Współczesne problemy i kierunki badawcze w geografii tom 2 Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej U J Kraków 2014, 103 115 Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej na wybranych stacjach w Europie Effect of pressure systems on increases in snowfall recorded at selected sites in Europe Arkadiusz Marek Tomczyk Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Instytut Geografii Fizycznej i Kształtowania Środowiska Przyrodniczego ul. Dzięgielowa 27, 61-680 Poznań e-mail : atomczyk@amu.edu.pl Zarys treści : Celem autora było określenie sytuacji barycznych sprzyjających występowaniu pokrywy śnieżnej w wybranych regionach Europy. Analizę przeprowadził dla trzech stacji reprezentujących regiony o różnych warunkach klimatycznych. Typową cechą powodującą opady śniegu są ujemne anomalie ciśnienia na poziomie morza i obniżenie wysokości powierzchni izobarycznej 500 hpa, co wskazuje na występowanie układów niskiego ciśnienia. Słowa kluczowe : Europa, pokrywa śnieżna, opady śniegu, cyrkulacja Abstract : The aim of this paper is to analyze long-term changes in snow cover accumulation and determine synoptic situations causing the occurrence of snowfall in selected regions of Europe. The research study was conducted at three sites : Belgrade ( Serbia ), Suwałki ( Poland ), Ubachsberg ( Holland ). The three sites are located far away from each other and represent regions with different climate conditions in the winter. Daily snow depth data were used from two research sites covering 30 winter seasons from 1980 / 1981 to 2009 / 2010
Arkadiusz Marek Tomczyk as well as 24 seasons from 1980 / 1981 to 2003 / 2004 for the Belgrade site. Source material was obtained from the European Climate Assessment and Institute of Meteorology as well as the National Water Management Research Institute in Poland. In the analyzed period, with the exception of the Ubachsberg site, snowfall occurred in every winter season. The lowest variability in the number of days with snow depth increases was noted for the Suwałki site, while the highest variability was noted for the Ubachsberg site. A typical feature of synoptic situations causing snowfall at the three research sites was the occurrence of negative pressure at sea level and a reduction of the height of the isobaric area ( 500 hpa ). This indicated the presence of a low pressure system. Keywords : Europe, snow cover, snowfall, circulation Wstęp Warunki klimatyczne panujące na danym obszarze kształtowane są zarówno przez czynniki geograficzne, jak i procesy klimatotwórcze, do których D. Martyn ( 1987 ) zalicza : obieg ciepła, obieg wilgoci oraz cyrkulację atmosferyczną. Cyrkulacja atmosferyczna uwarunkowana jest położeniem ośrodków barycznych, czyli układów wysokiego oraz niskiego ciśnienia, które powodują napływ nad dany obszar mas powietrza o określonych zasobach ciepła oraz wilgoci ( Uscka-Kowalkowska, Kejna 2010 ). W Europie uwarunkowania synoptyczne obfitych opadów śniegu oraz występowanie pokrywy śnieżnej są analizowane zarówno w skali krajów, jak i regionów. Przedmiotem analizy wielu autorów były uwarunkowania cyrkulacyjne intensywnych opadów śniegu w wybranych regionach Europy. T. Andersson i N. Gustafsson ( 1993 ) określili warunki synoptyczne sprzyjające obfitym opadom śniegu na wschodnim wybrzeżu Szwecji, natomiast E. Bednorz ( 2009 ) wyznaczyła warunki baryczne powodujące intensywne opady śniegu na nizinach Środkowej Europy. Ta sama autorka ( Bednorz 2013 ) ustaliła synoptyczne uwarunkowania śnieżyc w Europie Wschodniej na przykładzie Smoleńska, natomiast w Europie Południowej na przykładzie Budapesztu ( Bednorz 2008 ). W Austrii synoptyczną klasyfikację śnieżyc przeprowadził G. Spreitzhofer ( 1999 ). M. Nowosad ( 1992 ) analizował cyrkulacyjne warunki dobowych zmian grubości pokrywy śnieżnej w Bieszczadach. W Wielkiej Brytanii występowanie pokrywy śnieżnej analizował M. Jackson ( 1978 ), a P. Dobrovolny ( 1993 ) badał warunki śnieżne w Republice Czeskiej. Z nowszych opracowań dotyczących pokrywy śnieżnej na obszarze Polski należy wymienić prace M. Falarz ( 2004, 2007, 2010 ), w których autorka 104
