utworzono wykresy zmian poziomu morza dla miesięcy, sezonów i roku w okresie Wyznaczono relacje między polem regionalnym a polem lokalnym

Transkrypt

1 1

2 PODZADANIE 6.1. Wpływ zmian klimatycznych na zmiany średniego poziomu i występowania jego ekstremalnych wartości w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego oraz scenariusze zmian 1. Cel badań Głównym celem pracy jest określenie relacji pomiędzy regionalnym czynnikiem wymuszającym a zmianami poziomów morza w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego za pomocą statystyczno - empirycznych modeli (statystyczny downscaling) oraz ocena długoterminowych zmian intensywności występowania poziomów morza. Ponadto celem pracy jest między innymi określenie związku pomiędzy częstością i wysokością wezbrań sztormowych, wieloletnimi zmianami średniego poziomu morza a także występowaniem niskich poziomów morza a regionalnymi procesami atmosferycznymi. Prowadzone były także badania nad przystosowaniem modeli hydrodynamicznych do modelowania zmian poziomów morza wymuszonych zmianami klimatycznymi. 2. Zakres wykonywanych prac W okresie I.2009-XII.2009 zrealizowano następujące zadania: Uzupełniono bazę danych w zakresie średnich i ekstremalnych dobowych wartości poziomu morza dla wybranych stacji polskiego wybrzeża dla okresu i wyznaczono wskaźniki charakterystyczne (poziom średni miesięczny, kwantyl 5% poziomu minimalnego, kwanty 95% i 99% poziomu maksymalnego) Pozyskano ze światowych centrów danych dane niezbędne do opisu cyrkulacji atmosferycznej w rejonie Europy i Północnego Atlantyku Skonstruowano analogowy model opisujący relację cyrkulacja atmosferyczna poziom morza dla średniego poziomu i występowania jego ekstremalnych wartości dla okresu oraz dokonano jego weryfikacji Dokonano oceny zmienności średnich i ekstremalnych poziomów morza na polskim wybrzeżu w okresie , wyznaczono współczynniki trendu i wykonano wykresy Wyznaczono funkcje własne (EOF) poziomów morza na polskim wybrzeżu w okresie oraz dokonano oceny ich zmienności w oparciu o składowe główne: wyznaczono współczynniki trendu składowych głównych obliczono zmiany poziomu morza na podstawie danych obserwacyjnych i analizy EOF 2

3 utworzono wykresy zmian poziomu morza dla miesięcy, sezonów i roku w okresie Wyznaczono relacje między polem regionalnym a polem lokalnym na podstawie metody korelacji kanonicznych i analizy redundancyjnej w okresie dla miesięcy, pór roku i sezonów Wykreślono w programie Gradsc mapy kanonicznego i redundancyjnego pola regionalnego nad Europą i północnym Atlantykiem dla średniego, maksymalnego (kwantyl 95% i 99%) i minimalnego (kwantyl 5%) poziomu morza dla każdego miesiąca, pór roku, sezonów oraz roku Dokonano weryfikacji klimatycznych modeli dotyczących zmian poziomu morza w oparciu o metodę CCA i RDA - poziom średni, kwantyl 5% poziom minimalny, kwantyl 95% i 99% poziom maksymalny Obliczono ilość reprodukowanej wariancji w odtworzonych na podstawie modelu CCA i RDA seriach średniego, maksymalnego i minimalnego poziomu morza dla okresu referencyjnego oraz dla okresu pełnego Pozyskano wyniki globalnych modeli klimatycznych dla wybranych scenariuszy emisyjnych ze światowych centrów bazodanowych niezbędne do opisu cyrkulacji atmosferycznej dla rejonu europejsko-atlantyckiego. Rozpoczęto procedurę przygotowywania plików wsadowych/prn niezbędnych do opracowania scenariuszy zmian charakterystyk poziomu morza w oparciu o modele statystyczno-empirycznego downscalingu Wyznaczono funkcje własne pola ciśnienia dla okresu na podstawie danych z globalnego modelu Echam5 dla scenariusza emisyjnego 1% CO2 do 2x (run 1, run 2 i run 3) i B1 (run 1 i run 3) oraz A1B. Ponadto rozpoczęto wykreślanie w programie Gradsc map funkcji własnych pola ciśnienia Wyznaczono funkcje własne pola ciśnienia dla okresu na podstawie danych z reanalizy NCEP/NCAR oraz wykreślono w programie Gradsc mapy funkcji własnych pola ciśnienia Ocena długoterminowych zmian intensywności występowania poziomów morza w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego w latach Przystosowanie modeli hydrodynamicznych do modelowania zmian poziomów morza wymuszonych zmianami klimatycznymi. 3

4 3. Opis metodyki badań Analizie poddano średni miesięczny poziom morza, jak również maksymalne (kwantyl 95% i 99%) i minimalne (kwantyl 5%) wartości tego elementu za okres na wybranych stanowiskach, rozmieszczonych wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku (Świnoujście, Kołobrzeg, Ustka, Łeba, Władysławowo, Hel, Gdynia, Gdańsk Port Północny, Gdańsk Ujście Wisły). Poddane analizie serie pochodziły ze zweryfikowanej jednorodnej bazy danych Oddziału Morskiego Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Głównym kryterium doboru stacji była jak najmniejsza ilość braków w seriach danych. W celu znalezienia związku między lokalną cyrkulacją atmosferyczną nad południowym Bałtykiem a zmianami poziomu morza na polskim wybrzeżu dokonano konstrukcji modelu analogowego cyrkulacja atmosferyczna w skali lokalnej poziom morza. Do opisu lokalnej cyrkulacji atmosferycznej wykorzystano wartości wektora wiatru geostroficznego, obliczone na podstawie wartości ciśnienia atmosferycznego w trzech stacjach: Świnoujście, Hel i Visby. Danymi wejściowymi do modelu były średnie miesięczne, sezonowe i roczne wartości składowej południkowej i strefowej wiatru geostroficznego. Dane charakteryzujące zmiany poziomu morza pochodziły z 9 wyżej wymienionych stacji. Wykorzystano dane o poziomie średnim w skali miesięcznej, sezonowej oraz rocznej, stany ekstremalne zostały opisano poprzez wartości kwantyla 95% i 5%. Wpływ lokalnej cyrkulacji atmosferycznej został określony w wyniku skonstruowania równań regresji wielokrotnej. Stopień dopasowania zmiennych oceniono na podstawie wartości współczynnika determinacji (R 2 ). Do konstrukcji modelu wykorzystano dane z przyjętego okresu referencyjnego Skonstruowano także statystyczno-empiryczne modele (statystyczny downscaling) w zakresie zmian poziomów morza. Przy konstrukcji modeli regionalne pole baryczne obejmuje obszar zawarty między 50ºW a 40ºE i 35ºN a 75ºN. Jest ono opisane przez średnie miesięczne wartości ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza pochodzące z reanaliz wykonanych w NCEP/NCAR, obejmujących okres Rozdzielczość danych, czyli tzw. krok siatki, wynosi 2,5º długości i 2,5º szerokości geograficznej. Podobnie, jak przy konstrukcji modelu analogowego dane ciśnienia atmosferycznego z okresu posłużyły do konstrukcji modeli downscalingowych. Konstrukcji modeli zmian poziomów morza dokonano w oparciu o dwie metody: korelacji kanonicznych (CCA) i analizy redundancyjnej (RDA). 4

