Przyczyny cyrkulacyjne zmian zachmurzenia nad Polską ( )

Transkrypt

1 K. Piotrowicz, R. Twardosz (red.) Wahania klimatu w różnych skalach przestrzennych i czasowych Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytet Jagielloński Kraków, 2007, Przyczyny cyrkulacyjne zmian zachmurzenia nad Polską ( ) Circulation causes of cloudiness changes over Poland ( ) Elwira Żmudzka 1 Zarys treści: Celem opracowania jest określenie udziału czynnika cyrkulacyjnego w kształtowaniu wielkości zachmurzenia nad Polską w drugiej połowie XX w. Wielkość zachmurzenia scharakteryzowano serią uśrednioną z 48 stacji IMGW reprezentujących obszar Polski nizinnej. Materiał źródłowy wykorzystany do opisu cyrkulacji stanowiły ciśnienie oraz wysokość powierzchni 700 hpa w punktach węzłowych siatki w sektorze europejsko-atlantyckim. Dane te wykorzystano do obliczenia różnych wskaźników cyrkulacji charakteryzujących zarówno ukształtowanie pola ciśnienia, jak i kierunek adwekcji. Określono wskaźniki wyjaśniające możliwie największą część zmienności zachmurzenia nad Polską w przebiegu rocznym. Stwierdzono, że bezpośrednim oddziaływaniem cyrkulacji można wyjaśnić do 80% zmienności wielkości zachmurzenia. Słowa kluczowe: zachmurzenie, Polska, cyrkulacja atmosferyczna, Europa Key words: cloudiness, Poland, atmospheric circulation, Europe Wstęp Celem opracowania jest określenie głównych cech zmienności czasowej zachmurzenia nad obszarem Polski nizinnej w drugiej połowie XX w. oraz ocena jego związków z cyrkulacją atmosferyczną. Warunki nefologiczne scharakteryzowano średnimi sezonowymi i roczną wielkością zachmurzenia z kolejnych lat okresu z 48 stacji IMGW położonych poniżej 300 m n.p.m. Sprawdzono jednorodność serii pomiarowych, a w uzasadnionych przypadkach (meta-dane) dokonano korekty danych źródłowych przy użyciu testu H. Alexanderssona (Alexandersson 1986). Na ich podstawie obliczono, jako średnią arytmetyczną, średnią obszarową wielkość zachmurzenia nad Polską. 1 Instytut Geografii Fizycznej, Uniwersytet Warszawski, ul. Krakowskie Przedmieście 30, Warszawa, elwiraz@uw.edu.pl

2 Elwira Żmudzka Wieloletnią zmienność zachmurzenia nad Polską opisano kilkoma metodami. Określono tendencje zmian wielkości zachmurzenia wykorzystując równanie regresji liniowej, fluktuacje na podstawie przebiegów kumulowanych odchyleń od średniej wieloletniej oraz okresowość stosując metodę sinusoid regresji (Boryczka 1998) i analizę falkową (Torrence, Compo 1998). Określono związki wielkości zachmurzenia z polem ciśnienia nad Europą i północnym Atlantykiem. W obliczeniach wykorzystano wartości ciśnienia oraz wysokości powierzchni izobarycznej 700 hpa pochodzące z punktów węzłowych siatki z obszaru 30 o -70 o N i 40 o W-60 o E. Krok siatki wynosi 2,5 o φ i 5 o λ. Dane te pochodzą z bazy NCEP/NCAR Reanalysis ( ). W polach podstawowych 10 o φ i 20 o λ obliczono 4 wskaźnik wirowości ξ p (ξ p = p-4p m, gdzie: p ciśnienie w czterech skrajnych punktach 1 pola podstawowego, p m ciśnienie w środku pola). Pola te przesuwano o Δ 2,5 o φ i 5 o λ. Podobna formuła posłużyła do obliczenia wartości wskaźnika wirowości na powierzchni izobarycznej 700 hpa. Siłę zależności wielkości zachmurzenia nad obszarem Polski od ciśnienia atmosferycznego i wskaźników cyrkulacji oceniono za pomocą współczynnika korelacji liniowej. Na podstawie rozkładów przestrzennych siły powiązań wielkości zachmurzenia nad Polską z ciśnieniem i geopotencjałem oraz wirowością na obu poziomach określono lokalne nefologiczne wskaźniki cyrkulacji. Są one odpowiednio różnicami wartości ciśnienia, wysokości powierzchni izobarycznej 700 hpa oraz wirowości na obu poziomach między punktami, w których zachmurzenie nad Polską było najsilniej powiązane dodatnio i ujemnie z tymi charakterystykami pola ciśnienia. Zmienność wielkości zachmurzenia rozpatrzono w aspekcie zmienności warunków cyrkulacyjnych w badanym wieloleciu. Zmienność wielkości zachmurzenia nad obszarem Polski W drugiej połowie XX w. w przeważającej części roku (zimą, wiosną i latem) wielkość zachmurzenia nad Polską uległa zmniejszeniu (tab. 1). Trendy nie spełniały jednak warunku istotności na poziomie 0,05. Na uwagę zasługuje malejąca tendencja zmian zachmurzenia zimą (istotność na poziomie α = 0,10). Jesienią stwierdzono nieistotny wzrost wielkości zachmurzenia. Tab. 1. Współczynniki trendu liniowego a [% rok -1 ] oraz ocena rangowa (τ wartości statystyki Manna-Kendalla) trendu zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia nad Polską w latach (Żmudzka 2004a,b) Table 1. Linear trend coefficients a [% year -1 ] and rank evaluation (τ the values of the Mann- Kendall s statistics) of the trend of changes of seasonal and annual means of cloudiness in Poland in years (Żmudzka 2004a,b) 94

