charakter i wystpowanie wiatrów katastrofalnych w polsce

Jerzy Antoni ĩURAēSKI
Mariusz GACZEK
Sáawomir FISZER
CHARAKTER I WYSTĉPOWANIE
WIATRÓW KATASTROFALNYCH W POLSCE
1. WIATRY KATASTROFALNE I SYTUACJE METEOROLOGICZNE
SPRZYJAJĄCE ICH WYSTĉPOWANIU
Spotykane na obszarze Polski wiatry katastrofalne i zniszczenia nimi powodowane opisywane są w zachowanych, dostĊpnych Ĩródáach historycznych od XIV wieku. WystĊpowanie gwaátownych, niszczycielskich wiatrów czĊsto przypisywane byáo w minionych stuleciach dziaáaniu siá nadprzyrodzonych. Wspóáczesna wiedza z zakresu meteorologii, klimatologii oraz fizyki atmosfery pozwala powiązaü wystĊpowanie silnych wiatrów z róĪnymi sytuacjami meteorologicznymi i wyróĪniü:
a) wiatry związane z dziaáalnoĞcią cyklonalną w cháodnej porze roku (cyklonami pozazwrotnikowymi), przy czym oprócz gwaátownych wiatrów – wichur zimowych – towarzyszących przemieszczaniu siĊ cyklonu wraz z systemem frontów, moĪliwe jest takĪe
powstawanie burz i trąb powietrznych specyficznego typu,
b) wiatry fenowe związane z barierą orograficzną gór,
c) wiatry wystĊpujące w sytuacjach burzowych, związane z róĪnymi zjawiskami, takimi jak:
szkwaá albo front szkwaáowy (ang. gust front),
gwaátowny podmuch zstĊpujący (ang. downburst), najczĊĞciej maáej skali (ang.
microburst),
derecho, czyli ekstremalnie rozciągniĊta strefa prostoliniowych wiatrów burzowych,
trąba powietrzna,
gustnado, czy inaczej wir szkwaáowy (ang. gust front vortex),
powstającymi w róĪnych ukáadach burzowych, do których zalicza siĊ:
pojedyncze komórki burzowe (ang. single cell storms),
burze wielokomórkowe grupowe (ang. multicell cluster storms),
burze wielokomórkowe liniowe (ang. multicell line storms) nazywane czĊĞciej pasmami, albo liniami szkwaáowymi (ang. squall lines),
dr hab. inĪ. Jerzy Antoni ĩuraĔski – Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa
dr inĪ. Mariusz Gaczek, mgr inĪ. Sáawomir Fiszer – Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska,
Politechnika PoznaĔska
Jerzy Antoni ĩuraĔski, Mariusz Gaczek, Sáawomir Fiszer
698
ukáady dające tzw. echa áukowe (ang. bow echoes), tworzące siĊ, gdy burze w Ğrodkowej
czĊĞci odcinka pasma szkwaáowego przemieszczają siĊ szybciej niĪ na jego skrajach,
superkomórki (ang. supercells).
Fronty szkwaáowe, gwaátowne podmuchy zstĊpujące oraz zjawiska okreĞlane jako derecho zaliczane są do tzw. wiatrów prostoliniowych (ang. straight-line winds), natomiast trąby powietrzne oraz gustnada zaliczane są do wirów maáoskalowych.
W bardzo rzadkich przypadkach niszczącą siáĊ mogą osiągaü takĪe wiry maáoskalowe
niezwiązane z ukáadami burzowymi, np. wiry pyáowe.
ZasiĊg i czas trwania róĪnych zjawisk meteorologicznych, w tym takĪe związanych
z wystĊpowaniem wiatrów katastrofalnych pokazano na rysunku 1.
skala
fale dáugie
w strefie
wiatrów zach.
typowa
wielkoĞü
globalna 5000 km
synoptyczna
2000 km
mezo-
20 km
mikro-
2m
czas trwania
zjawiska
bryzy morskie
burze
i lądowe
z piorunami, wiatry górskie
tornada,
i dolinne,
trąby wodne, wiatry fenowe
wiry pyáowe
huragany,
sztormy
tropikalne
wyĪe i niĪe,
fronty
atmosferyczne
maáe wiry
turbulentne
od sekund
do minut
od minut
do godzin
od godzin
do dni
od dni
do tygodnia lub dáuĪej
Rys. 1. PrzeciĊtna wielkoĞü i czas trwania zjawisk meteorologicznych [2]
Do najbardziej niszczycielskich zjawisk naleĪą bez wątpienia trąby powietrzne. Wskazuje
siĊ jednak, Īe wiele szkód przypisywanych trąbom powietrznym, wywoáanych jest w rzeczywistoĞci przez wiatry prostoliniowe, a zwáaszcza przez gwaátowne podmuchy zstĊpujące [4].
