pomiary składników bilansu energetycznego

Włodzimierz Pawlak, Krzysztof Fortuniak, Kazimierz Kłysik,
Joanna Wibig, Mariusz Siedlecki
Katedra Meteorologii i Klimatologii UŁ
Łódź
Brian D. Offerle, Sue Grimmond
Department of Geography, Atmospheric Science Program, Indiana University
Bloomington, IN, USA
POMIARY SKŁADNIKÓW BILANSU ENERGETYCZNEGO
W ŁODZI W LATACH 2000-2004
ZARYS TREŚCI
W pracy przedstawiono wyniki pomiarów składników bilansu energetycznego, prowadzonych w Łodzi od listopada 2000 roku. Badania te są efektem współpracy Katedry Meteorologii i
Klimatologii UŁ oraz Indiana University (Bloomington, USA). Zastosowanie zaawansowanej
technicznie aparatury pomiarowej oraz metody kowariancji wirów umożliwiło poznanie charakterystycznych cech wymiany ciepła w mieście na drodze radiacyjnej i turbulencyjnej.
Zmienność strumienia ciepła jawnego QH i utajonego QE cechuje wyraźny rytm dobowy z
maksimum w godzinach południowych, przy czym strumień ciepła utajonego jest niższy od strumienia ciepła jawnego (za wyjątkiem przypadków zimowych). Seria pomiarowa ujawniła również
rytm roczny składników bilansu. Rytm dobowy i roczny odnotowano zarówno dla pojedynczych
przypadków dni z pogodą radiacyjną jak również dla średnich miesięcznych wartości składników
bilansu energetycznego.
WPROWADZENIE
Celem opracowania jest prezentacja serii pomiarów składników bilansu
energetycznego, prowadzonych w Łodzi od listopada 2000 roku. Seria ta, w
porównaniu z wieloletnimi szeregami temperatury, opadów czy zachmurzenia,
nie jest szczególnie długa. Jednak w przeciwieństwie do standardowych parametrów meteorologicznych, dobowa zmienność składników bilansu energetycznego jest bardzo słabo poznana. Znane z literatury przykłady dotyczą krótkotrwałych pomiarów składników bilansu energetycznego dla terenów pozamiejskich (C l e u g h , O k e 1986; H a m , K n a p p 1998; S c h m i d i in.
2000) lub przedmieść (S c h m i d i in. 1991; G r i m m o n d i in. 1994;
G r i m m o n d , O k e 1995; S p r o k e n - S m i t h 2002), natomiast pomiary o charakterze ciągłym na terenie zurbanizowanym wciąż należą do rzadkości
(V o g t i in. 2003). Dlatego serię łódzką (jako jedyną w Polsce i jedną z niewielu na świecie), opisującą zarówno dobową jak i roczną zmienność składni-
180
ków bilansu energetycznego należy uznać za unikatową w badaniach klimatu
miasta.
STANOWISKO POMIAROWE
Położenie Łodzi ma bardzo duże znaczenie dla badań nad bilansem energetycznym miasta. Najbliższe okolice Łodzi odznaczają się bowiem brakiem dużych zbiorników wodnych, rzek oraz małym zróżnicowaniem orograficznym.
Brak więc czynników, które mogłyby mieć istotny wpływ na klimat lokalny, a
które trudno byłoby oddzielić od wpływu samego miasta. Równie korzystnymi
cechami charakteryzuje się zabudowa miasta, zwłaszcza jego centrum (15 km2),
gdzie wysokości budynków sięgają 15-20 metrów, przy zaledwie kilkunastu
wyższych obiektach. Brak jest budynków o wysokości kilkukrotnie i więcej
przekraczającej wysokość warstwy dachowej.
Pomiary realizowane są przy ulicy Lipowej w Łodzi, na maszcie i dachu
byłego budynku - siedziby Katedry Meteorologii i Klimatologii UŁ (Instytutu
Nauk o Ziemi UŁ). Punkt pomiarowy leży w zachodniej części historycznego
centrum miasta. W promieniu 500 metrów od stanowiska pomiarowego roślinność pokrywa 38% powierzchni (tylko 6% to drzewa), pozostałe to powierzchnie sztuczne: ulice chodniki, budynki kryte papą, itd. (K ł y s i k 1998).
METODA
Bilans energetyczny opisuje wymianę energii między powierzchnią czynną
a atmosferą. W przypadku płaskiego, pozbawionego szaty roślinnej gruntu bilans przyjmuje klasyczną formę:
Q * = QH + QE + QG
(1)
W równaniu tym lewa strona opisuje radiacyjny przychód energii (jeżeli Q*
jest dodatnie – w nocy ujemne wartości bilansu obrazują straty), natomiast prawa obrazuje straty energii na wymianę nieradiacyjną (dodatnie wartości strumienia ciepła jawnego QH, ciepła utajonego QE oraz strumienia ciepła w gruncie
QG oznaczają straty).