5 Metody te bazują na empirycznych funkcjach własnych (Empirical Orthogonal Functions EOF) pól analizowanych elementów. Technika ta umożliwia odseparowanie przestrzennej i czasowej zmienności rozpatrywanego elementu (Storch 1993). W ramach realizacji zagadnienia dotyczącego oceny długoterminowych zmian intensywności występowania poziomów morza w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego w latach przeanalizowano ekstremalne zmiany poziomów: wezbrań sztormowych oraz bardzo niskich poziomów morza tzw. niżówek dla wybranych stacji: Świnoujście wybrzeże zachodnie, Ustka wybrzeże środkowe, Hel wybrzeże wschodnie, a także średnich poziomów morza dla stacji Świnoujście, Ustka, Hel oraz Gdańsk. Badania przeprowadzono dla podstawowego w/w okresu obserwacji oraz dla okresu referencyjnego Po przygotowaniu danych do oceny zmian poziomów morza -wybrzeże zachodnie, środkowe oraz Zatoka Gdańska przeprowadzono szczegółowa analizę. 4. Charakterystyka osiągniętych wyników Metoda analogów W przypadku poziomu średniego w skali roku i sezonów zaznacza się dominacja składowej strefowej w kształtowaniu poziomu morza, szczególnie wyraźna wiosną i latem. Do wzrostu średnich wartości poziomu morza na polskich stacjach przyczynia się intensyfikacja spływu strefowego. Jedynie w listopadzie, grudniu oraz lutym głównym czynnikiem cyrkulacyjnym kształtującym poziom morza na polskim wybrzeżu jest składowa południkowa wiatru geostroficznego. W tych miesiącach wzrost średniego poziomu morza jest głównie stowarzyszony ze spływem północnym. Podobnie jest w przypadku kwantyla 5%. Znacznie większe znaczenie składowej południkowej ujawnia się w przypadku kształtowania ekstremalnie wysokich poziomów morza, wyrażonych kwantylem 95%. Dominujący jej wpływ zaznacza się w skali całego roku oraz sezonu zimowego. W skali miesięcznej znaczący udział składowej południkowej jest charakterystyczny dla okresu od sierpnia do marca, a zwłaszcza od listopada do lutego. Podobnie jak w przypadku poziomów średnich kwiecień jest jedynym miesiącem, kiedy wzrost poziomu morza jest stowarzyszony z dodatnimi wartościami składowej południkowej, a więc napływem powietrza z sektora południowego. Za pomocą współczynnika determinacji (R 2 ) określono jaka część wariancji poziomu morza jest wyjaśniania przez model analogowy. Wyniki wskazują, iż model wyjaśnia w zależności od stacji około 70-80% wariancji średniego rocznego poziomu morza. Podobnie jest w skali sezonów (zimą nawet powyżej 80%), poza latem, kiedy ilość wyjaśnianej przez model analogowy wariancji nie przekracza 50%. Duże różnice występują dla poszczególnych miesięcy. Najlepiej model sprawdza 5

6 się od stycznia do marca i w lipcu (powyżej 70%) oraz w październiku (niespełna 70%). Dla pozostałych miesięcy model wyjaśnia od 50-60% we wrześniu do poniżej 10% wariancji w czerwcu. W przypadku ekstremalnych poziomów morza ilość wyjaśnianej przez model wariancji jest generalnie niższa, zwłaszcza dla kwantyla 95%. Podobnie jak dla średniego poziomu morza model odtwarza największą ilość wariancji od stycznia do marca i w październiku (około 55-75%). Dla stacji w Świnoujściu i Ujściu Wisły ilość wyjaśnianej przez model analogowy wariancji jest mniejsza w stosunku do pozostałych stacji. Przeprowadzono ponadto weryfikację modelu analogowego dla okresu oraz Równania regresji opisujące związek zmienności poziomu morza ze składowymi wiatru geostroficznego posłużyły do rekonstrukcji średnich i ekstremalnych poziomów morza. Stopień dopasowania serii odtworzonej i pomiarowej oceniono za pomocą współczynnika korelacji. W przypadku poziomu średniego wyniki wskazują na dużą zgodność serii odtworzonych i obserwacyjnych wartości współczynnika korelacji, z wyjątkiem kwietnia i czerwca, nie są niższe niż 0,6, w miesiącach jesiennych i zimowych osiągają wartość 0,7-0,9, a w sezonie zimowym nawet przekraczają 0,9. Ważny jest fakt, że wartości współczynnika korelacji dla okresu są tylko nieznacznie niższe od wartości dla okresu zależnego , co świadczy o dobrym dopasowaniu serii wyliczonych także na materiale niezależnym. Jedynie w kwietniu i czerwcu zanotowano duże różnice między wartościami współczynnika korelacji dla okresu zależnego i niezależnego. Co ciekawe, w przypadku czerwca znacznie lepiej są dopasowane serie dla okresu niezależnego. Podobnie jest w przypadku zrekonstruowanych serii kwantyla 95% i 5%, choć wartości współczynnika korelacji są generalnie nieco niższe niż dla poziomu średniego. W przypadku kwantyla 5% zwiększają się także nieco różnice między korelacją dla okresu zależnego i niezależnego. Zwracają zwłaszcza uwagę ujemne wartości współczynnika korelacji między seriami dla czerwca w okresie , co pokazuje, że model analogowy nie jest w stanie odtworzyć długookresowych zmian minimalnego poziomu morza w tym miesiącu. Przestrzenna i czasowa zmienność poziomu morza wzdłuż polskiego wybrzeża Rezultaty analizy czasowo-przestrzennej struktury zmienności poziomu morza w skali roku w okresie wskazują, że w przypadku średniego poziomu morza mamy do czynienia z przestrzenią sygnału rozpatrywanego elementu opisaną przez dwie funkcje własne, które łącznie wyjaśniają ponad 98% zmienności. W przypadku poziomu maksymalnego (kwantyl 95% i 99%) oraz poziomu minimalnego (kwantyl 5%) przestrzenie sygnału są rozpięte na 3 i 5 oraz 3 wektorach własnych, które wyjaśniają około 97% wariancji odpowiednich pól. W przypadku wartości średnich 6

7 miesięcznych lokalnego pola H ŚR, H MAX, H MIN pierwszy wektor własny (1 EOF) wyjaśnia od 84% do 94% całkowitej wariancji, przy czym w przypadku poziomu średniego morza wartość ta jest największa, natomiast w przypadku poziomu maksymalnego (kwantyl 99%) morza jest najmniejsza. W sezonie sztormowym przestrzeń sygnału poziomu średniego opisana jest przez 2, a w przypadku poziomu maksymalnego i minimalnego przez 3 funkcje własne. Z kolei w sezonie bezsztormowym mamy do czynienia z przestrzenią sygnału opisaną od 3 (poziom średni) do 6 (poziom maksymalny kwantyl 99% i poziom minimalny kwantyl 5%) funkcji własnych. W przypadku każdego z rozpatrywanych elementów (H ŚR, H MAX, H MIN ) 1. EOF przedstawia silne dodatnie anomalie poziomu morza zarówno w skali roku, pór roku i sezonów. W stosunku do H ŚR amplitudy anomalii są większe, co do wartości bezwzględnej w przypadku H MAX i mniejsze w przypadku H MIN. Największe wartości anomalii występują w sezonie zimowym w przypadku kwantyla 99% poziomu maksymalnego, a najmniejsze w sezonie letnim kwantyl 5% poziomu minimalnego. Widoczny jest zdecydowany wzrost wartości anomalii przy przesuwaniu się wzdłuż polskiego wybrzeża z zachodu na wschód. Ogólnie rzecz biorąc, struktura przestrzenna wartości analizowanego wektora jest uporządkowana i czytelna we wszystkich przypadkach. W przypadku mareografów położonych w rejonie osłoniętym przez Półwysep Helski występuje niewielkie zaburzenie. W Ujściu Wisły mamy do czynienia z osłonięciem przez zachodnie wybrzeże Zatoki Gdańskiej oraz z bardzo słabo zaznaczonym wpływem Wisły. Taka struktura przestrzenna jest efektem dominacji wiatrów strefowych w rejonie Południowego Bałtyku (Miętus 1999). Podobieństwo pierwszych funkcji własnych nie powinno budzić zastrzeżeń, gdyż zarówno średni, jak i ekstremalne poziomy morza są kontrolowane przez ten sam element, jakim jest pole wiatru nad Bałtykiem. Wyznaczone dla sezonów sztormowego i bezsztormowego empiryczne funkcje własne H SR dają podobne wyniki, jak w skali roku. Związek między regionalnym polem barycznym nad Europą i Północnym Atlantykiem a poziomem morza na polskim wybrzeżu Przeprowadzona analiza potwierdziła istnienie związku przyczynowego między regionalną cyrkulacją atmosferyczną w rejonie Europy i północnego Atlantyku a poziomem wzdłuż polskiego wybrzeża. Pozwoliła określić empiryczne funkcje przejścia między procesami regionalnymi i lokalnymi. Podstawową konsekwencją wspomnianego związku jest nachylenie powierzchni morza wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku z zachodu na wschód lub odwrotnie w zależności od tego czy cyrkulacja atmosferyczna sprzyja napływowi, czy też wypływowi wody z Bałtyku. 7

