OBSERWACJE CHMUR A POMIARY PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO DOCIERAJĄCEGO DO POWIERZCHNI ZIEMI

Transkrypt

1 Aleksander CURYŁO Bogumił KOIS OBSERWACJE CHMUR A POMIARY PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO DOCIERAJĄCEGO DO POWIERZCHNI ZIEMI STRESZCZENIE Regularne obserwacje chmur są jednym z podstawowych zadań pracy obserwatorów na stacjach synoptycznych. Jest to jeden z najbardziej subiektywnych elementów służących ocenie pogody. Właściwe kodowanie chmur zależy od interpretacji i sumienności każdego z obserwatorów. Z drugiej strony istnieją rutynowo prowadzone pomiary promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi na wielu stacjach meteorologicznych. W pracy podjęto próbę wypracowania metod szacowania elementów używanych w kodowaniu chmur (zachmurzenie ogólne, piętra i typy chmur) za pomocą pomiarów promieniowania słonecznego. Do badań wykorzystano pomiary promieniowania bezpośredniego i rozproszonego wykonywane za pomocą zestawu Sun-Trucker oraz obserwacje chmur ze stacji w Legionowie. Wstępne wyniki wskazują możliwość wykorzystania pomiarów promieniowania słonecznego do rozpoznawania chmur. Słowa kluczowe: chmury, promieniowanie słoneczne mgr Aleksander CURYŁO, mgr Bogumił KOIS Aleksander.Curylo@imgw.pl, Bogdan.Kois@imgw.pl Ośrodek Aerologii Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 244, 2010

2 70 A. Curyło, B. Kois 1. WSTĘP Chmury w atmosferze w istotny sposób kształtują pogodę oraz klimat. Dlatego w każdym kraju, w służbach meteorologicznych wykonuje się regularne obserwacje chmur. Dane te stanowią jeden z najbardziej subiektywnych elementów służących do oceny pogody. Różne typy chmur posiadają różne własności oddziaływania z promieniowaniem słonecznym. Posiadając pomiary promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi można spróbować opisać chmury z użyciem mierników promieniowania. Jednym z podejść jest szacowanie zachmurzenia całkowitego. Przykładowo bada się jak zmienia się iloraz zmierzonego promieniowania do hipotetycznego promieniowania jakie powinno być w danym momencie gdyby nie było chmur, w zależności od obserwowanego zachmurzenia całkowitego (Josefsson i in., 1998). Jednak metoda ta nie bierze pod uwagę, że zupełnie inaczej oddziaływują z promieniowaniem słonecznym chmury znajdujące się na różnych wysokościach, tzw. piętrach chmurowych. Istnieje też duże zapotrzebowanie na opracowanie algorytmów wyszukujących z danych promieniowania te, które miały miejsce przy bezchmurnym niebie (Long i in., 2000). Ma to zastosowanie w pomiarach, które wykonywane są głównie przy bezchmurnym niebie, takich jak pomiary aerozoli za pomocą fotometrów słonecznych, będących podstawą działania światowych sieci Aeronet i Skynet. 2. DANE I METODYKA W opracowaniu zostały wykorzystane dane ze stacji Legionowo (52,40, 20,97, 96 m n.p.m.). Do pomiarów promieniowania użyte zostały dwa czujniki promieniowania firmy Kipp&Zonen, mierzące w zakresie widma słonecznego od 300 do 3000 nm i zapisujące dane co minutę, Pierwszy z czujników pyranometr służy do pomiary tzw. promieniowania rozproszonego czyli promieniowania docierającego do horyzontalnie położonej powierzchni z dowolnego kierunku nieba z wyjątkiem promieniowania padającego z kierunku Słońca. Uzyskuje się to poprzez zamontowaną przesłonę ocieniającą kopułkę czujnika. Drugi z czujników pyrheliometr służy do pomiaru tzw. promieniowania bezpośredniego czyli promieniowania padające na powierzchnię prostopadłą do

