MIĘDZYDOBOWA ZMIENNOŚĆ TEMPERATURY POWIETRZA W ŁODZI

Transkrypt

1 Krzysztof Fortuniak, Kazimierz Kłysik, Joanna Wibig Katedra Meteorologii i Klimatologii UŁ Łódź MIĘDZYDOBOWA ZMIENNOŚĆ TEMPERATURY POWIETRZA W ŁODZI ZARYS TREŚCI W opracowaniu przedstawiono analizę zmian z dnia na dzień średniej dobowej temperatury na stacji Łódź Lublinek w latach W większości przypadków zmiany te nie przekraczają ±1,5 deg, jednakże w ekstremalnych przypadkach mogą dochodzić do kilkunastu stopni (-18,3 deg , +15,1 deg ). W skali całego roku charakteryzują się nieco mniejszą wartością średnią lecz większą częstotliwością niż spadki temperatury. Prawidłowość ta jest szczególnie widoczna w ciepłej porze roku. Rozkłady prawdopodobieństwa międzydobowych zmian temperatury przypominają kształtem rozkład normalny, lecz charakteryzują się dodatnią kurtozą i niezerowym współczynnikiem asymetrii. Test χ 2 wykazuje, że rozkład normalny nie opisuje w zadowalającym stopniu danych empirycznych. W zmienności wieloletniej wartości bezwzględnych zmian temperatury z dnia na dzień obserwuje się lekką tendencje spadkową, szczególnie mocno zaznaczającą się latem i wiosną. WSTĘP Charakterystyka zmian temperatury powietrza z dnia na dzień dostarcza istotnych informacji o dynamicznych cechach klimatu miejsca obserwacji. Informacje te nie mają jedynie znaczenia poznawczego, lecz są również istotne z praktycznego punktu widzenia. Szczególnie w czasie przejściowych pór roku gwałtowne ocieplenie bądź ochłodzenie może mieć znaczny wpływ na wiele dziedzin gospodarki. Późną jesienią gwałtowne mogą na przykład prowadzić do powstania gołoledzi, wiosną do wymarzania roślin, a raptowne ocieplenie stwarza ryzyko powodzi. Informacje o międzydobowej zmienności temperatury są również cenne ze względów bioklimatycznych duże zmiany temperatury z dnia na dzień są silnym bodźcem termicznym. Dlatego badania tej charakterystyki klimatu maja stosunkowo długą historię. Informację o międzydobowej zmienności temperatury powietrza na ziemiach polskich można znaleźć już w pracach M e r e c k i e g o (1899), R o m e r a (1912) i G o r c z y ń s k i e g o (1915). Zarówno te pionierskie, jak i późniejsze - powojenne opracowania (K o s t r z e w s k i 1961; Z i n k i e w i c z 1962; K o s s o w s k i 1970; H o f f m a n 1971;

