Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza

Transkrypt

1 Urban G. 2010: Ocena wybranych metod obliczania średniej dobowej, miesięcznej i rocznej wartości temperatury powietrza (na przykładzie Sudetów Zachodnich i ich przedpola). Opera Corcontica 47/2010 Suppl. 1: Ocena wybranych metod obliczania średniej dobowej, miesięcznej i rocznej wartości temperatury powietrza (na przykładzie Sudetów Zachodnich i ich przedpola) Evaluation of selected methods of calculating the daily, monthly and annual mean air temperature (with the Western Sudety Mountains and their foreland as an example) Grzegorz Urban Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Oddział we Wrocławiu, ul. Parkowa 30, Wrocław, grzegorz.urban@imgw.pl Abstrakt Na bazie jednorodnych cogodzinnych wartości temperatury powietrza z 4 stacji Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (Śnieżka, Jelenia Góra, Legnica i Wrocław-Strachowice) dla wielolecia porównano i oceniono 6 różnych metod wyznaczania średniej temperatury powietrza o różnym kroku czasowym względem metody rzeczywistej (24 godzinnej). Analizowane stacje reprezentują strefę szczytową Karkonoszy i podnóże wraz z szeroko rozumianym ich nizinnym przedpolem. Są także jedynymi stacjami posiadającymi w analizowanym okresie standardowe godzinne pomiary temperatury powietrza w tym regionie geograficznym Polski. Charakterystyki termiczne wyliczone przy pomocy omawianych metod jak i różnice w średniej temperaturze powietrza pomiędzy poszczególnymi metodami a metodą rzeczywistą dają zbliżone wyniki. Wyjątek stanowi metoda stosowana na stacjach klimatologicznych IMGW od 1996 r., z której wyniki są wyraźnie zaniżone względem wyników uzyskanych z metody rzeczywistej. Najdokładniejszą, względem metody rzeczywistej, jest metoda, bazująca na oszacowaniu średniej dobowej temperatury powietrza z 8 terminów synoptycznych. Wielkość różnicy w średniej temperaturze powietrza wyznaczonej daną metodą względem średniej rzeczywistej temperatury powietrza zależy przede wszystkim od doboru metody wyznaczania tejże średniej. Abstract Basing on the homogeneous hourly values of air temperature obtained from 4 synoptic stations of Institute of Meteorology and Water Management (Śnieżka, Jelenia Góra, Legnica and Wrocław-Strachowice) for the period , six different methods of calculating mean air temperature with different time steps were evaluated and compared with the real (24 hour) method. The analysed stations represent the top zone of the Karkonosze Mountains and its foreland and the only weather stations disposing of the standard hourly air temperature measurements for the period under discussion in this geographic region of Poland. Thermal characteristics calculated by the methods discussed, as well as differences in daily mean air temperature between the individual methods and the real method were similar. The only exception was method used in IMGW climatological 23

2 Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza stations from 1996 till present, whose results showed the were clearly underestimated from the results obtained using the real method. Method based on the evaluation of daily mean air temperature from eight synoptic dates appeared to be most precise compared to the real method. The value of the difference between mean air temperatures calculated using a given method and the real mean air temperature depends first and foremost on the choice of the method used to calculate this mean. Słowa kluczowe: metodyka, średnia dobowa, temperatura powietrza, Sudety Zachodnie Keywords: methodology, daily average, air temperature, the Western Sudety Mts Wstęp W literaturze klimatologicznej spotkać można wiele metod wyznaczania średniej dobowej wartości temperatury powietrza. Bazują one na zmiennej liczbie pomiarów wykonywanych w różnych terminach obserwacyjnych od kilku do 24 (Lorenc & Suwalska-Bogucka 1995). Zatem średnia dobowa temperatura powietrza jest zawsze oszacowywana (estymowana) na podstawie dokonanych pomiarów. Stąd często pojawia się problemem ich porównywalności i właściwego doboru metody, szczególnie ważny m.in. przy badaniu wieloletnich zmienności i trendów temperatury powietrza, gdzie w ciągu danych może wystąpić kilka sposobów wyznaczania tej termicznej charakterystyki (Pyka 1991). Problem oszacowania średniej dobowej czy średniej