Podstawowe pojęcia w meteorologii i klimatologii

Literatura 1. Woś A.: Meteorologia dla geografów, PWN, Warszawa 2000. 2. Kożuchowki K.: Atmosfera, klimat, ekoklimat. PWN, Warszawa 1998. 3. Bac S., Rojek M.: Meteorologia i klimatologia w inżynierii środowiska. Wrocław, 1999. 4. Kossowska-Cezak U., Martyn D., Olszewski K., Kopacz-Lembowicz M.: Meteorologia i klimatologia. PWN, 2000. 5. Zwoździak J., Zwoździak A., Szczurek A.: Meteorologia w ochronie atmosfery. PW, 1998. 6. Kożuchowski K: Meteorolgia i klimatologia. PWN, 2005. 7. Byczkowski A.: Hydrologia, tom I i II, SGGW, Warszawa 1997

Podstawowe pojęcia w meteorologii i klimatologii Pojęcie pogody obejmuje całokształt stanu fizycznego atmosfery w danym momencie czasu i określonym miejscu na kuli ziemskiej. Meteorologia bada stany atmosfery i zachodzące w niej zmiany, przeprowadzając próby modelowania ich przyczyn. Podstawę tych badań stanowią pomiary elementów meteorologicznych, takich jak: ciśnienie, temperatura i wilgotność powietrza, wielkość energii słonecznej, opady i inne. Gdy wielkości liczbowe, charakteryzujące wybrany zespół elementów meteorologicznych, występują podczas kilku godzin, a nawet dni, wówczas mamy do czynienia z określonym typem pogody, np. słoneczny, ciepły, bez opadów, o dużej suchości powietrza itd. albo pochmurny, chłodny, z opadami, o dużej wilgotności powietrza itd. Całokształt stanów fizycznych atmosfery (pogody) w danej miejscowości albo obszarze podczas długotrwałego okresu obserwacji meteorologicznych decyduje o klimacie. Klimatologia zajmuje się statystycznymi opracowaniami dużych zbiorów wyników meteorologicznych, wyprowadzając wnioski na temat przeciętnych wartości elementów meteorologicznych, ich zespołów, wartości najwyższych i najniższych, prawdopodobieństwa wystąpienia zadanych wielkości, częstości występowania określonych typów pogody itp.

Badania meteorologiczne i klimatologiczne prowadzone są pod auspicjami Światowej Organizacji Meteorologicznej (World Meteorological Organisation - WMO), zaś w Polsce wiodącą rolę odgrywają służby Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) oraz wyższe uczelnie, instytuty naukowe (PAN, WAT, IMUZ i in.). Poznanie procesów kształtujących pogodę ma największe znaczenie dla opracowywania prognoz - przewidywania warunków atmosferycznych na najbliższe godziny, dni i dłuższe okresy. Prognoza pogody - przewidywanie czasowych i przestrzennych zmian stanu atmosfery. Prognozy pogody można sklasyfikować w zależności od czasu prognozy, obszaru, i sposobu prognozy. Podstawowe parametry opisujące stan atmosfery to ciśnienie, temperatura, prędkość i kierunek wiatru. Związane z nimi wielkości takie jak zachmurzenie, zamglenie, stan morza, zanieczyszczenia atmosferyczne także są elementami prognozy pogody i często zależą od prognozy podstawowych elementów. Sprawdzające się prognozy krótkoterminowe (0-3 dni) są konieczne dla prawidłowego działania komunikacji lotniczej i drogowej, żeglugi, rybołówstwa i innych dziedzin. Dotyczy to głównie przewidywania wystąpienia bardzo silnego wiatru lub dużej zmiany jego kierunku, opadów ulewnych lub gradu, szybkiego nadejścia mrozów albo odwilży, znacznych opadów śniegu itp. Długoterminowe prognozy (powyżej 7 dni), obejmujące okresy od kilku dni do kilku miesięcy, mają bardzo duże znaczenie dla planowania zysków lub strat w rolnictwie (prognozy wielkości plonów), hydrologii (posuchy albo powodzie), budownictwie, turystyce i innych.