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej rozpatrywała zmienność występowania i grubości pokrywy śnieżnej w Polsce w XX wieku, oraz T. Kasprowicza ( 2010 ), który analizował zróżnicowanie występowania pokrywy śnieżnej w Polsce poza obszarami górskimi w okresie 1951 2008. Celem autora niniejszej pracy była analiza wieloletniej zmienności występowania przyrostu pokrywy śnieżnej oraz określenie sytuacji barycznych, powodujących występowanie opadów śniegu w wybranych regionach Europy. Materiał i metody analizy W niniejszej pracy analizę przyrostu pokrywy śnieżnej przeprowadzono dla trzech stacji : Belgrad ( Serbia ), Suwałki ( Polska ), Ubachsberg ( Holandia ) ( ryc. 1 ). Są one od siebie oddalone i reprezentują regiony o różnych warunkach klimatycznych podczas zim, dlatego oczekiwano, iż uzyskane typy cyrkulacji dla poszczególnych stacji będą różne. W opracowaniu wykorzystano codzienne dane dotyczące grubości pokrywy śnieżnej dla dwóch stacji ( Suwałki, Ubachsberg ) z 30 sezonów zimowych od 1980 / 1981 do 2009 / 2010 oraz z 24 sezonów od 1980 / 1981 do 2003 / 2004 dla stacji w Belgradzie. Materiał źródłowy pozyskano ze zbiorów danych European Climate Assessment oraz Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej Państwowego Instytutu Badawczego. Zmianę grubości pokrywy śnieżnej wyliczono wg wzoru : kn + 1 - kn, gdzie kn oznacza grubość pokrywy danego dnia, natomiast kn + 1 grubość pokrywy dnia następnego. Wartość dodatnia oznaczała przyrost pokrywy śnieżnej w ciągu doby, wartość ujemna spadek grubości pokrywy śnieżnej w ciągu doby, natomiast zero oznaczało brak zmian pokrywy śnieżnej w ciągu doby. Podobną metodykę określania zmian grubości pokrywy śnieżnej pomiędzy kolejnymi pomiarami przyjęli m.in. M. Nowosad ( 1992 ) i E. Bednorz ( 2008 ). W niniejszej pracy przyrost grubości pokrywy śnieżnej rozumiany jest w uproszczeniu jako występowanie opadu śniegu. Warunki baryczne sprzyjające występowaniu dni z przyrostem pokrywy śnieżnej scharakteryzowano na podstawie codziennych wartości ciśnienia atmosferycznego na poziomie morza ( S L P ) oraz wysokości powierzchni izobarycznej 500 hpa. Dane te pochodzą ze zbiorów National Center for Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research ( N C E P / N C A R ) Reanalysis ( Kalnay i in. 1996 ) 105
Arkadiusz Marek Tomczyk Ryc. 1. Położenie geograficzne stacji Fig. 1. Location of the research sites Źródło : opracowanie własne na podstawie Google Maps ( https :// maps.google.pl ). Source : author s own work based on Google Maps ( https :// maps.google.pl ). i są dostępne w zbiorach Climate Research Unit. W opracowaniu wykorzystano wartości uzyskane w 120 punktach węzłowych siatki geograficznej 5 5 dla obszaru 35 70 N szerokości geograficznej, 35W 40 E długości geograficznej. Z powyższych baz danych pochodzą również zgridowane wartości temperatury na poziomie izobarycznym 850 hpa ( T850 ). Mapy rozkładu temperatury powietrza na poziomie izobarycznym 850 hpa oparto na siatce geograficznej 2,5 2,5 dla obszaru 40 65 N szerokości geograficznej, 0 35 E długości geograficznej. Wyniki W sektorze euroatlantyckim w sezonie zimowym ( XII III ) najwyższe wartości średnie ciśnienie na poziomie morza osiągało w rejonie Wysp Azorskich 106
