1.1 MB - Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ

K. Piotrowicz, R. Twardosz (red.)
Wahania klimatu w różnych skalach przestrzennych i czasowych
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej
Uniwersytet Jagielloński
Kraków, 2007, 93-102
Przyczyny cyrkulacyjne zmian zachmurzenia
nad Polską (1951-2000)
Circulation causes of cloudiness changes
over Poland (1951-2000)
Elwira Żmudzka1
Zarys treści: Celem opracowania jest określenie udziału czynnika cyrkulacyjnego w kształtowaniu
wielkości zachmurzenia nad Polską w drugiej połowie XX w. Wielkość zachmurzenia
scharakteryzowano serią uśrednioną z 48 stacji IMGW reprezentujących obszar Polski nizinnej.
Materiał źródłowy wykorzystany do opisu cyrkulacji stanowiły ciśnienie oraz wysokość powierzchni
700 hPa w punktach węzłowych siatki w sektorze europejsko-atlantyckim. Dane te wykorzystano
do obliczenia różnych wskaźników cyrkulacji charakteryzujących zarówno ukształtowanie pola
ciśnienia, jak i kierunek adwekcji. Określono wskaźniki wyjaśniające możliwie największą część
zmienności zachmurzenia nad Polską w przebiegu rocznym. Stwierdzono, że bezpośrednim
oddziaływaniem cyrkulacji można wyjaśnić do 80% zmienności wielkości zachmurzenia.
Słowa kluczowe: zachmurzenie, Polska, cyrkulacja atmosferyczna, Europa
Key words: cloudiness, Poland, atmospheric circulation, Europe
Wstęp
Celem opracowania jest określenie głównych cech zmienności czasowej zachmurzenia nad obszarem Polski nizinnej w drugiej połowie XX w. oraz ocena jego związków
z cyrkulacją atmosferyczną. Warunki nefologiczne scharakteryzowano średnimi sezonowymi i roczną wielkością zachmurzenia z kolejnych lat okresu 1951-2000 z 48 stacji
IMGW położonych poniżej 300 m n.p.m. Sprawdzono jednorodność serii pomiarowych,
a w uzasadnionych przypadkach (meta-dane) dokonano korekty danych źródłowych przy
użyciu testu H. Alexanderssona (Alexandersson 1986). Na ich podstawie obliczono, jako
średnią arytmetyczną, średnią obszarową wielkość zachmurzenia nad Polską.
1
Instytut Geografii Fizycznej, Uniwersytet Warszawski, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00-927 Warszawa,
e-mail: [email protected]
Elwira Żmudzka
Wieloletnią zmienność zachmurzenia nad Polską opisano kilkoma metodami. Określono tendencje zmian wielkości zachmurzenia wykorzystując równanie regresji liniowej,
fluktuacje na podstawie przebiegów kumulowanych odchyleń od średniej wieloletniej
oraz okresowość stosując metodę „sinusoid regresji” (Boryczka 1998) i analizę falkową
(Torrence, Compo 1998).
Określono związki wielkości zachmurzenia z polem ciśnienia nad Europą i północnym Atlantykiem. W obliczeniach wykorzystano wartości ciśnienia oraz wysokości
powierzchni izobarycznej 700 hPa pochodzące z punktów węzłowych siatki z obszaru 30o-70oN i 40oW-60oE. Krok siatki wynosi 2,5oφ i 5oλ. Dane te pochodzą z bazy
NCEP/NCAR Reanalysis (1951-2000). W polach podstawowych 10oφ i 20oλ obliczono
4
wskaźnik wirowości ξp (ξp =∑ p-4pm, gdzie: p – ciśnienie w czterech skrajnych punktach
1
pola podstawowego, pm – ciśnienie w środku pola). Pola te przesuwano o Δ 2,5oφ i 5oλ.
Podobna formuła posłużyła do obliczenia wartości wskaźnika wirowości na powierzchni
izobarycznej 700 hPa.
Siłę zależności wielkości zachmurzenia nad obszarem Polski od ciśnienia atmosferycznego i wskaźników cyrkulacji oceniono za pomocą współczynnika korelacji liniowej.
Na podstawie rozkładów przestrzennych siły powiązań wielkości zachmurzenia nad Polską
z ciśnieniem i geopotencjałem oraz wirowością na obu poziomach określono lokalne
nefologiczne wskaźniki cyrkulacji. Są one odpowiednio różnicami wartości ciśnienia,
wysokości powierzchni izobarycznej 700 hPa oraz wirowości na obu poziomach między punktami, w których zachmurzenie nad Polską było najsilniej powiązane dodatnio
i ujemnie z tymi charakterystykami pola ciśnienia.
