NIEKTÓRE DANE O WYSTĘPOWANIU CAŁODZIENNYCH WARSTW INWERSYJNYCH W ATMOSFERZE KRAKOWA I UWARUNKOWANIA TEGO ZJAWISKA

Transkrypt

1 Rocznik LIV PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY 2009 Zeszyt 3 4 Jacek WALCZEWSKI IMGW Kraków NIEKTÓRE DANE O WYSTĘPOWANIU CAŁODZIENNYCH WARSTW INWERSYJNYCH W ATMOSFERZE KRAKOWA I UWARUNKOWANIA TEGO ZJAWISKA SOME DATA ON OCCURRENCE OF THE ALL-DAY INVERSIONS IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY-LAYER IN CRACOW AND ON THE FACTORS STIMULATING THIS OCCURRENCE Zagadnienie wymienione w tytule było już poruszane w szeregu prac (patrz załączony wykaz literatury). W niniejszym opracowaniu odniesiemy się do tej sprawy, próbując niektórych nowych ujęć. Jak wiadomo, w atmosferze ziemskiej występuje ogólnie biorąc spadek temperatury z wysokością, co wiąże się z występowaniem ruchów pionowych powietrza, z warstw dolnych ku górze. Są jednak sytuacje, w których proces ten się odwraca, występuje w pewnym zakresie wzrost temperatury z wysokością (inwersja), co skutkuje hamowaniem ruchów pionowych, a w związku z tym gromadzeniem się blisko powierzchna ziemi zanieczyszczeń powietrza i tworzeniem sytuacji niekorzystnych biologicznie. Dlatego też występowanie inwersji (dolnych i wzniesionych) jest przedmiotem obserwacji i badań. W Krakowie badania takie także były prowadzone od lat za pomocą sondażu akustycznego atmosfery (z użyciem radaru sonicznego sodaru), które z początkiem lat 90. przyjęły charakter ciągłej służby utrzymywanej do końca 2005 r. Później wystąpiły różne przeszkody w kontynuowaniu tej ciągłości, m.in. z dniem 1 marca 2007 został zlikwidowany Zakład Teledetekcji Atmosfery, a na jego miejsce powstał Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza, w którym nie wszyscy pracownicy ZTA znaleźli zatrudnienie. W końcu 2008 r. Stacja [183]

2 184 J. Walczewski Obserwacyjna w dotychczasowej lokalizacji musiała być zlikwidowana. Czynione są próby odtworzenia jej w innym miejscu. Pozostał jednak unikalny zbiór danych ciągłych sondaży akustycznych z 10-lecia (z wyjątkiem lat 1995 i 2002, kiedy wystąpiły pewne przerwy w sondażu). Wyniki prowadzonych badań przedstawione były w licznych publikacjach, z których wybrane pozycje są zestawione w załączonym spisie literatury. Pragnę zwrócić uwagę na ten spis. Są tam wymienione m.in. 2 systemy klasyfikacji typów cyrkulacji atmosferycznej: system J. L i tyńskiego (1969), obejmujący 27 typów, którym posługiwałem się w pracy (Walczewski, 2007c), oraz system T. N i e dźwiedzia (1981), którym posłużono się w pracach (Walczewski, 2007a, 2008) i w niniejszym opracowaniu. Nasze badania warstwy granicznej atmosfery w monitoringu środowiska miejskiego wpisywały się w międzynarodowe kierunki prac, na dowód czego w spisie literatury wspomniałem także nasze wybrane publikacje zagraniczne (Walczewski, 1986, 1997, 1998; Feleksy-Bielak, Walczewski, 1988). Szerszy przegląd literatury omawianego tematu znajduje się w publikacji autora (Walczewski, 2007b). Zaobserwowane w okresie badawczym pewne długookresowe zmiany w występowaniu inwersji zasługują jednakże na dalszą analizę. W niniejszej pracy zajmiemy się występowaniem całodziennych inwersji (liczba i), mogących istotnie wpływać na zanieczyszczenie powietrza ze względu na długotrwałe hamowanie pionowej dyspersji zanieczyszczeń. Ostrzeganie o nadchodzeniu niekorzystnych dla czystości powietrza sytuacji z dolnymi warstwami inwersyjnymi może być realizowane w celu ograniczenia emisji zanieczyszczeń we wskazanych dniach przez ustalenie związków wspomnianych sytuacji z typami cyrkulacji atmosferycznej, które są prognozowane przez Biura Prognoz. Taki system ostrzegania zaproponowano w Krakowie, ale na razie nie został jeszcze zrealizowany. Obecnie krakowska stacja sodarowa nie istnieje. Czy uda się ją wskrzesić, by śledzić procesy w dolnej atmosferze w nowych warunkach, silnie zmieniających się (o czym będzie mowa dalej)? Długotrwała zmienność występowania całodziennych inwersji W tabeli 1 podano miesięczne i roczne liczby dni z całodziennymi inwersjami w Krakowie w latach , bez lat 1995 i Graficznie dane te przedstawione są na rys Widać na tych prezentacjach ogromną zmienność wieloletnią badanych wartości. Suma badanych dni w roku minimum (2001) wyniosła zaledwie 34% wartości maksymalnej z roku 1996, a w roku 2005 niecałe 45%. Można zauważyć, jak od roku 2000 zaczynają pojawiać się miesiące z brakiem inwersji, co wcześniej zdarzyło się tylko raz (w marcu 1998).

