk választ adhatnak arra a kérdésre, hogy jövőbeli vulkánkitörések hamufelhői vagy ipari balesetek során kikerülő szennyezőanyagok terjedésének előrejelezhetőségében és más sajátosságaiban milyen mértékű változás várható.
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!
Magasba lövellt vulkáni hamufelhők vagy ipari balesetek esetén a légkörbe kerülő gázok, aeroszol részecskék komoly hatással lehetnek a kibocsátási forrástól távol eső területekre is, ezért környezetvédelmi szempontból ezen kontinentális és globális skálájú terjedési folyamatok szimulációja nagy jelentőséggel bír. Habár az utóbbi években készültek már tanulmányok, melyek az éghajlatváltozás és a levegőminőség kapcsolatát vizsgálták, ezek többnyire a regionális és lokális skálára összepontosítottak vagy a szennyeződések koncentrációbeli eltérését elemezték (Bytnerowicz et al., 2007, Env. Poll., 147(3), 438–445; Kinney, 2008, Am. J. Prev. Med., 35(5), 459–467; Jacob et al., 2009, Atmos. Env., 43(1), 51–63; Fang et al., 2011, J. Geophys. Res.: Atmos., 116, D18303), és nem a terjedést magát. A kutatás ezért a nagyskálájú terjedési jellemzők (pl. intenzitás, előrejelezhetőség) a változó éghajlat függvényében való lehetséges módosulásainak felmérését tűzte ki célul. A vizsgálatok egy része az elmúlt évtizedek meteorológiai reanalízis adatain fog alapulni: ez képet ad arról, hogy a jelenleg észlelt (pl. hőmérsékleti) változások már észlelhető hatást fejtenek-e ki a nagyskálájú terjedésre. A későbbiekben egy közepes összetettségű éghajlati modell által előállított, jelentősen eltérő éghajlati viszonyokat képviselő meteorológiai mezőkben vizsgáljuk meg a terjedési jellemzők megváltozását. A terjedést két, a kaotikus rendszerek elméletében ismert mennyiséggel, a légkörben a szennyeződésfelhők nyúlását számszerűsítő ún. topologikus entrópiával, illetve a kiülepedés ütemét jellemző ún. szökési rátával írjuk le, melyekkel korábbi kutatásainktól eltekintve tudomásunk szerint még nem tanulmányoztak légköri terjedési folyamatokat. Mivel ily módon minden eseményt egy-egy egyszerű mérőszám képvisel, vizsgálataink alkalmasak lesznek nagy számú numerikusan szimulált terjedési folyamat statisztikai analízisére lokális és globális skálán. A kutatás ezzel hozzájárul annak a kérdésnek a felderítéséhez, hogy változó éghajlati viszonyok között milyen mértékben a módosulnak a nagyskálájú légköri terjedési folyamatok tulajdonságai.
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.
Napjaink egyik legtöbbet tanulmányozott környezetvédelmi témája az éghajlatváltozás és lehetséges következményeinek kérdése. A nagyobb vulkánikitörések hamufelhői akár a légiközlekedést is veszélyeztethetik (pl. Eyjafjallajökull, 2010), az ipari balesetekből kikerülő anyagok forrásuktól messze is kockázatot jelenthetnek (pl. Fukushima, 2011). A projekt az ilyen események szempontjából érdekes, de eddig még kevéssé a központba került kérdéskörre, a kontinentális és globális skálájú terjedésre összpontosít, és arra keres választ, hogy vajon a változó éghajlat hogyan befolyásolja ezen folyamatok intenzitását, a szétterjedés gyorsaságát, előrejelezhetőségét, vagy a szennyeződésfelhők jellemző szerkezetét. Mivel korábbi vizsgálataink kimutatták, hogy a szétterjedés sajátosságai évszakos függéssel rendelkeznek, ami a tipikusan eltérő légköri áramlási viszonyok következménye, feltételezhető, hogy változó éghajlat mellett is módosulnak ezen tulajdonságok. A terjedési folyamatokat két, a kaotikus rendszerek elméletben ismert, és korábban általunk a légkörben már alkalmazott mérőszámmal jellemezzük: a szennyeződésfelhők nyúlásának mértékével, illetve a kiülepedés gyorsaságával. A projekt célja idősoraik elemzése változó éghajlat mellett.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
There are numerous open questions about possible consequences of climate change, which are not clarified satisfactorily for the time being. To our knowledge, one of the scopes that has not come into the focus of interest yet is the impact of climate change on dispersion of pollutants (gases, aerosol particles) in the atmosphere. The aim of the research is the investigation of large-scale atmospheric dispersion processes from a dynamical systems approach using realistic meteorological data. Our previous research has shown that the nature of the dispersion depends on the season what proved to be the consequence of the different atmospheric circulation characteristics of the particular seasons. Therefore, it is presumable that the properties of dispersion also alter during a changing climate. Our previous studies revealed that the application of different measures of chaos in dispersion calculation provides a general and comprehensive overview of the dispersion. In this study we are going to apply the so-called topological entropy, describing the stretching rate of pollutant clouds, and escape rate, characterizing the rate of deposition. In this manner, simple quantities are assigned to each dispersion event, hence these investigations are suitable for the statistical analysis of a large number of numerically simulated dispersion events. Model simulations can provide new insights about the change in the predictability and further properties of the dispersion of ash plumes from future volcanic eruptions and of pollutants released during industrial accidents.