miesięcznej a w konsekwencji i średniej rocznej temperatury powietrza znalazł się w polskiej literaturze klimatologicznej w wielu pracach (Liniewicz 1969, Kowalczyk & Sadowski 1972, Michalczewski 1979 i 1987, Lorenc & Suwalska-Bogucka 1993 i 1995, Filipiuk 1998 i 2000/2001, Przybylak & Vizi 2005). Celem pracy jest porównanie i ocena różnych metod wyznaczania średniej dobowej, miesięcznej i rocznej wartości temperatury powietrza na przykładzie danych pomiarowych ze stacji położonych w polskiej części Sudetów Zachodnich i na ich szeroko rozumianym przedpolu (co jest w pracy pewnym uproszczeniem z uwagi na położenie geograficzne Wrocławia). Do analizy celowo wzięto stacje zlokalizowane w bardzo różnych pozycjach morfologicznych w terenie o urozmaiconej rzeźbie, aby sprawdzić czy uzyskane spostrzeżenia można uogólnić na szerszy obszar i dla wszystkich stacji. Materiały źródłowe i metoda Materiał źródłowy niniejszej pracy stanowią nieprzerwane ciągi godzinne oraz dobowe maksymalne i minimalne wartości temperatury powietrza z lat , zmierzone standardowymi szklanymi termometrami cieczowymi w klatce meteorologicznej na wysokości 2 m n.p.g., na stacjach synoptycznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) we: Wrocławiu-Strachowicach (120 m n.p.m.), Legnicy (122 m n.p.m.), Jeleniej Górze (342 m n.p.m.) i w Wysokogórskim Obserwatorium Meteorologicznym na Śnieżce (1617 m n.p.m. stanowi wysokość położenia termometrów w klatce meteorologicznej ustawionej na górnym tarasie Obserwatorium), których lokalizacje w analizowanym wieloleciu nie były zmieniane. Na tej podstawie wyznaczono średnie dobowe, według poniżej scharakteryzowanych metod, a z nich następnie wyliczono średnie miesięczne wartości temperatury powietrza, jako średnie arytmetyczne z wartości średnich dobowych w danym miesiącu. Przytoczone stacje reprezentują kontrastowo, poza różną wysokością nad poziomem morza, także różne formy terenu. Mianowicie, Śnieżka wyizolowany szczyt w Karkonoszach, nawiązujący do warunków panujących w swobodnej atmosferze, Jelenia Góra podnóże Karkonoszy i dno dużej śródgórskiej kotliny z tendencją do tworzenia się zastoisk zimnego powietrza i dużymi dobowymi amplitudami temperatury, Legnica stacja przedgórska na szerokim przedpolu Sudetów Zachodnich i Wrocław stacja nizinna. Stacje te są także jedynymi stacjami w tym regionie geograficznym Polski posiadającymi w analizowanym okresie standardowe godzinne pomiary temperatury powietrza. 24

3 Opera Corcontica 47/2010 suppl. 1 Analizie poddano 7 następujących metod wyznaczania średniej dobowej temperatury powietrza (SDTP): M1 = (T00 + T01 + T T23) / 24; tzw. średnia rzeczywista, w czasie GMT, M2 = (T00 + T03 + T06 + T09 + T12 + T15 + T18 + T21) / 8; średnia stosowana na stacjach synoptycznych IMGW od 1966 r. do dziś, w czasie GMT, M3 = (T00 + T06 + T12 + T18) / 4; średnia stosowana na stacjach klimatologicznych IMGW w latach r., w czasie GMT, M4 = (Tmax + Tmin + T06 + T18) / 4; średnia stosowana na stacjach klimatologicznych IMGW od 1996 r. do dziś; Tmax i Tmin mierzone od godz dnia N do godz dnia N + 1 w czasie GMT, M5 = (T06 + T13 + 2*T20) / 4; średnia stosowana przez państwowe służby ČHMÚ (czeska) i DVD (niemiecka), w czasie GMT, M6 = (Tmax + Tmin) / 2; średnia stosowana przez kraje Ameryki Północnej, Australię i niektóre kraje europejskie (np. w Hiszpanii, w Wielkiej Brytanii), M7 = (T06 + T12 + 2*T20) / 4; średnia stosowana w latach na stacjach synoptycznych i klimatologicznych IMGW oraz w latach na klimatologicznych IMGW, w czasie GMT. Ocenę dokładności poszczególnych metod wyznaczania SDTP określono względem metody M1 najlepiej oddającą rzeczywistość, jako różnicę pomiędzy średnią z danej metody (M2, M3,, M7) a średnią rzeczywistą (M1) według przykładowego wzoru: DT = M2 M1. Wyliczono następujące wskaźniki: średnią arytmetyczną, odchylenie standardowe, zakres zróżnicowania, przedział wartości różnic w temperaturze o określonym prawdopodobieństwie występowania zarówno dla wartości dobowych jak i miesięcznych temperatury powietrza. Dyskusja wyników Średnia dobowa temperatura powietrza Warunki cieplne atmosfery kształtują się w zależności od dostawy energii słonecznej a ich wyrazem jest temperatura powietrza. Spadek temperatury powietrza wraz z rosnącą wysokością nad poziomem morza jest wyraźniejszy w ciepłej połowie roku, kiedy większe jest