W przypadku skomplikowanej geometrycznie powierzchni miejskiej, charakteryzującej się brakiem rozległych powierzchni płaskich a raczej mnogością
powierzchni o różnych cechach fizycznych (ulice, chodniki, trawniki, dachy,
itd.), wygodniej jest analizować warstwę o pewnej grubości i pojemności cieplnej. Warstwa ta sięga od powierzchni gruntu do poziomu dachów i wierzchołków drzew i nazywana jest warstwą dachową, która gromadzi bądź oddaje ciepło (O k e 1988). W takim przypadku równanie bilansu energetycznego musi
ulec modyfikacji:
Q * + Q F = Q H + Q E + Q G + ΔQ S + ΔQ A
(2)
181
Oprócz bilansu radiacyjnego Q*, turbulencyjnych strumieni ciepła jawnego
QH i utajonego QE oraz strumienia ciepła w gruncie QG, pojawiają się dodatkowe czynniki, jak ciepło sztuczne QF (dostarczane do atmosfery w wyniku spalania paliw i metabolizmu), ciepło nagromadzone w mieście ΔQS (zwiększona
pojemność cieplna budynków, ulic, itd.) oraz wypadkowa adwekcja ciepła ΔQA.
Czynniki te nie są mierzone w sposób bezpośredni a do szacowania ich wartości
stosuje się metody pośrednie, których omówienie wykracza poza ramy niniejszego opracowania.
Pomiary bilansu radiacyjnego oraz strumienia ciepła w gruncie nie przedstawiają większych problemów. Składniki bilansu promieniowania Q* mierzone
są przy pomocy bilansomierza CNR1, a sam bilans obliczany jest jako algebraiczna suma promieniowania krótkofalowego i długofalowego:
Q* = K ↓ − K ↑ + L ↓ − L ↑
(3)
gdzie: K↓ i K↑ to krótkofalowe słoneczne promieniowanie całkowite oraz odbite, natomiast L↓ i L↑ to długofalowe promieniowanie zwrotne atmosfery oraz
własne ziemi. Pomiar strumienia ciepła w gruncie QG jest realizowany za pomocą czujnika HFT1.
Do obliczania wartości strumieni QH i QE zastosowano metodę kowariancji
wirów (O k e 1995; M o n c r i e f f i in. 1997; L e ś n y i in. 2001; G r i m m o n d i in. 2002; F o r t u n i a k 2003). Zakłada ona, że strumień dowolnej
wielkości skalarnej Fc można przedstawić jako:
FC = wρ c
(4)
gdzie w oznacza pionową składową prędkość wiatru a ρc wartość wielkości
skalarnej c (np. temperatury powietrza, gęstości pary wodnej). Chwilową wartość pionowej prędkości wiatru oraz wielkości skalarnej c można zapisać jako:
w = w + w'
ρc = ρc + ρc'
(5)
(6)
przy czym w‘ i ρc‘ oznaczają chwilowe odchylenia od wartości średnich. Ponieważ średnia pionowa prędkość wiatru w jest zaniedbywalnie mała, strumień
masy lub energii FC można zapisać jako średni iloczyn fluktuacji pionowej
prędkości wiatru i fluktuacji wielkości skalarnej:
FC = w' ρ c '
(7)
Korzystając z powyższych równań pionowe strumienie turbulencyjne można przedstawić jako:
182
QH = ρ c P w ' Θ '
(8)
QE = ρ l w q
(9)
gdzie ρ oznacza gęstość powietrza, cp ciepło właściwe powietrza, w’ fluktuacje
pionowej składowej prędkości wiatru, Θ’ fluktuacje temperatury powietrza,
l ciepło właściwe parowania lub sublimacji a q’ fluktuacje wilgotności właściwej.
W podobny sposób można zdefiniować strumień pędu:
'
'
M = − ρ u *2
(10)
oraz prędkość tarciową:
( ) + (v w ) ⎞⎟⎠
⎛
u* = ⎜ u ' w '
⎝
2
'
'
2 1/ 4
(11)
przy czym u’ i v’ to fluktuacje poziomych składowych prędkości wiatru. Wielkości te nie są składnikami bilansu energetycznego powierzchni czynnej, ale
dostarczają informacji o intensywności turbulencji.
Prezentowana metoda w odróżnieniu od stosowanych wcześniej metod (np.
gradientowej) jest metodą bardzo dokładną, ponieważ nie wymaga stosowania
współczynników empirycznych, a strumienie wyliczane są wprost z definicji
(równania 8 i 9) (P a s z y ń s k i i in. 1999; F o r t u n i a k 2003). Konieczny
jest natomiast pomiar fluktuacji u, v, w, T i q z częstotliwością co najmniej 10
Hz.