3 Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską Potwierdzeniem wystąpienia ujemnych trendów zmian zachmurzenia zimą i wiosną jest kształt krzywych obrazujących kumulowane odchylenia od średnich (ryc. 1). Zmiana znaku odchyleń z dodatnich na przeważające ujemne przypada na początek lat 70. XX w. Na połowę lat przypada także granica charakteru zmienności wielkości zachmurzenia latem. Jesienią w pierwszej połowie badanego 50-lecia zachmurzenie nie uległo istotnej zmianie, w drugiej zaś wzrosło; przejście od anomalii ujemnych do dodatnich nastąpiło w 1991 r. Kumulowane odchylenia nie przekraczają wartości 3 odchyleń standardowych, wskazując na występowanie nielosowych fluktuacji w szeregach czasowych sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia (Drozdov, Grigoreva 1972). Ryc. 1. Kumulowane odchylenia średnich sezonowych wielkości zachmurzenia nad Polską od średnich z lat Zaznaczono zakres 1, 2 i 3 odchyleń standardowych Fig. 1. Cumulative deviations of mean seasonal cloudiness over Poland from the means in period The ranges of 1, 2 and 3 standard deviations are marked W przebiegu sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia występuje kilka składowych cyklicznych, z których część charakteryzuje się znaczącym zakresem wahań. Są to na ogół składowe o okresach około 2-, 3-, 4-, 5-6-, 9-, kilkunasto- i ponad 20-letnich. Jakkolwiek widma w ciągu całego roku wykazują duże podobieństwo (występowanie tych samych minimów lokalnych wariancji resztkowej), to jednak jest zróżnicowanie sezonowe ze względu na dominującą częstość wahań. Zimą dominuje cykl 5,4-letni, wiosną i w roku 3,6-letni, latem 22-letni, a jesienią 2,6-letni (tab. 2). Te najsilniejsze cykle (oprócz cyklu 2,6-letniego jesienią) są istotne na poziomie 0,05 i wyjaśniają wariancję wielkości zachmurzenia w 10-20%. 95

4 Elwira Żmudzka Tab. 2. Dominujące składowe cykliczne zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia nad Polską ( ): Θ okres, b amplituda, c faza, ε 2 wariancja resztkowa, R współczynnik korelacji Table 2. The dominant cyclical components of changes of seasonal and annual means of cloudiness over Poland ( ): Θ period, b amplitude, c phase, ε 2 residual variance, R coefficient of correlation Wyniki analizy falkowej wskazują, że nawet dominujące w poszczególnych porach roku cykle są niestabilne nie zaznaczają się w ciągu całego 50-lecia. Na przykład, najsilniejszy dwudziestoparoletni cykl letni występował jedynie od końca lat 50. do początku lat 80. XX w. (ryc. 2). Ryc. 2. Widmo oscylacji i analiza falkowa średniej wielkości zachmurzenia nad Polską N oraz wskaźnika wirowości na powierzchni 700 hpa ξ 700 w gridzie 15 o E 55 o N ( ) lato Fig. 2. Spectre of oscillation and wavelets analysis of mean cloudiness over Poland N and index of vorticity on 700 hpa surface ξ 700 in grid 15 o E 55 o N ( ) summer 96