Organizacja służby hydrologiczno-meteorologicznej W Polsce pomiarami hydrologicznymi i meteorologicznymi zajmuje się Państwowa Służba Hydrologiczno-Meteorologiczna (PSHM) działająca w ramach Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW). W strukturze organizacyjnej Instytutu istnieje 5 oddziałów terenowych: Oddział Morski w Gdyni, Oddziały w Poznaniu, Wrocławiu i Krakowie oraz Górnośląskie Centrum Hydrologiczno-Meteorologiczne w Katowicach. Państwowa Służba Hydrologiczno-Meteorologiczna obejmuje: - Hydrologiczno-Meteorologiczna Służbę Pomiarowo-Obserwacyjną, - Służbę Prognoz Meteorologicznych, - Służbę Prognoz Hydrologicznych. W obrębie PSHM istnieją 4 współzależne systemy funkcjonowania: - pomiarowo-obserwacyjny, - przesyłania danych, - przetwarzania danych, - dystrybucji danych i produktów.

W ramach pierwszego systemu działa sieć stacji i posterunków, których wykaz zamieszczono w tab. 1.1 i na rys. 1.1.

Stacje synoptyczne, działające w obrębie stacji hydrologiczno-meteorologicznych, wykonują całodobowe pomiary i obserwacje wizualne posługując się aparaturą standardową i automatyczną. Obserwatoria - aktualnie w Polsce są 2 obserwatoria górskie na Kasprowym Wierchu i na Śnieżce, gdzie prowadzone są obok podstawowych pomiarów i obserwacji meteorologicznych także pomiary i badania specjalistyczne. Stacje I - rzędu wykonują podstawowy i ewentualnie rozszerzony zakres pomiarów, posiadając obsługę etatową. Stacje II - rzędu wykonują całodobowe pomiary przy wykorzystaniu aparatury automatycznej i w miarę potrzeb pomiary uzupełniające przez 8 do 12 godzin dziennie oraz obserwacje wizualne. Na tych stacjach może być realizowany także rozszerzony zakres pomiarowy. Na stacjach synoptycznych podstawowy zakres pomiarowo-obserwacyjny obejmuje: ciśnienie atmosferyczne, temperaturę powietrza w klatce meteorologicznej na wysokości 2 m (aktualną, maksymalną, minimalną), temperaturę przy gruncie, temperaturę gruntu na głębokościach: 5, 10, 20, 50 i 100 cm, wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatru, widzialność poziomą, wysokość opadu, wysokość pokrywy śnieżnej i zawartość wody w śniegu, usłonecznienie, zachmurzenie i rodzaje chmur, stan gruntu.

Ponadto na stacjach synoptycznych prowadzi się rozszerzony zakres pomiarów i obserwacji jak: wysokość podstawy chmur, parowanie ze swobodnej powierzchni wody, rodzaje promieniowania słonecznego (całkowite, rozproszone, odbite, bezpośrednie i w trzech pasmach widma słonecznego), pionowe sondaże atmosfery (aerologia), poziom promieniowania radioaktywnego, tło chemiczne atmosfery oraz chemizm opadów atmosferycznych. Dane ze stacji synoptycznych (! i II rzędu) wykorzystywane są m.in. do opracowywania map synoptycznych stanowiących podstawę do sporządzania prognoz pogody. Stacje klimatologiczne - zaliczane do III rzędu w sieci pomiarowej PSHM prowadzą pomiary i obserwacje w 3 terminach (6, 12, 18 UTC), uzupełniając je obserwacjami wizualnymi przez całą dobę, przy wykorzystaniu aparatury standardowej i automatycznej. Podstawowy zakres pomiarowy obejmuje: temperaturę powietrza w klatce i przy gruncie oraz temperatury ekstremalne, wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatru, wysokość opadu i pokrywy śnieżnej, obserwacje wizualne (zachmurzenie, stan gruntu). Posterunki meteorologiczne - należące do IV rzędu sieci PSHM realizują pomiary i obserwacje w 3 terminach (6, 12 i 18 UTC) z obserwacjami wizualnymi przez całą dobę. Na tych posterunkach wykonuje się pomiary temperatury powietrza w klatce meteorologicznej, wysokości opadu i pokrywy śnieżnej oraz obserwacje zjawisk atmosferycznych, zachmurzenia i stanu gruntu. Posterunki opadowe - V rząd sieci PSHM wykonują pomiary i obserwacje wysokości opadu i pokrywy śnieżnej o godz. 6 UTC oraz obserwacje zjawisk atmosferycznych i zachmurzenia.