3 Obserwacje chmur a pomiary promieniowania słonecznego docierającego do 71 kierunku na Słońce. Czujniki te są zainstalowane na urządzeniu Sun-Tracker, które jest sterowane za pomocą silników krokowych i pozwala odpowiednio ustawić czujniki względem położenia Słońca. Opisany zestaw pomiarowy został uruchomiony na początku 2009 roku. Mając zmierzone promieniowanie rozproszone i bezpośrednie można obliczyć tzw. promieniowanie całkowite, które jest zdefiniowane jako suma promieniowania rozproszonego i bezpośredniego. Do analizy wybrano pomiary z okresu kiedy w Legionowie prowadzi się obserwacje chmur, czyli od maja do sierpnia. Obserwacje są wykonywane co pół godziny od do czasu urzędowego. Na rysunku 1 przedstawiono fragment pliku w jakim gromadzone są obserwacje chmur, z kodowaniem według klucza WMO. Rys. 1. Fragment pliku z obserwacjami chmur wykonywanymi co pół godziny w Legionowie Na początku każdego rekordu znajduje się data oraz czas wykonania obserwacji. Następnie występuje wielkość opisująca zachmurzenie całkowite. Zachmurzenie całkowite jest to liczba przyjmująca wartości całkowite od 0 do 8 i opisuje jaką część nieba jest przykryta przez chmury. Wartość 0 odpowiada bezchmurnemu niebu, natomiast 8 pełnemu zachmurzeniu. Kolejna liczba informuje o zachmurzeniu przez chmury piętra niskiego lub w momencie gdy nie występują chmury piętra niskiego liczba ta opisuje zachmurzenie przez chmury piętra średniego. Kolejne pola zawierają kodowanie typów chmur na poszczególnych piętrach, oraz inne elementy jak widzialność, stan gruntu, zjawiska, itd. W analizie korzysta się z następujących pojęć: Część rozproszona promieniowania, DF zdefiniowana jako iloraz promieniowania rozproszonego G diff do promieniowania całkowitego, G.

4 72 A. Curyło, B. Kois DF Gdiff = (1) G Wielkość ta powinna zbliżać się do wartości 1 gdy promieniowanie rozproszone będzie zbliżać się do promieniowania całkowitego, co odpowiada sytuacjom pełnego zachmurzenia. Natomiast, w przypadku bezchmurnego nieba wielkość ta powinna być znacznie mniejsza od jedności. O tym jaka jest wielkość DF w tym przypadku decydują procesy rozpraszania promieniowania w atmosferze. m.in. na cząsteczkach aerozoli. Chmurowa transmitancja promieniowania, T zdefiniowana jako iloraz zmierzonego promieniowania całkowitego, G do hipotetycznego promieniowania jakie byłoby gdyby w danym momencie niebo było bezchmurne, G clear-sky. T G = (2) G clear sky G clear-sky jest obliczane z użyciem modelu transferu promieniowania słonecznego Streamer [3] przy założeniu bezchmurnego nieba. Do parametryzacji modelu transferu zostały użyte pomiary profili atmosferycznych ciśnienia, temperatury i pary wodnej wykonywane codziennie około południa. Do parametryzacji aerozoli w modelu transferu wykorzystano opracowaną klimatologię w europejskim projekcie EDUCE. [1], natomiast albedo zostało założone 0,03. Rys. 2. Liczba obserwacji wykonywanych w klasach SZA Wielkości DF i T zależą od kąta zenitalnego słońca, SZA. SZA jest to kąt między zenitem a kierunkiem na Słońce. Omawiane obserwacje wykonywane są w okresie letnim w godzinach okołopołudniowych. Na rysunku 2 przedstawiono histogram liczby obserwacji w zależności od kąta zenital-