SYSTEM POMIAROWY
Eksperyment pomiarowy składników bilansu energetycznego w mieście jest
wspólnym projektem Indiana University (Bloomington, USA) oraz Katedry
Meteorologii i Klimatologii UŁ.. System pomiarowy został w całości zaprojektowany przez prof. Sue Grimmond i dr Briana Offerle. Zasadniczą częścią systemu są przyrządy umieszczone na szczycie masztu na budynku przy ulicy Lipowej 81 na wysokości 37 metrów nad gruntem (20 metrów nad dachem budynku):
- bilansomierz CNR1 (Campbell Scientific, USA) – mierzący krótkofalowe i
długofalowe składniki bilansu radiacyjnego. Bilans radiacyjny Q* obliczany jest
z równania (3), obliczane jest również albedo. Dane rejestrowane są co 15 minut,
- anemometr soniczny (ATI, USA) – mierzący fluktuacje prędkości wiatru
wzdłuż trzech osi (dwie prędkości poziome u i v oraz prędkość pionową w) oraz
temperatury powietrza z częstotliwością 10 Hz,
183
- higrometr kryptonowy (Campbell Scientific, USA) mierzący fluktuacje zawartości pary wodnej w powietrzu z częstotliwością 10 Hz,
- termopara (Omega Engineering, USA) – mierzy fluktuacje temperatury z częstotliwością 10 Hz.
Umieszczenie przyrządów na pewnej wysokości nad warstwą dachową ma
szczególne znaczenie, ponieważ podstawowym założeniem eksperymentu były
pomiary odzwierciedlające wymianę energii w skali lokalnej (obszar o promieniu 100-1000 m), a nie w skali mikro. W związku z tym czujniki powinny być
zainstalowane ponad górną granicą warstwy tarcia. Istnieje wiele formuł służących do wyliczania wysokości tejże górnej granicy. Umieszczenie czujników na
wysokości odpowiadającej dwukrotnej miąższości warstwy dachowej (która w
tym przypadku wynosi około 15-20 metrów) daje podstawę do założenia, że
pomiary dotyczą skali lokalnej, a nie mikroklimatycznej. Obszar źródłowy (a
więc reprezentatywny dla prowadzonych pomiarów) oszacowano za pomocą
procedury Schmida (S c h m i d 1994; S c h m i d 1997). W przybliżeniu jest
to okrąg o promieniu 300 m dla stratyfikacji chwiejnej oraz 600 i 630 m dla
stratyfikacji obojętnej i stałej (F o r t u n i a k i in. 2001).
Dodatkowo na maszcie umieszczono wiatromierz czaszowy (RMYoung,
USA) oraz czujnik temperatury i wilgotności bezwzględnej (Rotronics, Szwajcaria). Na dachu na wysokości 17 m nad gruntem umieszczono deszczomierz
(Texas Electronics, USA) oraz czujnik wilgotności podłoża (Campbell Scientific, USA). Na wysokości 15 metrów nad gruntem (w pomieszczeniu) umieszczono czujnik ciśnienia (Vaisala, Finlandia). W trawniku przed budynkiem na
głębokości około 5 cm umieszczono czujnik strumienia ciepła w gruncie HFT1
(REBS, USA), czujnik temperatury gruntu (Campbell Scientific, USA) oraz
reflektometr mierzący objętościową zawartość wody w gruncie (Campbell
Scientific, USA). Rejestracja danych pochodzących z wymienionych przyrządów odbywa się co 15 minut. Do rejestracji i archiwizacji danych wykorzystano
komputer PC rejestrujący dane z anemometru sonicznego oraz datalogger
CR23X (Campbell Scientific) rejestrujący pozostałe dane. Podział na pliki,
weryfikacja danych, obliczenia strumieni oraz prędkości tarciowej odbywają się
automatycznie dzięki zastosowaniu oprogramowania, stworzonego pod kierunkiem prof. S. Grimmond (m.in. Fortran 90).
REZULTATY
Pomiary składników bilansu energetycznego prowadzone są w Łodzi od listopada 2000 roku. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów z lat 2001-2003.
W pierwszej kolejności skoncentrowano się na analizie wybranych przypadków
(jedna doba z każdego miesiąca z pogodą radiacyjną - tab. 1). Dobowa zmienność bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników dla wybranych dni w miesiącach 2001 roku (rys. 1) charakteryzowała się wyraźnym rytmem dobowym (z
maksimum w godzinach południowych) i rocznym, przy czym największą
184
zmiennością odznaczało się promieniowanie całkowite i sam bilans. Zmienność
pozostałych składników jest zdecydowanie mniejsza.
Tabela 1
Daty dni wybranych do analizy bilansu energetycznego
Dates of days selected to energy balance analysis.
I
19
3
1
2001
2002
2003
II
11
17
2
III
28
29
7
IV
11
22
25
V
2
3
8
VI
27
19
4
VII
7
9
14
VIII
19
20
7
IX
19
4
9
X
3
11
18
XI
17
6
11
XII
2
12
24
Promieniowanie całkowite K↓ osiągało w zimie maksymalnie kilkadziesiąt
W/m2 (grudzień) lub 200 W/m2 do 300 W/m2 (styczeń i luty) natomiast w miesiącach letnich sięgało 900 W/m2. W pogodne noce bilans radiacyjny Q* spadał
do około -100 W/m2 . W południe wartości Q* dochodziły do około 600 W/m2
latem i około 100 W/m2 zimą. W przypadku wystąpienia zachmurzenia (np.
kwiecień) wzrostowi długofalowego promieniowania zwrotnego L↓ towarzyszył spadek słonecznego promieniowania całkowitego.