nagrzewanie podłoża przez promieniowanie słoneczne. Poza temperaturą maksymalną zauważalne jest to także w średniej (dobowej, miesięcznej i rocznej) temperaturze powietrza. Zasadniczo charakterystyki termiczne wyliczone przy pomocy omawianych metod jak i różnice w SDTP pomiędzy poszczególnymi metodami (M2, M3,, M7) a metodą M1 dają zbliżone wyniki (Tab. 1, Tab. 2). Wyjątek stanowi metoda M4, która zaniża średnie dobowe, miesięczne i w konsekwencji także średnie roczne wartości temperatury powietrza względem odpowiednich średnich rzeczywistych. Najwyższe partie Sudetów Zachodnich, reprezentowane przez Śnieżkę, odznaczają się najmniejszymi zmianami i różnicami w SDTP z uwagi na stosunkowo niewielki zakres zmiany przebiegu temperatury powietrza w ciągu doby uwarunkowany wysokością nad poziomem morza i specyficzną formą terenu. Na Śnieżce średnia różnica w SDTP jedynie przy zastosowaniu metody M6 daje dodatnie odchylenia wynoszące 0,2 C względem metody M1 (Tab. 2). Potencjalne przyczyny tego stanu rzeczy opisano w dalszej części pracy. Bez względu na lokalizację stacji najdokładniejszą, względem metody rzeczywistej, jest metoda M2, bazująca na oszacowaniu SDTP z 8 terminów synoptycznych (Tab. 1, Tab. 2). Ekstremalne różnice i zakres zmienności (amplituda) pomiędzy średnimi dobowymi temperaturami powietrza (SDTP) wyznaczonymi różnymi metodami względem średniej dobowej rzeczywistej są dużo większe niż różnice i amplitudy między ich średnimi miesięcznymi. Najmniejsza zmienność różnic DT, zawierająca się w przedziale od 0,9 C do 0,7 C (dla Wrocławia i dla Śnieżki), występuje przy zastosowaniu metody M2, największa od 8,7 C do 6,4 C (dla Jeleniej Góry) przy metodzie M6 (Tab. 2). W zdecydowanej większości z 3652 przeanalizowanych przypadków (liczba dni w latach ) różnice pomiędzy daną metodą a metodą rzeczywistą są znacznie mniejsze 25

4 Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza Tab. 1. Charakterystyki z ciągu dobowych wartości temperatury powietrza z lat według różnych metod liczenia średniej dobowej temperatury powietrza (M1, M2,, M7) [ o C]. Characteristics on the basis of the sequence of daily air temperatures for period according to different methods of calculating of the daily average air temperature (M1, M2,, M7) [ o C]. Charakterystyka M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Wrocław [120 m n.p.m.] maksymalna średnia dobowa 27,2 27,2 27,4 27,0 28,2 26,9 28,1 minimalna średnia dobowa 19,4 19,4 19,5 19,6 18,9 19,3 19,1 amplituda średniej dobowej 46,6 46,6 46,8 46,6 47,1 46,2 47,1 średnia dobowa 9,6 9,6 9,6 9,3 9,6 9,5 9,6 odchylenie standardowe 8,0 8,1 8,1 8,2 8,1 8,1 8,1 Legnica [122 m n.p.m.] maksymalna średnia dobowa 28,4 28,6 28,6 28,6 29,6 27,9 29,7 minimalna średnia dobowa 18,6 18,6 18,7 18,7 18,1 18,5 18,1 amplituda średniej dobowa 46,9 47,2 47,4 47,3 47,7 46,4 47,8 średnia dobowa 9,7 9,7 9,7 9,5 9,8 9,8 9,7 odchylenie standardowe 7,9 7,9 7,9 8,0 7,9 7,9 7,9 Jelenia Góra [342 m n.p.m.] maksymalna średnia dobowa 26,4 26,0 26,2 26,3 28,0 26,2 27,8 minimalna średnia dobowa 19,7 19,5 19,4 19,2 19,5 17,6 19,9 amplituda średniej dobowa 46,1 45,5 45,6 45,5 47,5 43,7 47,7 średnia dobowa 8,1 8,1 8,0 7,8 8,0 8,0 8,0 odchylenie standardowe 7,9 7,9 7,9 8,0 7,9 7,9 7,9 Śnieżka [1617 m n.p.m.] maksymalna średnia dobowa 19,6 19,5 19,5 20,0 20,3 20,7 20,0 minimalna średnia dobowa 18,2 18,4 18,0 17,8 18,1 17,6 18,1 amplituda średniej dobowa 37,8 37,9 37,5 37,8 38,4 38,2 38,1 średnia dobowa 1,4 1,4 1,4 1,4 1,5 1,6 1,4 odchylenie standardowe 7,2 7,2 7,2 7,3 7,3 7,3 7,3 i nie przekraczają połowy z różnicy maksymalnej lub minimalnej. Potwierdzeniem tego stwierdzenia są wyznaczone przedziały wielkości różnic z bardzo wysokim prawdopodobieństwem wystąpienia P = 95 % i P=99 % oraz wartość różnicy występującej najczęściej (Tab. 2). Przedziały wielkości różnic DT zostały wyliczone w taki sposób, aby środek każdego przedziału stanowiła wartość średniej różnicy. Zakresy wartości różnic DT o P = 99 % kształtują się w granicach 45 % 63 % amplitudy różnic DT. Wielkie różnice, rzędu kilku stopni Celsjusza, zdarzają się sporadycznie i uwarunkowane są zazwyczaj specyficznymi warunkami pogodowymi i związanego z nimi stosunkowo wysokiego dobowego maksimum lub niskiego dobowego minimum temperatury powietrza, głównie w okresie zimowych miesięcy. Szczególnie zauważalne jest to we wklęsłej formie terenu, którą reprezentuje Jelenia Góra, np. w dniu r., czy r., kiedy to ekstremalne różnice w SDTP pomiędzy metodami M6 a M1 wyniosły odpowiednio: 8,7 C i +6,4 C (Tab. 2). Podobnie wyglądała sytuacja w tych dniach w pozostałych stacjach pomiarowych na omawianym obszarze. 26