8 Zarówno dla średniego, maksymalnego i minimalnego poziomu morza uzyskano taką samą ilość par map redundancyjnych, jak w przypadku par map kanonicznych. Mapy pola lokalnego dla poziomu średniego wyjaśniają łącznie ponad 98% wariancji elementu, natomiast dla poziomu maksymalnego i minimalnego ponad 97% zmienności tych elementów. Wariancja pola ciśnienia jest natomiast wytłumaczona odpowiednio w 34,43% w przypadku map wymuszenia dla poziomu średniego, ponad 52,29% i 60,90% dla poziomu maksymalnego (kwantyl 95% i 99%) i 42,33% dla poziomu minimalnego Współczynnik korelacji stowarzyszonych z mapami serii czasowych wynosi 0,81 dla roku i wiosny, 0,87 w sezonie zimowym, 0,72 dla lata, 0,84 jesienią i w sezonie sztormowym oraz 0,65 w sezonie bezsztormowym, czyli w każdym sezonie jest niemalże identyczny jak współczynnik kanonicznej korelacji. Otrzymane metodą redundancyjną mapy regionalnego pola barycznego nad Europą i Północnym Atlantykiem dla średniego, maksymalnego i minimalnego poziomu morza, w skali zarówno sezonów jak i roku, wykazują daleko posunięte podobieństwo do map kanonicznych. Różnica w wyjaśnianej przez poszczególne mapy wariancji nie przekracza zazwyczaj 3%, choć w przypadku poziomów ekstremalnych występują czasem większe różnice. Zgodnie z metodą RDA mapy pola lokalnego są określane przez maksymalizację wariancji tego pola. W każdym przypadku pierwsze mapy, zarówno średniego, maksymalnego, jak i minimalnego poziomu morza, uzyskane tą metodą wyjaśniają więcej wariancji niż mapy kanonicznych korelacji. W przypadku poziomów ekstremalnych w sezonie letnim oraz bezsztormowym różnica w wyjaśnianej wariancji pola lokalnego wynosi czasem kilkadziesiąt procent. Nie zmienia to jednak faktu, iż wyliczone metodą redundancyjną wielkości anomalii pola lokalnego są generalnie zbliżone (różnica nie przekracza kilku cm) i wykazują ten sam znak, jak w przypadku anomalii wyliczonych opisaną wcześniej metodą CCA. Zdecydowanie większe różnice pomiędzy metodami (anomalie przekraczające niekiedy kilkanaście cm) występują w przypadku drugich par map, szczególnie w przypadku poziomów ekstremalnych. Indeks rendudacji świadczący o tym, jaka część wariancji elementu lokalnego jest określona przez wariancję elementu regionalnego, w przypadku dominującej pary map rendundancji między ciśnieniem atmosferycznym a poziomem morza wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku największe wartości osiąga w sezonie sztormowym, szczególnie w styczniu (poziom średni 33,5%) i październiku (poziom średni 28,1%). Omówione pary map kanonicznych i redundancyjnych wyznaczone do opisania zależności między regionalnym polem barycznym a polem średniego i ekstremalnych poziomów morza wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku zostały wykorzystane do konstrukcji modelu empiryczno- 8

9 statystycznego zmienności poziomu morza. Walidacja modelu została dokonana na podstawie materiału zależnego z okresu Wartości współczynników korelacji między seriami rzeczywistymi i rekonstruowanymi w oparciu o metodę CCA w przypadku średniego poziomu morza dochodzą do 0,72 (tab.1). Zarówno w skali roku, jak i w sezonie sztormowym i bezsztormowym wartości współczynników korelacji maksymalnego poziomu morza (wynoszące od 0,25 do 0,48 w sezonie bezsztormowym; od 0,57 do 0,71 w sztormowym) są większe od wartości współczynnika minimalnego poziomu morza wynoszącego od 0,30 do 0,37 w sezonie bezsztormowym i od 0,32 do 0,71 w sezonie sztormowym. Rekonstrukcja ukazała pewną niedoskonałość modelu jedynie w przypadku sezonu bezsztormowego (kwiecień-sierpień). W tym sezonie związek między ciśnieniem a poziomem morza jest zdecydowanie najsłabszy, a więc wartości współczynników korelacji między seriami rzeczywistymi i rekonstruowanymi od kwietnia do sierpnia są także mniejsze. Wartości współczynników korelacji między seriami rzeczywistymi i rekonstruowanymi w oparciu o metodę RDA są niemalże identyczne, jak w przypadku omówionej powyżej metody. Tab.1. Wartość współczynnika korelacji pomiędzy obserwacyjnymi i odtworzonymi przez model empirycznostatystyczny (CCA) seriami średniego poziomu morza (Hśr) w skali roku i sezonów w okresie zima wiosna lato jesień rok cisza sztorm Świnoujście Kołobrzeg Ustka Łeba Władysławowo Hel Gdynia Gdańsk Nowy Port Gdańsk ujście Wisły Zmiany poziomu średniego, maksymalnego i minimalnego wynikające z analizy EOF i równania trendu serii obserwacyjnych (OBS) dla stacji pokazały znaczną zgodność otrzymanych wyników. Warto podkreślić, iż w seriach pomiarowych i w seriach zrekonstruowanych występują dodatnie trendy wzrostu poziomu morza. Trendy te są konsekwencją systematycznych zmian regionalnej cyrkulacji atmosferycznej związanych z intensyfikacją zachodniego spływu oraz wzrostem jego stabilności. 9