2 36 K o s s o w s k a - C e z a k 1993; F o r t u n i a k i in. 1997) prowadzą do wniosku, że w ciągu roku przeważają zmiany niewielkie rzędu 2-3 deg. Na tle tych stosunkowo niewielkich zmian wyróżniają się duże skoki temperatury przekraczające 10 deg. (K o s s o w s k a - C e z a k 1982, 1987; K r y s i a k 1990). Tak duże zmiany temperatury obserwowane są przeważnie w okresie zimowym, będąc wynikiem adwekcji, zarówno chłodnych, jak i ciepłych mas powietrza. Zasadniczym celem niniejszego opracowania jest charakterystyka zmian temperatury powietrza z dnia na dzień w Łodzi. Szczególną uwagę zwrócono na charakterystyczne cechy analizowanej serii pomiarowej w przebiegu rocznym i w wieloleciu. W analizie wykorzystano średnie dobowe wartości temperatury powierza ze stacji Łódź Lublinek z lat Braki danych obejmowały okres oraz cały rok Zmianę temperatury, ΔT i, z dnia na dzień obliczono jako różnice średniej temperatury dobowej w danym dniu, T i, i w dniu poprzednim, T i-1 : ΔT i =T i T i-1. Należy zaznaczyć, że chociaż wykorzystane w opracowaniu dane pochodzą z jednej stacji meteorologicznej, podczas analizowanego okresu polskie służby meteorologiczne stosowały różne algorytmy wyliczania średniej temperatury dobowej (F ilipiuk 1998). Do roku 1965 średnią dobową obliczano na podstawie danych z terminów 7, 13 i 21 czasu lokalnego. W latach , i w roku 1981 wartość średnią estymowano na podstawie ośmiu wartości terminowych czasu GMT. Od roku 1996 wykorzystuje się w tym celu pomiary z godziny 6 i 18 GMT oraz minimalną i maksymalną temperaturę dobową. W pozostałych okresach do wyznaczenia średniej temperatury dobowej służyły dane z czterech głównych terminów pomiarowych. Ponieważ różne algorytmy dają nieco odmienne estymatory średniej temperatury dobowej, zmiany w sposobach obliczania tej wielkości powinny być uwzględnione zarówno w analizie wieloletnich przebiegów temperatury, jak i zmian międzydobowych, w których prowadzą do powstania większych błędów względnych. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI W całym badanym siedemdziesięcioleciu zaobserwowano nieco większą liczbę wzrostów (50,24%) niż spadków temperatury (47,75%). W 510 przypadkach (2,01%) średnia dobowa temperatura nie uległa zmianie (zmiana była mniejsza od dokładności z jaką podawane są średnie dobowe temperatury standardowo 0,1 o C). Ponieważ dla całego badanego okresu średnia zmiana temperatury z dnia na dzień jest praktycznie równa zeru, cechowały się nieco większymi wartościami niż wzrosty (tab. 1). O większej zmienności spadków niż wzrostów temperatury świadczy również nieco większa wartość odchylenia standardowego.

3 37 Przegląd wszystkich analizowanych danych (rys. 1) prowadzi do wniosku, że w Łodzi, tak jak na całym obszarze Polski Środkowej, przeważają zmiany niewielkie. W latach połowa międzydobowych zmian temperatury nie przekraczała ±1,5 deg, a zmiany z przedziału ±2,7 deg stanowiły 75% przypadków. Dla wyższych progów prawdopodobieństwa ujawnia się uprzywilejowanie spadków temperatury: 90% to zmiany z przedziału od 4,3 do +4,0 deg, 95% zmiany z przedziału od 5,5 do +4,8 deg, 99% zmiany z przedziału od 7,9 do +6,9 deg i 99,9% zmiany z przedziału od 10,8 do +10,5 deg. Tabela 1 Podstawowe charakterystyki zmian średniej dobowej temperatury powietrza z dnia na dzień w Łodzi Basic statistics of the day to day changes in mean daily temperature in Łódź liczba przypadków wartość średnia odchylenie standardowe (ΔT i >0) ,93 1,54 (ΔT i <0) ,03 1,71 brak zmian temperatury (ΔT i =0) Rys. 1. Kolejne wartości zmian średniej dobowej temperatury powietrza z dnia na dzień w Łodzi. Lata Values of the day to day changes in mean daily temperature in Łódź in the period Największe zmiany temperatury z dnia na dzień notuje się w miesiącach zimowych (rys. 2). Zarówno największy spadek temperatury (-18,3 deg), jak i wzrost (+15,1 deg) wystąpił w styczniu odpowiednio i Całe półrocze ciepłe cechuje się natomiast stosunkowo małymi wartościami ekstremalnych zmian temperatury z dnia na dzień, z lekko zaznaczonym wtórnym maksimum w lecie (czerwiec lipiec). Podobne cechy