2. SKALE KLASYFIKACYJNE DOTYCZĄCE INTENSYWNOĝCI
I SKUTKÓW WYSTĄPIENIA WIATRÓW KATASTROFALNYCH
W celu sklasyfikowania oddziaáywania wiatru i zasiĊgu tego oddziaáywania, w powiązaniu z innymi czynnikami wpáywającymi na ogólne straty materialne, opracowano róĪne
skale i wskaĨniki porównawcze.
Jedną z najbardziej rozpowszechnionych skal – pomijając dobrze znaną skalĊ Beauforta
(B) – jest skala Fujity (F), dotycząca klasyfikacji intensywnoĞci tornad (trąb powietrznych)
w zaleĪnoĞci od charakteru zniszczeĔ. Zostaáa ona opracowana w latach 70. ubiegáego wieku. Po kilku latach funkcjonowania ulegáa rozszerzeniu o klasyfikacjĊ wielkoĞci obszaru
zniszczeĔ. Odmiana ta znana jest jako skala Fujity-Pearsona (FPP) i chociaĪ w praktyce nie
jest stosowana, jednak jej nazwa czĊsto bywa uĪywana tylko w odniesieniu do charakteru
szkód okreĞlonych przez FujitĊ.
Skala Fujity stosowana jest takĪe do okreĞlenia intensywnoĞci innych wiatrów wystĊpujących w sytuacjach burzowych.
699
Charakter i wystĊpowanie wiatrów katastrofalnych w Polsce
Krytyka subiektywnoĞci oceny intensywnoĞci tornad wg skali Fujity spowodowaáa
opracowanie tzw. rozszerzonej skali Fujity – EF (Enhanced Fujita). Modernizacja ta zostaáa
wprowadzona w Stanach Zjednoczonych 1 lutego 2007 r. [1].
Skala EF nadal zasadza siĊ na oszacowaniu prĊdkoĞci wiatru (a nie na pomiarach), lecz
opiera siĊ na uszkodzeniach okreĞlonych dla 28 „indykatorów”. Obejmują one 22 budynki
róĪnego typu, wiaty stacji paliw, sáupy linii elektroenergetycznych i sáupy oĞwietleniowe,
maszty i wieĪe antenowe oraz drzewa z drewnem twardym i miĊkkim.
ChociaĪ skala Fujity jest szeroko rozpowszechniona na Ğwiecie, jednak wiele europejskich sáuĪb meteorologicznych stosuje skalĊ TORRO (od nazwy TORnado and Storm Research Organisation), oznaczaną jako T. Skala ta zostaáa oparta zarówno na pomiarach, jak
i badaniach naukowych, w tym analizie wytrzymaáoĞciowej zniszczonych obiektów, a ponadto dotyczy warunków charakterystycznych dla Europy [8]. Skala TORRO jest ĞciĞle
powiązana ze skalą Beauforta i jest dwukrotnie bardziej dokáadna niĪ skala Fujity.
Na bazie skali TORRO, przy dodatkowym uwzglĊdnieniu zniszczeĔ roĞlinnoĞci, opracowana zostaáa przez organizacjĊ TorDACH badającą tornada w krajach niemieckiego obszaru jĊzykowego (D – Niemcy, A – Austria, CH – Szwajcaria) modyfikacja tej skali.
W skali TorDACH stosuje siĊ odniesienie szkód w nieruchomoĞciach do tzw. wspóáczynnika strat (szkód), biorąc pod uwagĊ budynki o konstrukcji lekkiej (S-) i masywnej (S+).