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.
The aim of the research is to uncover the question, not studied in detail for the time being, how a changing climate influences the dispersion of pollutants on continental and global scale. Due to the fact presented in our previous work that the characteristics of the dispersion (e.g. its speed and predictability, or the structure of the pollutant cloud) show seasonal dependence owing to the different atmospheric circulation patterns, it can be assumed that a changing climate is also associated with variant mean values of these properties. The research focuses on the exploration and analysis of these differences. The research is intended to reveal whether the observable (e.g. temperature) trends affect the large-scale dispersion detectably. We also plan to study the change in the characteristics of the dispersion in meteorological fields representing significantly different climate states produced by a climate model of intermediate complexity. Model simulations can answer the question how the predictability and further properties of the dispersion of ash plumes from future volcanic eruptions and of pollutants released during anthropogenic industrial accidents change.
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.
Gases and aerosol particles released high in the atmosphere due to volcanic eruptions or industrial accidents may have an effect in regions far from their emission source, hence the simulation of continental and global scale dispersion processes is important from environmental aspects. Although, studies dealing with the connection between climate change and air quality are prepared in recent years, these are mainly restricted to regional to local scales or evaluate the changes in pollutant concentration (Bytnerowicz et al., 2007 , Env. Poll., 147(3), 438–445; Kinney, 2008, Am. J. Prev. Med., 35(5), 459–467; Jacob et al., 2009, Atmos. Env., 43(1), 51–63; Fang et al., 2011, J. Geophys. Res.: Atmos., 116, D18303), not in the dispersion itself. Therefore, the purpose of the research is a detailed analysis of the possible changes in the characteristics of large-scale dispersion depending on the climate state. A part of the work is going to be based on the meteorological reanalysis data of past decades: this reveals whether the observable (e.g. temperature) trends affect the large-scale dispersion detectably. We also plan to study the change in the characteristics of the dispersion in meteorological fields representing significantly different climate states produced by a climate model of intermediate complexity. We describe the dispersion by two quantities well-known in the theory of chaotic systems, i.e. by the so-called topological entropy quantifying the stretching of pollutant clouds in the atmosphere, and by the so-called escape rate characterizing the rate of deposition. To our knowledge, these quantities have not been applied in atmospheric context except our previous studies. Since in this way each dispersion event is characterized by simple quantities, these investigations are suitable for the statistical analysis of a large number of numerically simulated dispersion events on local and global scale. The research, therefore, contributes to the exploration of the question how the properties of large-scale dispersion processes change during a changing climate.
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.
One of the most studied environmental issues is climate change and its possible consequences. Ash clouds of volcanic eruptions may mean danger for air travel (e.g. Eyjafjallajökull, 2010), while materials emitted from industrial accidents may result in risk far away from their source (e.g. Fukushima, 2011). The project focuses on a topic that has not drawn attention for the time being, namely, on the dispersion of pollutant particles on continental and global scale which is important from the point of view of the above mentioned events. The project intends to answer the question how the intensity of the dispersion processes (i.e., the speed or predictability of the spreading) or the characteristic structures of the pollutant clouds are altered by a changing climate. Our previous research has shown that the nature of the dispersion depends on the season what proved to be the consequence of the different atmospheric circulation in the particular seasons. Therefore, it is presumable that the properties of dispersion also alter during a changing climate. We characterize the dispersion processes by means of two physical quantities well-known in the theory of chaotic systems and applied also in our previous studies in the atmospheric context. One of them describes the stretching rate of pollutant clouds, the other quantifies the rate of their deposition. The aim of the project is the analysis of their time series during the climate change.