Zmienność wielkości zachmurzenia rozpatrzono w aspekcie zmienności warunków
cyrkulacyjnych w badanym wieloleciu.
Zmienność wielkości zachmurzenia nad obszarem Polski
W drugiej połowie XX w. w przeważającej części roku (zimą, wiosną i latem)
wielkość zachmurzenia nad Polską uległa zmniejszeniu (tab. 1). Trendy nie spełniały
jednak warunku istotności na poziomie 0,05. Na uwagę zasługuje malejąca tendencja
zmian zachmurzenia zimą (istotność na poziomie α = 0,10). Jesienią stwierdzono nieistotny wzrost wielkości zachmurzenia.
Tab. 1. Współczynniki trendu liniowego a [%·rok-1] oraz ocena rangowa (τ – wartości statystyki
Manna-Kendalla) trendu zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia nad Polską
w latach 1951-2000 (Żmudzka 2004a,b)
Table 1. Linear trend coefficients a [%·year-1] and rank evaluation (τ – the values of the MannKendall’s statistics) of the trend of changes of seasonal and annual means of cloudiness in Poland
in years 1951-2000 (Żmudzka 2004a,b)
94
Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską
Potwierdzeniem wystąpienia ujemnych trendów zmian zachmurzenia zimą i wiosną
jest kształt krzywych obrazujących kumulowane odchylenia od średnich (ryc. 1). Zmiana
znaku odchyleń z dodatnich na przeważające ujemne przypada na początek lat 70. XX w.
Na połowę lat 1970. przypada także granica charakteru zmienności wielkości zachmurzenia latem. Jesienią w pierwszej połowie badanego 50-lecia zachmurzenie nie uległo
istotnej zmianie, w drugiej zaś wzrosło; przejście od anomalii ujemnych do dodatnich
nastąpiło w 1991 r. Kumulowane odchylenia nie przekraczają wartości 3 odchyleń standardowych, wskazując na występowanie nielosowych fluktuacji w szeregach czasowych
sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia (Drozdov, Grigoreva 1972).
Ryc. 1. Kumulowane odchylenia średnich sezonowych wielkości zachmurzenia nad Polską
od średnich z lat 1951-2000. Zaznaczono zakres 1, 2 i 3 odchyleń standardowych
Fig. 1. Cumulative deviations of mean seasonal cloudiness over Poland from the means in period
1951-2000. The ranges of 1, 2 and 3 standard deviations are marked
W przebiegu sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia występuje kilka składowych cyklicznych, z których część charakteryzuje się znaczącym zakresem wahań.
Są to na ogół składowe o okresach około 2-, 3-, 4-, 5-6-, 9-, kilkunasto- i ponad 20-letnich.
Jakkolwiek widma w ciągu całego roku wykazują duże podobieństwo (występowanie
tych samych minimów lokalnych wariancji resztkowej), to jednak jest zróżnicowanie
sezonowe ze względu na dominującą częstość wahań. Zimą dominuje cykl 5,4-letni,
wiosną i w roku 3,6-letni, latem 22-letni, a jesienią 2,6-letni (tab. 2). Te najsilniejsze
cykle (oprócz cyklu 2,6-letniego jesienią) są istotne na poziomie 0,05 i wyjaśniają
wariancję wielkości zachmurzenia w 10-20%.
95
Elwira Żmudzka
Tab. 2. Dominujące składowe cykliczne zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia nad Polską (1951-2000): Θ – okres, b – amplituda, c – faza, ε2 – wariancja resztkowa,
R – współczynnik korelacji
Table 2. The dominant cyclical components of changes of seasonal and annual means of cloudiness over Poland (1951-2000): Θ – period, b – amplitude, c – phase, ε2 – residual variance,
R – coefficient of correlation
Wyniki analizy falkowej wskazują, że nawet dominujące w poszczególnych porach
roku cykle są niestabilne – nie zaznaczają się w ciągu całego 50-lecia. Na przykład,
najsilniejszy dwudziestoparoletni cykl letni występował jedynie od końca lat 50. do
początku lat 80. XX w. (ryc. 2).
