ANNALES UNIVERSITATIS MARIAE CURIE-SKŁODOWSKA LUBLIN POLONIA VOL. LV/LVI, 11 SECTIO B 2/21 Ktatedra klimatologii Uniwersytet Ślaski ZBIGNIEW CAPUTA Pomiary bilansu promieniowania róŝnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu automatycznych stacji pomiarowych Measurements results of net radiation of different active surfaces with the aid of the Automatic Weather Station WSTĘP Bilans promieniowania jest jednym z najwaŝniejszych elementów wpływających na mikroklimat. Do niedawna zachodzące zmiany mikroklimatyczne i klimatyczne miały charakter zmian naturalnych, natomiast w ostatnich latach odczuwa się coraz silniej oddziaływanie na klimat człowieka i powierzchni przez niego przekształconych, takich jak tereny zurbanizowane i przemysłowe (miejska wyspa ciepła), sztuczne zbiorniki wodne, hałdy i wyrobiska, itp. Badania powierzchni silnie przekształconych przez człowieka wskazują na silny wpływ procesów lokalnych na zmiany regionalne klimatu (Bailey, i in. 1999). Na terenie WyŜyny Śląsko-Krakowskiej znajduje się największa w Polsce aglomeracja miejsko-przemysłowa o duŝym zróŝnicowaniu przestrzennym róŝnego rodzaju powierzchni. Taka lokalizacja badań pozwoliła dobrze prześledzić procesy energetyczne zachodzące zarówno na powierzchniach miejskich i przemysłowych oraz na terenach zbliŝonych do naturalnych. Postanowiono przeprowadzić badania dla większości charakterystycznych form i powierzchni WyŜyny Śląsko-Krakowskiej (murawa, piasek, asfalt, beton, powierzchnie hałd i wyrobisk, itd.) przy róŝnych warunkach pogodowych. Badaniami zostały objęte najwaŝniejsze elementy klimatu: temperatura i wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatru, składniki bilansu promieniowania oraz temperatura powierzchni gleby.
Zbigniew Caputa 96 METODA BADAŃ Do badań zostały uŝyte dwie automatyczne stacje meteorologiczne (AWS Automatic Weather Station) firmy Campbell wyposaŝone w dwa zestawy czujników: bilansomierz CNR1 firmy Kipp&Zonen, Holandia; termohigrometr firmy Vaisala, Norwegia; termometry oporowe firmy Campbell, Wlk. Brytania; anemometr i czujnik kierunku wiatru firmy Vector Instruments, Wlk. Brytania. Bilansomierz promieniowania składa się: z dwóch pyranometrów CM3 przykrytych kopułką szklaną przezroczystą dla promieniowania krótkofalowego (35 2 8 nm), oraz dwóch pyrgeometrów CG3 przykrytych kopułką silikonową przezroczystą dla promieniowania długofalowego (5 5 nm). Elektryczny sygnał pyranometru V pomnoŝony przez stałą kalibracji k (9,32µV/W/m 2 ) jest proporcjonalny do strumienia promieniowania krótkofalowego K. Pyrgeometr CG3 mierzy termiczny efekt promieniowania długofalowego. Elektryczny sygnał pyrgeometru jest proporcjonalny do róŝnicy temperatury pomiędzy CG3 i obiektu w kierunku którego jest zwrócony. W celu uzyskania wartości strumienia długofalowego L, które jest emitowane przez atmosferę lub grunt, naleŝy dodać do zmierzonego L m obliczone L l przy pomocy termometru referencyjnego Pt1 umieszczonego wewnątrz CNR1 oraz uwzględnić emisyjność (δ) zgodnie ze wzorem: L = L m + L l = V/k + δ 5,67 1 8 T 4, gdzie T jest podane w kelwinach. Czujniki znajdujące się w aluminiowej obudowie, zostały ustawione na trójnogu na wysokości 1,5 m i dokładnie wypoziomowane. Termohigrometr HMP45C do pomiaru wilgotności i temperatury umieszczono na wysokości 2m; termometry Pt1 do pomiaru profilu temperatury powietrza,2 i,5 m oraz na powierzchni i,1 m pod powierzchnią gruntu; anemometr A1R i czujnik kierunku wiatru W2P do pomiaru prędkości i kierunku wiatru na wysokości 3 m. Wszystkie czujniki posiadały firmowy certyfikat kalibracji (dla termometrów zostało przeprowadzone uzupełniające testowanie), dodatkowo przeprowadzono kalibrację względną na stacji meteorologicznej Uniwersytetu Śląskiego (umieszczając czujniki obok siebie). Szczególną uwagę zwrócono na czystość czujników aktynometrycznych i osłon radiacyjnych, gdyŝ wielu autorów zwraca uwagę na mankamenty AWS (Niedźwiedź, Ustrul 1999). Pomiar i rejestrację wykonywał logger CR23X firmy Campbell według wcześniej przygotowanego programu. Podstawowym czasem pomiaru był krok 1 s, a rejestracja danych przeprowadzana była co 1 min. Dodatkowo mierzone były wartości maksimum i minimum dobowego.