K↓
1000
800
L↓
K↑
Q*
L↑
19.01.2001
11.02.2001
28.03.2001
11.04.2001
02.05.2001
27.06.2001
07.07.2001
19.08.2001
19.09.2001
03.10.2001
17.11.2001
02.12.2001
600
400
K↓, K↑, L↓, L↑, Q * [W m-2]
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 1. Zmienność dobowa bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników (K↓, K↑ - krótkofalowe
słoneczne promieniowanie całkowite oraz odbite, L↓, L↑ - długofalowe promieniowanie zwrotne
atmosfery oraz własne ziemi) w Łodzi w wybranych dniach 2001 roku
Diurnal variability of radiation balance Q* and balance components (K↓, K↑ - total and reflected
solar shortwave radiation, L↓, L↑ - downward and upward longwave radiation)
in Łódź in selected days 2001
185
QG
400
QH (Ts)
19.01.2001
28.03.2001
11.02.2001
300
QE
QH (Tc)
40
20
11.04.2001
0
-20
200
-40
0
-100
400
27.06.2001
02.05.2001
07.07.2001
-60
-80
40
19.08.2001
20
0
-20
300
200
100
-40
-60
-80
40
0
-100
400
19.09.2001
03.10.2001
17.11.2001
02.12.2001
QG [W m-2]
QH (Ts), QH (Tc), QE [W m-2]
100
20
0
-20
300
200
100
-40
-60
0
-100
-80
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 2. Zmienność dobowa strumieni turbulencyjnych ciepła odczuwalnego QH (Ts) i QH (Tc)
(objaśnienia w tekście), utajonego QE oraz strumienia ciepła w gruncie QG w Łodzi w wybranych
dniach 2001 roku
Diurnal variability of turbulent fluxes of sensible (QH (Ts), and QH (Tc)) and latent (QE) heat
(explanation in the text) and soil heat flux QG in Łódź in selected days 2001
K↓
1000
800
L↓
K↑
Q*
L↑
03.01.2002
17.02.2002
29.03.2002
22.04.2002
03.05.2002
19.06.2002
09.07.2002
20.08.2002
04.09.2002
11.10.2002
06.11.2002
12.12.2002
600
400
K↓, K↑, L↓, L↑, Q * [W m-2]
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 3. Zmienność dobowa bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników (K↓, K↑ - krótkofalowe
słoneczne promieniowanie całkowite oraz odbite, L↓, L↑ - długofalowe promieniowanie zwrotne
atmosfery oraz własne ziemi) w Łodzi w wybranych dniach 2002 roku
Diurnal variability of radiation balance Q* and balance components (K↓, K↑ - total and reflected
solar shortwave radiation, L↓, L↑ - downward and upward longwave radiation)
in Łódź in selected days 2002
186
Dla tych samych wybranych przypadków reprezentujących kolejne miesiące 2001 roku przeanalizowano zmienność dobową wartości strumieni ciepła
jawnego QH, utajonego QE i ciepła w gruncie QG (rys. 2). Strumień ciepła jawnego obliczony został dwukrotnie – użyto fluktuacji temperatury z anemometru
sonicznego (QH (Ts)) oraz z termopary (QH (Tc)). Przebiegi strumieni turbulencyjnych oraz strumienia ciepła w gruncie dostarczają informacji o zmienności
nieradiacyjnych strat ciepła dostarczonego wcześniej do powierzchni czynnej w
procesach radiacyjnych (dodatnie wartości oznaczają straty). Wartości strumienia ciepła jawnego QH w badanych przypadkach niezależnie od pory roku charakteryzowały się rytmem dobowym z maksimum w godzinach południowych.
Maksymalne wartości QH w zimie sięgały 50 W/m2 do 100 W/m2, w lecie osiągały wartości maksymalne do 400 W/m2. Przez całą dobę strumień ten wykazywał wartości dodatnie, co oznacza, że w badanych przypadkach z pogodą
radiacyjną grunt był cieplejszy od powietrza. Strumień ciepła utajonego QE
charakteryzował się niższymi wartościami niż QH, jego dodatnie wartości oznaczały straty na parowanie. W badanych przypadkach widoczny jest bieg dobowy tego strumienia. Brak jest danych dla stycznia, lutego oraz częściowo
czerwca (problemy z pomiarami oraz awaria sprzętu). Najwyższe wartości
strumień QE osiągał w przypadkach letnich (do około 200 W/m2). Strumień
ciepła w gruncie w zimie charakteryzował się wartościami dodatnimi (transport
ciepła z głębszych warstw gruntu do powierzchni czynnej) lub był zbliżony do
zera w dniach z pokrywą śnieżną. W pozostałych przypadkach strumień QG
zmieniał w ciągu dnia znak z dodatniego na wyraźnie ujemny, to znaczy nocny
transport ciepła do powierzchni czynnej zamieniał się na intensywne przekazywanie ciepła w głąb gruntu (w maju maksymalna wartość osiągnęła -80 W/m2).