10 Według Miętusa (1999) zmiany średniego poziomu morza wzdłuż polskiego wybrzeża są ze sobą związane liniową zależnością. Wahania poziomu morza w Ujściu Wisły są kontrolowane przez jej przepływy. Jest to szczególnie wyraźne wiosna i latem. Regionalna cyrkulacja atmosferyczna odgrywa dominującą rolę w kształtowaniu poziomu morza. Opracowanie scenariuszy zmian średniego poziomu morza i ekstremalnych wartości poziomu morza do roku 2030 W celu określenia przyszłych zmian pola barycznego na obszarze europejsko-atlantyckim wyznaczono dla wybranych scenariuszy emisyjnych z symulacji globalnej Echam5 funkcje SLP dla okresu , a następnie porównano z wynikami dla okresu referencyjnego (dane z reanalizy NCEP). Bardzo wstępne wyniki wskazują, iż w ramach scenariuszy emisyjnych B1 i 1%CO 2 do 2x ilość całkowitej wariancji pola barycznego wyjaśnianej przez funkcje własne nie ulegnie wyraźnym zmianom. Tym niemniej symulacje przewidują wzrost znaczenia podstawowej mody zmienności pola SLP (1. EOF) w miesiącach wiosennych i jesiennych. Zmianie ulegnie także położenie centrów typowych układów barycznych oraz wartości anomalii. W niektórych przypadkach zaznacza się ponadto zmiana kolejności funkcji własnych, co może sugerować dość istotną przebudowę pola barycznego w stosunku do okresu referencyjnego. W przypadku scenariusza emisyjnego 1%CO 2 do 2x, dla którego dostępne symulacje obejmują okres , rozpoczęto ponadto, w celu oceny zdolności modelu do odtwarzania warunków rzeczywistych, wyznaczania różnic średniej wartości ciśnienia atmosferycznego dla okresu pomiędzy tą symulacją a wartościami z reanalizy NCEP. Wyniki pokazują, iż symulacja dla scenariusza emisyjnego 1%CO 2 do 2x na niektórych obszarach dość znacząco odbiega od warunków rzeczywistych różnice w niektórych gridach dochodzą do 10 hpa. Bardziej szczegółowe rozpoznanie przyszłych zmian pola ciśnienia zostanie dokonane w toku przyszłych prac. Ocena długoterminowych zmian intensywności występowania poziomów morza w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego w latach Wyniki badań dostarczyły istotnych informacji na temat długoterminowych zmian intensywności występowania poziomów morza w rejonie polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego w latach Określenie wezbrania sztormowego, wg Majewskiego bardzo dobrze oddaje niebezpieczeństwo wystąpienia powodzi, bądź zniszczenia wybrzeży. Wzrost częstości wezbrań jest prawdopodobnie efektem co najmniej dwóch czynników: zmianą w relacji w występowaniu poszczególnych typów cyrkulacji atmosferycznej na przełomie lat sześćdziesiątych i 10

11 siedemdziesiątych oraz wzrostem średniego poziomu morza w całej południowej części Morza Bałtyckiego Na 192 zaobserwowane wezbrania sztormowe w Świnoujściu w analizowanym okresie, w 11 przypadkach poziom morza przekroczył 620 cm natomiast w 4 przypadkach przekroczył 640 cm. Poziom alarmowy (580 cm) został przekroczony w 107 notowanych wezbraniach. Na 162 wezbrania sztormowe zaobserwowane od 1955 do 2008 roku w Ustce w 6 przypadkach poziom morza przekroczył 620 cm. Poziom alarmowy (600 cm) został przekroczony w 24 przypadkach. W Helu w analizowanym okresie wystąpiło 166 wezbrań sztormowych. W prawie 90 % (147 przypadków) występujących wezbrań został przekroczony poziom alarmowy 570 cm. W latach okresu referencyjnego ( ) w 64 wezbraniach. Najczęściej w latach maksimum wezbrania występowało w przedziale cm, w Świnoujściu 70 przypadków, w Ustce 62 przypadki i w Helu 82 przypadki. W zakresie niskich poziomów morza stwierdzono miedzy innymi, że ze względu na specyfikę morfologiczną i hydrologiczną na wybrzeżu zachodnim występują o wiele niższe poziomy minimalne, niż na pozostałym rejonie południowego wybrzeża Bałtyku. Rozpiętość wahań poziomów na zachodzie jest większa niż we wschodniej części wybrzeża. Występowanie niskich poziomów morza ( 440 cm) w poszczególnych latach jest nieregularne. Największa częstość ich występowania Na podstawie linii trendu stwierdzono, że intensywność występowania niskich poziomów morza maleje zarówno dla okresu , jak i okresu referencyjnego Występowanie niskich poziomów ( 440 cm) morza jest nieregularne i rzadkie. Największa ilość niskich poziomów wystąpiła w roku 1972, oraz w 1979 roku na wszystkich omawianych akwenach. W zakresie średnich poziomów morza badania potwierdziły występowanie rosnącego trendu zmian średniego poziomu morza wzdłuż polskiego wybrzeża, przy czym zmiany te są intensywniejsze na wybrzeżu wschodnim niż na zachodnim. Wzrasta procentowy udział średnich rocznych poziomów morza w zakresie wyższych poziomów to znaczy w przedziale cm (zwłaszcza na wschodnim wybrzeżu). Natomiast porównanie anomalii średniego poziomu morza w okresie podstawowym oraz referencyjnym nie wykazało znaczących różnic, głownie ze względu na fakt, że znaczące wzrosty rocznego średniego poziomu morza zarejestrowano po roku 2000.w większości stacji największe dodatnie anomalie średniego rocznego poziomu morza zaobserwowano w roku 2007,a największe ujemne anomalie na większości stacji zarejestrowano w roku Prace wykonane w ramach testowania przystosowania modelu hydrodynamicznego do modelowania zmian poziomów morza wymuszonych zmianami klimatycznymi wykazały możliwość 11

12 i celowość wykorzystania modelu prognozowania krótkoterminowego do celów badań klimatycznych. Należy podkreślić, że jest to pierwsza taka próba podjęta w Polsce. Wybrany model uwzględnia wszystkie główne siły wymuszające zmiany poziomu morza. Przystosowanie modelu do prognozowania zmian miesięcznych wymagać będzie jeszcze dalszych prac dostosowawczych ze względu na fakt, że wyniki symulacji w dobry sposób oddają dynamikę zmian poziomów morza w analizowanym okresie natomiast niedostatecznie odwzorowują ekstremalne wartości poziomów morza. 5. Literatura wykorzystana w opracowaniu Miętus M., 1999, Rola regionalnej cyrkulacji atmosferycznej w kształtowaniu warunków klimatycznych i oceanograficznych w polskiej strefie brzegowej Morza Bałtyckiego, Materiały Badawcze IMGW, Seria Meteorologia 29, 157pp. Miętus M., Filipiak J., 2002, Wpływ termiki powierzchniowej warstwy wody północnego Atlantyku na wielkoskalową cyrkulację atmosferyczną w rejonie Atlantyku i Europy oraz na warunki termiczne w Polsce w XX w. Materiały Badawcze IMGW, Seria Meteorologia, 35, 68pp. Miętus M., Filipiak J., The temporal and spatial patterns of thermal conditions in the area of the southwestern coast of the Gulf of Gdańsk (Poland) from 1951 to 1998, Int. J. of Climatology, vol. 24, 4, s Storch von H., 1993, Spatial patterns: EOFs and CCA, [w:] Storch v. H., Navarra A., (red.), Analysis of Climate Variability, Applications of Statistical Techniques, Springer, s Storch von H., Zwiers F., 2001, Statistical Analysis in Climate Research, Cambridge Univ. Press, 499pp Stanisławczyk I., Niskie poziomy morza, a bezpieczeństwo nawigacji na torze wodnym Świnoujście-Szczecin, X Międzynar. Konf. NT, Inżynieria Ruchu Morskiego, Świnoujście-Szczecin, Wyższa Szkoła Morska, str Stanisławczyk I., Niskie poziomy morza w Kołobrzegu. IV Międzynar. Konf. Ochrona człowieka w morskim środowisku pracy, Szczecin, Stanisławczyk I., Sztobryn M., Kowalska B., Mykita M. 2008: Klimat niżówek na południowym wybrzeżu Bałtyku. W: Mat. Konf.: VII Międzynarodowa Konferencja Ochrona człowieka w morskim środowisku pracy, Świnoujście-Kopenhaga, Akademia Morska w Szczecinie, str Sztobryn M., Stigge H-J. i in STORM SURGES IN THE SOUTHERN BALTIC SEA (WESTERN ANDCENTRAL PARTS) Bundesamets fur Seeschifffart und Hydrgraphie nr 39/2005 Sztobryn M., Stigge H-J. i in STURMFLUTEN IN DER SUDLICHEN OSTSEE (WESTLICHER UNDMITTLERE TEIL)Bundesamets fur Seeschifffart und Hydrgraphie nr 39/2005. Sztobryn M., Stigge H-J. i in., Wezbrania sztormowe wzdłuż południowego Bałtyku (zachodnia i środkowa część) - seria Monografie IMGW. Sztobryn, M., Kowalska B., Średni sezonowy poziom morza wzdłuż polskiego wybrzeża, Konferencja naukowa Hydrologia, meteorologia klimatologia-badania naukowe i prognozy w erze informatyzacji Polskie Towarzystwo Geofizyczne,, IMGW, p Sztobryn M., Ocena prawdopodobieństwa wystąpienia bardzo niskich poziomów morza na akwenie Świnoujścia. IV Międzynarodowa Konferencja Ochrona człowieka w morskim środowisku pracy, Szczecin,