Posterunki wodowskazowe - na których wykonywane są pomiary stanu wody, zjawisk lodowych i grubości pokrywy lodowej, zarastania koryta rzeki roślinnością oraz ewentualnie zapis dobowego przebiegu stanu wody (limnigraf) i temperatury wody (o godz. 6 UTC, a w niektórych dodatkowo o 12 i 18). Po przekroczeniu stanu ostrzegawczego pomiary nadzwyczajne wykonywane są co 6 godzin, a po przekro-czeniu stanu alarmowego co 3 godziny. Posterunki wód podziemnych - wykonują pomiary stanu wody, a na niektórych także temperatury wody, w studniach gospodarczych lub piezometrach o godzinie 6 UTC. Pomiary dotyczą oceny poziomu zalegania pierwszej warstwy wodonośnej, co ułatwia szacowanie zdolności retencji zlewni. Przy pomiarach meteorologicznych muszą być spełnione następujące warunki: - porównywalność miejsca wykonywanych pomiarów, - porównywalność czasu wykonywanych pomiarów, - porównywalność przyrządów pomiarowych. Warunek porównywalności miejsca spełnia właściwe usytuowanie ogródka meteorologicznego (teren piaski i otwarty, pokryty krótko strzyżonym trawnikiem) oraz klatka meteorologiczna (rys. 1.2) zapewniająca odpowiednią wysokość pomiarów i ochronę przed promieniowaniem słonecznym i opadami.

Warunek porównywalności czasu jest zachowany poprzez wykonywanie cogodzinnych pomiarów na stacjach i posterunkach hydrologiczno-meteorologicznych według czasu uniwersalnego UTC (Coordinated Universa! Time) obowiązującego od południka 7,5 E do południka 7,5 W. Godzina 12.00 przypada na moment kulminacji Słońca nad południkiem 0. Strefy czasowe. Powierzchnię Ziemi podzielono na 24 strefy czasowe (rys. 1.3), na których obszarze występuje ujednolicony, średni czas środkowego południka strefy. W wyniku obrotu Ziemi wokół własnej osi Słonce pozornym ruchem przechodzi kolejno przez wszystkie południki górując na każdym z nich w innym czasie. Tak więc każdy południk ma własny, miejscowy, średni czas słoneczny, a różnica między sąsiednimi południkami odległymi od siebie o 1 wynosi 4 minuty (24 godziny = 1440 minut; 1440 minut: 360 = 4 min/stopień). W Polsce w półroczu zimowym obowiązuje środkowoeuropejski czas urzędowy według południka 15, a w półroczu letnim czas wschodnioeuropejski według południka 30, który w stosunku do uniwersalnego czasu UTC jest wcześniejszy o 2 godziny.

Warunek porównywalności przyrządów pomiarowych jest spełniony poprzez wykonywanie pomiarów na wszystkich stacjach identycznymi, uprzednio wyskalowanymi w Głównym Urzędzie Miar lub w IMGW. Do każdego precyzyjnego przyrządu (termometr, barometr rtęciowy) jest dołączone świadectwo zawierające tabelę poprawek, które należy każdorazowo dodać lub odjąć od odczytanej wartości. Czujniki na automatycznych stacjach okresowo kalibrowane przez odpowiednie serwisy. Informacje o stanach atmosfery, występujących na dużych obszarach, zapewniają satelity meteorologiczne krążące na orbitach o wysokości od 500 do 35 000 km. Za ich pomocą uzyskuje się obrazy transmitowane do naziemnych centrali co 3 godziny. Przedstawiane są na nich wielkości m.in. zachmurzenia, prądy powietrzne przemieszczające parę wodną i zanieczyszczenia atmosfery, temperatura powierzchni chmur, a zwłaszcza bardzo ważne informacje o temperaturze powierzchni wszystkich fragmentów lądów i oceanów. Systematyczne obserwacje atmosfery prowadzi się (głównie na stacjach lotniskowych) za pomocą balonów z podwieszonymi do nich nadajnikami radiowymi oraz różnego rodzaju czujnikami. Przemieszczanie się balonów od powierzchni do wysokości ok. 10 km rejestruje automatyczny radio-teodolit, określający odległość i wysokość nadajnika. Uzyskuje się sygnały o kierunkach i prędkości wiatru, ciśnieniu atmosfery,temperaturze i wilgotności powietrza, koncentracji ozonu i in. na różnych wysokościach.