4 38 przebiegu rocznego wykazują średnie wartości wzrostów i spadków temperatury w poszczególnych miesiącach. Maksimum ciepłej pory roku przesuwa się w tym przypadku na maj, w którym obserwuje się największe w skali roku średnie (rys. 3a) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Rys. 2. Ekstremalne zmiany temperatury z dnia na dzień w poszczególnych miesiącach w Łodzi The highest negative and positive values of the day to day changes in mean daily temperature in Łódź for the months a b I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0.0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Rys. 3. Średnie wartości wzrostów i spadków temperatury z dnia na dzień w poszczególnych miesiącach w Łodzi (a) oraz wartości progowe ΔT dla prawdopodobieństwa przewyższania 10% (b) Average values of the negative and positive day to day changes in mean daily temperature (a) and thresholds for 10% probability of exceedance (b) W przypadku wzrostów temperatury maksimum to jest również dobrze zaznaczone, jednakże pozostaje ono wciąż niższe od maksimum zimowego. Prawidłowości te rysują się jeszcze wyraźniej w przypadku wartości progowych ΔT dla prawdopodobieństwa przewyższania 10% (rys. 3b) osiągają maksimum w maju, a na przełomie roku. Zarówno wartości progowe, jak i wartości średnie spadków temperatury są

5 39 zdecydowanie wyższe od wzrostów temperatury w okresie od kwietnia do października. Wartości te, chociaż istotne z wielu względów praktycznych, mają jednak drugorzędne znaczenie dla wypadkowej wartości ΔT w danym miesiącu. Decydującą rolę odgrywa tu liczba przypadków wzrostów bądź spadków temperatury w miesiącu (rys. 4). W efekcie średni przebieg roczny ΔT (liczony z wszystkich przypadków) jest w przybliżeniu sinusoidą, z maksimum w kwietniu i minimum w październiku. Jest to zresztą prostą konsekwencją sinusoidalnego przebiegu rocznego temperatury zmiana temperatury z dnia na dzień jest pochodną tej funkcji. Dodatnie wartości średnich zmian temperatury z dnia na dzień obserwowane są od lutego do lipca, czyli w okresie, w którym temperatura wzrasta, ujemne od sierpnia do stycznia (okres spadku temperatury). częstość występowania [%] średnia wartość ΔT I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII -0.2 Rys. 4. Procentowy udział wzrostów i spadków temperatury z dnia na dzień w poszczególnych miesiącach (wykres słupkowy) i roczny przebieg zmiany z dnia na dzień średniej temperatury dobowej w Łodzi (wykres liniowy) Percentage of the negative and positive day to day changes in mean daily temperature (histogram) and mean monthly values of the day to day changes in mean daily temperature (line) ROZKŁADY PRAWDOPODOBIEŃSTWA Przedstawione powyżej charakterystyki sugerują, że rozkłady prawdopodobieństwa międzydobowych zmian temperatury w poszczególnych miesiącach różnią się między sobą. Świadczą o tym nie tylko różnice w średnich wartościach ΔT, lecz również rozbieżności między wartościami ekstremalnymi a średnimi wartościami spadków i wzrostów temperatury, czy też różne progowe wartości prawdopodobieństwa przewyższania. Rozbieżności między charakterystykami wzrostów i spadków temperatury dowodzą natomiast różnego stopnia asymetrii rozkładów. Rzeczywiście, zarówno graficzna prezentacja rozkładów prawdopodobieństwa (rys. 5), jak i zestawienie charakterystyk opisowych (tab. 2), potwierdzają postulowane różnice. Rozkłady

6 40 prawdopodobieństwa przypominają nieco rozkład normalny, jednakże charakteryzują się większą kurtozą oraz niezerowym współczynnikiem asymetrii. Test χ 2 również wykazuje, że rozkład normalny nie opisuje w zadowalającym stopniu danych empirycznych. Wyraźnie lewoskośne są rozkłady w miesiącach letnich i wiosennych, kiedy adwekcje chłodnego powietrza powodują duże. W miesiącach zimowych, mimo iż największe notowane zmiany dotyczą spadków temperatury, rozkłady są prawoskośne, co świadczy, że generalnie w tych miesiącach większe zmiany temperatury związane są z adwekcjami ciepła. Przypadki ekstremalnych skoków temperatury w zimie są również przyczyną dużych wartości kurtozy w tych miesiącach f i 0.05 a f i 0.16 b f i c f i 0.16 d Rys. 5. Rozkłady prawdopodobieństwa zmian temperatury powietrza z dnia na dzień w Łodzi, kolejno: cały rok (a), styczeń (b), maj (c), sierpień (d). Linią ciągłą zaznaczono rozkład normalny Probability distribution of day to day changes in mean daily temperature in Łódź: whole year (a), January (b), May (c) and August (d). Line marks normal distribution