Ryc. 2. Widmo oscylacji i analiza falkowa średniej wielkości zachmurzenia nad Polską N oraz
wskaźnika wirowości na powierzchni 700 hPa ξ700 w gridzie 15oE 55oN (1951-2000) – lato
Fig. 2. Spectre of oscillation and wavelets analysis of mean cloudiness over Poland N and index
of vorticity on 700 hPa surface ξ700 in grid 15oE 55oN (1951-2000) – summer
96
Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską
Związki wielkości zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia
nad Europą i północnym Atlantykiem
Wykonana analiza związków wielkości zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia
nad Europą i północnym Atlantykiem pozwala na sformułowanie kilku spostrzeżeń:
– bezpośrednim oddziaływaniem cyrkulacji atmosferycznej, opisanej rozkładem ciśnienia
w sektorze europejsko-atlantyckim, można wyjaśnić do 80% zmienności wielkości
zachmurzenia nad Polską. Najsilniejsze związki wielkości zachmurzenia z polem
ciśnienia występują w ciepłej części roku;
– wzrostowi zachmurzenia nad Polską sprzyja przede wszystkim spadek ciśnienia nad
obszarem rozciągającym się od Morza Północnego po wschodnią część Morza Śródziemnego, przy czym zmianom rocznym ulega położenie obszaru największego wpływu
ciśnienia na wielkość zachmurzenia (ryc. 3, 4). Istotne pozytywne związki statystyczne
łączą także wielkość zachmurzenia nad Polską z ciśnieniem nad Grenlandią w ciągu
całego roku, we wschodniej części Europy zimą, w Wyżu Azorskim latem, nad południowo-wschodnimi krańcami Europy i wschodnią częścią Morza Śródziemnego
w przejściowych porach roku. Umocnienie się stałych lub powstanie lokalnych ośrodków podwyższonego ciśnienia „steruje” przemieszczającymi się nad obszarem Polski
lub w jej sąsiedztwie niżami. Wielkoskalowy rozkład ośrodków ciśnienia decyduje
o kierunku adwekcji mas powietrznych o określonych właściwościach fizycznych;
Ryc. 3. Współczynnik korelacji średnich wielkości zachmurzenia nad Polską z ciśnieniem p
i wskaźnikiem wirowości na poziomie morza ξp nad Europą i północnym Atlantykiem (1951-2000).
Zaznaczono obszar istotnych zależności (• – wartość największa, ▲ – wartość najmniejsza)
– zima i lato
Fig. 3. Correlation coefficients of average cloudiness over Poland and pressure p and vorticity
index on sea level ξp over Europe and North Atlantic (1951-2000). Area of significant relations
is marked (• – biggest value, ▲ – smallest value) – winter and summer
97
Elwira Żmudzka
Ryc. 4. Współczynnik korelacji średnich wielkości zachmurzenia nad Polską z wysokością powierzchni 700 hPa h700 oraz wskaźnikiem wirowości na powierzchni 700 hPa ξ700 nad Europą
i północnym Atlantykiem (1951-2000). Zaznaczono obszar istotnych zależności (• – wartość
największa, ▲ – wartość najmniejsza) – zima i lato
Fig 4. Correlation coefficients of average cloudiness over Poland and height of 700 hPa surface h700
and vorticity index on 700 hPa surface ξ700 over Europe and North Atlantic (1951-2000). Area
of significant relations is marked (• – biggest value, ▲ – smallest value) – winter and summer
– w przeważającej części roku wielkość zachmurzenia nad Polską kształtuje się przede
wszystkim pod wpływem układu pola ciśnienia nad środkową częścią Europy (tab. 3).