5 Opera Corcontica 47/2010 suppl. 1 Tab. 2. Różnice pomiędzy średnimi dobowymi temperaturami powietrza DT [ C] obliczonymi różnymi metodami (M2, M3, M7) a średnią rzeczywistą (M1) wyznaczone z ciągu dobowych wartości temperatury powietrza z lat Differences beetwen daily average of air temperature DT [ C] calculating of diffrent methods (M2, M3, M7) and the real average (M1) of calculating of the sequence of daily values of air temperature for period. Charakterystyka M2 M1 M3 M1 M4 M1 M5 M1 M6 M1 M7 M1 Wrocław [120 m n.p.m.] maksymalna DT 0,7 1,9 3,2 4,0 7,5 3,5 minimalna DT 0,9 2,2 3,4 3,4 6,5 3,6 amplituda DT 1,6 4,1 6,6 7,4 14,1 7,1 średnia DT 0,0 0,0 0,3 0,1 0,1 0,0 odchylenie standardowe DT 0,2 0,5 0,7 0,7 1,0 0,6 zakres wartości DT z P=95 % 0,4 +0,4 1,0 +1,0 1,6 +1,0 1,2 +1,4 2,1 +1,9 1,3 +1,3 zakres wartości DT z P=99 % 0,5 +0,5 1,3 +1,3 2,3 +1,7 1,8 +2,0 3,3 +3,1 1,8 +1,8 DT występująca najczęściej/liczba przypadków 0,0 / 834 0,0 / 354 0,1 / 302 0,1 / 250 0,1 / 165 0,1 / 263 0,5 C DT +0,5 C P=99,1 % P=75,6 % P=62,5 % P=62,1 % P=44,7 % P=63,1 % Legnica [122 m n.p.m.] maksymalna DT 0,9 2,0 3,2 3,3 7,4 3,0 minimalna DT 1,0 2,6 3,0 2,5 5,6 2,4 amplituda DT 1,9 4,5 6,2 5,8 12,9 5,5 średnia DT 0,0 0,0 0,2 0,1 0,1 0,0 odchylenie standardowe DT 0,2 0,5 0,6 0,7 1,0 0,6 zakres wartości DT z P=95 % 0,4 +0,4 1,0 +1,0 1,5 +1,1 1,2 +1,4 1,8 +2,0 1,3 +1,3 zakres wartości DT z P=99 % 0,5 +0,5 1,3 +1,3 2,2 +1,6 1,8 +2,0 3,0 +3,2 1,8 +1,8 DT występująca najczęściej/liczba przypadków 0,0 / 811 0,0 / 358 0,1 / 298 0,1 / 275 0,1 / 186 0,0 / 274 0,5 C DT +0,5 C P=99,2 % P=77,6 % P=65,9 % P=63,7 % P=47,4 % P=65,0 % Jelenia Góra [342 m n.p.m.] maksymalna DT 1,0 2,9 3,4 3,5 6,4 3,3 minimalna DT 1,0 2,6 4,5 3,5 8,7 3,8 amplituda DT 2,0 5,4 7,9 7,1 15,2 7,1 średnia DT 0,0 0,0 0,3 0,1 0,1 0,1 odchylenie standardowe DT 0,2 0,6 0,8 0,8 1,2 0,8 zakres wartości DT z P=95 % 0,5 +0,5 1,2 +1,2 1,9 +1,3 1,7 +1,5 2,5 +2,3 1,7 +1,5 zakres wartości DT z P=99 % 0,7 +0,7 1,8 +1,8 2,5 +1,9 2,4 +2,2 3,5 +3,3 2,3 +2,1 DT występująca najczęściej/liczba przypadków 0,0 / 729 0,0 / 297 0,1 / 217 0,0 / 238 0,2 / 163 0,0 / 228 0,5 C DT +0,5 C P=97,0 % P=66,1 % P=53,0 % P=57,1 % P=40,4 % P=56,8 % 27

6 Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza Śnieżka [1617 m n.p.m.] maksymalna DT 0,9 1,9 2,6 3,0 4,8 2,8 minimalna DT 0,7 1,9 2,2 2,8 4,7 2,6 amplituda DT 1,6 3,8 4,8 5,8 9,5 5,4 średnia DT 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 0,0 odchylenie standardowe DT 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 0,5 zakres wartości DT z P=95 % 0,4 +0,4 0,8 +0,8 1,0 +1,0 1,2 +1,2 1,6 +2,0 1,1 +1,1 zakres wartości DT z P=99 % 0,5 +0,5 1,2 +1,2 1,4 +1,4 1,8 +1,8 2,5 +2,9 1,6 +1,6 DT występująca najczęściej / liczba przypadków 0,0 / ,0 / 453 0,0 / 466 0,1 / 301 0,1 / 261 0,0 / 338 0,5 C DT +0,5 C P=99,3 % P=83,5 % P=82,9 % P=70,9 % P=61,0 % P=74,3 % Średnia miesięczna i roczna temperatura powietrza Średnie miesięczne wartości temperatury powietrza (Tm) z lat obliczone za pomocą średnich dobowych wartości metodami M1, M2, M7 dają wyniki różniące się względem średniej rzeczywistej (M1) od 0,6 C w Jeleniej Górze do +0,3 C we Wrocławiu i na Śnieżce (Tab. 3 i Tab. 4). Najmniejsze błędy (DTm = 0,0 C) popełnia się stosując metodę M2, która jest relatywnie najbardziej zbliżona do metody rzeczywistej M1. Najmniej dokładne są średnie miesięczne uzyskane metodą M4, a w przypadku Śnieżki metodą M6 (Tab. 4). Największe ujemne różnice przy zastosowaniu metody M4 występują we wrześniu i październiku i wynoszą dla Jeleniej Góry aż: 0,6 C, a dla Wrocławia i Legnicy: 0,5 C. Podobne wielkości różnic w tej metodzie względem metody rzeczywistej także w październiku, rzędu od 0,8 C do +0,3 C, stwierdził dla stacji Szczecin-Dąbie Filipiuk (2000/2001). Metoda M4, u podnóża Sudetów Zachodnich i na ich przedpolu, w ciągu niemal wszystkich miesięcy w roku (poza czerwcem i lipcem) daje obniżone wartości średniej miesięcznej temperatury powietrza względem wyznaczonych z metody rzeczywistej M1, szczególnie zaznacza się to w okresie od