7 41 Tabela 2 Miary statystyczne zmian średniej dobowej temperatury powietrza z dnia na dzień w Łodzi w kolejnych miesiącach Monthly statistics of the day to day changes in mean daily temperature in Łódź I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII ΔT sr -0,01 0,10 0,18 0,18 0,13 0,08 0,05-0,09-0,17-0,18-0,16-0,10 σ ΔT 2,91 2,68 2,43 2,65 2,71 2,61 2,42 2,22 2,26 2,37 2,37 2,68 A 0,11 0,00-0,15-0,43-0,44-0,43-0,57-0,54-0,18-0,13 0,15 0,09 K 2,86 1,59 1,02 0,65 0,33 0,61 0,95 0,87 0,56 0,69 0,94 1,60 ΔT sr wartość średnia, σ ΔT odchylenie standardowe, A współczynnik asymetrii, K kurtoza. ZMIENNOŚĆ WIELOLETNIA W warunkach klimatu Polski zmienność temperatury z dnia na dzień jest głównie determinowana czynnikami adwekcyjnymi. Zarówno wartość średnia tego parametru, jak i częstotliwość dużych skoków temperatury jest więc pewnym wskaźnikiem intensywności procesów cyrkulacyjnych napływu mas powietrza o dużych kontrastach termicznych, częstości przechodzenia przez punkt obserwacji niżów i frontów atmosferycznych. Dlatego informacje o przebiegu wieloletnim ΔT mogą być pomocne w poszukiwaniu potencjalnych zmian klimatycznych. Ponieważ średnia roczna wartość ΔT jest bliska zeru i praktycznie nie zmienia się z roku na rok, analizie poddano absolutne wartości tego parametru, oddzielnie traktując wzrosty i (rys. 6). Zarówno średnie roczne wartości spadków, jak i wzrostów temperatury wykazują w badanym wieloleciu tendencję spadkową, z wyraźnie zaznaczonym minimum około roku Oprócz stosunkowo niskich wartości ΔT, lata siedemdziesiąte XX wieku charakteryzują się dodatkowo niewielkimi różnicami pomiędzy średnią wartością spadków a wzrostów temperatury. Różnice te są natomiast wyraźnie zaznaczone we wcześniejszym okresie, zwłaszcza w latach Podobny przebieg wieloletni (rys. 7) można zaobserwować dla liczby dni, w których bezwzględne zmiany temperatury z dnia na dzień przekraczają 2,7 deg (górny i dolny kwartyl). Generalnie ten sam obraz przedstawia również zmienność liczby dni z ΔT >1,5 deg (mediana) oraz ΔT >5,0 deg. Niewielka tendencja spadkowa międzydobowych zmian temperatury wydaje się stać w sprzeczności ze zmianami postulowanymi przy nasilaniu się efektu cieplarnianego. Dosyć powszechnie przyjmuje się bowiem, że efektem globalnego ocieplenia w warunkach klimatu Polski powinna być intensyfikacja aktywności cyklonalnej i wzrost częstości głębokich niżów. Dlatego należałoby raczej oczekiwać wzrostu niż spadku bezwzględnej wartości ΔT. Opisane tendencje najbardziej ujawniają się w sezonie letnim i wiosennym, przy czym wiosną po dość gwałtownym spadku wartości bezwzględnej ΔT w latach pięćdziesiątych obserwuje się niewielki stopniowy wzrost ΔT. Jedynie