97 Pomiary bilansu promieniowania róŝnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu... Stacje umieszczono w wybranych miejscach WyŜyny Śląsko- Krakowskiej. Pierwsza stacja nazywana bazową, została umieszczona na stacji meteorologicznej Wydziału Nauk o Ziemi Uniwersytetu Śląskiego w Sosnowcu, nad standardową powierzchnią trawiastą, a druga stacja nazywana terenową, rotacyjnie zmieniała swoje połoŝenie (pomiar ciągły przez kilka dni dla jednej powierzchni). Pomiary przeprowadzono dla 24 powierzchni. Podzielono je na obszary naturalne i antropogenicznie przekształcone, osobno wyróŝniono formy charakterystyczne dla GOP takie jak hałdy i wyrobiska. Śnieg, którego pokrywa moŝe występować na kaŝdej z wyŝej wymienionych powierzchni rozpatrywany był jako 25 powierzchnia. Dobowy przebieg promieniowania przedstawiono w postaci średnich 1 minutowych wartości strumieni promieniowania w Wm 2. Dodatkowo obliczono sumy dobowe składników promieniowania wyraŝonych w MJm 2. Bilans promieniowania w pełnym zakresie widma opisuje poniŝsze równanie: Q* = K* + L* K* = K K ; L* = L L gdzie: K* promieniowanie pochłonięte (saldo promieniowania krótkofalowego), L* promieniowanie efektywne (saldo promieniowania długofalowego), K całkowite promieniowanie słoneczne, K promieniowanie słoneczne odbite od podłoŝa (powierzchni czynnej), L promieniowanie długofalowe atmosfery skierowane ku powierzchni Ziemi (promieniowanie zwrotne atmosfery), L promieniowanie długofalowe uchodzące od powierzchni czynnej ku górze. Badania rozpoczęto w 1999 roku serią pomiarów na terenie Ojcowskiego Parku Narodowego (Caputa, Leśniok 22) na powierzchniach naturalnych (murawa i zaorany grunt). Kontynuacją były pomiary wykonane w 2 roku na terenie miejskim i przemysłowym Sosnowca, Będzina i Dąbrowy Górniczej, na powierzchniach przekształconych antropogenicznie (beton, asfalt, powierzchnie w kopalniach odkrywkowych). WYNIKI BADAŃ Wstępna analiza wyników wskazuje na duŝe zróŝnicowanie salda promieniowania Q*. Podjęto próbę szczegółowej analizy przebiegu dobowego strumieni promieniowania słonecznego (ryc. 1) oraz określenia roli podstawowych czynników klimatotwórczych i geograficznych w kształtowaniu struktury salda promieniowania: warunków meteorologicznych, wpływu ukształtowania terenu i struktury powierzchni czynnej WyŜyny Śląsko- Krakowskiej. Wybrane czynniki zostały przytoczone i krótko omówione poniŝej.
Zbigniew Caputa 98 1 8 K 6 4 L 2 L K -2 3 6 9 12 15 18 21 3 6 9 12 15 18 21 [Godziny UTC] Ryc. 1. Przebieg dobowy strumieni promieniowania, 18.6.2 dzień o zmiennym zachmurzeniu, 19.6.2 dzień pogodny, powierzchnia zdegradowana. Średnie 1-minutowe Daily variation in the solar radiation budget during 18.6.2, a variable cloud cover day, 19.6.2, a clear day, and the bare surface. 1-minute means ZNACZENIE ALBEDA POWIERZCHNI Podstawową cechą, która w największym stopniu decyduje o strukturze bilansu promieniowania jest albedo α powierzchni. Ulega ono zmianom pod wpływem wilgotności, barwy i struktury. Wartości α ulegają duŝym zmianom sezonowym (fazy rozwoju roślin) oraz są zaleŝne od kąta padania promieni słonecznych, a co najwaŝniejsze, działalność człowieka moŝe i zmienia α. Dla danego promieniowania całkowitego (K ) absorpcja wpływa na wartość promieniowania pochłoniętego (K*), i dalej znacząco modyfikuje dzienne saldo promieniowania Q*. To wpływa na bilans energetyczny powierzchni i bilans wodny, silnie regulując termiczny i wilgotnościowy mikroklimat powierzchni (ryc. 2), a dodatkowo wpływa na wyŝsze warstwy powietrza i warstwę gruntu (Paszyński i in. 1999). Działalność człowieka moŝe stosunkowo łatwo, poprzez przekształcenie powierzchni Ziemi, zmieniać albedo, a zatem wyzwala waŝny łańcuch reakcji klimatycznych (Oke, 1987), decydujących o zmianach mikroklimatycznych, w dalszej kolejności oddziaływujących na topoklimat i mezoklimat. Dlatego teŝ szczególną uwagę przy powierzchniach zwraca się kaŝdorazowo, (oprócz ciągłej rejestracji charakterystyk promieniowania słonecznego w punkcie) na pomiary α wszystkich typów powierzchni znajdujących się w jego okolicy za pomocą albedometru przenośnego (wyposaŝonego w pyranometr diodowy SKS 111 Skye Instruments, Wlk. Brytania).