5 Obserwacje chmur a pomiary promieniowania słonecznego docierającego do 73 nego. Widać, że zdecydowana większość obserwacji zawarta jest w przedziale kąta zenitalnego stopni. Oznacza to, że zdefiniowane wielkości T i DF nie powinny istotnie zależeć od czasu dokonania pomiaru, a tylko od warunków fizycznych w których wykonywany był pomiar. W analizie, sprawdzono użyteczność wyznaczonych parametrów T i DF do szacowania wielkości kodowanych przez obserwatora. W tym celu każdej obserwacji przypisano średnie i odchylenia standardowe T i DF obliczone z jedenastu pomiarów jednominutowych, (od czasu pomiaru minus 5 minut do czasu pomiaru plus 5 minut). Następnie ze średnich i odchyleń standardowych obliczano mediany i przedstawiano na wykresach. Na podstawie prezentowanych wykresów określono możliwości szacowania zachmurzenia całkowitego, pięter chmurowych oraz identyfikacji chmur. 3. WYNIKI Pierwszą wielkością, która została oszacowana jest zachmurzenie całkowite nieba. Dla każdej wartości obserwowanego zachmurzenia całkowitego została przypisana mediana ze średnich wartości DF, rysunek.3. Dodatkowo, wyznaczone zostały 25-ty i 75-ty percentyle ze średnich DF. obrazujące rozrzut danych. Okazało się, że na podstawie pomiarów najlepiej daje się zróżnicować zachmurzenie między 4 do 7 oktantów, dla pozostałych wielkości zachmurzenia metoda ta słabo pracuje. Inne podejście przedstawione zostało na rysunku 4 gdzie zestawione zostały mediany ze średnich DF z odchyleniami standardowymi policzonymi z DF. Dane zostały podzielone na grupy w zależności od obserwowanego zachmurzenia całkowitego. Z porównania rysunku 3 i rysunku 4 widać że druga metoda pozwala lepiej oceniać zachmurzenie całkowite. Następnym badanym zagadnieniem była próba rozróżnienia typów chmur na podstawie obserwacji promieniowania. Na rysunku 5 zestawione zostały średnie T z odchyleniami standardowymi dla T. Dane zostały podzielone na trzy klasy. Pierwsza klasa opisuje dane gdzie obserwowane było wyłącznie piętro niskie chmur. Druga klasa odpowiada obserwacjom chmur wyłącznie na piętrze średnim lub wysokim. Natomiast trzecia klasa odpowiada sytuacjom gdy obserwowane były chmury na wszystkich piętrach. Jak widać, dane na wykresie separują się przy wartościach średnich z T pomiędzy 0,45 do 0,85. Oznacza to że metoda ta daje możliwość rozróżniania pięter chmur w pewnych warunkach. Na wykresie przedstawiono średnie biegnące obliczone dla każdej klasy. Średnie biegnące dla klasy pierwszej i trzeciej liczone były

6 74 A. Curyło, B. Kois z oknem 20 elementów, natomiast klasa druga z oknem 10 ze względu na mniejszą liczbę danych Rys. 3. Charakterystyki średnich DF względem zachmurzenia całkowitego. Linią ciągłą zaznaczono medianę, liniami przerywanymi 25-ty i 75-ty percentyle Rys. 4. Mediana z odchyleń standardowych DF względem mediany ze średnich DF, w klasach zachmurzenia całkowitego 0-8. Kwadratami oznaczono 50-ty percentyle, odcinkami rozrzuty między 25-tym i 75-tym percentylami, odpowiednio

7 Obserwacje chmur a pomiary promieniowania słonecznego docierającego do 75 Rys. 5. Odchylenie standardowe T względem średniej T. Kwadratami oznaczono dane dla obserwowanego piętra niskiego, gwiazdkami dla piętra średniego i wysokiego, punktami wszystkie piętra. Liniami ciągłymi przedstawiono średnie biegnące wyznaczone dla każdej z grup punktów Rys. 6. Średnie T powiązane z odchyleniami standardowymi T dla różnych typów chmur (Sc Stratocumulus, Cu Cumulus, Cb Cumulonimbus, Ac - Altocumulus, Ci - Cirrus). Wyłącznie dane gdy obserwowane był tylko jeden typ chmur