września do kwietnia. Przekłada się to na wartość średniej rocznej temperatury powietrza, która wyliczona (jako średnia arytmetyczna z poszczególnych miesięcy) tą metodą jest obniżona aż o: 0,2 C 0,3 C w stosunku do średniej rocznej wyznaczonej metodą M1. Ponadto w metodzie M4 stwierdza się (poza Śnieżką) także największe roczne amplitudy różnic w średniej miesięcznej temperaturze powietrza wynoszące od 0,6 C we Wrocławiu do 0,8 C w Jeleniej Górze (Tab. 4). Na wyraźnie asymetryczny rozkład częstości błędów, z dużą przewagą częstości ujemnych błędów względem dodatnich, tej metody dla stacji Lublin-Radawiec i Szczecin-Dąbie zwrócił uwagę cytowany wcześniej Filipiuk (1998). Podobne prawidłowości w rozkładzie odchyłek w metodzie M4, na przykładzie stacji w Helu, stwierdził także Miętus (2000/2001), który dodatkowo wskazuje na wystąpienie systematycznego przesunięcia wartości średniej rocznej temperatury powietrza, wyznaczonej tą metodą, o 0,14 C względem średniej otrzymanej z ośmiu terminów synoptycznych (czyli stałe zaniżanie wartości średniej przez wzór M4). Wynika to zapewne z faktu, iż dwie składowe tej metody, tzn. minimalna dobowa temperatura powietrza (Tmin) i temperatura powietrza o godzinie 06 GMT, w większości dni w roku (a szczególnie w porze chłodnej roku cechującej się częstymi inwersjami termicznymi), występują w ciągu doby w czasie zbliżonym, natomiast odstęp czasowy pomiędzy maksymalną dobową temperaturę powietrza a temperaturą o godzinie 18 GMT w chłodnej porze roku jest większy i tym samym wartości te różnią się bardziej od siebie niż Tmin i T o godzinie 06 GMT. Stąd wyraźne obniżenie w wartościach średniej dobowej temperaturze powietrza, które przekłada się na średnie miesięczne i roczne. Z kolei w metodach M3, M6 i M7 (z wyjątkiem Śnieżki) brak wyraźnego przebiegu rocznego (regularności) błędów estymacji średniej miesięcznej temperatury powietrza (Tab. 4). 28

7 Opera Corcontica 47/2010 suppl. 1 Tab. 3. Średnie miesięczne wartości temperatury powietrza [ C] w latach wyliczone według różnych metod liczenia średniej dobowej temperatury powietrza (M1, M2, M7). The average monthly values in the temperature of air [ C] calculating of the different methods (M1, M2, M7) of calculating of the daily average air temperature for period. Metoda I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I XII Wrocław [120 m n.p.m.] M1 0,0 1,3 4,0 9,8 14,8 17,6 19,3 18,8 14,4 9,8 4,1 0,8 9,5 M2 0,0 1,3 4,0 9,8 14,8 17,6 19,3 18,8 14,4 9,8 4,1 0,8 9,6 M3 0,0 1,2 3,8 9,7 15,0 17,8 19,5 18,7 14,2 9,6 4,1 0,8 9,5 M4 0,3 0,9 3,6 9,4 14,7 17,7 19,4 18,6 13,8 9,3 3,7 0,4 9,3 M5 0,1 1,3 4,0 9,9 15,0 17,9 19,5 18,7 14,3 9,7 4,1 0,8 9,6 M6 0,2 1,1 4,0 9,5 14,5 17,5 19,3 18,8 14,4 9,8 4,1 0,6 9,5 M7 0,1 1,2 3,9 9,8 14,9 17,8 19,4 18,6 14,2 9,6 4,1 0,8 9,5 Legnica [122 m n.p.m.] M1 0,2 1,5 4,2 9,7 14,7 17,4 19,3 18,7 14,5 9,9 4,3 0,9 9,6 M2 0,2 1,5 4,1 9,7 14,7 17,4 19,3 18,8 14,5 9,9 4,3 0,9 9,6 M3 0,2 1,4 3,9 9,6 14,9 17,6 19,5 18,8 14,2 9,7 4,3 1,0 9,6 M4 0,0 1,1 3,7 9,4 14,7 17,6 19,4 18,6 13,9 9,3 4,0 0,6 9,4 M5 0,3 1,5 4,1 9,8 14,9 17,7 19,5 18,7 14,3 9,7 4,4 1,0 9,7 M6 0,1 1,4 4,2 9,6 14,5 17,4 19,4 18,8 14,5 10,0 4,3 0,8 9,6 M7 0,2 1,5 4,0 9,7 14,8 17,6 19,4 18,6 14,2 9,7 4,3 0,9 9,6 Jelenia Góra [342 m n.p.m.] M1 1,3 0,2 2,7 8,0 13,1 15,8 17,4 16,7 12,7 8,6 3,0 0,5 8,0 M2 1,2 0,2 2,7 8,0 13,2 15,8 17,4 16,7 12,7 8,6 3,0 0,5 8,0 M3 1,2 0,1 2,5 7,9 13,3 15,9 17,5 16,6 12,4 8,4 3,0 0,4 8,0 M4 1,7 0,3 2,2 7,6 13,1 15,9 17,5 16,4 12,1 8,0 2,5 0,9 7,7 M5 1,1 0,1 2,6 7,9 13,2 16,0 17,4 16,5 12,4 8,4 3,0 0,5 8,0 M6 1,4 0,0 2,8 7,9 12,9 15,6 17,4 16,8 12,9 8,7 3,0 0,7 8,0 M7 1,1 0,1 2,5 7,9 13,2 15,9 17,4 16,4 12,3 8,4 3,0 0,5 8,0 Śnieżka [1617 m n.p.m.] M1 5,9 6,1 4,4 0,1 5,1 7,7 9,4 9,4 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 M2 5,9 6,1 4,4 0,1 5,1 7,7 9,4 9,4 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 M3 5,9 6,1 4,4 0,0 5,1 7,7 9,4 9,4 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 M4 5,9 6,1 4,4 0,1 5,2 7,8 9,5 9,5 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 M5 5,8 6,1 4,3 0,1 5,1 7,8 9,5 9,4 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 M6 5,9 6,0 4,3 0,3 5,4 8,1 9,8 9,8 6,1 2,4 2,2 4,5 1,6 M7 5,8 6,1 4,3 0,1 5,1 7,7 9,5 9,4 5,9 2,3 2,3 4,6 1,4 29