Dane pochodzące z satelitów, radarów, sondaży balonowych, po przetworzeniu przez komputery ośrodków międzynarodowych i poszczególnych państw, stanowią podstawę prognoz pogody. Ich sprawdzalność jest coraz większa, zwłaszcza w zakresie prognoz krótkoterminowych. Lokalizacja stacji wynika ze starannej analizy warunków środowiska, gdyż zmierzone wartości w jednym punkcie powinny reprezentować możliwie duży obszar. W miarę wzrostu zróżnicowania form terenu i wysokości ponad poziomem morza zwiększać się powinna gęstość sieci pomiarowej. Lokalne warunki najbliższego otoczenia stacji mają znaczący wpływ na wskazania przyrządów. Na przykład wysokie drzewa znajdujące się bardzo blisko stacji wpływają na wyniki pomiaru prędkości i kierunku wiatru oraz uniemożliwiają dotarcie do deszczomierza kropli deszczu padających pod małym kątem. Wyniki pomiarów meteorologicznych z długiego okresu (przyjmuje się co najmniej 30 kolejnych lat) w postaci średnich stanowią podstawę klimatologii. Na przykład wartości średnich miesięcznych temperatur stycznia z poszczególnych lat dodaje się do siebie i uzyskaną sumę dzieli się przez liczbę lat okresu. Powstaje wówczas średnia wieloletnia temperatura stycznia. W taki sam sposób obliczamy średnie lub sumy dla poszczególnych miesięcy w zakresie wszystkich elementów meteorologicznych.

Sieć radarów meteorologicznych POLRAD liczy 8 radarów obejmujących swym zasięgiem niemal cały obszar kraju (rys. 1.4 i 1.5). Wykorzystywane są głównie do wykrywania groźnych zjawisk atmosferycznych takich jak: burze, intensywne opady, sztormy na Bałtyku, strefy frontów, prognozowanie ich przemieszczania i rozwoju. Najczęściej wyniki pomiarów radarowych wykorzystywane są przez wojskowe służby meteorologiczne, lotnictwo, gospodarkę komunalną i służby przeciwpowodziowe.

Sieć wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych PERUN umożliwia czasową i przestrzenną identyfikację i lokalizację pojedynczych wyładowań i ich intensywności z dokładnością około 1 km (rys. 1.6). Ponadto ułatwia detekcję stref wysokiego potencjału elektrycznego w atmosferze. System PERUN połączony z systemem radarowym pozwala na opracowanie bardzo precyzyjnych prognoz zagrożeń ekstremalnymi zjawiskami jak np. burze, opady nawalne, uderzenia piorunów Sieć pomiarów aerologicznych - pomiary wykonywane są za pomocą radiosond (Łeba, Legionowo, Wrocław) 2 razy dziennie (0.00 i 12.00 UTC) i obejmują pionowy rozkład temperatury i wilgotności powietrza oraz prędkości i kierunków wiatru w warstwie atmosfery do około 30 km. Wyniki pomiarów są wykorzystywane do prognoz pogody oraz określania warunków rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w atmosferze. Na stacjach w Łebie, Mikołajkach, Legionowie, Katowicach, Zakopanym oraz na Kasprowym Wierchu prowadzone są pomiary promieniowania UV, a w półroczu ciepłym także UV-B oraz pionowego rozkładu warstwy ozonowej.