13 6. Wykaz głównych wykonawców wraz z krótką informacją o rodzaju wykonywanych prac prof. IMGW dr hab. Mirosław Miętus, (OGł) koordynator projektu, określenie zakresu merytorycznego prac, metodyki, dyskusja wyników, mgr Ewa Jakusik, (OGł) współautorka obliczeń, koordynator interpretacji wyników, współautorka tekstu analizy, autor zestawień tabelarycznych wyników, wykreślenie map w programie Gradsc oraz opracowanie raportu sprawozdawczego mgr Robert Wójcik, (OGł) współautor obliczeń, współautor tekstu analizy, wykreślenie map w programie Gradsc, współautor opracowania raportu sprawozdawczego mgr Dawid Biernacik (OGł) współautor obliczeń, współautor tekstu analizy, autor zestawień tabelarycznych wyników, współautor opracowania raportu sprawozdawczego Dr inż. Marzenna Sztobryn (OGa) Koncepcja pracy w zakresie analizy zmienności niskich średnich poziomów morza oraz wezbrań sztormowych oraz ich nadzór mgr inż. Beata Kowalska (OGa) opracowanie zmian poziomów morza w zakresie stanów średnich, testowanie modelu hydrodynamicznego do modelowania zmian poziomów morza wymuszonych zmianami klimatycznymi mgr Monika Mykita (OGa) opracowanie zmian poziomów morza w zakresie stanów wysokich (wezbrania sztormowe) mgr inż. Beata Letkiewicz (OGa) testowanie modelu hydrodynamicznego do modelowania zmian poziomów morza wymuszonych zmianami klimatycznymi mgr Ida Stanisławczyk (OGa) opracowanie zmian poziomów morza w zakresie stanów niskich 13

14 PODZADANIE ) Cel badań Wpływ zmian klimatycznych na przyszłe warunki występowania zlodzenia Bałtyku a) Celem badań jest określenie związku pomiędzy globalnymi i regionalnymi procesami atmosferycznymi a występowaniem zlodzenia na obszarze Południowego Bałtyku, identyfikacja czynników warunkujących zmienność zlodzenia w strefie Południowego Bałtyku, ocena długoterminowych zmian intensywności występowania zlodzenia w strefie Południowego Bałtyku. b) Określenie za pomocą modeli statystyczno-empirycznych (statystyczny downscaling) relacji pomiędzy wielkoskalowym polem wymuszenia a występowaniem zlodzenia na obszarze południowego Bałtyku w celu wykorzystania zdefiniowanych relacji do opracowania scenariuszy zmian klimatu w skali XXI wieku. 2) Zakres wykonanych prac Skompletowano dane z lat w zakresie liczby dni z lodem oraz daty pojawiania się i zaniku zlodzenia dla wybranych stacji (Świnoujście, Kołobrzeg Ustka Hel, Gdynia, Gdańsk) na polskim wybrzeżu. Określono parametry zlodzenia Południowego Bałtyku (m.in. określono daty pierwszego lodu, obliczono liczbę dni z lodem). Opracowano wskaźniki surowości zlodzenia Południowego Bałtyku. Przeprowadzono identyfikację czynników warunkujących zmienność zlodzenia w strefie Południowego Bałtyku. Zbadano zależności pomiędzy wskaźnikiem surowości zlodzenia polskiej strefy brzegowej a typami cyrkulacji: Grosswetterlagen, Osuchowskiej, Niedźwiedzia, Lityńskiego. Przeprowadzono ocenę długoterminowych zmian intensywności występowania zlodzenia w strefie Południowego Bałtyku na podstawie serii danych wskaźnika zlodzenia z lat oraz serii danych liczby dni z lodem z lat Zbadano zależności pomiędzy warunkami zlodzenia a iloczynem termiki i wiatru. Przeprowadzono analizę wybranych parametrów zlodzenia Południowego Bałtyku. Przeprowadzono analizę wybranych sezonów zlodzenia dla polskiego wybrzeża. Opracowano wskaźniki zlodzenia Zachodniego Bałtyku, Zatoki Fińskiej, Alandów oraz 3 części Zatoki Botnickiej. Ustalono warunki meteorologiczne (Tp, prędkość wiatru)do wystąpienia zjawisk lodowych. Przygotowano pliki niezbędne do konstrukcji modeli zlodzenia w polskiej strefie brzegowej w okresie

15 Skompletowano i przygotowano dane do konstrukcji modeli. Dokonano oceny zmienności zlodzenia na polskim wybrzeżu Bałtyku w okresie (wyznaczenie współczynników trendu, wykonanie wykresów). Wyznaczono funkcje własne liczby dni z lodem, daty pierwszego lodu i daty ostatniego lodu ( ) oraz wskaźnika surowości zlodzenia ( ). Dokonano konstrukcji statystyczno-empirycznego modelu ( ) metodą CCA i RDA w zakresie liczby dni z lodem, daty pierwszego lodu i daty ostatniego lodu (czynnik wymuszający: pole SLP). Dokonano konstrukcji statystyczno-empirycznego modelu ( ) metodą CCA i RDA w zakresie wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku (czynnik wymuszający: pole SLP, pole temperatury powietrza z poziomu 2 m n.p.g., pole temperatury powietrza z poziomu 700 hpa). Obliczono wartości współczynnika trendu między serią obserwacyjna a zrekonstruowaną przez model (CCA i RDA) w przypadku liczby dni z lodem ( , , , oraz łącznie z ) oraz wskaźnika surowości zlodzenia ( , , , oraz łącznie z ). Obliczono ilość reprodukowanej wariancji przez model wskaźnika surowości zlodzenia skonstruowanych metodą kanonicznych korelacji dla okresów: , , , oraz łącznie z Obliczono wartość trendu serii zrekonstruowanych przez model (CCA i RDA) w przypadku liczby dni z lodem ( ) oraz wskaźnika surowości zlodzenia ( ). Dokonano wizualizacji wyników skonstruowanych modeli wykreślenie map anomalii pola regionalnego. 3) Opis metodyki badań W pracy zastosowano metodykę badań warunków lodowych opracowaną i przyjętą do stosowania przez Bałtyckie Służby Lodowe (w ramach BSIM), WMO oraz wypracowaną przez grupę badaczy realizujących Balic Sea Ice Climate Workshop. Za pomocą modeli statystyczno-empirycznych (statystyczny downscaling) wyznaczono relacji pomiędzy wielkoskalowym polem wymuszenia (regionalne pole ciśnienia atmosferycznego nad Europą i Północnym Atlantykiem, pole temperatury z wysokości 2 m n.p.g. i poziomu 700 hpa dla obszaru bałtyckiego ) a występowaniem zlodzenia na obszarze południowego Bałtyku. Do opisu zlodzenia wykorzystano liczbę dni z lodem dla 6 stacji na polskim wybrzeżu oraz wskaźnik surowości zlodzenia wyliczony dla 7 akwenów Morza Bałtyckiego. Pole wymuszenia reprezentują 15