8 Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza Różnice/DTm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I XII* A Wrocław [120 m n.p.m.] M2 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 M3 M1 0,0 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,0 0,2 0,2 0,0 0,1 0,0 0,4 M4 M1 0,3 0,4 0,4 0,4 0,1 0,1 0,1 0,2 0,5 0,5 0,4 0,3 0,3 0,6 M5 M1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,2 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,4 M6 M1 0,2 0,1 0,0 0,2 0,3 0,1 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,2 0,1 0,4 M7 M1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,1 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,0 0,0 0,0 0,4 Legnica [122 m n.p.m.] M2 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 M3 M1 0,0 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,2 0,0 0,2 0,2 0,0 0,1 0,0 0,4 M4 M1 0,2 0,4 0,4 0,3 0,0 0,1 0,2 0,1 0,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,7 M5 M1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,2 0,2 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,3 M6 M1 0,0 0,1 0,1 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,1 0,0 0,3 M7 M1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,1 0,2 0,1 0,1 0,2 0,2 0,0 0,0 0,0 0,4 Jelenia Góra [342 m n.p.m.] M2 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 M3 M1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,1 0,2 0,1 0,1 0,3 0,2 0,0 0,1 0,0 0,5 M4 M1 0,4 0,5 0,5 0,5 0,0 0,2 0,2 0,3 0,6 0,6 0,5 0,4 0,3 0,8 M5 M1 0,2 0,0 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,4 0,2 0,0 0,1 0,0 0,6 M6 M1 0,1 0,1 0,0 0,2 0,2 0,1 0,0 0,1 0,1 0,1 0,0 0,1 0,0 0,3 M7 M1 0,1 0,1 0,2 0,2 0,0 0,1 0,0 0,3 0,4 0,2 0,0 0,1 0,1 0,5 Śnieżka [1617 m n.p.m.] M2 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 M3 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 M4 M1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 M5 M1 0,0 0,0 0,1 0,1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 M6 M1 0,0 0,1 0,1 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2 0,1 0,1 0,1 0,2 0,3 M7 M1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 Tab. 4. Średnie miesięczne różnice w temperaturze powietrza DTm [ C] pomiędzy średnimi dobowymi obliczonymi różnymi metodami (M2, M3, M7) a średnią rzeczywistą (M1) w latach The average monthly differences in the temperature of air DTm [ C] different methods (M2, M3, M7) and the real average (M1) for period. * średnia roczna różnica wyliczona jako średnia arytmetyczna z poszczególnych średnich różnic miesięcznych A roczna amplituda różnic w średniej miesięcznej temperaturze powietrza DTm [ C] 30

9 Opera Corcontica 47/2010 suppl. 1 W partiach szczytowych Sudetów, reprezentowanych przez Śnieżkę, spośród analizowanych metod, jedynie metoda M6 względem metody M1 daje niemal przez cały rok (z wyjątkiem stycznia, kiedy wynosi 0,0 C) tylko dodatnie różnice w średniej miesięcznej temperaturze powietrza. Najwyraźniej zaznacza się to w okresie ciepłej połowy roku, pomiędzy kwietniem a wrześniem, z największymi dodatnimi odchyleniami sięgającymi od 0,30 C w maju, przez 0,33 C w czerwcu i w lipcu do maksymalnego odchylenia 0,34 C w sierpniu (kiedy to na Śnieżce notuje się średnie wieloletnie maksimum temperatury powietrza). Na ten stan rzeczy może mieć wpływ usytuowanie klatki meteorologicznej na Śnieżce na blaszanym podeście (jak i częściowe jej osłonięcie przez sam obiekt Obserwatorium), który w porze ciepłej (przy względnie obniżonej prędkości wiatru) silnie nagrzewając się od promieni słonecznych wpływa na podwyższenie mierzonej dobowej temperatury maksymalnej powietrza. Natomiast w porze nocnej sztuczne (metalowe) i suche podłoże może niejako zawyżać dobową temperaturę minimalną względem klatki meteorologicznej, która stałaby na otwartym i naturalnym (trawiastym) podłożu. Dodatkowo w porze zimowej także odśnieżanie podestu przez obserwatorów (ułatwienie dojścia do klatki i przepisy BHP) może wpływać na mniejsze wychładzanie powietrza od pokrywy śnieżnej względem normatywnej lokalizacji klatki. Ponadto zimą występują większe prędkości wiatru niż latem, stąd wpływ opisanych potencjalnych czynników sprawczych jest wówczas słabszy. W skali roku, jak pokazują uzyskane wyniki, przekłada się to na podwyższenie wartości średniej rocznej temperatury powietrza o 0,2 C. Poza tym na Śnieżce średnia miesięczna temperatura powietrza liczona wszystkimi pozostałymi