Maksymalne opady w funkcji czasu trwania obserwowane w Polsce

Transkrypt

1 Maksymalne opady w funkcji czasu trwania obserwowane w Polsce Paweł Prokop Polska Akademia Nauk, Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania ul. Jana 22, Kraków pawel@zg.pan.krakow.pl Zjawiska ekstremalne, takie jak wysokie opady, przyczyniają się w największym stopniu do przekształceń rzeźby w klimacie umiarkowanym (Starkel 1976, 1996). Deszcze o dużych wydajnościach i natężeniach, przekraczających możliwości infiltracyjne gleby, stwarzają warunki do powstania spływu powierzchniowego, decydują o wielkości i przebiegu wezbrań, są również głównym impulsem uruchamiającym ruchy masowe. Istotne jest więc, jak wysokie opady osiągane są na terenie Polski. Od ponad 50 lat znana jest zależność między wysokością maksymalnych opadów a czasem ich trwania dla całego świata (Jennings 1950). Zależność stała się jedną z podstaw konstrukcji skali wydajności deszczów przez Chomicza (1951). Wprowadzenie współczynnika wydajności pozwoliło na porównanie opadów z różnych regionów kuli ziemskiej z maksymalnymi ulewami i deszczami nawalnymi w Polsce. Celem opracowania jest przedstawienie aktualnych danych o maksymalnych opadach w Polsce oraz analiza czynników wpływających na ich wysokość i wydajność. Materiały i metody Dane o opadach w Polsce zaczerpnięto z dotychczasowych opracowań (Chomicz 1951, Parczewski 1960, Karwowski 1963, Taraszakiewicz 1965, Piasecki i in. 1997, Chudy 2002) i roczników opadów atmosferycznych z lat Pod uwagę zostały wzięte zmierzone maksymalne opady, bez względu na ich genezę czy wpływ warunków lokalnych. Nie uwzględniano danych szacunkowych. Do obliczeń wydajności deszczu zastosowano skalę Chomicza (1951). Autor podzielił opady o dużym natężeniu na dwie kategorie: A deszcze ulewne i B deszcze na-

2 190 Paweł Prokop walne. Według klasyfikacji Chomicza do deszczy ulewnych zalicza się takie, których wydajność (suma opadów u w mm) w czasie (t w min) przekracza wartość u 0 = 1,0t 0,5. Deszczami nawalnymi określa się deszcze o wydajności większej niż u 5 = 5,66t 0,5. Skala Chomicza nie uwzględnia zróżnicowania regionalnego, zależnego od położenia geograficznego i stosunków klimatycznych. Do tego celu mogą być stosowane skale probabilistyczne, oparte na częstotliwości pojawiania się opadu o określonym natężeniu (Lambor 1971), lub regionalne równania, pozwalające określić maksymalne opady o zadanym czasie trwania oraz prawdopodobieństwie przewyższenia (Bogdanowicz, Stachý 2002). Maksymalne opady w Polsce Maksymalne opady zanotowane w Polsce o czasie trwania od kilku minut do roku reprezentowane są obecnie przez dziewięć stacji (tab. 1, ryc. 1). Najstarsze dane pochodzą z 1914 r., a najnowsze z 2001 r. Maksymalne opady w zależności od czasu trwania różnią się między sobą przestrzennym zasięgiem, wysokością, natężeniem i wydajnością. W naszych warunkach klimatycznych deszcze nawalne trwają na ogół kilkadziesiąt minut, a w wyjątkowych przypadkach do kilku godzin, natomiast czas trwania deszczów długotrwałych, czyli rozlewnych, nie przekracza trzech-czterech dni (Chomicz 1951, Taraszkiewicz 1965, Lambor 1971). Krótkotrwałe opady o dużym natężeniu występują w Polsce latem nad obszarami, gdzie istnieją sprzyjające warunki do rozwoju silnych prądów wstępujących. Wysokość tego typu opadów zależy w głównej mierze od ilości wody w chmurze, jej wielkości i szybkości, z jaką się przemieszcza. Zasięg deszczów jest tym mniejszy, im większe natężenie i na ogół nie przekracza 5 10 km 2 (Lambor 1971, Fal, Plenzler 1981). Mogą one wystąpić w całej Polsce, a szczególnie narażone są na nie Tabela 1. Maksymalne opady w Polsce o różnym czasie trwania Table 1. Maximum precipitation totals in Poland for various stages of duration Czas Opad (mm) Miejsce Data 2 min 36,3 Szychowice k. Hrubieszowa min 80,0 Ryczów k. Zawiercia min 126,0 Domanice k. Siedlec h 15 min 176,1 Sławniowice, Dolny Śląsk h 30 min 220,1 Skrzyczne k. Bielska-Białej h 30 min 221,8 Nieszawa h 300,0 Hala Gąsienicowa dni 428,0 Hala pod Śnieżnikiem dni 557,0 Hala pod Śnieżnikiem mies. 950,0 Hala pod Śnieżnikiem rok 2770,0 Dolina Pięciu Stawów 2001