16 średnie wartości elementu (SLP, temperatura powietrza) z okresu listopad-kwiecień. Konstrukcji modeli dokonano na podstawie danych z okresu , wykorzystując dwie metody statystycznego downscalingu: korelacji kanonicznych (CCA) i analizy redundancyjnej (RDA). Metody te bazują na empirycznych funkcjach własnych (Empirical Orthogonal Functions EOF) pól analizowanych elementów. Dokonano ponadto weryfikacji skonstruowanych modeli. Do oceny zdolności odtwarzania przez modelu warunków rzeczywistych wykorzystano następujące miary: współczynnik korelacji między serią obserwacyjną a serią zrekonstruowaną przez model oraz ilość wariancji elementu odtwarzanej przez model. Dokonano ponadto oceny zdolności modelu do odtwarzania wieloletnich zmian elementu. Weryfikacja modeli została wykonana dla okresu zależnego , pełnego okresu oraz dla podokresów: , oraz łącznie z ) Charakterystyka osiągniętych wyników Do opisu zmienności występowania zlodzenia na polskim wybrzeżu Bałtyku wykorzystano liczbę dni z lodem ( ) oraz wskaźnik surowości zlodzenia ( ). Charakterystyczne parametry zlodzenia Obserwacje prowadzone już od końca XIX wieku obejmowały następujące parametry: - data pierwszego lodu (pojawienie się zjawisk lodowych) - data ostatniego lodu (zanik zjawisk) - liczba dni z lodem - długość sezonu lodowego - maksymalny zasięg pokrywy lodowej - maksymalna grubość lodu. Wskaźnik surowości zlodzenia Dla południowego Bałtyku opracowano w XX wieku 6 wskaźników: Prufer a, Betina, Girjatowicza, Wiśniewskiej, Drużyńskiego. Ze względu na trudności ze stosowaniem poszczególnych klasyfikacji opracowano nową metodę klasyfikacji surowości zlodzenia opartą jedynie na parametrach zlodzenia. Wskaźnik surowości zlodzenia jest funkcją liczby dni z lodem, prawdopodobieństwa jego występowania oraz liczbą stacji służących do scharakteryzowania danego akwenu morskiego Na podstawie wartości wskaźnika surowości zlodzenia oraz danych z lat wyróżniono trzy typy zim: surowa, normalna i łagodna oraz obliczono średnie wartości parametrów zalodzenia opisujące każdy typ zimy dla poszczególnych akwenów. Charakterystyki te zostały przedstawione w tabeli

17 Tabela Parametry zlodzenia dla zim łagodnych, normalnych i surowych w okresie Typ zimy typ1 łagodna zima typ2 typ3 normalna zimna I zima surowa zima Wskaźnik surowosci zim 0,45 1,73 4,49 Liczba dni z lodem Długosć sezonu lodowego [dni] Dta pierwsze go lodu Data ostatnieg o lodu Zalew Wislany Gdynia- morze/zatoka Gdanska Kolobrzeg- morze/srodkowe wybrzeże Swinoujscie - morze /Zatoka Pomorska Zalew Szczecinski Zalew Wislany Gdynia- morze/zatoka Gdanska Kolobrzeg- morze/srodkowe wybrzeże Swinoujscie - morze /Zatoka Pomorska Zalew Szczecinski Zalew Wislany Gdynia- morze/zatoka Gdanska Kolobrzeg- morze/srodkowe wybrzeże Swinoujscie - morze /Zatoka Pomorska Zalew Szczecinski Zalew Wislany Gdynia- morze/zatoka Gdanska Kolobrzeg- morze/srodkowe wybrzeże Swinoujscie - morze /Zatoka Pomorska Zalew Szczecinski Dokonano konstrukcji modelu statystyczno-empirycznego opisującego związki między regionalnym polem wymuszenia a wskaźnikiem surowości zlodzenia dla 7 akwenów Morza Bałtyckiego. Wskaźnik ten obliczany jest na podstawie liczby dni z lodem odnotowanych w danym roku, prawdopodobieństwa występowania zlodzenia w danym akwenie oraz liczby stacji służących do scharakteryzowania danego akwenu. Szczególną uwagę zwrócono na obszar Bałtyku Południowego, do charakterystyki którego wykorzystano obserwacje z pięciu stacji reprezentujących odmienne typy warunków hydrograficznych: Zalew Szczeciński, Zalew Wiślany (Krynica Morska), Zatoka Gdańska (Gdańsk), Zatoka Pomorska (Świnoujście), wybrzeże środkowe (Kołobrzeg). Im wyższe wartości wskaźnika, tym bardziej surowe wystąpiły warunki w zakresie zlodzenia. 17

18 Tabela Empiryczne funkcje własne wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku oraz wyjaśniana przez nie wariancja elementu [%] ( ) (WB Bałtyk Zachodni, SB Bałtyk Południowy, GF Zatoka Fińska, AL Morze Alandzkie, SoB Morze Botnickie, NK Norra Kvarken, BoF Zatoka Botnicka) akwen EOF EOF EOF EOF EOF WB 1,40-1,00 0,14-0,33 0,08 SB 1,38-0,52 0,17 0,52-0,21 GF 1,65 0,43-0, ,08 0,31 AL 1,75-0,11-0,35-0,09 0,10 SoB 1,60 0,47 0,10 0,17 0,45 NK 1,25 0,51 0, ,09 0,06 BoF 0,64 0,37 0, Wariancj a [%] 0,20 0,18 78,92 11,58 3,40 2,65 2,22 Rezultaty analizy czasowo-przestrzennej struktury zmienności (EOF) wskaźnika surowości zlodzenia w okresie wskazują, że mamy do czynienia z przestrzenią sygnału rozpatrywanego elementu opisaną przez pięć funkcji własne, które łącznie wyjaśniają niemal 99% zmienności elementu (tab ). Pierwsza funkcja własna (EOF), wyjaśniająca niemal 79% wariancji wskaźnika, przedstawia wyraźne dodatnie anomalie jednakowego znaku dla wszystkich akwenów, co wskazuje na udział czynnika regionalnego. Kolejne wektory własne przedstawiają wpływ czynników mniejszej skali, co sugerują zróżnicowane znaki anomalii dla poszczególnych akwenów. Zmiany wskaźnika surowości zlodzenia obliczone dla wielolecia na podstawie analizy EOF pokazują, podobnie jak dane rzeczywiste, znaczny spadek wartości analizowanej zmiennej, co świadczy o zmniejszeniu intensywności zjawisk lodowych na Bałtyku. Wielkości zmian wyznaczonych na podstawie analizy EOF wykazują dużą zgodność z wartościami wynikającymi z równania regresji serii obserwacyjnych. Największym spadkiem wartości wskaźnika cechuje się obszar Bałtyku Południowego. W procesie konstrukcji modelu statystyczno-empirycznego metodą CCA otrzymano 4 pary map kanonicznych, prezentujących związki między polem SLP a wskaźnikiem surowości zlodzenia na Bałtyku. Mapy pola lokalnego wyjaśniają niemal 99% wariancji elementu, podczas gdy mapy pola regionalnego wyjaśniają łącznie około 78% wariancji pola barycznego (tab ). 18