3 Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych Tabela 1. Liczba dni z całodziennymi inwersjami dolnymi w Krakowie w poszczególnych miesiącach lat (bez lat 1995, 2002) według obserwacji sodarowych na stacji Kraków-Czyżyny Table 1. Numbers of the days with all-day lasting ground-based inversions in Cracow in the months of the years (without 1995 and 2002) observed by sodar in the station Cracow-Czyżyny I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Suma Widać też zmienność roczną maksima w porze chłodnej, sięgające w 1996 r. 28 dni na miesiąc, a w 2005 r. wynoszące już tylko dni, z 5 miesiącami bez inwersji. Zmienność roczna jest łatwa do zinterpretowania maksima w porze chłodnej jako wynik krótszych dni i niskiej temperatury, minima w porze ciepłej, gdy operacja słoneczna sprzyja pionowym ruchom powietrza (konwekcja). Co jednak powoduje zmienność wieloletnią? Zajmiemy się tym w następnym rozdziale. Szukanie przyczyn zmienności wieloletniej Nasuwa się myśl, że może tu oddziaływać zmienność aktywności słonecznej. Na rysunku 2 przedstawiono krzywą przedstawiającą roczne liczby dni z inwersjami w zestawieniu z krzywą średniej liczby plam słonecznych w poszczególnych latach badanego okresu. 1 Istotnie, minimum plam słonecznych koreluje z maksimum liczby dni z inwersjami, nasuwa się również wniosek o zbieżności maksimum liczby plam słonecznych z minimum i, brak danych z roku 2002 osłabia jednak pewność tego 1 Autor dziękuje Pracownikom Naukowym Krakowskiego Obserwatorium Astronomicznego za udostępnienie potrzebnych danych.

4 186 J. Walczewski Rys. 1. Liczba dni z całodziennymi inwersjami dolnymi w Krakowie w latach 1994, , (i linie pionowe) oraz roczne liczby plam słonecznych (linia kropkowana) Fig. 1. Numbers of the days with the all-day lasting low inversions in Cracow in the years 1994, , and (i vertical lines), and the annual numbers of the Sunspots (dotted line) wniosku. Niemniej rysunek sugeruje istniejącą zależność i zachęca do dalszych badań zasygnalizowanego problemu, którego rozwiązanie może stać się wysoce użyteczne dla prognozowania wzrostu i spadku rocznych liczb i. Drugi kierunek badań mający ogromne znaczenie dla rozwiązania problemu prognoz to związki i z typami cyrkulacji. W tabeli 2 przedstawiono roczne liczby dni z inwersjami przy poszczególnych typach cyrkulacji, sklasyfikowanych przez T. Niedźwiedzia. Widać, że niektóre typy cyrkulacji zajmują czołowe miejsce w liczbach i. Poniżej podajemy szczegółowe zestawienie: Typy cyrkulacji antycyklonalne cyklonalne Nr Oznaczenie typu Liczba i Nr Oznaczenie typu Liczba i 1. N+NEa N+NEc E+SEa E+SEc S+SWa S+SWc W+NWa W+NWc Ca+Ka CC+Bc 442 (centrum antycyklonu oraz klin lub grzbiet antycyklonalny) (centrum cyklonu, centrum niżu, bruzda niskiego ciśnienia)

5 Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych Tabela 2. Liczba dni z całodziennymi dolnymi inwersjami w Krakowie w latach jak w tab. 1, przy różnych typach cyrkulacji atmosferycznej (wg T. Niedźwiedzia) Table 2. Numbers of the days with all-day lasting ground inversions in Cracow, for the years like in the Table 1, for different atmospheric circulation types (by T. Niedźwiedź) Typ cyrkulacji Suma 1-N+Nea E+SEa S+SWa W+NWa Ca+Ka N+NEc E+SEc S+SWc W+NWc CC+Bc Z podanego zestawienia wynika, że najgroźniejsze dla czystości powietrza są typy 4, 5, 9 i 10. Jak jednak wygląda częstość występowania omawianych typów cyrkulacji? Na rysunkach 2 4 przedstawiono tę częstość w funkcji czasu (w kolejnych latach omawianego okresu). Zacznijmy od rys. 3, prezentującego typy 3, 7 i 10. Typy te zestawiono łącznie, ponieważ łączy je wspólna cecha: minimalna zmienność czasowa frekwencji, Rys. 2. Liczba dni z typami cyrkulacji 2, 4, 8, 9 Fig. 2. Numbers of the days with the circulation types 2, 4, 8, 9