3 Maksymalne opady w funkcji czasu trwania obserwowane w Polsce 191 tereny Wyżyny Lubelskiej, Małopolskiej i Śląsko-Krakowskiej. Świadczyć to może o zbliżonych właściwościach fizycznych lokalnych komórek konwekcyjnych, niezależnie od ich położenia geograficznego (Hershfield 1962). Częstotliwość opadów nawalnych największa jest w górach, jednak najwyższe wartości osiągają one na wyżynach. Wysokie sumy opadów zanotowanych dla doby i dłuższych przedziałów czasowych kształtowane są już zarówno przez deszcze nawalne, jak i rozlewne. Najwyższe opady rozlewne mogą osiągać wydajności deszczów nawalnych w skali Chomicza. Wszystkie maksymalne opady o czasie trwania od jednej doby do roku zarejestrowano do tej pory w Tatrach i Sudetach. Wysokie opady notowane na obszarze gór związane są obok orografii z układami pogodowymi przemieszczaniem się nad Polską ośrodków niżowych ze strefami frontalnymi znad Morza Śródziemnego Ryc. 1. Położenie stacji notujących maksymalne opady w Polsce o różnym czasie trwania. Trójkąty opady o czasie trwania poniżej 24 h, kółka opady o czasie trwania 24 h i więcej 1 Szychowice, 2 Ryczów, 3 Domanice, 4 Sławniowice, 5 Skrzyczne, 6 Nieszawa, 7 Hala Gąsienicowa, 8 Hala pod Śnieżnikiem, 9 Dolina Pięciu Stawów Fig. 1. The location of stations recorded maximum precipitation totals measured in Poland for various stages of duration. Triangles precipitation duration below 24 h, circles precipitation duration 24 h and more

4 192 Paweł Prokop i Włoch w kierunku północno-wschodnim (tzw. tor Vb Van Bebbera) lub zaleganiem ośrodka niskiego ciśnienia nad południowo-wschodnią Polską, co powoduje napływ wilgotnych mas powietrza z północy i ich spiętrzenie na północnych stokach gór (Mycielska 1979). Opady obejmują wówczas duże obszary tys. km 2 i często są przyczyną katastrofalnych wezbrań (Fal, Plenzler 1981). Przytoczone w tabeli 1 wartości ekstremalnych opadów nie są zjawiskiem wyjątkowym w Polsce. Na Wyżynie Lubelskiej, Małopolskiej i Śląsko-Krakowskiej obserwowano kilkakrotnie zbliżone wartości i wydajności kilkuminutowych deszczów nawalnych (Parczewski 1960, Cebulak, Niedźwiedź 1998). Charakterystyczne jest również, że najsilniejsze deszcze nawalne B5 (6 przypadków, tab. 2), wystąpiły w różnych regionach Polski w tym samym 1956 r. Często cytowany jedyny przypadek deszczu nawalnego kategorii B5 z r. w Sułoszowej k. Olkusza, gdzie w ciągu godziny spadło mm, jest wysokością szacowaną (Cebulak, Niedźwiedź 1998). W latach zanotowano 12 deszczów nawalnych B4 (Chudy 2002). Długotrwały opad nawalny kategorii B3 obserwowano w Wałbrzychu, kiedy r. w ciągu 5 godzin spadło 206,5 mm (Chudy 2002). Podobny opad kategorii B2 w Siennie k. Kielc z r. wyniósł 210 mm i trwał 6 godz. 45 min (Chomicz 1951). Deszcze kategorii B1, trwające trzy doby, wystąpiły r. na Hali Gąsienicowej (422,4 mm) i w Witowie (382,8 mm) w Tatrach (Lambor 1952), a także r. w Międzygórzu (431,2 mm) i Kamienicy (456 mm) w Sudetach (Dubicki i in. 1999). Z wymienionymi deszczami związane były największe powodzie w dorzeczach Wisły i Odry w historii pomiarów hydrologicznych (Grela i in. 1999, Dubicki i in. 1999). Opady w dorzeczu Odry w 1997r. przyniosły znaczące zmiany w notowanych statystykach maksymalnych deszczów rozlewnych o czasie trwania powyżej doby. Ozga-Zielińska (1997), określając procentowy stosunek najwyższych wartości opadów zarejestrowanych w czasie lipcowej powodzi w 1997r. do wartości rocznych normalnych dla danej stacji, stwierdziła, że opady lipca w dorzeczu górnej Odry w Polsce osiągnęły wartości względne rzędu opadów maksymalnych notowanych na świecie. Tabela 2. Opady o najwyższej wydajności B5 w skali Chomicza zanotowane w Polsce Table 2. The highest recorded precipitation totals B5 in Poland in Chomicz scale Czas Opad (mm) Miejsce Data 2 min 36,3 Szychowice k. Hrubieszowa min 35,3 Szychowice k. Hrubieszowa min 33,4 Szychowice k. Hrubieszowa min 80,0 Ryczów k. Zawiercia min 126,0 Domanice k. Siedlec h 15 min 220,1 Skrzyczne k. Bielska-Białej h 180,0 Sułoszowa k. Olkusza* *wysokość opadu szacowana