Zmienność bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników dla wybranych
dni w 2002 roku, podobnie jak w roku poprzednim charakteryzowała się wyraźnym rytmem dobowym (rys. 3). Promieniowanie całkowite K↓ osiągało w
zimie maksymalnie około 200 W/m2 natomiast w miesiącach letnich sięgało
nawet 1000 W/m2. Bilans radiacyjny zmieniał się od wartości ujemnych (ok. 100 W/m2) do ok.100 W/m2 (miesiące zimowe) do maksymalnie około 700
W/m2 (lato). W przypadku kwietniowym, lipcowym i listopadowym przebiegi
zaburzone były przez zachmurzenie występujące w godzinach południowych.
Na rysunku 4 przedstawiono zmiany wartości strumieni QH, QE i QG dla
wybranych przypadków w 2002 roku. Podobnie jak w roku poprzednim wartości strumienia ciepła jawnego QH w cechowały się rytmem dobowym z maksimum w godzinach południowych. Maksymalne wartości QH w zimie sięgały
100 W/m2 , w lecie natomiast do 400 W/m2. Przez większą część doby strumień
ten wykazywał wartości dodatnie, jedynie w nocy notowano nieznacznie ujemne jego wartości. Strumień ciepła utajonego QE charakteryzował się niższymi
wartościami niż QH, zwłaszcza w zimie.
187
QG
400
QH (Ts)
03.01.2002
28.03.2002
17.02.2002
300
QE
QH (Tc)
40
20
22.04.2002
0
-20
200
-40
0
-100
400
19.06.2002
03.05.2002
300
-60
-80
40
09.07.2002
20.08.2002
20
0
-20
200
100
-40
-60
-80
40
0
-100
400
04.09.2002
11.10.2002
06.11.2002
12.12.2002
QG [W m-2]
QH (Ts), Q H (Tc), QE [W m-2]
100
20
0
-20
300
200
100
-40
-60
0
-100
-80
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 4. Zmienność dobowa strumieni turbulencyjnych ciepła odczuwalnego QH (Ts) i QH (Tc)
(objaśnienia w tekście), utajonego QE oraz strumienia ciepła w gruncie QG
w Łodzi w wybranych dniach 2002 roku
Diurnal variability of turbulent fluxes of sensible (QH (Ts), and QH (Tc)) and latent (QE) heat
(explanation in the text) and soil heat flux QG in Łódź in selected days 2002
Brak jest danych dla marca, częściowo błędne są wyniki dla przypadku grudniowego. Podobnie jak w roku poprzednim strumień ciepła utajonego QE osiąga maksymalne wartości w przypadkach letnich (do około 100-150 W/m2).
Strumień ciepła w gruncie QG w zimie był dodatni lub wymiana ciepła zahamowana była przez pokrywę śniegu. W przypadkach wiosennych i letnich
strumień QG zmieniał w ciągu dnia znak z dodatniego na wyraźnie ujemny,
ponownie osiągając maksymalną wartość w maju (-80 W/m2).
Również w 2003 roku zmienność bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników dla wybranych dni charakteryzowała się rytmem dobowym (rys. 5). Brak
jest kompletu danych dla września, października, listopada i grudnia ze względu
na częściowe wstrzymanie pomiarów związane z remontem dachu budynku na
ul. Lipowej. Promieniowanie całkowite K↓ osiągało w zimie maksymalnie około 200 W/m2, natomiast w miesiącach letnich sięgało około 900 W/m2. Bilans
radiacyjny zmieniał się od wartości ujemnych (-100 W/m2) do ok.100 W/m2
(miesiące zimowe) do maksymalnie około 600 W/m2 (przypadki wiosenne i
letnie).