99 Pomiary bilansu promieniowania róŝnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu... Wartości α wskazują jak powierzchnie przekształcone w obszarach miejskich i przemysłowych mogą spowodować znaczące zmiany mikroklimatyczne. Wzrastające α od,14 (murawa) do,35 (wyrobiska) powoduje wzrost strumienia K i zmiany salda K*. Dla powierzchni ciemnych (asfalt, lepik) obserwujemy obniŝenie wartości α nawet do,11. Wykres na rysunku 2 przedstawiający temperaturę dla róŝnych powierzchni wskazuje na jej silne zróŝnicowanie w dzień (wpływ K i α), natomiast nocą, ze względu na brak promieniowania krótkofalowego, róŝnice są małe. Dominującą rolę odgrywa wówczas promieniowanie długofalowe (ryc. 3). [ C] 1 25 8 2 6 t -5 cm 15 4 2 t 2 cm K* 1 5-2 a 1 3 6 9 12 15 18 21 Godziny [UTC] -5 [ C] 25 8 6 t -5 cm 2 15 4 2 K* t 2 cm 1 5-2 b 3 6 9 12 15 18 21 Godziny [UTC] -5 Ryc. 2. Przebieg dobowy temperatury oraz strumienia promieniowania pochłoniętego (K*) w dniu 6.9.1999 dla murawy (a) i powierzchni pozbawionej roślinności (b). Średnie 1-minutowe Daily temperature and net short-wave radiation (K*) on 6.9.1999 for the short grass surface (a), and for the bare surface (b). 1-minute means
Zbigniew Caputa 1 [ C] 1 25 5-5 -1 t -5 cm t 2 cm L* 2 15 1 5-15 a 15 1 3 6 9 12 15 18 21 Godziny [UTC] -5 [ C] 25 2 5 t -5 cm 15-5 L* 1 5-1 t 2 cm -15 b 3 6 9 12 15 18 21 Godziny [UTC] -5 Ryc. 3. Przebieg dobowy temperatury oraz strumienia promieniowania efektywnego (L*) w dniu 13.9.1999 dla murawy (a) i powierzchni pozbawionej roślinności (b). Średnie 1-minutowe Daily temperature and net long-wave radiation (L*) on 13.9.1999 for the short grass surface (a), and for the bare surface (b). 1-minute means WPŁYW ZACHMURZENIA Zmiany zachmurzenia są jednym z najistotniejszych zagadnień w badaniach zmian klimatu, bowiem chmury są jednym z głównych czynników kształtujących radiacyjny i termiczny reŝim Ziemi (Kuczmarski 1982). Zachmurzenie jako istotny regulator warunków radiacyjnych i termicznych podlega wpływom związanym z działalnością antropogeniczną (Hess i in., 198; Landsberg 1983; Dubicka, Limanówka 1994). Silne zróŝnicowanie przebiegu
11 Pomiary bilansu promieniowania róŝnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu... strumienia promieniowania pod wpływem zmieniającego się zachmurzenia przedstawia rysunek 1. Nawet nieznaczne zmiany zachmurzenia ograniczają dopływ energii i zmieniają Q* (ryc. 4). Dni pogodne charakteryzuje duŝa amplituda wartości strumieni promieniowania oraz intensywna wymiana między podłoŝem a atmosferą. Dlatego dni pogodne stanowią dobrą bazę porównawczą dla róŝnych powierzchni czynnych badanego obszaru. Z tego względu dokonano podziału na typy pogody, z których najistotniejsze to: pogoda bezchmurna lub o zmiennym zachmurzeniu (do 2/8 pokrycia nieba przez chmury) oraz pogoda o całkowitym zachmurzeniu (8/8). 6 5 4 3 2 1 Q* t -1-2 Q* b 3 6 9 12 15 18 21 3 6 9 12 15 18 21 [Godziny UTC] Ryc. 4. Strumień róŝnicowy promieniowania dla powierzchni trawiastej Q t * i zdegradowanej Q b *, 18.6.2 dzień o zmiennym zachmurzeniu, 19.6.2 dzień pogodny Net wave radiation flux density for the short grass surface Q t *, and for the bare surface Q b *, on 18.6.2, a variable cloud cover day, and on 19.6.2, a clear day DYSKUSJA Potwierdza się silny związek temperatury i wilgotności powietrza z rzeźbą terenu i strukturą powierzchni czynnej. W warunkach pogody bezchmurnej wielkość strumienia K jest zgodna z wysokością Słońca nad horyzontem. JednakŜe w obszarach miejskich i przemysłowych jak, równieŝ górskich i wyŝynnych, rzeźba terenu warunkuje rozkład insolacji zaleŝnie od ekspozycji i osłonięcia terenu. Albedo powierzchni bezpośrednio wpływa na wielkość K* i znacząco zmienia wartości dzienne Q*. Zmiany albeda wpływają na mikroklimat powierzchni czynnej przez zmiany temperatury i wilgotności. Promieniowanie pochłonięte dostarcza część energii, aby ogrzać warstwę czynną. Następnie nagrzana powierzchnia czynna poprzez promieniowanie efektywne (L*) wypromieniowuje w zakresie długofalowym.