8 42 zimowa zmienność ΔT charakteryzuje się nieznaczną tendencją wzrostową, jednakże i w tym przypadku ostatnie lata cechuje wyraźny spadek ΔT. Na podkreślenie zasługuje również fakt, że minimum średnich rocznych wartości ΔT przypada na lata dużych zmian w sposobach naliczania średniej temperatury dobowej. Dlatego nie można wykluczyć, iż jest to sztuczny efekt związany ze stosowanymi algorytmami. Przebiegi wieloletnie dla poszczególnych sezonów nie wykazują jednak wyraźnego punktu zerwania homogeniczności, co sugeruje fizyczne podstawy przedstawionej zmienności kolejne lata Rys. 6. Przebieg średnich rocznych wartości międzydobowych wzrostów i spadków temperatury w Łodzi w latach Annual averages of the negative and positive day to day changes in mean daily temperature in Łódź in the period N ΔT >2,7 [deg] kolejne lata Rys. 7. Liczba dni, dla których wartości absolutne międzydobowych wzrostów i spadków temperatury przekraczają 2,7 deg. Łódź, lata Number of days in the year with the absolute day to day changes in mean daily temperature grater than 2.7 deg. Łódź, period

9 I, II, XII kolejne lata VI, VII, VIII kolejne lata III, IV, V kolejne lata IX, X, XI kolejne lata Rys. 8. Przebieg średnich sezonowych wartości międzydobowych wzrostów i spadków temperatury w Łodzi w latach Seasonal averages of the negative and positive day to day changes in mean daily temperature in Łódź in the period PODSUMOWANIE Zmiany średniej temperatury dobowej z dnia na dzień w Łodzi charakteryzują się typowymi dla obszaru Polski Środkowej cechami. W większości przypadków są to zmiany stosunkowo niewielkie z rzadka przerywane dużymi skokami temperatury. Zmienność tę cechuje dobrze zaznaczony cykl roczny, przy czym, ze względu na odmienność rozkładów prawdopodobieństwa w różnych miesiącach, cykl ten posiada nieco inny kształt w przypadku wartości ekstremalnych (jedno maksimum zimowe) niż w przypadku średnich wartości ΔT (dwa wyraźne maksima). Wyraźnie zaznaczona tendencja spadkowa średnich rocznych wartości ΔT wymaga dalszych badań ze względu na jej znaczenie dla zrozumienia mechanizmów potencjalnych zmian klimatycznych. Niepewności związane z różnymi sposobami naliczania średniej temperatury dobowej sugerują, iż wnioski odnośnie tendencji międzydobowych zmian temperatury powinny zostać zweryfikowane poprzez analizę różnic wyliczonych na podstawie danych terminowych, temperatur maksymalnych lub minimalnych.

10 44 LITERATURA Filipiuk E., 1998 Ocena dokładności czterech metod estymacji średniej dobowej temperatury na przykładzie stacji Lublin-Radawiec i Szczecin-Dąbie ( ). W: Problemy współczesnej klimatologii i agrometeorologii regionu lubelskiego. Wyd. UMCS, Lublin: Fortuniak K., Gajda-Pijanowska I., Kł y s i k K., Niedź w i e c k i M., 1997 Distribution of exceedance probability for interdiurnal variability of mean daily temperature in selected mountain stations. Acta Univ. Wratislaviensis, No 1950, Ser. C, Vol. IV: Gorczyń s k i W., 1915 O zmienności temperatury z dnia na dzień w Polsce i w Euroazji. Spraw. z Pos. TNW, Wydz. Nauk Mat. i Przyr., R. 8, nr 7. H o f f m a n A., 1971 Zmienność dobowa temperatury w Poznaniu w 1962 roku na tle zmienności sezonowej. Monografie, Podręczniki i Skrypty AWF, nr 38, Poznań. K o s s o w s k i J., 1970 Zmienność z dnia na dzień maksymalnej i minimalnej temperatury powietrza w Lublinie w latach Annales UMCS, s. B, t. 25, nr 6. K o s s o w s k a - C e z a k U., 1982 Duże zmiany temperatury z dnia na dzień w Polsce. Przegl. Geofiz., t. 27, z. 3-4: Kossowska-Cezak U., 1987 Duże zmiany temperatury z dnia na dzień a cyrkulacja atmosferyczna. Przegl. Geofiz., t. 32, z. 4: K o s s o w s k a - C e z a k U., 1993 Zmienność temperatury z dnia na dzień w Polsce. Gaz. Obs. IMGW, r. XLII, nr 6: 4-6. Kostrzewski W., 1961 Zmienność temperatury maksymalnej i minimalnej z dnia na dzień we Wrocławiu w latach Wiad. Sł. Hydr. i Met., nr 43. K r y s i a k S., 1990 Międzydobowa zmienność temperatury powietrza w Łodzi w latach Acta Univ. Lodz., Folia Geogr., 12: M e r e c k i R., 1899 Nieokresowa zmienność temperatury powietrza. Akad. Um., Kraków. R o m e r E., 1912 Klimat ziem polskich. W: Encyklopedia Polska, t. I, Kraków AU. Z i n k i e w i c z A., 1962 Zmienność temperatury powietrza w województwie lubelskim. Ann. UMCS, Vol. 17.