metodami względem średniej rzeczywistej wykazuje brak różnic lub różnice te występują sporadycznie i nie przekraczają ±0,1 C (Tab. 4). Podsumowanie i wnioski Różnice i zakres zmienności pomiędzy średnimi dobowymi temperaturami powietrza wyznaczonymi różnymi metodami względem średniej dobowej rzeczywistej są dużo większe niż różnice i amplitudy między ich średnimi miesięcznymi. Charakterystyki termiczne wyliczone przy pomocy omawianych metod jak i różnice w SDTP pomiędzy poszczególnymi metodami a metodą rzeczywistą (M1) dają zbliżone wyniki. Wyjątek stanowi metoda M4, której wyniki najbardziej odstają (są wyraźnie zaniżone) od wyników uzyskanych z metody rzeczywistej M1. Najdokładniejszą, względem metody M1, jest metoda M2, bazująca na oszacowaniu SDTP z 8 terminów synoptycznych, co m. in. potwierdza także wcześniejsze wyniki Kowalczyk & Sadowskiego (1972), Lorenc & Suwalskiej-Boguckiej (1995) czy Filipiuka (1998). Natomiast wyniki uzyskane z metody M3 są bliższe wynikom z M1 niż wyniki otrzymane z metody M7, gdyż metodę tę cechuje m.in. mniejszy zakres różnic i mniejsze odchylenie standardowe w średniej dobowej temperaturze powietrza. Zatem można stwierdzić, iż przyjęcie wartości temperatury z termografów z godziny GMT, do wyznaczenia średniej dobowej na stacjach klimatologicznych, dawało lepsze rezultaty niż podwojenie wartości temperatury z godziny GMT, pod warunkiem oczywiście, że przyrządy te działały niezawodnie. Średnie miesięczne wartości temperatury powietrza wyznaczone z przeanalizowanych metod (M2, M3,, M7) wymagają wprowadzenia, względem średniej miesięcznej temperatury powietrza oszacowanej metodą M1 (rzeczywistą), niewielkich poprawek dla większości miesięcy w roku najczęściej nie przekraczających ±0,2 C. Tym samym można stwierdzić, że dość wiernie oddają rzeczywistość. Wyjątkiem są wyniki otrzymane metodą M4, które ewidentnie obiegają od wyników z metody M1 i wymagają poprawek w skali średniej miesięcznej i rocznej sięgających odpowiednio nawet do: 0,6 C i 0,3 C w Jeleniej Górze. Szczególnie widoczne jest to w miesiącach półrocza chłodnego w stacjach niżej położonych nad poziomem morza na omawianym obszarze. Zatem dyskusyjna powinna być celowość dalszego jej stosowania. Stwierdzenie to jest przeciwne do nieuzasadnionego wniosku Lorenc et al. (2005), że wzór zastosowany w metodzie M4 od 1996 r. nie zrywa homogeniczności serii danych na posterunkach meteorologicznych i uzyskane przy jego 31

10 Urban: Ocena wybranych metod obliczania wartości temperatury powietrza pomocy wartości są porównywalne, a średnie miesięczne i roczne odchylenia temperatury wynoszą 0,02 C, a więc praktycznie 0,0 C i są statystycznie nieistotne. Ponadto we wcześniejszej pracy Lorenc & Suwalska-Bogucka (1995), w której m.in. opisywana jest metoda M4, brak w wynikach obliczeń średnich arytmetycznych odchyleń (z uwzględnieniem ich znaków), natomiast są przedstawione tylko ich wartości bezwzględne (moduły). Uniemożliwia to zarazem porównanie i ocenę poszczególnych metod czy dają one wyniki zaniżone czy zawyżone względem średniej rzeczywistej (a tym samym czy nie wpływają na homogeniczność serii danych) oraz porównanie uzyskanych wyników z wynikami prac innych autorów. Zaletą metody M4 jest to, że nie wymaga ona wykorzystywania danych z odczytów termografów, które są mniej dokładne niż odczyty termometryczne oraz korzysta tylko z dwóch obserwacji terminowych w ciągu doby, co istotnie zmniejsza koszty utrzymania sieci stacji IMGW. Uwzględniając jednak fakt szybkiego przechodzenia Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej IMGW w ostatnich latach do pełnej automatyzacji pomiarów należy poważnie rozważyć sensowność dalszego stosowania tej metody. Ponadto dokonując analiz długich ciągów danych termicznych (np. wiekowych) należy zdawać sobie sprawę, że zazwyczaj zawierają one w sobie często kilka metod wyznaczania średnich wartości temperatury powietrza i trzeba bardzo ostrożnie wnioskować na temat np. trendów, zmian i wahań klimatu, etc. aby nie stworzyć w tych zagadnieniach swego rodzaju przekłamań rzeczywistości. Najwłaściwszym w tym momencie byłoby w miarę możliwości (zależnych np. od posiadanego kroku czasowego danych wejściowych) przeliczyć całą serię danych jedną metodą i dopiero na takim materiale prowadzić dalsze prace. Uzyskane w niniejszej pracy wyniki z zastosowania metody