Zbigniew Caputa 12 Procesy energetyczne zachodzące w warstwie czynnej warunkują mikroklimat i mogą być wyraŝone w wielkości salda promieniowania Q*. Promieniowanie odgrywa decydującą rolę w kształtowaniu procesów mikroklimatycznych. Nawet nieznaczne zmiany zachmurzenia ograniczają dopływ energii i zmieniają saldo promieniowania. Przestrzenne zróŝnicowanie nasłonecznienia i struktura powierzchni czynnej determinują procesy mikroklimatyczne terenów o luźnej i zwartej zabudowie, co widać w przebiegu wielkości temperatury i wilgotności, dalej w akumulacji śniegu i wykształceniu się szaty roślinnej. LITERATURA Bailey W.G., Oke T.R., Rouse W.R. (red.) 1999; The Surface Climates of Canada. McGill-Queen University Press: 396. Caputa Z., Leśniok M. 22; ZróŜnicowanie mikroklimatyczne w świetle bilansu promieniowania słonecznego na przykładzie Ojcowskiego Parku Narodowego. Prądnik. Prace Muzeum Szafera 13: 7 3. Dubicka M., Limanówka D. 1994; Zmienność zachmurzenia i usłonecznienia w Sudetach i Karpatach oraz na ich przedpolu. Acta Universitatis Wratislaviensis 159, Meteorologia i Klimatologia 1: 45 6. Hess, M., Leśniak, B., Olecki, Z., Rauczyńska-Olecka, D. 198; Wpływ krakowskiej aglomeracji miejsko-przemysłowej na promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni Ziemi. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Jagiellońskiego DCIII, Prace Geograficzne 51: 7 73. Kuczmarski M. 1982; Usłonecznienie i zachmurzenie w Krakowie. Przegląd Geograficzny 27(4 3): 241 249. Landsberg H.E., 1983; Klimat goroda. Gidrometeoizdat, Leningrad: 248. Niedźwiedź T., Ustrul Z. 1999; Climatological data due traditional and automatic observation methods. Word Climate Programme Data and Monitoring 41: 15 111. Oke T. R. 1987; Boundary layer climates. London New York: 435. Paszyński J., Krystyna M., Skoczek J. 1999; Wymiana energii między atmosferą a podłoŝem jako podstawa kartowania topoklimatycznego. Dokumentacja Geograficzna 14, Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN: 127.
13 Pomiary bilansu promieniowania róŝnych powierzchni czynnych przy wykorzystaniu... SUMMARY Meteorological and radiation balance (net radiation flux density across all wavelengths) measurements were conducted in different regions of the Śląsko- Krakowska Upland, with a focus on large urban and industrial agglomerations during different weather conditions. Automatic Weather Stations were used to register the above mentioned parameters. The dominant role of radiation and insolative conditions for non-sheltered areas were confirmed. The spatial patterns of sunlight duration as well as an active surface structure determine the microclimatic processes. Surfaces without vegetation reflected the incoming short-wave radiation more strongly than grassy surfaces. The outgoing flux of long-wave radiation (L ) may also be increased due to higher surface temperature. Air pollution can modify all components of the radiation balance. Both the energetic processes which proceed in the active surface, as well as the microclimate condition, can be described by the net radiation quantity across all wavelengths (Q*).