We wszystkich porach roku (oprócz wiosny) zmienność zachmurzenia nad Polską
najlepiej opisuje wskaźnik wirowości (latem i w roku na powierzchni 700 hPa nad
południowo-zachodnim Bałtykiem) lub jego gradient (zimą na poziomie morza między południowo-zachodnim wybrzeżem Europy a środkowymi Karpatami, jesienią
na powierzchni 700 hPa między wschodnią częścią Morza Śródziemnego a środkową
Polską). Wiosną największą część zmienności wielkości zachmurzenia tłumaczą wahania ciśnienia nad Polską i Morzem Bałtyckim;
– na przyczynowo-skutkowe związki zachmurzenia nad Polską z polem ciśnienia wskazuje także podobieństwo ich widm oscylacji, synchroniczność (zbliżona okresowość
i zgodność fazowa wahań) oraz występowanie w tych samych latach badanego 50-lecia
dominujących składowych cyklicznych: zimą 5,4-, wiosną i w roku 3,6-, latem ponad
dwudziesto-, a jesienią ponad 2-letniej (ryc. 2). Zmiany okresowe wielkości zachmurzenia nad Polską są podobne przede wszystkim do zmian cyklicznych występujących
w szeregach czasowych wskaźnika wirowości na powierzchni 700 hPa nad obszarem
południowego Bałtyku (tab. 4);
– tendencje zmian wielkości zachmurzenia korespondują ze zmianami pola ciśnienia
w badanym okresie. Za główną cechę przemiany reżimu cyrkulacyjnego w strefie
umiarkowanych szerokości geograficznych w drugiej połowie XX w. uznano wzrost
intensywności przenosu zachodniego (np. Marsz 1999, Niedźwiedź 2000, Wibig 2001;
98
Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską
Tab. 3. Największe współczynniki determinacji R2 charakterystyk pola ciśnienia i wielkości
zachmurzenia nad Polską (1951-2000) (Żmudzka 2007)
Table 3. The biggest determination coefficients R2 of characteristics of pressure field and cloudiness
over Poland (1951-2000) (Żmudzka 2007)
h700 – wysokość powierzchni 700 hPa, ξ700 – wirowość na powierzchni 700 hPa, Δξp – lokalny gradient wirowości na poziomie morza, Δξ700 – lokalny gradient wirowości na powierzchni 700 hPa.
h700 – height of 700 hPa surface, ξ700 – vorticity on 700 hPa surface, Δξp – local gradient of vorticity on the sea
level, Δξ700 – local gradient of vorticity on 700 hPa surface.
Tab. 4. Istotne składowe cykliczne zmian średnich sezonowych i rocznej wielkości zachmurzenia
N nad Polską oraz wybranych wskaźników cyrkulacji w punktach, w których zachmurzenie jest
najsilniej powiązane dodatnio rmax i ujemnie rmin z tym wskaźnikiem (1951-2000) (pogrubiono
cykle istotne na poziomie 0,05)
Table 4. Significant cyclical components of changes of seasonal and annual means of cloudiness
N over Poland and chosen indices of circulation in grids, in which cloudiness is the most strongly
connected positive rmax and negative rmin with this index (1951-2000) (the characters in bold denote
the coefficients significant at the level of 0.05)
Kożuchowski, Żmudzka 2002; Degirmendžić i in. 2004). Intensyfikacja przepływu zachodniego mas powietrznych była sezonowo zróżnicowana – najsilniejsza w miesiącach
zimowo-wiosennych, kiedy to w części południowej rozpatrywanego obszaru wystąpił
znaczący wzrost, a w północnej zmniejszenie ciśnienia (ryc. 5). Warto jednak zauważyć,
że w przeważającej części roku nad obszarem Polski oraz na południe i południo-zachód
od niego, a latem także nad środkową Skandynawią wystąpiła znacząca ujemna tendencja
99
Elwira Żmudzka
Ryc. 5. Tendencje zmian ciśnienia p [hPa·rok-1] i wskaźnika wirowości na poziomie morza ξp
[hPa·rok-1] i na powierzchni 700 hPa ξ700 [m·rok-1] nad Europą i północnym Atlantykiem (1951-2000)
w wybranych porach roku. Zaznaczono obszar istotnych współczynników trendu liniowego
Fig. 5. Tendencies of pressure changes p [hPa·year -1] and vorticity index on sea level ξ p
[hPa·year -1] and on 700 hPa surface ξ700 [m·year-1] over Europe and North Atlantic (1951-2000)
in chosen seasons. Area of significant trend coefficients is marked
Tab. 5. Współczynniki trendu liniowego zmian częstości wybranych typów cyrkulacji według
klasyfikacji J. Lityńskiego [liczba dni·rok-1] w latach 1951-2000 (pogrubiono współczynniki
istotne na poziomie 0,05)
Table 5. Linear trend coefficients of changes of frequency of selected circulation types after
J. Lityński classification [numbers of days·year-1] in years 1951-2000 (the characters in bold denote
the coefficients significant at the level of 0.05)
zmian wskaźnika wirowości. Sytuację tę dobrze dokumentują także współczynniki
trendu liniowego zmian częstości wybranych typów cyrkulacji według klasyfikacji
J. Lityńskiego (1969) (tab. 5). Malejące trendy zmian wielkości zachmurzenia można
zatem wytłumaczyć przede wszystkim wzrostem częstości układów antycyklonalnych
nad środkową Europą. Na zmniejszenie wielkości zachmurzenia w Europie Środkowej
jako konsekwencji nasilenia aktywności wyżów wskazywali m.in. A. Henderson100
Cyrkulacja a zmiany zachmurzenia nad Polską
-Sellers (1986) oraz D. Matuszko (1998). Nad północną częścią Morza Czarnego od
wiosny do jesieni wystąpiła natomiast istotna dodatnia tendencja zmian wskaźnika
wirowości. Prawdopodobnie wzrost częstości niżów w tej części Europy, a także na
szlaku północny Atlantyk – Morze Północne – południowy Bałtyk – tereny położone
na wschód od obszaru Polski były bezpośrednią przyczyną wzrostu zachmurzenia nad
Polską jesienią (wzrost wartości wskaźnika wirowości nad tym obszarem powoduje
znaczący wzrost wielkości zachmurzenia nad Polską).
