Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

Számos kutatás kimutatta, hogy a tavak világszerte érzékenyen válaszolnak az éghajlatváltozásra azonban e kutatások javarészt mély (mono- és dimiktikus) tavakra, tározókra összpontosítanak. Hazai természetes nagy tavak vízmozgását szinte kizárólag a szél kelti, míg energiaháztartásukat és hőmérsékletüket meteorológiai hajtóerők alakítják. A változó meteorológiai hajtóerőknek köszönhetően átalakulnak a tó hidro- és termodinamikai tulajdonságai. Hogy két példát említsünk, a szélklíma megváltozásával módosulnak az áramlási és keveredési viszonyok, ezáltal az üledék- és tápanyagtranszport jellemzők, míg a léghőmérséklet változása módosítja a légkör-víz közötti hőcsere folyamatokat. Ez utóbbi a vízhőmérséklet változása mellett befolyásolja a tó párolgását is, amely kulcs szerepet játszik sekély tavak vízkészletében és ezáltal a vízszint alakulásában.

A változó éghajlat számos meteorológiai állapotváltozóra hat. A levegő hőmérséklete és nedvességtartalma, a szél, a csapadék, illetve a besugárzás mértéke a felhőzet változásával egyaránt módosulhat. A doktori kutatás során e változások szerepét és várható hatását kell számszerűsíteni egy hazai (esetleg külföldi) sekély tó példáján keresztül. Az elmúlt évtizedek mérési és reanalízis adatsorai megfelelő alapot adnak a múltban lezajlott trendek meghatározására, míg klímamodellekre hagyatkozva becslést tehetünk a várható jövőbeli változásokra. 

A kutatás első részében a jelöltnek vizsgálnia kell a tó hőmérsékletének és a kulcs szerepet játszó hidrometeorológiai változóknak napjainkig elérhető idősorait, meghatározva azok trendjét, változékonyságát és a tapasztalt anomáliákat. A kutatás második felében numerikus térbeli (3D) hidro- és termodinamikai modellt kell felállítani és igazolni, amellyel a hosszú idejű áramlási és hőháztartási jellemzők és azok változásai feltárhatók. Modellszimulációk segítségével meg kell határozni az átlagos szezonális áramképek és keveredési jellemzők hosszú távú változásait napjainkig. Előbbiek várhatóan jól szemléltethetők az egyes medencékre jellemző hidraulikai tartózkodási idők térbeli mezőjének megváltozásain keresztül. A tó hőmérsékleti és függőleges keveredési viszonyainak, illetve az energiamérleg egyes komponenseinek (sugárzási hőáramok, turbulens hőfluxusok, mederhőáram) alakulása 3D modellek mellett vizsgálhatók 1D vagy mesterséges intelligencián alapú modellekkel is. A kutatás harmadik részében klímaszcenáriókat kell kiválasztani, amelyek alapján a jelöltnek kísérletet kell tennie a jövőben várható változások becslésére mind az áramlási, mind a hőmérsékleti viszonyok tekintetében. Ehhez egyrészről referenciaidőszak modellezése szükséges, amely a jelen állapotot jellemezi, másrészről pedig a jövőre vonatkozó klímaeredményeket oly módon kell értelmezni, hogy azok alkalmassá váljanak tómodellek meghajtására.

 

***

 

Numerous studies have shown that lakes are sensitive to climate change worldwide, but these studies primarily focus on deep (mono- and dimictic) lakes and reservoirs. Circulations and currents of large natural lakes in Hungary are almost exclusively caused by wind, while meteorological driving forces shape their energy balance and temperature. Due to changing meteorological driving forces, the hydro- and thermodynamic properties of such lakes are being transformed. To bring two examples, change in wind climate modifies flow and mixing conditions in the lake, thereby affects sediment and nutrient transport processes. Meanwhile, air temperature variation alters atmosphere-lake heat exchange, which results in a water temperature change. Furthermore, it also affects lake evaporation which plays a crucial role in the water budget of shallow lakes and thus in the evolution of water levels.

Climate change has an impact on many meteorological variables. Air temperature, humidity, wind speed, wind direction, precipitation may change as well as the incoming radiative heat flux by the variation of cloud cover. In the Ph.D. research, the impact and role of these changes should be quantified through the example of a Hungarian (or possibly foreign) shallow lake. Measurement and reanalysis data sets from recent decades provide a good basis for determining past and present trends, while we can rely on climate models to provide a reasonable estimate of future changes.

In the first part of the research, the candidate should examine time-series of lake temperature and key hydrometeorological variables, determining their trends, variabilities, and anomalies to the present. In the second part of the research, a numerical spatial (3D) hydro- and thermodynamic model must be set up and verified, which can be used to reveal long-term flow and thermal characteristics and variations. Changes in average seasonal circulation patterns and mixing characteristics have to be derived based on long-term numerical simulations. Changes in circulations can be well illustrated through basin-scale hydraulic residence time fields. In addition to 3D models, variations in lake’s temperature, vertical mixing, and energy budget components (radiant heat fluxes, turbulent heat fluxes, bed heat flux) can also be studied with 1D or artificial intelligence-based models. In the third part of the research, the candidate has to estimate expected changes considering flow and temperature conditions for the future based on selected climate scenarios. On the one hand, this requires the modeling of a reference period that characterizes the current state and, on the other hand, the interpretation of future climate results in such a way that they become suitable for driving lake models.