5 Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską Związki wielkości zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia nad Europą i północnym Atlantykiem Wykonana analiza związków wielkości zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia nad Europą i północnym Atlantykiem pozwala na sformułowanie kilku spostrzeżeń: bezpośrednim oddziaływaniem cyrkulacji atmosferycznej, opisanej rozkładem ciśnienia w sektorze europejsko-atlantyckim, można wyjaśnić do 80% zmienności wielkości zachmurzenia nad Polską. Najsilniejsze związki wielkości zachmurzenia z polem ciśnienia występują w ciepłej części roku; wzrostowi zachmurzenia nad Polską sprzyja przede wszystkim spadek ciśnienia nad obszarem rozciągającym się od Morza Północnego po wschodnią część Morza Śródziemnego, przy czym zmianom rocznym ulega położenie obszaru największego wpływu ciśnienia na wielkość zachmurzenia (ryc. 3, 4). Istotne pozytywne związki statystyczne łączą także wielkość zachmurzenia nad Polską z ciśnieniem nad Grenlandią w ciągu całego roku, we wschodniej części Europy zimą, w Wyżu Azorskim latem, nad południowo-wschodnimi krańcami Europy i wschodnią częścią Morza Śródziemnego w przejściowych porach roku. Umocnienie się stałych lub powstanie lokalnych ośrodków podwyższonego ciśnienia steruje przemieszczającymi się nad obszarem Polski lub w jej sąsiedztwie niżami. Wielkoskalowy rozkład ośrodków ciśnienia decyduje o kierunku adwekcji mas powietrznych o określonych właściwościach fizycznych; Ryc. 3. Współczynnik korelacji średnich wielkości zachmurzenia nad Polską z ciśnieniem p i wskaźnikiem wirowości na poziomie morza ξ p nad Europą i północnym Atlantykiem ( ). Zaznaczono obszar istotnych zależności ( wartość największa, wartość najmniejsza) zima i lato Fig. 3. Correlation coefficients of average cloudiness over Poland and pressure p and vorticity index on sea level ξ p over Europe and North Atlantic ( ). Area of significant relations is marked ( biggest value, smallest value) winter and summer 97

6 Elwira Żmudzka Ryc. 4. Współczynnik korelacji średnich wielkości zachmurzenia nad Polską z wysokością powierzchni 700 hpa h 700 oraz wskaźnikiem wirowości na powierzchni 700 hpa ξ 700 nad Europą i północnym Atlantykiem ( ). Zaznaczono obszar istotnych zależności ( wartość największa, wartość najmniejsza) zima i lato Fig 4. Correlation coefficients of average cloudiness over Poland and height of 700 hpa surface h 700 and vorticity index on 700 hpa surface ξ 700 over Europe and North Atlantic ( ). Area of significant relations is marked ( biggest value, smallest value) winter and summer w przeważającej części roku wielkość zachmurzenia nad Polską kształtuje się przede wszystkim pod wpływem układu pola ciśnienia nad środkową częścią Europy (tab. 3). We wszystkich porach roku (oprócz wiosny) zmienność zachmurzenia nad Polską najlepiej opisuje wskaźnik wirowości (latem i w roku na powierzchni 700 hpa nad południowo-zachodnim Bałtykiem) lub jego gradient (zimą na poziomie morza między południowo-zachodnim wybrzeżem Europy a środkowymi Karpatami, jesienią na powierzchni 700 hpa między wschodnią częścią Morza Śródziemnego a środkową Polską). Wiosną największą część zmienności wielkości zachmurzenia tłumaczą wahania ciśnienia nad Polską i Morzem Bałtyckim; na przyczynowo-skutkowe związki zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia wskazuje także podobieństwo ich widm oscylacji, synchroniczność (zbliżona okresowość i zgodność fazowa wahań) oraz występowanie w tych samych latach badanego 50-lecia dominujących składowych cyklicznych: zimą 5,4-, wiosną i w roku 3,6-, latem ponad dwudziesto-, a jesienią ponad 2-letniej (ryc. 2). Zmiany okresowe wielkości zachmurzenia nad Polską są podobne przede wszystkim do zmian cyklicznych występujących w szeregach czasowych wskaźnika wirowości na powierzchni 700 hpa nad obszarem południowego Bałtyku (tab. 4); tendencje zmian wielkości zachmurzenia korespondują ze zmianami pola ciśnienia w badanym okresie. Za główną cechę przemiany reżimu cyrkulacyjnego w strefie umiarkowanych szerokości geograficznych w drugiej połowie XX w. uznano wzrost intensywności przenosu zachodniego (np. Marsz 1999, Niedźwiedź 2000, Wibig 2001; 98