W służbie IMGW działają również okręgowe biura prognoz w: Białymstoku, Gdyni, Krakowie, Poznaniu, Szczecinie, Warszawie i we Wrocławiu. Ich zadaniem jest opracowywanie krótko (24 i 48 godzin) i średnioterminowych (7 dni) prognoz meteorologicznych i hydrologicznych. Sieć odbioru danych satelitarnych - stacja zlokalizowana w Krakowie, służy do pozyskiwania wielkoobszarowych zdjęć zachmurzenia, temperatury, powierzchni oceanów i mórz oraz lądów, zanieczyszczenia atmosfery, a także danych ułatwiających ocenę rozwoju wegetacji i stanu zdrowotnego roślin. Stacja odbiera dane z satelitów NOAA i EUMETSAT. Stacje agrometeorologiczne składają się z: ogródka meteorologicznego, gdzie wykonuje się podstawowe pomiary i obserwacje meteorologiczne (jak na posterunkach meteorologicznych), na których wykonuje się pomiary wilgotności i temperatury gleby, temperatury powietrza i natężenia promieniowania w łanach roślin, parowania terenowego, oraz pomiary fitometryczne (wzrost roślin) i obserwacje agrofenologiczne (rozwój roślin a wpływ warunków klimatycznych). Celem prowadzonych na tych stacjach badań jest określenie wpływu warunków pogodowych na wzrost, rozwój i plonowanie roślin uprawnych.

Instalowane ostatnio automatyczne stacje meteorologiczne (rys. 1.7) zwiększają dokładność i częstość pomiarów co sprzyja lepszej ocenie wpływu warunków pogodowych na przebieg wegetacji roślin. Jednym ze sposobów pozyskiwania danych ze stacji automatycznej jest złącze GSM. Obserwacje satelitarne Bardzo dużą pomocą przy ocenie i prognozowaniu warunków pogody w skali kontynentu, półkuli, a nawet całego globu stanowią obrazy dostarczane przez satelity meteorologiczne tworzące Globalny System Obserwacyjny. Satelity meteorologiczne (rys. 1.8) podzielono na dwie klasy: satelity geostacjonarne METEOSAT 7, TERRA, FY, GOES, GOMS, GMS) oraz satelity okołobiegunowe (NOAA, METEOR). Do badań środowiskowych wykorzystuje się dane z satelitów LANDSAT, IKONOS, SPOT, RADARSAT.

Satelity geostacjonarne są umieszczone dokoła równika na wysokości około 36 000 km, a czas ich obiegu wynosi jedną dobę. Poruszają się z tą samą prędkością kątową co Ziemia, dzięki czemu przesyłane są obrazy tego samego obszaru. Z satelitów tych uzyskuje się co pół godziny dane dotyczące zachmurzenia, pionowych profili temperatury i wilgotności oraz gęstości strumieni promieniowania w różnych zakresach spektralnych. Na przykład obrazy w podczerwieni informują o wysokości górnej granicy chmur ich rodzaju i budowie oraz stopniu pokrycia nieba, a także o temperaturze powierzchni lądów, mórz i oceanów z dokładnością od 1 do 2 o C. Ponadto satelity gromadzą dane z naziemnych automatycznych stacji meteorologicznych, które między innymi wykorzystywane są przez Biura Pogody przy sporządzaniu prognoz meteorologicznych. Satelity okołobiegunowe okrążają Ziemię na wysokości od 800 do 1500 km po orbitach zsynchronizowanych z ruchem obrotowym Ziemi, co powoduje odbiór obrazów niemalże w takim samym czasie lokalnym, kiedy Słońce oświetla tę część planety. Czas obiegu satelity wynosi od 90 do 120 min. dostarczając dwukrotnie w ciągu doby obrazy dla tego samego pasa Ziemi. meteorologiczne jednak obrazy różnią się projekcją, rozdzielczością, częstością transmisji oraz wielkością fotografowanego obszaru. Dla oceny warunków meteorologicznych i prognoz pogody w Polsce najczęściej wykorzystuje się obrazy z geostacjonarnego satelity METEOSAT i okołobiegunowego NOAA. Od 2000 roku Polska jest członkiem Europejskiej Organizacji Eksploatacji Satelitów Meteorologicznych (EUMETSAT) co ułatwia dostęp do danych cyfrowych z satelitów operowanych przez tą organizację.