11 45 Krzysztof Fortuniak, Kazimierz Kłysik, Joanna Wibig INTERDIURNAL VARIABILITY OF AIR TEMPERATURE IN ŁÓDŹ SUMMARY A b s t r a c t. The paper presents day to day changes in mean daily temperature in Łódź, Central Poland from the period In majority, day to day changes in mean daily temperature in Łódź are lower than ±1,5 deg, but in extreme cases they can exceed teens of degree. The average increases of temperature are slightly higher than decreases, especially in summer. Probability distribution of ΔT is gaussian-like, but the statistical tests (χ 2 ) show that the normal distribution dose not fit well to the data. It is observed that absolute value of day to day temperature change slightly decrease in the analyzed period. The paper presents day to day changes in mean daily temperature in Łódź, Central Poland. Data from Łódź Lublinek meteorological station for the period were analysed. Day to day changes in mean daily temperature, ΔT i, were calculated as a difference between temperature of the actual day T i and temperature of the previous day T i-1 : ΔT i =T i T i-1. Even if the data are taken from one station only, different algorithms of the calculation of mean daily temperature were used in the analysed period. It can influent on results accuracy especially in the analysis of the long term changes in ΔT. In majority, day to day changes in mean daily temperature in Łódź are rather small. Fifty percent of changes are lower than ±1.5 deg, lover and upper quartiles set limits ±2.7 deg, 95% of changes are in the limits from 5,5 to +4,8 deg, 99% from 7,9 to +6,9 deg and 99,9% from 10,8 to +10,5 deg. There are slightly more cases of the temperature increase than decrease, which is compensated by a grater average value of the negative changes (Tab. 1). The highest positive and negative changes are observed in January. The lowest value, -18,3 deg, was recorded January 7 th, 1987 and the highest one, +15,1 deg, January 12, 1947 (Fig. 2). However, average values of negative and positive changes as well as thresholds values for a fixed probability of exceedance compose a different annual course (Fig. 3). Two maximums and two minimums are observed: the first one (dominating in the case of the temperature increase) in the winter and the second one (dominating in the case of temperature decrease) in late spring (May). In the summer temperature decreases are higher than increases. In the first half of year the number of increase dominates on the number of decreases (Fig. 4). As a result an annual course of ΔT compose a sine line with maximum in April and minimum in October. Probability distribution of ΔT is gaussian-like, but the statistical tests (χ 2 ) show that the normal distribution dose not fit well to the data (Fig. 5). In all months the

12 46 distributions are characterised by a positive kurtosis and a non-zero skewness (Tab. 2). The clearly negative skewness is observed in spring and summer cold advections cause high temperature jumps. In winter skewness is positive which means that higher changes are positive (but it is not a case of extremely large jumps). Long term changes of the annual averages of the negative and positive ΔT show decrease in the analysed period (Fig. 6). Specially seventies of the XX century are characterised by low values of ΔT. Similar picture compose number of days with ΔT >2.7 deg. It is difficult to solve if it is real physical changes related with climate variability or if it is a artificial result of different algorithm for calculation of the mean daily temperature. However, different plots for the seasons (Fig. 7) suggest that there could be some physical reasons for such behaviour.