Wspóáczynnik ten bywa stosowany przez firmy ubezpieczeniowe i przedstawia procentowy
stosunek wartoĞci uszkodzenia nieruchomoĞci do wartoĞci odtworzeniowej [6]. ĝrednie
wartoĞci wspóáczynnika strat oraz zakresy prĊdkoĞci wiatru przypisane stopniom skal T i F
podano w tabeli 1. Dla porównania podano dodatkowo odpowiadające im stopnie skali Beauforta, równieĪ powyĪej wartoĞci B12, zwykle przyjmowanej za najwyĪszą.
Tabela 1. Zakresy prĊdkoĞci wiatru wg skal Fujity (F), TORRO (T) i Beauforta (B) oraz Ğrednie wartoĞci wspóáczynnika strat dla Europy ĝrodkowej [7]
Podkrytyczne
F
Sáabe
F-2
F-1
F0
T
T-4
T-3
T-2
T-1
T0
F1
T1
T2
T3
B
B0, B1
B2, B3
B4, B5
B6, B7
B8, B9
v [m/s]
0-3
3-7
7-12
12-18
18-25
B10, B11 B12, B13 B14, B15
25-33
33-42
42-51
S– [%]
0,0
0,0
0,0
0,01
0,05
0,10
0,25
0,80
S+ [%]
0,0
0,0
0,0
0,0
0,01
0,05
0,10
0,25
Znaczne
Silne
F
T
B
Pustoszące (gwaátowne)
F2
T4
F3
T5
T6
F4
T7
T8
F5
T9
T10
T11
B16, B17 B18, B19 B20, B21 B22, B23 B24, B25 B26, B27 B28, B29 B30, B31
v [m/s]
51-61
61-71
71-82
82-93
93-105
105-117
117-130
130-143
S– [%]
3,0
10,0
30,0
90,0
100
100
100
100
S+ [%]
0,80
3,0
10,0
30,0
60,0
80,0
90,0
95,0
NiezaleĪnie od skal klasyfikujących tornada, stosowane są skale dotyczące huraganów,
rozumianych jako cyklony tropikalne. Najbardziej znaną z nich jest skala Saffira-Simpsona.
Jerzy Antoni ĩuraĔski, Mariusz Gaczek, Sáawomir Fiszer
700
Zostaáa ona opracowana w roku 1971 przez inĪyniera Herberta Saffira i meteorologa Roberta Simpsona. Zasadniczo w skali tej wyróĪnia siĊ piĊü kategorii, uszeregowanych wg
rosnącej intensywnoĞci. Przykáadowo, kategorii 1 odpowiada wiatr o prĊdkoĞci 33-42 m/s,
a kategorii 5 – wiatr o prĊdkoĞci • 70 m/s.
3. WYSTĉPOWANIE WIATRÓW KATASTROFALNYCH W POLSCE
Powodowane oddziaáywaniem wiatru zagroĪenia naturalne wystĊpujące na obszarze
Polski, okreĞlone przez Munich Reinsurance Company [9], pokazano na rysunku 2. Wynika
z niego, Īe caáy obszar naszego kraju jest naraĪony na wystĊpowanie zarówno wichur zimowych, jak i trąb powietrznych. StopieĔ zagroĪenia tymi zjawiskami jest jednak zróĪnicowany, a ponadto w ostatnim okresie 2-letnim wykazuje tendencjĊ wzrostową.
Data publikacji: 17.02.2009
StopieĔ zagroĪenia
StopieĔ zagroĪenia
Data publikacji: 10.12.2006
bardzo wysoki
Wichury zimowe
wysoki
Ğredni
maáy
70%
bardzo maáy
30%
brak
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
bardzo wysoki
Wichury zimowe
wysoki
Ğredni
8%
maáy
85%
bardzo maáy
7%
brak
100
0
10
20
bardzo wysoki
Trąby powietrzne
wysoki
Ğredni
maáy
30%
bardzo maáy
70%
brak
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Powierzchnia kraju, %
30
40
50
60
70
80
90
100
Powierzchnia kraju, %
StopieĔ zagroĪenia
StopieĔ zagroĪenia
Powierzchnia kraju, %
90
100
bardzo wysoki
Trąby powietrzne
wysoki
Ğredni
2%
maáy
98%
bardzo maáy
brak
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Powierzchnia kraju, %
Rys. 2. ZagroĪenia powodowane wiatrem na obszarze Polski [9]
Analiza wystĊpowania gwaátownych wiatrów w ostatnim dziesiĊcioleciu w Polsce
wskazuje, Īe najwiĊcej niszczycielskich wichur związanych z cháodnym okresem roku pojawia siĊ w przedziale czasu od okoáo poáowy paĨdziernika do okoáo poáowy marca. NajwiĊkszą liczbĊ wystąpieĔ sytuacji burzowych i gwaátownych trąb powietrznych notuje siĊ
natomiast w miesiącach lipcu i sierpniu, a nastĊpnie w czerwcu i w maju [11].