188
K↓
1000
800
L↓
K↑
Q*
L↑
01.01.2003
02.02.2003
07.03.2003
25.04.2003
08.05.2003
04.06.2003
14.07.2003
07.08.2003
09.09.2003
18.10.2003
11.11.2003
24.12.2003
600
400
K↓, K↑, L↓, L↑, Q* [W m-2]
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
1000
800
600
400
200
0
-200
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 5. Zmienność dobowa bilansu radiacyjnego Q* oraz jego składników (K↓, K↑ - krótkofalowe
słoneczne promieniowanie całkowite oraz odbite, L↓, L↑ - długofalowe promieniowanie zwrotne
atmosfery oraz własne ziemi) w Łodzi w wybranych dniach 2003 roku
Diurnal variability of radiation balance Q* and balance components (K↓, K↑ - total and reflected
solar shortwave radiation, L↓, L↑ - downward and upward longwave radiation)
in Łódź in selected days 2003
QG
400
QH (Ts)
01.01.2003
07.03.2003
02.02.2003
300
QE
QH (Tc)
40
20
25.04.2003
0
-20
200
-40
0
-100
400
04.06.2003
08.05.2003
300
-60
-80
40
14.07.2003
07.08.2003
20
0
-20
200
100
-40
-60
-80
40
0
-100
400
09.09.2003
18.10.2003
11.11.2003
24.12.2003
Q G [W m - 2 ]
QH (Ts), Q H (Tc), QE [W m-2]
100
20
0
-20
300
200
100
-40
-60
0
-100
-80
0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24 0
4
8
12
16
20
24
czas [h]
Rys. 6. Zmienność dobowa strumieni turbulencyjnych ciepła odczuwalnego QH (Ts) i QH (Tc)
(objaśnienia w tekście), utajonego QE oraz strumienia ciepła w gruncie QG w Łodzi w wybranych
dniach 2003 roku
189
Diurnal variability of turbulent fluxes of sensible (QH (Ts), and QH (Tc)) and latent (QE) heat
(explanation in the text) and soil heat flux QG in Łódź in selected days 2003
190
Rysunek 6 przedstawia zmiany wartości strumieni QH, QE i QG dla wybranych przypadków w 2003 roku. Podobnie jak w latach poprzednich wartości
strumienia ciepła jawnego QH cechowały się rytmem dobowym z maksimum w
godzinach południowych. Maksymalne wartości QH w zimie sięgały od 50
W/m2 do 100 W/m2, w lecie natomiast od 350 W/m2 do 400 W/m2 i to aż w
czterech przypadkach (majowy, czerwcowy, lipcowy i sierpniowy) co jest odzwierciedleniem wysokich wartości bilansu radiacyjnego w tych dniach. Przez
większą część doby strumień ten wykazywał wartości dodatnie, jedynie w nocy
notowano nieznacznie ujemne jego wartości. Strumień ciepła utajonego QE osiągał maksymalne wartości w przypadkach letnich (w lipcu odnotowano nawet
około 200 W/m2). Niestety brak jest pomiarów między wrześniem a grudniem.
W zimie obserwowano dodatnie wartości strumienia ciepła w gruncie QG lub
wymiana zahamowana była przez pokrywę śniegu. W przypadkach wiosennych
i letnich strumień QG zmieniał w ciągu dnia znak z dodatniego na wyraźnie
ujemny, tym razem osiągając maksymalną wartość rzędu -50 W/m2.
Rys. 7. Średnie miesięczne przebiegi strumieni turbulencyjnych ciepła odczuwalnego QH, utajonego QE oraz bilansu radiacyjnego Q* w Łodzi w latach 2001 i 2002 (za: O f f e r l e 2003)
Average monthly courses of turbulent fluxes of sensible (QH) and latent (QE) heat and radiation
balance (Q*) in Łódź in the years 2001 and 2002 (source: O f f e r l e 2003)
191
Analizowane pojedyncze przypadki zmienności turbulencyjnych strumieni
ciepła trudno uznać za reprezentatywne dla całych miesięcy, przede wszystkim
ze względu na obserwowany wpływ warunków meteorologicznych panujących
w dniu obserwacji, ale także w okresie poprzedzającym. Konieczne jest zatem
uśrednianie wartości otrzymanych w różnych dniach obserwacji w miesiącu.
Rysunek 7 przedstawia uśrednione wartości bilansu radiacyjnego Q*, strumienia
ciepła jawnego QH oraz utajonego QE w latach 2001 i 2002. Średnie miesięczne
przebiegi strumieni QH i QE ujawniają ich wyraźny rytm dobowy i roczny.
Średnie miesięczne wartości QH zmieniają się od około 50 W/m2 w zimie do
200 W/m2 latem (chociaż występują sytuacje, kiedy wartości te mogą być nawet
dwukrotnie większe) i uzależnione są w bardzo dużym stopniu od zmienności
bilansu radiacyjnego. Charakterystyczną cechą obszarów miejskich jest niższa
wartość QE w stosunku do QH, co jest wywołane zmniejszonym parowaniem w
stosunku do terenów zamiejskich. Właściwość ta nie uwidacznia się tylko w
miesiącach zimowych, kiedy to wartości strumieni są do siebie zbliżone. Cechą
charakterystyczną jest również fakt, że strumień QE nie wykazuje wartości
ujemnych co oznacza przewagę parowania nad kondensacją w mieście. Wartość
QE zbliża się do QH (stosunek Bowena zbliżony do 1) tylko zimą oraz w okresie
z dobrze rozwiniętą roślinnością, z tym, że ma to miejsce nie w kwietniu czy
maju (kiedy następuje szybki rozwój roślinności) lecz w lipcu kiedy drzewa
mają dobrze wykształcone liście.