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej Ryc. 2. Średnie wartości w zimie ( XII III ) ciśnienia na poziomie morza [ hpa ] w latach 1980 2010 i wysokości powierzchni izobarycznej 500 hpa [ m ] ( A ) oraz średnia temperatura powietrza na powierzchni izobarycznej 850 hpa [ C ] ( B ) Fig. 2. Average values for the winter ( Dec. Feb. ): A ) Pressure at sea level in hpa and height of isobaric area 500 hpa in meters ; B ) Air temperature in isobaric area 850 hpa in C Źródło : opracowanie własne na podstawie danych N C E P / N C A R. Source : author s own work based on N C E P / N C A R data. 107
Arkadiusz Marek Tomczyk ( > 1020 hpa ) i stopniowo spadało ono w kierunku północnym ( ryc. 2A ). Centrum niżu zlokalizowane było nad północnym Atlantykiem, na południowy zachód od Islandii ( <999 hpa ). Między wskazanym układem barycznym nad oceanem występował duży poziomy gradient ciśnienia, który był znacznie mniejszy nad kontynentem. Powierzchnia izobaryczna 500 hpa nachylona była w kierunku północnym. Maksymalną jej wysokość notowano nad Wyspami Azorskimi ( > 5700 m ), natomiast minimalną nad północnym Atlantykiem i północną Skandynawią ( < 5210 m ). Spadek wysokości z500 hpa oznacza obniżenie temperatury powietrza. Średnia temperatura na powierzchni izobarycznej 850 hpa malała z południowego zachodu na północny wschód ( ryc. 2B ). W analizowanym okresie w Belgradzie notowano przeciętnie 12 dni z dobowym przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1cm. W poszczególnych latach liczba dni z opadem śniegu ( 1cm ) wahała się od 4 ( 1982 / 1983, 1989 / 1990, 2000 / 2001 ) do 22 dni ( 1995 / 1996 )( ryc. 3 ). W niniejszej stacji wykazano nieistotne statystycznie Ryc. 3. Liczba dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Belgradzie Fig. 3. Number of days with a snow depth increase of 1 cm in Belgrade Źródło : opracowanie własne na podstawie danych E C A. Source : author s own work based on E C A data. 108
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej zmniejszanie się liczby dni z opadem śniegu 1cm. Dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej występowały od listopada do kwietnia, jednakże przeciętnie najwięcej notowano ich w styczniu oraz w grudniu, odpowiednio : 4 i 3. Występowanie przyrostu pokrywy śnieżnej ( 1 cm ) w Belgradzie związane było z obecnością układów niskiego ciśnienia nad Europą Południową z centrum nad Półwyspem Apenińskim ( < 1011 hpa ) ( ryc. 4 A ). Ujemne anomalie SLP występowały nad Europą Południową ( w centrum < 4,5 hpa ). Jednocześnie ciśnienie nad Atlantykiem było Ryc. 4. Ciśnienie na poziomie morza i wysokość powierzchni izobarycznej 500 hpa ( A ), temperatura na powierzchni izobarycznej 850 hpa ( B ) oraz mapy anomalii ( kolumna prawa ) dla dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Belgradzie Fig. 4. Pressure at sea level and the height of the isobaric area 500 hpa ( A ); temperature in the isobaric area 850 hpa ( B ); maps of anomalies ( right column ) for days with snow cover increases of >1 cm in Belgrade Źródło : opracowanie własne na podstawie danych N C E P / N C A R. Source : author s own work based on N C E P / N C A R data. 109
Arkadiusz Marek Tomczyk wyższe, niż przeciętnie. Anomalie z500 hpa rozkładały się podobnie, lecz cały układ był przesunięty na północ względem anomalii SLP. Scharakteryzowanym powyżej warunkom towarzyszyły ujemne anomalie T850 ( ryc. 4 B ). Opisany układ powodował napływ wilgotnych mas powietrza znad Morza Śródziemnego. W Suwałkach w badanym okresie przeciętnie zimą notowano 26 dni z opadem śniegu 1cm. Liczba dni powyższej kategorii wahała się od 14 ( 1991 / 1992, 2006 / 2007 ) do 41 ( 1984 / 1985 ) ( ryc. 5 ). W stacji stwierdzono nieistotny statystycznie spadek liczby dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1cm. Najwięcej dni omawianej kategorii notowano w styczniu oraz w grudniu, odpowiednio : 7 oraz 6. Potencjalny okres