5 Maksymalne opady w funkcji czasu trwania obserwowane w Polsce 193 Tabela 3. Maksymalne zanotowane opady (mm) o różnym czasie trwania w Polsce, sąsiednich krajach i na świecie Table 3. The maximum recorded precipitation totals (mm) in Poland, neighbouring countries and in the world for various stages of duration Czas Polska Niemcy Czechy Świat Opad Miejsce Opad Miejsce Opad Miejsce Opad Miejsce 1 h 120 Giełczyce, Dolny Śląsk 24 h 300 Hala Gąsienicowa 2 dni 428 Hala pod Śnieżnikiem 3 dni 557Hala pod Śnieżnikiem 1 mies. 950 Hala pod Śnieżnikiem 1 rok 2770 Dolina Pięciu Stawów 200 Miltzow, Meklemburgia 353 Zinnwald- Georgenfeld, Saksonia 377 Seehaus, Bawaria 237Mladotice k. Pilzna 345 Nova Louka, Góry Izerskie 380 Cinovec, Rudawy 458 Stein, Bawaria 537Sance, Beskidy 779 Stein, Bawaria 811 Lysa Hora, Beskidy 3661 Purtschellerhaus, Bawaria 2254 Lysa Hora, Beskidy 401 Shangdi, Chiny 1825 Foc Foc, Reunion 2467Aurere, Reunion 3240 Grand Ilet, Reunion 9300 Cherrapunji, Indie Cherrapunji, Indie Jednak krótkotrwałe opady nawalne w sąsiednich krajach mają wyższe sumy i wydajności w porównaniu z sumami opadów o tym samym czasie trwania zaobserwowanymi w Polsce (tab. 3). Przykładowo maksymalny, jednogodzinny opad w Niemczech zanotowany r. w Miltzow wyniósł 200 mm (Rudolf, Rapp 2003), jeszcze wyższy obserwowano w Czechach, gdzie r. w Mladoticach spadło 237mm (Muller, Kakos 2004). Również dobowe opady w wymienionych krajach są wyższe. W Zinnwald-Georgenfeld zanotowano 353 mm w ciągu 24 h między 12 a r., a w Neuweise (obecnie Nova Louka w Sudetach na terenie Czech) 30 lipca 1897r. spadło 345,1 mm (Lambor 1952). Na tym tle wyróżniają się dwu- i trzydniowe opady na Hali pod Śnieżnikiem z lipca 1997r. oraz miesięczna suma lipca, osiągnięta w tym samym roku (Piasecki i in. 1997). Przewyższają one znacznie maksymalne opady zanotowane w Niemczech i Czechach. Najwyższe sumy opadów 2-dniowych obserwowane w Niemczech to 377 mm ( w Seehaus), w Czechach 380 mm ( w Cinovec), 3-dniowych odpowiednio 458 mm ( w Stein) i 537 mm ( w Sance), natomiast maksymalne sumy miesięczne w tych krajach sięgają ok. 800 mm (Samaj i in. 1985, Dubicki i in. 1999, Rudolf, Rapp 2003). Maksymalne opady w funkcji czasu trwania Maksymalne opady w Polsce, trwające do 3 godzin, są najbardziej zbliżone do maksymalnych opadów notowanych na kuli ziemskiej. Stanowią one od 37do ponad 60% wysokości maksymalnych opadów światowych. Dwa przypadki najwyższych opadów na świecie o czasie trwania 8 i 20 minut (odpowiednio: 126 mm