19 Tabela Wariancja [%] pola regionalnego (var SLP ) i lokalnego (Var WSL ) wyjaśniana przez kolejne mapy kanoniczne oraz współczynniki korelacji kanonicznej regionalnego pola barycznego i wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku Całkowita ilość Wskaźnik CCA 1 CCA 2 CCA 3 CCA 4 wyjaśnianej wariancji [%] r 0,91 0,65 0,57 0,45 Var WSL 75,15 9,60 8,28 5,76 98,79 var SLP 52,62 7,34 4,22 13,59 77,77 Pierwsza mapa pola barycznego, wyjaśniająca niemal 53% wariancji pola SLP, prezentuje rozkład anomalii ciśnienia wymuszający przepływ strefowy w basenie Morza Bałtyckiego. Napływ powietrza z kierunku zachodniego powoduje znaczne ujemne anomalie wskaźnika (tab ), a więc sprzyja złagodzeniu zjawisk lodowych. Współczynnik korelacji serii czasowych stowarzyszonych jest bardzo wysoki (0,91). Z rozkładem ciśnienia prezentowanym przez drugą mapę baryczną związany jest w rejonie Bałtyku południkowy przepływ powietrza. W takiej sytuacji znak anomalii elementu lokalnego jest odmienny w północnej części Bałtyku. Tabela Anomalie pola lokalnego modelu skonstruowanego metodą CCA wymuszający: regionalne pola SLP) akwen CCA 1 CCA 2 CCA 3 CCA 4 WB -1,33 0,86-1,02 0,24 SB -1,18 0,42-0,51 0,27 GF -1,63 0,08 0,20 0,10 AL -1,64 0,35-0,34 0,62 SoB -1,66-0,39-0,14 0,66 NK -1,42-0,49-0,13 0,10 BoF -0,69-0,57-0,18-0,30 (czynnik Zależności między regionalnym polem temperatury powietrza z poziomu sigma995 a wartością wskaźnika surowości zlodzenia opisują trzy pary map kanonicznych (tab ). W sumie mapy wyjaśniają po około 97% wariancji pola regionalnego i lokalnego. Pierwsza mapa pola regionalnego prezentuje dodatnie anomalie temperatury rzędu 1,0-1,5 C na całym obszarze zainteresowania. W takiej sytuacji, co zrozumiałe, wskaźnik surowości przyjmuje zdecydowanie niższe wartości od średnich zmniejsza się intensywność zjawisk lodowych. Relacja ta jest wyjaśnia ponad 80% wariancji wskaźnika surowości zlodzenia. Druga mapa regionalna, mający już znacznie mniejszy udział w kształtowaniu elementu lokalnego, przedstawia obszar Bałtyku pod wpływem anomalii przeciwnego znaku nieznacznie dodatnich w części południowej i ujemnych w części północnej. Taki rozkład anomalii termicznych skutkuje bardziej surowymi warunkami na Bałtyku 19

20 Zachodnim i Bałtyku Południowym oraz, co nieco zaskakujące, na Morzu Alandzkim. W pozostałych akwenach panują wtedy warunki łagodniejsze od przeciętnych. Tabela Wariancja [%] pola regionalnego (var TEMP ) i lokalnego (Var WSL ) wyjaśniana przez kolejne mapy kanoniczne oraz współczynniki korelacji kanonicznej regionalnego pola temperatury powietrza z poziomu sigma995 i wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku Całkowita ilość Wskaźnik CCA 1 CCA 2 CCA 3 wyjaśnianej wariancji [%] r 0,97 0,60 0,28 Var WSL 81,63 9,54 5,75 96,92 Var TEMP 88,40 5,25 3,54 97,19 Relacje między regionalnym polem temperatury powietrza z poziomu 700 hpa a wartościami wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku opisują cztery pary map kanonicznych (tab ). Całkowita ilość wyjaśnianej wariancji pola regionalnego i lokalnego przekracza 98%. Pierwsza mapa pola regionalnego prezentują cały obszar w zasięgu ujemnych anomalii temperatury rzędu 0,6-0,7 C. W takiej sytuacji we wszystkich akwenach obserwuje się ujemne wartości anomalii wskaźnika surowości zlodzenia. Podobnie jest w przypadku drugiej pary map, z tym, że anomalie pola regionalnego są w tym przypadku bardziej zróżnicowane (od -0,2 do -0,8 C), co odzwierciedla się także w wartościach anomalii pola lokalnego. Tabela Wariancja [%] pola regionalnego (var TEMP ) i lokalnego (Var WSL ) wyjaśniana przez kolejne mapy kanoniczne oraz współczynniki korelacji kanonicznej regionalnego pola temperatury powietrza z poziomu 700 hpa i wskaźnika surowości zlodzenia na Bałtyku Całkowita ilość Wskaźnik CCA 1 CCA 2 CCA 3 CCA 4 wyjaśnianej wariancji [%] r 0,86 0,68 0,44 0,08 Var WSL 68,37 19,27 8,39 2,76 98,79 Var TEMP 42,01 41,84 7,77 6,96 98,58 Wyniki weryfikacji skonstruowanych modeli statystyczno-empirycznych wskazuje na znaczną zdolność modeli do odtwarzania warunków rzeczywistych. Pod względem wartości współczynnika korelacji między serią obserwacyjną a zrekonstruowaną najlepsze wynik osiąga model, w którym jako predyktor wykorzystano pole temperatury powietrza z poziomu sigma995 (zbliżonego do 2 m n.p.g.). Dla okresu referencyjnego seria odtworzona przez ten model jest skorelowana z rzeczywistą na poziomie 0,9, tylko nieznacznie gorzej wypadają wyniki dla okresy pełnego (tab ). 20

21 Tabela Wartości współczynnika korelacji między serią obserwacyjną i zrekonstruowaną przez model statystyczno-empiryczny dla okresu i model okres WB SB GF AL SoB NK BoF (predyktor) SLP 0,68 0,79 0,87 0,80 0,76 0,76 0, temp. sigma995 0,73 0,91 0,92 0,95 0,91 0,91 0, temp 700 hpa 0,77 0,80 0,81 0,84 0,77 0,75 0, SLP 0,49 0,73 0,82 0,70 0,67 0,66 0,40 temp. sigma995 0,69 0,89 0,90 0,92 0,86 0,86 0,61 temp 700 hpa 0,49 0,58 0,68 0,74 0,68 0,62 0,44 Identyfikacja czynników warunkujących zmienność zlodzenia w strefie Południowego Bałtyku. W badaniach nad identyfikacją czynników warunkujących zmienność zlodzenia w strefie południowego Bałtyku wyodrębniono 4 typy czynników reprezentujących warunki termiczne, warunki zlodzenia, warunki hydrologiczne, cyrkulacje i oscylacje. Zlodzenie mórz, jego trwałość, intensywność występowania są warunkowane przez typy cyrkulacji atmosferycznej występującej podczas trwania sezonu lodowego. do badań przyjęto częstość wystepowania poszczególnych typów cyrkulacji w miesiącach grudzień-styczeń-luty, sklasyfikowanych według Grosswetterlagen, dwie klasyfikacje Niedźwiedzia, dwie klasyfikacje Lityńskiego i Osuchowskiej. Najlepsze wyniki tj. najwyższe współczynniki korelacji uzyskano dla klasyfikacji Lityńskiego. Najwyższe zależności uzyskano (powyżej 0,6)dla wschodniej cyrkulacji zarówno cyklonalnej jak i antycyklonalnej. Również cyrkulacje zachodnie i południowo-zachodnie charakteryzują się wysokim stopniem współzależności. Przeprowadzono badanie warunków meteorologicznych warunkujących powstanie pierwszego lodu na przykładzie akwenu Świnoujścia. W 79% przypadków warunkiem wystarczającym była średnia temperatura z trzech dób niższa niż -1,8 st. C przy średniej prędkości wiatru wyższej niż 1,1 m/s. Ocena długoterminowych zmian intensywności występowania zlodzenia z strefie Południowego Bałtyku. Do oceny długoterminowych zmian zlodzenia wykorzystano dwa parametry: wskaźnik surowości zlodzenia oraz liczbę dni z lodem. Wskaźnik zlodzenia reprezentowała seria z lat (z wyłączeniem sezonu 1945/46) zaś liczbę dni z lodem seria z lat W okresie wystąpiły 23 sezony surowe, 16 łagodnych oraz 63 normalne. Na podstawie badań przeprowadzonych z części dotyczącej identyfikacji czynników warunkujących zlodzenie, stwierdzono wysoką zależność pomiędzy wskaźnikiem zlodzenia a sumą chłodu w cieśninach duńskich. 21