8 76 A. Curyło, B. Kois Następnym etapem prac było opracowanie metody rozróżnienia typów chmur z pomiarów promieniowania. Rysunek 6 został przygotowany podobnie do rysunku 5 z tą różnicą, że ograniczono ilość danych. Do przygotowania wykresu wybrane zostały jedynie dane gdy obserwowany był wyłącznie jeden typ chmur. Widać, że punkty odpowiadające różnym typom chmur grupują się w różnych częściach wykresu. Interesujące jest, że dla chmur Cumulus występują dwie grupy punktów, w tym grupa w której występują wzmocnienia promieniowania (T > 1), najprawdopodobniej poprzez odbicia od chmur. 4. WNIOSKI Wstępne prace z wykorzystaniem danych z nowo uruchomionych urządzeń w Legionowie dają nadzieję, że w przyszłości będzie można użyć pomiary promieniowania słonecznego do identyfikacji zachmurzenia całkowitego i pewnych typów chmur. Dodatkowo opracowane algorytmy mogą zostać użyte jako wspomagające informacje przy pomiarach aerozoli spektrofotometrem CIMEL oraz podczas porównań czujników UV, które wykonywane są w Legionowie. LITERATURA 1. Gonzi S., Baumgartner D., Putz. E.: Aerosol Climatology and Optical Properties of Key Aerosol Types Observed in Europe, Techn. Report for EU, No. 1, 52p, Josefsson W,, Landelius T.: Effect of clouds on UV radiance: As estimated from cloud amount, cloud type, precipitation, global radiation and sunshine duration, Journal of Geophysical Research, Vol. 105, D4, pp , Key J., A. J. Schweiger, A. J.: Tools for atmospheric radiative transfer: Streamer and FluxNet, Computer & Geosciences, 24(5), pp , Long. C.N., Ackerman T.P.: Identification of clear skies from broadband pyranometer measurements and calculation of downwelling shortwave cloud effects, Journal of Geophysical Research, Vol.105, D12, pp , Rękopis dostarczono, dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Władysłąw Dybczyński

9 Obserwacje chmur a pomiary promieniowania słonecznego docierającego do 77 CLOUD OBSERVATIONS AND SURFACE SOLAR RADIATION MEASUREMENTS Aleksasnder CURYLO, Bogumil KOIS ABSTRACT Regular cloud observations are one of the basic tasks performed by observers working at synoptic stations. It is one of the most subjective elements for the evaluation of the weather. The proper cloud coding depends on interpretation and the conscientiousness of each of the observers. On the other hand at many sites there exist routine surface measurements of the global solar radiation. In the paper, an attempt is made to elaborate methods of estimating elements used in encoding clouds (cloudiness, cloud types and cloud levels) were determined with measurements of the global solar radiation. Measurements of the direct and diffused radiation, obtained with the Sun-Trucker set and observations of clouds from the Legionowo station were used for the research. The preliminary results indicate the possibility of using solar radiation measurements for the cloud recognition. Mgr Aleksander CURYŁO, absolwent Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracownik Ośrodka Aerologii Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Legionowie. Głowna tematyka badań to pomiary i modelowanie promieniowania słonecznego, m.in. w zakresie UV, współautor prognozy Indeksu UV prezentowanej w trybie operacyjnym w Internecie. W ostatnich latach działający w międzynarodowej akcji COST-726 opracowującej klimatologię i zmiany długoterminowe promieniowania w Europie. Inicjator uruchomienia pomiarów promieniowania bezpośredniego i rozproszonego z urządzeniem SunTrucker oraz pomiarów aerozoli za pomocą fotometru słonecznego CIMEL.

10 78 A. Curyło, B. Kois Mgr Bogumił KOIS, absolwent Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Pracownik Ośrodka Aerologii Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej w Legionowie. Zajmuje się głównie badaniem stanu warstwy ozonowej. W ostatnich latach także badaniami zmiany klimatu, w związku z występowaniem burz w Polsce. Współautor prognozy Indeksu UV prezentowanej w trybie operacyjnym w Internecie.