6 188 J. Walczewski co świadczy o małej zależności występowania tych typów od sytuacji atmosferycznej. Możemy je zatem pomijać w dalszych rozważaniach (a należy tu typ 10, jeden z najczęściej występujących). Na rysunku 2 przedstawiono typy o dużej zmienności czasowej: 2, 4, 8 i 9. W występowaniu typu 2 można się doszukać pewnych korelacji z przebiegiem i, zatem prognozy występowania tego typu mogłyby być użyteczne przy prognozowaniu liczby dni z inwersjami. W przebiegu występowania typu 9 można znaleźć pewne korelacje odwrotne w latach Poza tym typ ten należy do pierwszej czwórki typów pod względem częstości występowania, należy więc poświęcać mu wiele uwagi. Rys. 3. Liczba dni z typami cyrkulacji 3, 7, 10 Fig. 3. Numbers of the days with the circulation types 3, 7, 10 Rys. 4. Liczba dni z typami cyrkulacji 1, 5, 6 Fig. 4. Numbers of the days with the circulation types 1, 5, 6

7 Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych Ogólnie typy 4, 5, 9 i 10 powinny być przede wszystkim prognozowane, jako sprawcy największych liczb dni z inwersjami. Pozostają jeszcze typy pośrednie 1, 5 i 6 o średniej zmienności. Typ 5 wykazuje pewną korelację z liczbami i (z wyjątkiem roku 1999). Wnioski Istnieje szereg danych mogących wspierać prognozowanie liczby dni z inwersjami. Można zatem uznać, że prognozowanie takich dni systematycznie jest możliwe, a stąd wniosek, że można też z wyprzedzeniem czasowym starać się o ograniczenia szkodliwych emisji w takich dniach, chroniąc zdrowie ludności miasta. Ten wniosek przedstawiamy zarządom miast. Drugi wniosek to wysoka użyteczność akustycznego sondażu atmosfery, który powinien być prowadzony w sposób ciągły w dużych aglomeracjach miejskich. Niech Zarządy takich aglomeracji zechcą zapoznać się z tym wnioskiem. Materiały wpłynęły do redakcji 22 VI Literatura Czyczyło M., Matuła W., Walczewski J., 1985, Rozwój sodaru SAMOS, Prz. Geof., 30, 1, Czyczyło M., Walczewski J., 1979, Urządzenie do akustycznego sondowania atmosfery SAMOS-1. Wiad. IMGW, 23, 3 4, Feleksy-Bielak M., Ł a b n o M., Wa l czewski J., 1987, Kodowanie i archiwizacja danych sodarowych. Wiad. IMGW, 31, 4, Feleksy-Bielak M., Walczewski J., 1988, Diural variation of characteristic SODAR echoes and the dumal change of atmospheric stability. Atmospheric Environment, 22, 9, Lityński J., 1969, Liczbowa klasyfikacja typów cyrkulacji i typów pogody dla Polski. Prace PiHM, nr 97, Niedźwiedź T., 1981, Wpływ sytuacji synoptycznych na wybrane dane klimatu w dorzeczu Górnej Wisły. Rozpr. Hab. UJ, 80. Stasiak M., Wa l czewski J., 1995, Przebieg roczny występowania typów porannych przemian w warstwie granicznej obserwacje sodarowe w Krakowie w Wiad. IMGW, 39, Walczewski J., 1980, Pierwsza seria akustycznych sondaży w Krakowie. Prz. Geof., 25, 2, Walczewski J., 1981, Niektóre cechy występowania warstw inwersyjnych w Krakowie w pierwszym roku sondażu akustycznego. Prz. Geof., 26, 1 2, Walczewski J., 1984, Charakterystyka warstwy granicznej atmosfery nad Krakowem w oparciu o wyniki sondażu akustycznego. Mat. Badawcze IMGW, Seria Meteorologia, 10. Walczewski J., 1985, Wyniki badań meteorologicznych przeprowadzonych za pomocą sodarów SAMOS. Prz. Geof., 30, 1, Walczewski J., 1986, Verlaeufe von SODAR Echos als klimatologische Charakteristik der Grenzschicht. Deutsche Meteorologen Tagung, Offenbach am Main, Dokumenten, Walczewski J., 1992, 10 lat rozwoju polskiego SODARU i akustycznego sondażu atmosfery w Krakowie. Wiad. IMGW, 36, 1 2,