TrasĊ przejĞcia i oszacowaną na podstawie zniszczeĔ siáĊ jednych z najbardziej niszczycielskich w ostatnim czasie trąb powietrznych, które wystąpiáy w Polsce w dniu 15.08.2008 r.
pokazano na rysunku 3.
Na rysunku 4 pokazano maksymalne prĊdkoĞci wiatru w porywach odnotowane na obszarze Polski przez stacje meteorologiczne, w trakcie przechodzenia przez EuropĊ orkanu
(cyklonu) Cyryl w dniach 17-19 stycznia 2007 roku. Orkan ten zaliczany jest do najsilniejszych, jakie wystĊpowaáy w Europie w okresie ostatnich 20 lat. Wraz z przemieszczaniem
siĊ ukáadu niskiego ciĞnienia, w dniu 18 stycznia 2007 roku w godzinach wieczornych
i nocnych, przez PolskĊ przeszáa dáugotrwaáa i rozciągniĊta na okoáo 400 km linia szkwaáowa, której towarzyszyáa strefa prostoliniowych wiatrów burzowych (derecho), a takĪe
wystąpiáy lokalne trąby powietrzne (towarzyszące utworzonym ukáadom typu bow echo).
701
Charakter i wystĊpowanie wiatrów katastrofalnych w Polsce
W momencie najwiĊkszego nasilenia wichury w Polsce, róĪnica ciĞnienia pomiĊdzy póánocnym a poáudniowym kraĔcem naszego kraju siĊgnĊáa prawie 30 hPa.
àódĨ
Kalisz
Piotrków
Trybunalski
4
3
Radomsko
F2/T4 - F3/T6
Kielce
2
CzĊstochowa
Opole
Lubliniec
2
F2/T4 - F3/T6
Strzelce
Opolskie
1
F3/T7 - F4/T8
Gliwice
Katowice
Kraków
F2/T4
51 - 61 m/s
F2/T5
61 - 71 m/s
F3/T6
71 - 82 m/s
F3/T7
82 - 93 m/s
F4/T8
93 - 105 m/s
Rys. 3. Trasa przejĞcia trąb powietrznych (1-4) w dniu 15 sierpnia 2008 r. [3] i oszacowana ich intensywnoĞü [10]
E
R Z
M O
K I E
Y C
à T
B A
Sáupsk
Elbląg
GdaĔsk
Koszalin
Olsztyn
Suwaáki
Biaáystok
Szczecin
OstroáĊka
ToruĔ
Páock
PoznaĔ
Gorzów
Wlkp.
WARSZAWA
Leszno
Kalisz
Siedlce
àódĨ
Zielona
Góra
Legnica
Lublin
Piotrków
Trybunalski
Wrocáaw
Jelenia
Góra
Kielce
ZamoĞü
Opole
17 - 20,9 m/s
21 - 24,9 m/s
CzĊstochowa
Katowice
25 - 28,9 m/s
Rzeszów
Tarnów
PrzemyĞl
Bielsko-Biaáa
Krosno
Kraków
Nowy
Sącz
0
20 40 60 80 100 km
29 - 32,9 m/s
33 - 36,9 m/s
37 - 40,9 m/s
Rys. 4. Maksymalne prĊdkoĞci porywów wiatru odnotowane przez stacje meteorologiczne w trakcie
przechodzenia orkanu Cyryl (Kiryá) w dniach 17-19 stycznia 2007 r. [5]
Jerzy Antoni ĩuraĔski, Mariusz Gaczek, Sáawomir Fiszer
702
Z porównania informacji zawartych na rysunkach 3 i 4 wynika, Īe prĊdkoĞü wiatru
w trakcie przechodzenia trąb powietrznych moĪe byü w naszym kraju ponad dwukrotnie
wiĊksza od prĊdkoĞci wiatru w czasie wichur zimowych (w sytuacjach niĪowych).