PODSUMOWANIE
Prowadzone w Łodzi pomiary umożliwiają poznanie składników bilansu energetycznego powierzchni miejskiej, a więc dostarczają wiedzy
na temat radiacyjnej i turbulencyjnej wymiany energii między skomplikowaną geometrycznie powierzchnią miejską a atmosferą. Pomiary wykazały istnienie wyraźnej dobowej i rocznej zmienności strumienia ciepła
jawnego QH, utajonego QE, jak również strumienia ciepłą w gruncie QG.
Zastosowany system pomiarowy pozwala na uzyskanie serii o charakterze ciągłym, co z kolei umożliwia analizę turbulencyjnej wymiany ciepła
nad miastem zarówno w pojedynczych przypadkach, jak również dla
uśrednionych wartości strumieni (w tym przypadku średnich miesięcznych). Precyzyjna metoda pomiarowa, a za taką uznaje się metodę kowariancji wirów, umożliwia podjęcie dalszych badań nad pozostałymi
czynnikami równania bilansu (QF, ΔQS, ΔQA), które do tej pory traktowano jako resztę z równania bilansu zawierającą skumulowaną wartość
błędu.
Pomiary wykonano w ramach grantu NATO nr 977460 oraz grantu NSF
0221105.
192
LITERATURA
C l e u g h H. A., O k e T. R., 1986 – Suburban-Rural Energy Balance Comparisons in Summer for Vancouver, B.C. Boundary Layer Meteorology, 36: 351-369.
F o r t u n i a k K., 2003 – Miejska wyspa ciepła. Podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele numeryczne i statystyczne. Wyd. UŁ, Łódź: 233 s.
F o r t u n i a k K., O f f e r l e B., G r i m m o n d S., O k e T., K ł y s i k K., W i b i g
J., 2001 – A system to observe the urban energy balance: Initial results from winter-time
temperature distribution in Łódź. Ann. UMCS, ser. B, LV/LVI, 19: 167-176.
G r i m m o n d C. S. B., O f f e r l e B. D., H o m J., G o l u b D., 2002 – Observations of
local-scale heat, water, momentum and CO2 fluxes at Cub Hill, Baltimore. Proceedings of 4th
Symposium of the Urban Environment, Norfolk, 19-24.05.2002.
G r i m m o n d C. S. B., O k e T. R., 1995 – Comparison of Heat Fluxes from Summertime
Observations in the Suburbs of Four North Americas Cities. Journal of Applied Meteorology,
vol. 34, no. 4: 875-889.
G r i m m o n d C. S. B., S o u c h C., G r a n t R., H e i s l e r G., 1994 – Local Scale
Energy and Water Exchanges in a Chicago Neighborhood. USDA Forest Service Gen. Tech.
Rep. NE-186: 4-1 – 4-22.
H a m J. M., K n a p p A. K., 1998 – Fluxes of CO2, water vapor and energy from a praire
ecosystem during the seasonal transition from carbon sink to carbon source. Agricultural and
Forest Meteorology, 89: 1-14.
K ł y s i k K., 1998 – Charakterystyka powierzchni miejskich w Łodzi z klimatologicznego
punktu widzenia. Acta Univ. Lodz., Folia Geogr. Physica, 3: 173-185.
L e ś n y J., O l e j n i k J., C h o j n i c k i B. H., E u l e n s t e i n F., 2001 – System
pomiarowy do badania strumieni masy i energii metodą kowariancji wirów. Acta Agrophysica, 57: 69-75.
M o n c r i e f f J. B., M a s s h e d e J. M., de B r u i n H., E l b e r s J., F r i b o r g T.,
H e u s i n k v e l d B., K a b a t P., S c o t t S., S o e g a a r d H., V e r h o e f A.,
1997 – A system to measure surface fluxes of momentum, sensible heat, water vapour and
carbon dioxide. Journal of Hydrology, 188-189: 589-611.
O f f e r l e B., 2003 – The energy balance of an urban area: examining temporal and spatial
variability through measurements, remote sensing and modeling. Indiana University, PhD.
Dissertation: 218 s.
O k e T. R., 1988 – The urban energy balance. Prog. Phys. Geogr., 12: 471-508.
O k e T. R., 1995 – Boundary Layer Climates. Routledge, London – New York: 435 s.
P a s z y ń s k i J., M i a r a K., S k o c z e k J., 1999 – Wymiana energii między atmosferą a
podłożem jako podstawa kartowania topoklimatycznego. Dokumentacja Geograficzna IGiPZ
PAN, Warszawa.
S c h m i d H. P., C l e u g h H. A., G r i m m o n d C. S. B., O k e T. R., 1991 – Spatial
Variability of Energy Fluxes in Suburban Terrain. Boundary Layer Meteorology, 54: 249276.
S c h m i d H. P., G r i m m o n d C. S. B., C r o p l e y F. D., O f f e r l e B., S u H-B.,
2000 – Measurements of CO2 and energy fluxes over a mixed hardwood forest in the midwestern United States. Agricultural and Forest Meteorology, 103: 357-374.
S c h m i d H. P., 1994 – Source areas for scalars and scalar fluxes. Boundary Layer Meteorology, 67: 293-318.