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Haszpra T.: Intricate features in the lifetime and deposition of atmospheric aerosol particles, CHAOS 29: (7) 071103, 2019 | | Haszpra T., Herein M.: Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change, SCIENTIFIC REPORTS 9: 3896, 2019 | | Haszpra, T.: RePLaT-Chaos: a simple educational application to discover the chaotic nature of atmospheric advection, Atmosphere (közlésre elküldve), 2019 | | Tímea Haszpra, Mária Kiss, Éva Izsa: RePLaT-Chaos: an interactive educational tool for the illustration of the spreading of volcanic ash clouds, In: Beata, Jarosievitz; Csaba, Sükösd (szerk.) GIREP-ICPE-EPEC-MPTL Conference 2019 Programme and book of Abstracts, Eötvös Loránd Fizikai Társulat (ELFT) (2019) pp. 539-540., 2019 | | Tímea Haszpra: RePLaT-Chaos: a software for educational purposes to illustrate the chaotic behavior of the advection of volcanic ash clouds, EGU General Assembly 2019, April 7–12, 2019, Wien, Austria. In: Geophysical Research Abstracts, Vol. 21, EGU2019-915, 2019 | | Tél, T., Bódai, T., Drótos, G., Haszpra, T., Herein, M., Kaszás, B., Vincze, M.: The theory of parallel climate realizations: A new framework of ensemble methods in a changing climate – an overview, Journal of Statistical Physics (közlésre elküldve), 2019 | | Haszpra, T., Topál, D., Herein, M.: On the time evolution of the Arctic Oscillation and related wintertime phenomena under different forcing scenarios in an ensemble approach, Revised version submitted to Journal of Climate, 2019 | | Haszpra, T., Herein, M., Bódai, T.: On the time evolution of ENSO and its teleconnections in an ensemble view – a new perspective, Earth System Dynamics (közlésre elküldve), 2019 | | Kaszás, B., Haszpra, T., Herein, M.: The snowball Earth transition in a climate model with drifting parameters: Splitting of the snapshot attractor, Chaos (accepted), 2019 | | Haszpra, T.: RePLaT–Chaos: Illustration of the chaotic behavior of atmospheric pollutant spreading – Theoretical background and user guide, user guide, 2018 | | Haszpra, T.: RePLaT–Chaos-edu: Illustration of the chaotic behavior of atmospheric pollutant spreading – Theoretical background and user guide, user guide, 2018 | | Bódai Tamás, Drótos Gábor, Haszpra Tímea, Herein Mátyás, Márfy János, Tél Tamás: A párhuzamos földi klímák elmélete, MAGYAR TUDOMÁNY 2017: (2) pp. 188-201., 2017 | | Haszpra T: Intensification of large-scale stretching of atmospheric pollutant clouds due to climate change, JOURNAL OF THE ATMOSPHERIC SCIENCES 74: (12) pp. 4229-4240., 2017 | | Dániel Topál, Mátyás Herein, Tímea Haszpra: Characteristics of the Arctic Oscillation and related teleconnection phenomena under climate change in the snapshot attractor picture, EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15, Budapest, Hungary, 2018.09.03-2018.09.07. EMS2018-429, 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Investigation of the relationship between the intensity of pollutant spread and the vorticity during a climate change in an ensemble approach, In: Geophysical Research Abstracts, Vol. 20, EGU 2018 . Bécs, Ausztria, 2018.04.08-2018.04.13. Kiadvány: Bécs: 2018. pp. 13498 Paper EGU2018-13498. , 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Investigation of the stretching of pollutant clouds during climate change in an ensemble approach, In: EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 15 . Budapest, Magyarország, 2018.09.03-2018.09.07. Kiadvány: 2018. Paper EMS2018-206. , 2018 | | Tímea Haszpra, Mátyás Herein: Ensemble-based analysis of the pollutant spreading intensity induced by climate change, Scientific Reports (submitted), 2018 | | Haszpra T: Intensification of large-scale stretching of atmospheric pollutant clouds due to climate change, J ATMOS SCI 74: (12) pp. 4229-4240., 2017 | | Herein M, Drótos G, Haszpra T, Márfy J, Tél T: The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis, SCI REP 7: 44529, 2017 | | Bódai Tamás, Drótos Gábor, Haszpra Tímea, Herein Mátyás, Márfy János, Tél Tamás: A párhuzamos földi klímák elmélete, MAGYAR TUDOMÁNY 2017: (2) 188-201, 2017 | | Haszpra T: The effect of climate change on the topological entropy of atmospheric pollutant clouds, In: XXXVII Dynamics Days Europe - Abstracts . Szeged, Magyarország, 2017.06.05-2017.06.09. Kiadvány: 2017. pp. 169 Paper 169. , 2017 | | Herein M, Drótos G, Haszpra T, Márfy J, Tél T: The theory of parallel climate realizations as a new framework for teleconnection analysis, SCI REP 7: 44529, 2017 | | Haszpra T: Intensification of large-scale stretching of atmospheric pollutant clouds due to climate change, J ATMOS SCI (közlésre elfogadva), 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