Pomiary wykonywane przez stacje meteorologiczne Instytutu Meteorologii i Gospodarki
Wodnej pozwalają na stosunkowo dokáadną ocenĊ prĊdkoĞci wiatru w sytuacjach niĪowych.
Na rysunku 5 przedstawiono czĊstoĞci wystĊpowania prĊdkoĞci wiatru w porywach, maksymalnych rocznych z sytuacji niĪowych z lat 1991-2005, z 15 stacji meteorologicznych
IMGW. Wybrano stacje o stosunkowo dobrym poáoĪeniu, w terenie otwartym (z nielicznymi
wyjątkami): Jelenia Góra, KĊtrzyn (teren otwarty od strony zachodniej), Kozienice, Kraków
Balice, Krosno, Legnica, Máawa, PoznaĔ (teren otwarty od strony zachodniej), Sandomierz,
Siedlce, Sulejów (teren otwarty od strony zachodniej), Suwaáki, Terespol, ToruĔ i Wáodawa.
0,20
33,5 m/s
25,4 m/s
CzĊstoĞü
0,15
0,10
0,05
0,00
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38
V, m/s
Rys. 5. Histogram czĊstoĞci wystĊpowania maksymalnych rocznych prĊdkoĞci wiatru w porywach na
15 stacjach IMGW w latach 1991-2005 w sytuacjach niĪowych
0,03
CzĊstoĞü
24,9 m/s
0,02
33,5 m/s
Na rysunku 6 przedstawiono czĊstoĞci wystĊpowania maksymalnych rocznych chwilowych prĊdkoĞci wiatru zanotowanych w sytuacjach burzowych.
0,01
0,00
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
V, m/s
Rys. 6. Histogram czĊstoĞci wystĊpowania maksymalnych rocznych prĊdkoĞci wiatru w porywach na
15 stacjach IMGW w latach 1991-2005 w sytuacjach burzowych
W latach 1991-2005 byáo ich ok. 7 razy mniej niĪ prĊdkoĞci maksymalnych z okresów niĪowych. Wynika to z krótszej pory letniej, w której wystĊpują burze, a takĪe stąd, Īe burze
703
Charakter i wystĊpowanie wiatrów katastrofalnych w Polsce
mają mniejszy zasiĊg terytorialny i czĊsto nie przechodzą nad stacjami meteorologicznymi.
Odnotowane prĊdkoĞci wiatru nie uwzglĊdniają sytuacji ekstremalnych, tzn. trąb powietrznych i niszczycielskich wiatrów prostoliniowych, które to zjawiska „omijają” stacje pomiarowe. Temu teĪ zapewne moĪna przypisaü ksztaát histogramu.
Mimo róĪnicy ksztaátu histogramów wystĊpują pewne podobieĔstwa. WartoĞci Ğrednie
z maksimów (zaznaczone na wykresach) wynoszą: 25,4 m/s w sytuacjach niĪowych i 24,9
m/s w sytuacjach burzowych. TakĪe wartoĞci maksymalne, 36 i 38 m/s, róĪnią siĊ niewiele.
Zaznaczono wartoĞü charakterystyczną prĊdkoĞci w porywie w strefie 1 wedáug zaáącznika
krajowego do Eurokodu.
Na rysunku 7 przedstawiono natomiast czĊstoĞci wystĊpowania maksymalnych rocznych chwilowych prĊdkoĞci wiatru, zmierzonych na tych samych stacjach, w podziale na
poszczególne miesiące. W piĊtnastoleciu 1991-2005 silny wiatr wystĊpowaá najczĊĞciej
w styczniu, byáo to 20% wszystkich przypadków. Dane z trzech miesiĊcy zimowych stanowią 45% wszystkich przypadków. Silny wiatr w sytuacjach burzowych wystĊpuje przede
wszystkim od czerwca do sierpnia, i stanowi ok. 15% wszystkich przypadków rocznych.