6 194 Paweł Prokop Füssen w Alpach Bawarskich w Niemczech i 206 mm Curtea de Arges w Południowych Karpatach w Rumunii) pochodzą ze strefy klimatu umiarkowanego i odnotowano je najbliżej granic Polski (WMO 1986). Sumy opadów trwających powyżej kilku godzin w Polsce są już znacznie niższe od sum obserwowanych na świecie. Wraz z przyrostem czasu trwania opadu różnice wzrastają, osiągając maksima w przypadku opadów miesięcznych i rocznych. Wynika z tego, że w Polsce nie ma wystarczająco dużej adwekcji wilgotnych mas powietrza ani sprzyjających warunków lokalnych, aby móc oczekiwać rekordowych w skali świata czy nawet Europy sum opadów miesięcznych lub rocznych. Najwyższe opady na kuli ziemskiej są na ogół deszczami nawalnymi kategorii B7w skali Chomicza (ryc. 2). W Polsce deszcze nawalne osiągają maksymalnie stopień B5. Deszcze trwające od kilku godzin do 3 dni mają znacznie niższą wydajność B2. Maksymalne sumy opadów miesięcznych i rocznych zalicza się już do kategorii deszczów ulewnych, odpowiednio A4 i A3. Potwierdza to spostrzeżenia Chomicza, że wydajność deszczów nawalnych w Polsce jest dwukrotnie niższa w porównaniu z maksymalnymi deszczami na świecie. Pomimo że w ciągu ostatnich 50 lat zanotowano w Polsce opady o jeden do dwóch stopni wyższe w porównaniu do danych, którymi dysponował Chomicz, to na świecie również zmierzono opady o wyższych wydajnościach i różnica została utrzymana. Ryc. 2. Wydajność maksymalnych opadów na świecie (1 za WMO 1986))iwPolsce (2) w skali Chomicza Fig. 2. The efficiency of maximum precipitation totals in the world (1 after WMO 1986) and in Poland (2) in Chomicz scale

7 Maksymalne opady w funkcji czasu trwania obserwowane w Polsce 195 Podsumowanie Zmierzone opady dają możliwość zorientowania się, jakich rzeczywistych wysokości deszczów można oczekiwać w warunkach klimatycznych Polski. Maksymalne opady w Polsce, trwające do 3 godzin, są najbardziej zbliżone do najwyższych opadów zanotowanych na kuli ziemskiej. Wraz z przyrostem czasu trwania opadu różnice te wzrastają, osiągając maksima w przypadku opadów miesięcznych i rocznych. Porównanie maksymalnych opadów w Polsce z opadami w krajach sąsiednich nie daje jednoznacznej odpowiedzi na pytanie, czy w Polsce została już osiągnięta górna granica maksymalnych opadów. Na podstawie dotychczasowych danych z naszego kraju oraz Niemiec i Czech wydaje się, że region Sudetów należy w Polsce do obszarów, gdzie mogą zostać zanotowane w przyszłości rekordowe opady o czasie trwania od kilkunastu godzin do jednej doby. Obszar Polski jest zbyt zróżnicowany, aby w celach praktycznych jedną formułą opisać maksymalny opad w funkcji czasu. Wyraźnie zaznacza się to zwłaszcza między wyżej podniesionymi obszarami gór i pozostałą częścią kraju. Dwa rodzaje deszczów nawalne i rozlewne powstają w zupełnie różnych warunkach atmosferycznych, a wpływ warunków lokalnych może mieć decydujące znaczenie dla kształtowania się wysokich sum opadów, zwłaszcza w dłuższym okresie (powyżej doby). Istnieje natomiast możliwość wyznaczenia, w oparciu o zaprezentowane podejście, regionalnych równań dla poszczególnych regionów klimatycznych. Literatura Bogdanowicz E., Stachý J Maximum rainfall in Poland a design approach. W: Snorasson A., Finnsdottir H.P., Moss M. (red.). The Extremes of the Extremes: Extraordinary Floods. IAHS Publication 271, Cebulak E., Niedźwiedź T Ekstremalne zjawiska opadowe w dorzeczu górnej Wisły w latach W: Starkel L. (red.). Geomorfologiczny i sedymentologiczny zapis lokalnych ulew. Dokumentacja Geograficzna, 11, Chomicz K Ulewy i deszcze nawalne w Polsce. Wiadomości Służby Hydrologicznej i Meteorologicznej, 2, 3, Chudy Ł Porozmawiajmy o deszczach nawalnych. Gazeta Obserwatora, 5, Dubicki A., Słota H., Zieliński J. (red.) Dorzecze Odry monografia powodzi lipiec IMGW, Warszawa. Fal B., Plenzler W Intensywność zasilania opadowego w Polsce (mapa maksymalnych sum opadów dobowych o prawdopodobieństwie p=1%). Wiadomości Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, 7 (28), 1 2, Grela J., Słota H., Zieliński J. (red.) Dorzecze Wisły monografia powodzi lipiec IMGW, Warszawa. Hershfield D.M Extreme rainfall relationships. Journal of Hydraulic Division American Society of Civil Engineering, 88, 6, Jennings A.H World s greatest observed point rainfalls. Monthly Weather Review, 78, 1, 4 5. Karwowski A Opady o największym stopniu wydajności występujące w Polsce w okresie Prace PIHM, 77, Lambor J Związki charakteryzujące największe opady na ziemiach polskich. Przegląd Meteorologiczny i Hydrologiczny, 1 2,