występowania opadów śniegu 1cm trwał od października do kwietnia. Przyrost pokrywy śnieżnej w niniejszej stacji związany był ze słabo zarysowaną zatoką niskiego ciśnienia nad Morzem Bałtyckim ( ryc. 6A ). Centrum anomalii S L P oraz z500 hpa znajdowały się nad obszarem północno-wschodniej Polski. Jednocześnie Niż Islandzki był słabszy niż przeciętnie w sezonie zimowym, a dodatnie anomalie S L P w centrum przekraczały 3,5 hpa. W okresie przyro- Ryc. 5. Liczba dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Suwałkach Fig. 5. Number of days with snow depth growth of 1 cm in Suwałki Źródło : opracowanie własne na podstawie danych IMGW. Source : author s own work based on IMGW data. 110
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej Ryc. 6. Ciśnienie na poziomie morza i wysokość powierzchni izobarycznej 500 hpa ( A ), temperatura na powierzchni izobarycznej 850 hpa ( B ) oraz mapy anomalii ( kolumna prawa ) dla dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Suwałkach Fig. 6. Air pressure at sea level and height of the isobaric area 500 hpa ( A ); temperature in the isobaric area 850 hpa ( B ); maps of anomalies ( right column ) for days with snow cover increases of >1 cm in Suwałki Źródło : opracowanie własne na podstawie danych N C E P / N C A R. Source : author s own work based on N C E P / N C A R data. stu pokrywy śnieżnej w Europie Środkowej notowano ujemne anomalie T850 ( < 3,6 C) ( ryc. 6B ). Opisany układ powodował napływ chłodnych i wilgotnych mas powietrza z północnego zachodu. W Ubachsbergu średnio w sezonie stwierdzono 6 dni z dobowym przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1cm. Najwięcej dni zaliczanych do omawianej kategorii odnotowano zimą 2009 / 2010 17 dni ( ryc. 7 ). Podczas dwóch sezonów zimowych ( 1988 / 1989, 1997 / 1998 ) nie odnotowano ani jednego dnia z dobowym opadem śniegu 1cm. W ciągu całego badanego 30-lecia dni z przyrostem grubości pokrywy śnież- 111
Arkadiusz Marek Tomczyk Ryc. 7. Liczba dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Ubachsberg Fig. 7. Number of days with snow depth increases of 1 cm in Ubachsberg Źródło : opracowanie własne na podstawie danych ECA. Source : author s own work based on ECA data. nej 1cm występowały od listopada do kwietnia, a najwięcej było ich w lutym ( 2 dni ). Występowanie opadów śniegu w Ubachsberg wiązało się z obecnością nad Europą rozległej zatoki niskiego ciśnienia z lokalnym niżem nad Bałtykiem ( <1008 hpa ) ( ryc. 8A ). Ujemne anomalie S L P oraz 500 hpa obejmowały całą Europę. Jednocześnie Niż Islandzki był słabszy niż przeciętnie w chłodnej porze roku, a dodatnie anomalie S L P nad Atlantykiem sięgały > 13 hpa ( w centrum ). Opadom śniegu towarzyszyły ujemne anomalie temperatury powietrza na powierzchni izobarycznej 850 hpa ( < 5,5 C nad obszarem badań ) ( ryc. 8B ). Opisany powyżej układ baryczny powodował napływ wilgotnych i chłodnych mas powietrza znad Morza Północnego. Podsumowanie W analizowanym okresie w Belgradzie i Suwałkach opady śniegu występowały w każdym sezonie zimowym, natomiast w Ubachsbergu podczas dwóch sezo- 112
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej Ryc. 8. Ciśnienie na poziomie morza i wysokość powierzchni izobarycznej 500 hpa ( A ), temperatura na powierzchni izobarycznej 850 hpa ( B ) oraz mapy anomalii ( kolumna prawa ) dla dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej 1 cm w Ubachsberg Fig. 8. Air pressure at sea level and height of the isobaric area 500 hpa ( A ); temperature in the isobaric area 850 hpa ( B ) for days with snow cover increases of >1 cm ; maps of anomalies ( right column ) in Ubachsberg Źródło : opracowanie własne na podstawie danych N C E P / N C A R. Source : author s own work based on N C E P / N C A R data. nów ( 1988 / 1989, 1997 / 1998 ) nie odnotowano ani jednego dnia z opadem śniegu. Najmniejszą zmiennością liczby dni z przyrostem grubości pokrywy śnieżnej odznaczała się stacja w Suwałkach, a największą w Ubachsbergu. Wzrost liczby dni z opadem śniegu odnotowano tylko w Ubachsberg, lecz nie był on statystycznie istotny. W Belgradzie i Ubachsberg nie odnotowano istotnych statystycznie zmian w występowaniu pierwszego i ostatniego dnia z przyrostem pokrywy śnieżnej. Z kolei w Suwałkach ostatni dzień z przyrostem pokrywy śnieżnej pojawiał się coraz wcześniej, a wielkość zmian wynosiła 1,1 dni / 10 lat. 113
Arkadiusz Marek Tomczyk Typową cechą sytuacji synoptycznych powodujących opady śniegu w analizowanych stacjach było występowanie ujemnych anomalii ciśnienia na poziomie morza oraz obniżenie wysokości powierzchni izobarycznej 500 hpa, co wskazuje na obecność układów niskiego ciśnienia. Odzwierciedleniem napływu chłodnych mas powietrza były ujemne anomalie T850. Bibliografia Andersson T., Gustafsson N., 1993, Coast of departure and coast of arrival : two import ant concepts for formation and structure of convective snowbands over seas and lakes, Monthly Weather Review 122, 1036 1049. Bednorz E., 2008, Synoptic conditions of snow occurrence in Budapest, Meteorologische Zeitrschrift 17 ( 1 ), 39 45. Bednorz E., 2009, Wpływ sytuacji barycznych na występowanie pokrywy śnieżnej na obszarach nizinnych środkowej Europy, Wydawnictwo Naukowe U A M, Poznań. Bednorz E., 2013, Synoptic conditions of heavy snowfalls in Europe, Geografiska Annaler : Seria A, Physical Geogarphy 95, 67 78. Dobrovolny P. 1993, Snow as an indicator of climatic change, Scripta Facultatis Scientiarum Naturalium Universitatis Masaryk Brunensis 23, 25 34. Falarz M., 2004, Variability and trends in the duration end of snow cover in Poland in the 20 th century, International Journal of Climatology 24, 1713 1727. Falarz M., 2007, Potencjalny okres występowania pokrywy śnieżnej w Polsce i jego zmiany w XX wieku [ w :] K. Piotrowicz, R. Twardosz ( red. ), Wahania klimatu w różnych skalach przestrzennych i czasowych, I G i G P U J, Kraków, 205 213. Falarz M., 2010, Współczynnik trwałości pokrywy śnieżnej w Polsce rozkład przestrzenny, ekstrema, zmiany wieloletnie [ w :] E. Bednorz ( red. ), Klimat Polski na tle klimatu Europy, Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, 169 180. Jackson M., 1978, Snow cover in Great Britain, Weather 3, 8, London, 298 309. Kalnay E., Kanamistu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J., Zhu Y., Leetmaa A., Reynolds R., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Jenne R., Joseph D., 1996, 114
Wpływ sytuacji barycznych na przyrost pokrywy śnieżnej The NMC / NCAR 40-Year Reanalysis Project, Bulletin of the American Meteorogical Society 77, 437 471. Kasprowicz T., 2010, Prawidłowości przestrzenne występowania pokrywy śnieżnej w Polsce i próba ich regionalizacji [ w :] E. Bednorz ( red. ), Klimat Polski na tle klimatu Europy, Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, 181 198. Martyn D., 1987, Klimaty kuli ziemskiej, P W N, Warszawa. Nowosad M., 1992, The dynamics of snow cover depth depending on the types of atmospheric circulation on the example of the Bieszczady Mountains, Maria Skłodowska University Press, Lublin. Spreitzhofer G., 1999, Synoptic classification of severe snowstorms over Austria, Meteorologische Zeitschrift 8, 3 15. Uscka-Kowalkowska J., Kejna M., 2010, Wpływ cyrkulacji atmosferycznej na temperaturę powietrza w Koniczynce k. Torunia w latach 1994-2009 [ w :] L. Kolendowicz ( red. ), Klimat Polski na tle klimatu Europy, Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, 75 89. Źródła internetowe Google Maps, https : / / maps.google.pl ( data dostępu : 04.05.2014 ). 115