7 Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską Tab. 3. Największe współczynniki determinacji R 2 charakterystyk pola ciśnienia i wielkości zachmurzenia nad Polską ( ) (Żmudzka 2007) Table 3. The biggest determination coefficients R 2 of characteristics of pressure field and cloudiness over Poland ( ) (Żmudzka 2007) h 700 wysokość powierzchni 700 hpa, ξ 700 wirowość na powierzchni 700 hpa, Δξ p lokalny gradient wirowości na poziomie morza, Δξ 700 lokalny gradient wirowości na powierzchni 700 hpa. h 700 height of 700 hpa surface, ξ 700 vorticity on 700 hpa surface, Δξ p local gradient of vorticity on the sea level, Δξ 700 local gradient of vorticity on 700 hpa surface. Tab. 4. Istotne składowe cykliczne zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia N nad Polską oraz wybranych wskaźników cyrkulacji w punktach, w których zachmurzenie jest najsilniej powiązane dodatnio r max i ujemnie r min z tym wskaźnikiem ( ) (pogrubiono cykle istotne na poziomie 0,05) Table 4. Significant cyclical components of changes of seasonal and annual means of cloudiness N over Poland and chosen indices of circulation in grids, in which cloudiness is the most strongly connected positive r max and negative r min with this index ( ) (the characters in bold denote the coefficients significant at the level of 0.05) Kożuchowski, Żmudzka 2002; Degirmendžić i in. 2004). Intensyfikacja przepływu zachodniego mas powietrznych była sezonowo zróżnicowana najsilniejsza w miesiącach zimowo-wiosennych, kiedy to w części południowej rozpatrywanego obszaru wystąpił znaczący wzrost, a w północnej zmniejszenie ciśnienia (ryc. 5). Warto jednak zauważyć, że w przeważającej części roku nad obszarem Polski oraz na południe i południo-zachód od niego, a latem także nad środkową Skandynawią wystąpiła znacząca ujemna tendencja 99

8 Elwira Żmudzka Ryc. 5. Tendencje zmian ciśnienia p [hpa rok -1 ] i wskaźnika wirowości na poziomie morza ξ p [hpa rok -1 ] i na powierzchni 700 hpa ξ 700 [m rok-1 ] nad Europą i północnym Atlantykiem ( ) w wybranych porach roku. Zaznaczono obszar istotnych współczynników trendu liniowego Fig. 5. Tendencies of pressure changes p [hpa year -1 ] and vorticity index on sea level ξ p [hpa year -1 ] and on 700 hpa surface ξ 700 [m year -1 ] over Europe and North Atlantic ( ) in chosen seasons. Area of significant trend coefficients is marked Tab. 5. Współczynniki trendu liniowego zmian częstości wybranych typów cyrkulacji według klasyfikacji J. Lityńskiego [liczba dni rok -1 ] w latach (pogrubiono współczynniki istotne na poziomie 0,05) Table 5. Linear trend coefficients of changes of frequency of selected circulation types after J. Lityński classification [numbers of days year -1 ] in years (the characters in bold denote the coefficients significant at the level of 0.05) zmian wskaźnika wirowości. Sytuację tę dobrze dokumentują także współczynniki trendu liniowego zmian częstości wybranych typów cyrkulacji według klasyfikacji J. Lityńskiego (1969) (tab. 5). Malejące trendy zmian wielkości zachmurzenia można zatem wytłumaczyć przede wszystkim wzrostem częstości układów antycyklonalnych nad środkową Europą. Na zmniejszenie wielkości zachmurzenia w Europie Środkowej jako konsekwencji nasilenia aktywności wyżów wskazywali m.in. A. Henderson- 100