8 196 Paweł Prokop Lambor J Hydrologia inżynierska. Arkady, Warszawa. Muller M., Kakos V The extreme convective storms in Bohemia on May Meteorlogicke Zpravy (Meteorological Bulletin), 57, 3, Mycielska H Atlas typowych sytuacji synoptycznych przy występowaniu opadów powodziowych w dorzeczu górnej Wisły ( ). IMGW, Warszawa. Ozga-Zielińska M O konieczności określenia dla rzek polskich maksymalnych wiarygodnych wezbrań wywołanych maksymalnymi wiarygodnymi opadami. Forum Naukowo-Techniczne Powódź Wstępna ocena przyczyn, rozmiarów i skutków. Ustroń k. Wisły, września 1997, s Parczewski W Warunki występowania nagłych wezbrań na małych ciekach. Wiadomości Służby Hydrologicznej i Meteorologicznej PIHM, 8, 3, Piasecki J., Szymanowski M., Rehak J Opady atmosferyczne w lipcu 1997 w Masywie Śnieżnika Kłodzkiego. Inicjacja powodzi w regionie. Forum Naukowo-Techniczne Powódź Wstępna ocena przyczyn, rozmiarów i skutków. Ustroń k. Wisły, września 1997, s Rudolf B., Rapp J The Century Flood of the River Elbe in August 2002: Synoptic Weather Development and Climatological Aspects. Quarterly Report of the Operational NWP-Models of the Deutscher Wetterdienst, Special Topic, Samaj F., Valovic S., Brazdil R Daily totals of precipitation with extreme intensity in Czechoslovakia during the period Collection of papers of the SHMI, 24, Starkel L The role of extreme (catastrophic) meteorological events in contemporary evolution of slopes. W: Derbyshire E. (red.). Geomorphology and Climate. J. Wiley, Chichester, s Starkel L Geomorphic role of extreme rainfalls in the Polish Carpathians. Studia Geomorphologica Carpatho-Balcanica, 30, Taraszkiewicz W Charakterystyka deszczy ulewnych i nawalnych na obszarze Polski w latach Przegląd Geofizyczny, 10, 18, 3 4, WMO (World Meteorological Organization) Manual for Estimation of Probable Maximum Precipitation. Operational Hydrology, Report Number 1, WMO, 332, Genewa, Szwajcaria. Summary Maximum precipitation as a function of duration observed in Poland The paper exams maximum rainfall in Poland for different duration. The coefficient of efficiency is twice lower in Poland comparatively to the world for short duration heavy rainfalls. The differences are growing with the time of the duration of the rainfall and are reaching maximum, in case of monthly and annual rains. The highest rainfall in Poland has not reached of its upper limit yet. We can expect that new extreme rainfalls, especially in mountains region of Sudety for duration from few to 24 hours, will be observed in future.