22 Liczba dni z lodem Liczba dni z zaobserwowanym lodem jest najważniejszym parametrem charakteryzującym zjawiska lodowe. Zjawisko co najmniej kilkakrotnego tworzenia się pokrywy lodowej i jej topnienia w ciągu jednego sezonu lodowego jest cechą wyróżniającą wybrzeża Południowego Bałtyku od większości akwenów bałtyckich. Rezultaty analizy czasowo-przestrzennej struktury zmienności (EOF) liczby dni ze zlodzeniem w okresie wskazują, że mamy do czynienia z przestrzenią sygnału rozpatrywanego elementu opisaną jedynie przez trzy funkcje własne, które łącznie wyjaśniają ponad 98% zmienności (tab ). Tabela Empiryczne funkcje własne liczby dni z lodem na polskim wybrzeżu oraz wyjaśniana przez nie wariancja [%] ( ) stacja 1 EOF 2 EOF 3 EOF Świnoujście 22,92-8,09-1,59 Kołobrzeg 17,87 2,96-2,98 Ustka 16,40 5,05-0,99 Hel 3,97 2,11-0,81 Gdynia 18,40-0,06 5,01 Gdańsk 15,55 2,73 1,08 Wariancja [%] 90,33 5,90 2,08 5. Literatura wykorzystana w opracowaniu BETIN B., PREOBRAZENSKIJ J., Surowostć zim w Ewropie i ledowost Baltiki, Leningrad, DRUŻYNSKI B., PASZKIEWICZ CZ., Metoda prognozowania surowości zim u polskich brzegów Bałtyku, Materiały Oddziału Morskiego IMGW, Gdynia, GIRJATOWICZ J.,, Stopień surowości zimy i możliwość jego przewidywania na, podstawie niektórych zjawisk fenologiczno-przyrodniczych, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej w Szczecinie, Nr 103, 65-73, JEVREJEVA S., DRABKIN V.V., KOSTJUKOV J., LEBEDEV A.A., LEPPÄRANTA M., MIRONOV YE.U., SCHMELZER N., SZTOBRYN M.,, Ice Time Series of the Baltic Sea, Report Series in Geophysics No. 44, Helsinki, 2002 KOSLOWSKI G., GLASER R., Reconstruction of the Ice Winter Severity since 1701 in the Western Baltic, Clim. Change 31, 79-98, LORENC H., Studia nad 220-letnią ( ) serią temperatury powietrza w Warszawie oraz ocena jej wiekowych tendencji", materiały badawcze IMGW- seria Meteorologia-31,Warszawa, PRUEFER G., Die Eisverhältnisse in den deutschen und den ihnen benachbarten Ost- und Nordseegebieten, Ann. d. Deut. Hydr. Mar. Met., H.II.,1942 SCHMELZER N., Eisverhältnisse an der Küste von Mecklenburg-Vorpommern, Die Küste, 56, 51-65, SCHMELZER N., SEINA A., LUNDQVIST J.E., SZTOBRYN M., Ice, in: State and Evolution of the Baltic Sea, , Leibniz Institute for Baltic Sea Research, Germany,

23 SEINA A., PALOSUO E., The classification of the maximum annual extent of ice cover in the Baltic Sea , Based on the material collected by Risto Jurva (winters ) and material of the Ice service of the Finnish Institute of Marine research (winters ), Meri Report Series of the Finnish Institute of Marine Research, No. 27, 79-91, STANISŁAWCZYK I., SZTOBRYN, M., DRUŻYŃSKI, B., Features of severity of winters at the Polish coast, IMGW report, SZTOBRYN M., Sea ice condition severity index, Baltic Sea Ice Climate Workshop, Helsinki, SZTOBRYN, M., Zlodzenie polskiej strefy przybrzeżnej w latach , IMGW, Report, WIŚNIEWSKA, A., Surowość zlodzenia polskiej strefy przybrzeżnej Bałtyku, Inż. Morska i Geotechnika nr 2, 48-50, Wykaz głównych wykonawców wraz z krótką informacją o rodzaju wykonanych prac dr hab. Mirosław Miętus prof. IMGW mgr Robert Wójcik dr Michał Marosz mgr Dawid Biernacik Koordynator całości prac w zadaniu i podzadaniu, współautor koncepcji realizacji podzadania. Autor procedur numerycznych i programów obliczeniowych. Współudział w interpretacji i analizie rezultatów obliczeń. Prace związane z wyborem stacji, pozyskaniem danych, ich przygotowaniem, obliczeniem funkcji własnych, tempa zmian warunków zlodzenia, konstrukcji modeli, weryfikacji modeli; współautor raportu. Prace związane z wyborem stacji, pozyskaniem danych, ich przygotowaniem, obliczeniem funkcji własnych, tempa zmian warunków zlodzenia, konstrukcji modeli; współautor raportu. Prace związane z wyborem stacji, pozyskaniem danych, ich przygotowaniem, obliczeniem funkcji własnych, konstrukcji modeli; współautor raportu. dr inż. Marzenna Sztobryn Przygotowanie koncepcji badań. Badania (wraz z przygotowaniem danych) wpływu zmian klimatycznych na wskaźniki zlodzenia Południowego Bałtyku. Identyfikacja czynników warunkujących zlodzenie. Ocena zmian długoterminowych. Analiza wybranych parametrów zlodzenia Południowego Bałtyku. mgr inż. Beata Letkiewicz mgr inż. Beata Kowalska mgr Monika Mykita mgr Ida Stanisławczyk Przygotowanie danych do oceny zmian zlodzenia Południowego Bałtyku - wybór stacji. Badania nad identyfikacją czynników warunkujących zmienność zlodzenia ze szczególnym uwzględnieniem cyrkulacji. v Analiza wybranych parametrów zlodzenia Południowego Bałtyku. Analiza wybranych sezonów zlodzenia dla polskiego wybrzeża. Badania nad oceną długoterminowych zmian intensywności zlodzenia. Badania nad oceną zmian długoterminowych intensywności zlodzenia. Badania nad identyfikacją czynników warunkujących zmienność zlodzenia. Badanie zależności pomiędzy warunkami zlodzenia a iloczynem termiki i wiatru 23