9 Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską -Sellers (1986) oraz D. Matuszko (1998). Nad północną częścią Morza Czarnego od wiosny do jesieni wystąpiła natomiast istotna dodatnia tendencja zmian wskaźnika wirowości. Prawdopodobnie wzrost częstości niżów w tej części Europy, a także na szlaku północny Atlantyk Morze Północne południowy Bałtyk tereny położone na wschód od obszaru Polski były bezpośrednią przyczyną wzrostu zachmurzenia nad Polską jesienią (wzrost wartości wskaźnika wirowości nad tym obszarem powoduje znaczący wzrost wielkości zachmurzenia nad Polską). Podsumowanie Czynnikiem powodującym znaczącą część obserwowanych wahań wielkości zachmurzenia nad Polską jest cyrkulacja atmosferyczna. Rozpoznanie przebiegu makroskalowych procesów cyrkulacyjnych ma istotne znaczenie aplikacyjne może być wykorzystane w prognozach. Literatura Alexandersson H., 1986, A homogeneity test applied to precipitation data, Int. J. Climatol., 6, Boryczka J., 1998, Zmiany klimatu Ziemi, Wyd. Akademickie DIALOG, Warszawa. Degirmendžić J., Kożuchowski K., Żmudzka E., 2004, Changes of Air Temperature and Precipitation in Poland in the Period and their Relationship to Atmospheric Circulation, Int. J. Climatol., 24, 3, Drozdov O.A., Grigoreva A.S., 1972, Charakteristika cykličnosti osadkov na teritorii SSSR i svjaz s cykličnostju cyrkulacii atmosfery, Gidrometeoizdat, Leningrad. Henderson-Sellers A., 1986, Cloud Changes in a Warmer Europe, Climatic Change, 8, 1, Kożuchowski K., Żmudzka E., 2002, Cyrkulacja atmosferyczna i jej wpływ na zmienność temperatury powietrza w Polsce, Prz. Geogr., 74, 4, Lityński J., 1969, Liczbowa klasyfikacja typów cyrkulacji i typów pogody dla Polski, Prace PIHM, 97, Marsz A.A., 1999, Oscylacja Północnoatlantycka a reżim termiczny zim na obszarze północno-zachodniej Polski i na polskim wybrzeżu Bałtyku, Prz. Geogr., 71, 3, Matuszko D., 1998, Zachmurzenie w Krakowie ( ), Prz. Geofiz., 43, 3-4, Niedźwiedź T., 2000, Variability of the Atmospheric Circulation above Central Europe in the Light of Selected Indices, Prace Geogr., 107, Inst. Geogr. UJ, NCEP/NCAR Reanalysis, , Torrence Ch., Compo G.P., 1998, A Practical Guide to Wavelet Analysis, Bull. Amer. Meteor. Soc., 79, Wibig J., 2001, Wpływ cyrkulacji atmosferycznej na rozkład przestrzenny anomalii temperatury i opadów w Europie. Wyd. UŁ, Łódź. Żmudzka E., 2004a, Uwarunkowania cyrkulacyjne zmienności zachmurzenia ogólnego w Polsce ( ), Czas. Geogr., 75, 1-2, Żmudzka E., 2004b, Conditions de circulation atmosphérique et variabilité de la nébulosité en Pologne ( ), Annales de l AIC, 1,

10 Elwira Żmudzka Żmudzka E., 2007, Zmienność zachmurzenia w Polsce i jej uwarunkowania cyrkulacyjne ( ), Warszawa, w druku. Summary The purpose of the study is to find out the contribution of circulation factors in the development of cloudiness over Poland during the second half of the 20 th century. Magnitude of cloudiness was characterized by average of 48 stations located in the Poland lowlands. Data on pressure and the height of a 700 hpa surface on a grid in the European-Atlantic sector were used to describe the circulation. These data were used to calculate various indices characteristic for pressure fields as well as for the direction of advection. Indices explaining the largest number of possible variables of cloudiness over Poland over the course of a year were determined. It was proved that up to 80% of changes resulting in the rise of cloudiness can be explained as the direct consequence of circulation. 102