8 190 J. Walczewski Walczewski J., 1994, Niektóre charakterystyki warstwy mieszania wyznaczone za pomocą SODARU pionowo sądującego w Krakowie. Wiad. IMGW, 38, 3, Walczewski J., 1997a, Application of SODAR in urban air-quality monitoring system. Acoustic Remote- -Sensing Applications, red. S.P. Signal, Springer Verlag and Narosa Publishing House, Berlin_Heidelberg New York New Delhi, Walczewski J., 1997b, Zasięg rozpoznawania struktur warstwy granicznej przez Sodary o różnych charakterystykach technicznych. Wiad. IMGW, 41, 1, Walczewski J., 1998a, Problem oceny głębokości warstwy mieszania za pomocą Sodaru porównania z lidarowymi obserwacjami warstw pyłowych. Wiad. IMGW, 42, 1, Walczewski J., 1998b, Sodar data as basis for an empirical of dural and annual variability of mean mixing height. Proceedings of the 17th International Symposium on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere and Oceans ISARS 98, Wiedeń, 6 10 VII 1998, Walczewski J., 2005, Meteorologiczne i klimatyczne warunki rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza. Prz. Geof., 50, 3 4, Walczewski J., 2006, Liczba dni z całodziennymi inwersjami w Krakowie w latach Wiad. IMGW, 50, 3 4, Walczewski J., 2007a, Analiza częstości występowania w Krakowie całodziennych inwersji w zestawieniu z typami cyrkulacji w okresie lat Wiad. IMGW, 51, 1, Walczewski J., 2007b, Związki między występowaniem w Krakowie typów cyrkulacji J. Lityńskiego a pojawianiem się całodziennych warstw inwersyjnych w latach Wiad. Met., Hydr. i Gosp. Wodn., 2 3, Walczewski J., 2007c, Przegląd literatury na temat badań warstwy granicznej atmosfery w Krakowie w latach Wiad. Met., Hydr. i Gosp. Wodn., 4, Walczewski J., 2008, Prognozowanie typów cyrkulacji atmosferycznej jako element wsparcia działań w kierunku poprawy jakości powietrza. [w:] Ochrona i Inżynieria Środowiska Zrównoważony Rozwój Monografia Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH, 37, Streszczenie W pracy wykorzystano dane ciągłego akustycznego sondażu dolnej warstwy atmosfery nad Krakowem w latach (bez lat 1995 i 2002, w których ciągłość obserwacji była niepełna). Na podstawie danych sodarowych określono liczby dni z całodziennymi dolnymi inwersjami w poszczególnych latach (rys. 1) i w miesiącach tych lat (tab. 1). Wobec obserwowanej dużej zmienności tych liczb porównano je z przebiegiem aktywności słonecznej (rys. 1) oraz z występowaniem różnych typów cyrkulacji atmosferycznej (podzielonych na 10 rodzajów przez T. Niedźwiedzia). W typach tych wyróżniono 3 grupy: 1) wykazujące dużą zmienność w badanym okresie (rys. 3), 2) wykazujące małą zmienność (rys. 4), i grupę pośrednią (rys. 4). Najwyższe liczby dni z inwersjami występowały przy typach cyrkulacji nr 5, 9, oraz 4 i 10. Dane te mogą być użyteczne dla prognozowania warunków sprzyjających wzrostowi zanieczyszczenia powietrza w mieście. Słowa kluczowe: dolna warstwa inwersyjna w Krakowie, typy cyrkulacji Summary The work is based on the data from the continuous acoustic sounding of the lower atmospheric layer over Cracow in the years (without years 1995 and 2002 in which the continuosity of observations was not full). On the basis of sodar data it was possible to determine the numbers of days

9 Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych with all-day lasting inversions in the individual years (Fig. l) and in the months of these years (Tab. 1). Considering the observed great variability of these numbers, they have been compared with courses of Solar activity (Fig. 1) and with the appearance of the different types of atmospheric circulation (divided into 10 types by T. Niedźwiedż). Among these types 3 groups have been indicated: the types showing high variability in the period analysed (Fig. 3), the types with low variability (Fig. 4), and those showing average characteristics. The highest numbers of the days with inversions were connected with circulation types No. 5 and 9, and No. 4 and 10. These data may be useful in forecasting the conditions, stimulating the air pollution growth in the city. Key words: inversion in the atmospheric Boundary-Layer in Cracow, circulation types