Systemy przekazywania danych W ramach Światowej Służby Pogody (WWW - World Weather Watch) do której należy Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, istnieją 3 podstawowe systemy: - Globalny System Obserwacyjny (GOS), - Globalny System Telekomunikacyjny (GTS), - Globalny System Przetwarzania Danych (GDPS). Wyniki pomiarów i obserwacji z poszczególnych stacji meteorologicznych o stanie atmosfery i hydrosfery są przekazywane do Ośrodka Telekomunikacji IMGW w War-szawie, skąd po zredagowaniu zbiorczych informacji, są rozsyłane w ramach Globalnego Systemu Telekomunikacyjnego do Offenbachu i Pragi oraz do biur prognoz w kraju. Od momentu wykonania pomiaru do momentu przekazania informacji do GTS upływa nie więcej niż 15 minut. Codzienne wyniki pomiarów i obserwacji meteorologicznych zestawione w dziennikach klimatologicznych i miesięcznych wykazach spostrzeżeń meteorologicznych, a także w postaci heliogramów, pluwiogramów i barogramów noszą nazwę materiałów źródłowych. Powszechną formą udostępniania danych meteorologicznych z poszczególnych lat i miesięcy są biuletyny i roczniki publikowane przez IMGW. Aktualnie wydawany jest Biuletyn Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej zawierający ogólną ocenę sytuacji hydrologiczno-meteorologicznej w danym miesiącu.

Podstawowym źródłem danych wieloletnich jednolicie opracowanych dla obszaru Polski są atlasy i monografie: - Atlas opadów atmosferycznych w Polsce. WKiŁ, Warszawa, 1953. - - Atlas klimatyczny Polski. Zeszyty 1-5 zawierające charakterystyki: wiatru, temperatury powietrza, opadów atmosferycznych, wilgotności powietrza i zachmurzenia. WKiŁ, Warszawa, 1971-1979. - Atlas klimatyczny Polski. PPWK, Warszawa, 1973. - - Opady atmosferyczne i temperatura powietrza z okresu 1951-1980. IMGW Warszawa 1983. - Narodowy atlas Polski. Ossolineum, Wrocław, 1971-1978. - - Atlas współzależności parametrów meteorologicznych i geograficznych w Polsce. T. I i II. Wydaw. Univ. Warszawa, 1976. - Materiały do poznania agroklimatu Polski. PWN, Warszawa, 1977. - - Atlas klimatyczny elementów i zjawisk szkodliwych dla rolnictwa w Polsce (część tabelaryczna). AR Szczecin, IUNG Puławy, 1987. - - Atlas klimatyczny elementów i zjawisk szkodliwych dla rolnictwa w Polsce. AR Szczecin, IUNG Puławy, Puławy, 1990. - Atlas Rzeczypospolitej Polskiej. Główny Geodeta Kraju, Warszawa, 1993-1997.

-- - Atlas środowiska geograficznego Polski. IGiPZ, PAN, wydaw. A. Gregorczyk Warszawa, 1996. - Atlas uwilgotnienia gleby w Polsce. Wydaw. AR Szczecin 1995. - Atlas Śląska Dolnego i Opolskiego. Wydaw. Univ. Wrocław 1997. - - Atlas klimatycznego ryzyka uprawy roślin w Polsce. Wydaw. AR Szczecin, Uniwersytet Szczeciński, 2001. - Atlas zasobów i zagrożeń klimatycznych Pomorza. AR Szczecin, 2004. - Atlas klimatu Polski. IMGW, Warszawa, 2005. - - Temperatura gleby w Polsce na głębokości 10 cm. (Wydaw. AR Szczecin, 1979), na głębokości 5 cm, (Wydaw. AR Szczecin, 1981), na głębokości 20 cm (Wydaw. AR Szczecin 1984), na głębokości 50 cm (Wydaw. AR Szczecin, 1989). - - Opady atmosferyczne w woj. szczecińskim. (Wydaw. AR Szczecin, 1977), w woj. pilskim (Wydaw. AR Szczecin, 1979), w woj. gorzowskim (Wydaw. AR Szczecin, 1982), woj. koszalińskim (Wydaw. AR Szczecin, 1982), w woj. bydgoskim (Wydaw. AR Szczecin, 1984), w woj. gdańskim (Wydaw. AR Szczecin, 1986), w woj. słupskim (Wydaw. AR Szczecin, 1986). - - Klimat Polski - mapa ścienna, opr. C. Kożmiński, AR Szczecin, Uniwersytet Szczeciński, 2002. - - Usłonecznienie w Polsce. AR Szczecin, US Szczecin, 2005.