Udziaá maksimów rocznych
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
I
II
III
IV
V
VI VII VIII IX
X
XI XII
Miesiące
Rys. 7. Histogram czĊstoĞci wystĊpowania maksymalnych rocznych prĊdkoĞci wiatru w porywach na
15 stacjach IMGW w latach 1991-2005 w poszczególnych miesiącach
4. UWAGI KOēCOWE
WystĊpujące w ostatnich latach gwaátowne zjawiska atmosferyczne, a zwáaszcza trąby
powietrzne w lipcu 2007 i w sierpniu 2008 r., budzą zrozumiaáe zainteresowanie i zaniepokojenie. Są to jednak zjawiska wyjątkowe, a wystąpienie w dwóch kolejnych latach nie
Ğwiadczy o trwaáej tendencji. Warto jednakĪe Ğledziü te zjawiska i je analizowaü.
PrĊdkoĞci wiatru w porywach, zarejestrowane przez stacje meteorologiczne, zarówno
w sytuacjach niĪowych jak i podczas burz letnich, praktycznie nie przekraczają wartoĞci
charakterystycznej wedáug nowej normy. Wyjątek stanowią oczywiĞcie prĊdkoĞci wiatru
w czasie wystąpienia trąby powietrznej, ale te mogą byü tylko oszacowane, a ponadto, wykraczają tak znacznie ponad wartoĞci charakterystyczne, Īe nie mogą podlegaü kodyfikacji.
704
Jerzy Antoni ĩuraĔski, Mariusz Gaczek, Sáawomir Fiszer
Literatura
[1] A Recommendation for an Enhanced Fujita Scale. Wind Science and Engineering Center,
Texas Tech University, Lubbock 2006
[2] Ahrens C.D.: Essentials of meteorology: an invitation to the atmosphere. Brooks Cole, 2000
[3] Bebáot G., Dubiel B., TuszyĔska I., Konarski J.: GroĨne zjawiska atmosferyczne na terenie
Polski w dniu 15 sierpnia 2008 r. Referat wygáoszony na IX Ogólnopolskiej Szkole
„Wspóáczesne problemy ekstremalnych zagroĪeĔ Ğrodowiska”, Skawina 2008
[4] Cerveny R.: Wielkie katastrofy i anomalie klimatyczne w dziejach. Bellona, Warszawa 2008
[5] Fink A.H., Brücher T., Ermert V., Krüger A., Pinto J.G.: The European storm Kyrill in
January 2007: synoptic evolution, meteorological impacts and some considerations with
respect to climate change. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 2009, 9, pp. 405-423
[6] Dotzek N., Grieser J., Brooks H.E.: Statistical modeling of tornado intensity distributions.
Atmos. Res., 2003, 67–68, pp. 163-187
[7] Dotzek N., Hubrig M., Berz G.: TORRO- und Fujita-Skala Beschreibung, angepasst für
Mitteleuropa. TorDACH, 2005
[8] MaciąĪek A.: Pomiary wiatru. Gazeta Obserwatora IMGW, 2005, 3, s. 21-26
[9] Munich Re Group, Natural Hazards Assessment Network, Country Profile: Poland
[10] Polscy àowcy Burz - Skywarn Polska, www.forum.lowcyburz.pl
[11] ĩuraĔski J.A., Gaczek M., Fiszer S.: Oddziaáywanie wiatrów katastrofalnych na budynki
w Polsce. XXIV Konferencja naukowo-techniczna „Awarie budowlane”, SzczecinMiĊdzyzdroje 2009
CHARACTER AND OCCURRENCE OF DAMAGING WINDS IN POLAND
Recent strong winds in Poland, especially tornados in 2007 and 2008 resulted in growing interest
in wind effects on building structures. The paper deals with the description of main violent winds and
their occurrence in Poland. Examples of territorial range and intensity of recent strong winds are
given. Analysis of the maximum yearly wind speeds of synoptic winds and winds during summer
thunderstorms from 1991 – 2005 shows that they are of the same value as the characteristic wind
speeds given in Polish National Annex to the Eurocode for wind actions.