M6 (bazującej tylko na dobowych ekstremach temperatury powietrza) dla omawianego obszaru są zadowalające i wskazują na jej stosunkowo dobrą wiarygodność (lepszą niż w M4), pomimo sporadycznych dużych różnic (głównie w SDTP) względem metody M1. Metoda M6 jest ewidentnie lepsza od metody M4, wtedy gdy istotne jest wyznaczenie wartości średnich miesięcznych i ich pochodnych dla dłuższych ciągów czasowych. Natomiast dla obliczenia średniej temperatury powietrza w konkretnych dniach, lub jej zmian z dnia na dzień, metoda M6 jest mniej dokładna niż metoda M4, gdyż względem metody rzeczywistej daje większe odchylenia niż metoda M4. Należy jednak podkreślić, że metoda M6 jest bardzo prosta, szybka i tania w zastosowaniu i dlatego może być bardzo praktyczna (przydatna) we wszelkich terenowych pracach badawczych. Ponadto wartości średniej dobowej temperatury powietrza zawarte w zasobach Światowej Bazy Danych NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) czy Global Historical Climate Network, dość powszechnie wykorzystywane przez różnych odbiorców, są dla wielu stacji pomiarowych oszacowane według tej metody. Szereg spostrzeżeń przedstawionych w niniejszej pracy ze stosunkowo nieodległych stacji, ale o dużej rozpiętości hipsometrycznej i odmiennych warunkach topoklimatycznych, jest zgodna z wynikami uzyskanymi przez Filipiuka (1998) dla stacji oddalonych od siebie o ponad 600 km i położonych w regionach różnych klimatycznie oraz z dłuższym ciągiem przeanalizowanych danych. W związku z tym można wnioskować więc, że wielkość różnicy w średniej temperaturze powietrza wyznaczonej daną metodą względem średniej rzeczywistej temperatury powietrza zależy przede wszystkim od doboru metody wyznaczania tejże średniej. Zakres zmienności SDTP jest proporcjonalny do wartości dobowej amplitudy temperatury. Najmniejsze odchylenia SDTP, obliczonej przy użyciu kolejnych metod względem metody M1, występują zatem na Śnieżce, która odznacza się najmniej wyraźnym dobowym przebiegiem temperatury powietrza. Pozostałe trzy stacje mają odchylenia większe, przy czym szczególnie dotyczy to stacji Jelenia Góra, położonej w obrębie śródgórskiej kotliny, co w sprzyjających warunkach pogodowych powoduje tendencję do tworzenia się zastoisk chłodu i występowania wysokich amplitud dobowych temperatury powietrza. 32

11 Opera Corcontica 47/2010 suppl. 1 Literatura Filipiuk E. 1998: Ocena dokładności czterech metod estymacji średniej dobowej temperatury powietrza na przykładzie stacji Lublin-Radawiec i Szczecin-Dąbie ( ) [in:] Problemy współczesnej klimatologii i agrometeorologii regionu lubelskiego. M. Nowosad (eds.). Wyd. UMCS, Lublin: Filipiuk E. 2000/2001: Ocena dokładności estymacji średniej miesięcznej temperatury powietrza. Ann. UMCS, Sectio B, vol. LV/LVI, 18: Kowalczyk S. & Sadowski M. 1972: Porównanie średnich dobowych wartości temperatury powietrza liczonych różnymi wzorami. Wiad. Sł. Hydr. i Met., VIII (XX), 2: Liniewicz K. 1969: Sposoby obliczania średniej dobowej temperatury powietrza. Gaz. Obs., PIHM, 9: 3 8. Lorenc H., Bogdańska B., Kowalewski M., Dołęga E., Laskowska A., Witaszczyk M. & Skibowska E. 2005: Atlas klimatu Polski. IMGW Warszawa. 115 str. Lorenc H. & Suwalska-Bogucka M. 1993: Dlaczego nie można zrezygnować z nocnych obserwacji temperatury i wilgotności względnej powietrza na posterunkach meteorologicznych? Gazeta Obserwatora IMGW, IMGW Warszawa, z. 6: 7 9. Lorenc H. & Suwalska-Bogucka M. 1995: Metody obliczania średniej dobowej temperatury i wilgotności względnej powietrza. Mat. Bad. IMGW, Seria: Meteorologia, 24: Michalczewski J. 1979: Zerwanie jednorodności ciągów obserwacyjnych? Wiad. IMGW, t. V, z. 3 4: Michalczewski J. 1987: Materiały porównawcze rezultatów obliczeń przybliżonej średniej temperatury dobowej powietrza, uzyskanych przy zastosowaniu różnych wzorów. Mat. Bad. IMGW, Seria: Meteorologia, nr 11: Miętus M. 2000/2001: Jednorodność wieloletnich serii pomiarowych. Rzeczywistość czy fikcja? Ann. UMCS, Sectio B, vol. LV/LVI, 29: Przybylak R. & Vizi Z. 2005: Ocena dokładności stosowanych metod obliczania średnich i ekstremalnych dobowych wartości temperatury powietrza w Arktyce Amerykańskiej w XIX wieku. Prob. Klimat. Pol., 15: Pyka J. L. 1991: Temperatura i opady atmosferyczne we Wrocławiu w latach Acta Univ. Wrat. No 1237, Prace Inst. Geogr. U. Wr., Seria A, t. VI:

12