Podsumowanie
Czynnikiem powodującym znaczącą część obserwowanych wahań wielkości
zachmurzenia nad Polską jest cyrkulacja atmosferyczna. Rozpoznanie przebiegu makroskalowych procesów cyrkulacyjnych ma istotne znaczenie aplikacyjne – może być
wykorzystane w prognozach.
Literatura
Alexandersson H., 1986, A homogeneity test applied to precipitation data, Int. J. Climatol., 6, 661-675.
Boryczka J., 1998, Zmiany klimatu Ziemi, Wyd. Akademickie DIALOG, Warszawa.
Degirmendžić J., Kożuchowski K., Żmudzka E., 2004, Changes of Air Temperature and Precipitation in Poland in the Period 1951-2000 and their Relationship to Atmospheric Circulation,
Int. J. Climatol., 24, 3, 291-310.
Drozdov O.A., Grigoreva A.S., 1972, Charakteristika cykličnosti osadkov na teritorii SSSR i svjaz
s cykličnostju cyrkulacii atmosfery, Gidrometeoizdat, Leningrad.
Henderson-Sellers A., 1986, Cloud Changes in a Warmer Europe, Climatic Change, 8, 1, 25-52.
Kożuchowski K., Żmudzka E., 2002, Cyrkulacja atmosferyczna i jej wpływ na zmienność temperatury
powietrza w Polsce, Prz. Geogr., 74, 4, 591-604.
Lityński J., 1969, Liczbowa klasyfikacja typów cyrkulacji i typów pogody dla Polski, Prace PIHM, 97,
3-14.
Marsz A.A., 1999, Oscylacja Północnoatlantycka a reżim termiczny zim na obszarze północno-zachodniej
Polski i na polskim wybrzeżu Bałtyku, Prz. Geogr., 71, 3, 225-245.
Matuszko D., 1998, Zachmurzenie w Krakowie (1906-1995), Prz. Geofiz., 43, 3-4, 207-219.
Niedźwiedź T., 2000, Variability of the Atmospheric Circulation above Central Europe in the Light
of Selected Indices, Prace Geogr., 107, Inst. Geogr. UJ, 379-389.
NCEP/NCAR Reanalysis, 1951-2000, http://www.cdc.noaa.gov/cdc/data.ncep.reanalysis.html.
Torrence Ch., Compo G.P., 1998, A Practical Guide to Wavelet Analysis, Bull. Amer. Meteor. Soc.,
79, 61-78.
Wibig J., 2001, Wpływ cyrkulacji atmosferycznej na rozkład przestrzenny anomalii temperatury i opadów
w Europie. Wyd. UŁ, Łódź.
Żmudzka E., 2004a, Uwarunkowania cyrkulacyjne zmienności zachmurzenia ogólnego w Polsce
(1951-2000), Czas. Geogr., 75, 1-2, 99-122.
Żmudzka E., 2004b, Conditions de circulation atmosphérique et variabilité de la nébulosité en Pologne
(1951-2000), Annales de l’AIC, 1, 85-102.
101
Elwira Żmudzka
Żmudzka E., 2007, Zmienność zachmurzenia w Polsce i jej uwarunkowania cyrkulacyjne (1951-2000),
Warszawa, w druku.
Summary
The purpose of the study is to find out the contribution of circulation factors
in the development of cloudiness over Poland during the second half of the 20th century. Magnitude of cloudiness was characterized by average of 48 stations located in
the Poland lowlands. Data on pressure and the height of a 700 hPa surface on a grid
in the European-Atlantic sector were used to describe the circulation. These data
were used to calculate various indices characteristic for pressure fields as well as for
the direction of advection. Indices explaining the largest number of possible variables
of cloudiness over Poland over the course of a year were determined. It was proved that
up to 80% of changes resulting in the rise of cloudiness can be explained as the direct
consequence of circulation.
102