S c h m i d H. P., 1997 – Experimental design for flux measurements: matching scales of observations and fluxes. Agricultural and Forest Meteorology, 87: 179-200.
S p r o k e n - S m i t h R. A., 2002 – Comparison of Summer- and Winter-time Suburban
Energy Fluxes in Chritchurch, New Zealand. International Journal of Climatology, 22: 979992.
V o g t R., C h r i s t e n A., R o t a c h M. W., R o t h M., S a t y a n a r a y a n a A. N.
V., 2003 – Fluxes and profiles of CO2 in the urban roughness sublayer. Fifth International
193
Conference on Urban Climate, 1-5 September 2003, Łódź, Poland. Proceedings, Vol. 1: 321324.
194
Włodzimierz Pawlak, Krzysztof Fortuniak, Kazimierz Kłysik, Joanna Wibig,
Mariusz Siedlecki, Brian D. Offerle, Sue Grimmond
ENERGY BALANCE COMPONENTS MEASUREMENTS
IN ŁÓDŹ IN THE PERIOD 2000-2004
SUMMARY
A b s t r a c t . This paper contains results of energy balance measurements taken in Łódź
since November 2000 as part of a collaboration between the Department of Meteorology and
Climatology and Indiana University (Bloomington, USA). Application of technologically advanced instrumentation which uses the eddy covariance method enabled analysis of characteristic
features of heat exchange in the city (turbulent and radiation).
The variability of sensible QH and latent QE heat fluxes are characterized with a very clear
diurnal rhythm which has maximum values about noon, and lower QE flux than QH values (with
the exception of winter cases). The data series allows the investigation of the annual energy balance components variability. Diurnal and annual variability were observed both based on selected
days with cloudless weather and the monthly average values of energy balance components.
This paper presents energy balance components measurements time series, which were collected since November 2000. The active surface for the radiative energy exchange is a geometrically complicated urban surface. The surface for this analysis can be characterized with a thickness and heat capacity. This layer, which accumulates and loses heat, extends from ground surface to roof and trees tops level and it is called urban canopy layer (UCL). In that case energy
balance equation is given by:
Q * + Q F = Q H + Q E + QG + Δ Q S + Δ Q A
Net all wave radiation ,Q*, and anthropogenic heat flux, QF,, represent energy inputs (when
they are positive). Turbulent fluxes of sensible heat, QH, and latent heat, QE, soil heat flux QG, the
change in heat storage in the UCL, ΔQS, and the net advected flux, ΔQA, are the outputs. QF, ΔQS
and ΔQA are not directly measured, therefore it is necessary to use indirect methods to estimate
them.
Measurement of the radiation balance terms and the soil heat flux are not problematic. Here
the Q* components are measured with CNR1 net radiometer (Kipp&Zonen, Delft Netherlands)
and the net flux is calculated as algebraical sum of the shortwave and longwave components. Soil
heat flux measurements used HFT1 sensors (REBS, USA). Turbulent fluxes of sensible and latent
heat fluxes are calculating with use of eddy covariance method:
QH = ρ c P w'Θ '
QE = ρ l w'q '
195
where ρ denotes air density, cp denotes specific heat of air, w’ denotes fluctuations of vertical
wind speed component, Θ’ denotes potential air temperature fluctuations, l denotes specific heat
of vaporization or sublimation and q’ denotes absolute humidity fluctuations. Eddy covariance
method as distinct from methods applied earlier (like gradient method) is very accurate, because it
doesn’t required any empirical coefficients. However, measurements of the fluctuations of u, v,
w, Θ and q at a 10 Hz frequency are necessary. For these measurements a sonic anemometer
(ATI, USA), thermocouple (Omega, USA) and krypton hygrometer (Campbell Scientific, USA)
were installed on the top of the mast, 37 meters above the ground.
The first analysis was for one clear day from each month of 2001, 2002 and 2003 .The diurnal variability of the radiation components (Fig. 1, 3 and 5), is characterized by the distinct diurnal and annual control of total solar radiation which impacts the radiation balance. Total solar
radiation values reached in the wintertime maximally tens W/m2 (December’s cases) or between
200 W/m2 and 300 W/m2 (January and February cases), whereas in the summertime it was about
900 W/m2. During cloudless nights Q* decreased to about -100 W/m2. At noon Q* values reached
600 W/m2 (summer) and 100 W/m2 (winter).
Figures 2, 4 and 6 shows variation of the QH, QE and QG fluxes in the same selected cases in
2001, 2002 and 2003. The values of QH have maximum values about noon which reached 100
W/m2 in the wintertime and 400 W/m2 in summer. Latent heat flux QE reached lower values than
QH, with maximum values in summer cases (about 100-150 W/m2). Soil heat flux QG in winter
cases was positive or heat exchange was stopped by snow cover. In the spring and summer cases,
soil heat flux changed values from positive at night to negative during the day, with maximum
value -80 W/m2.
Using the singular cases of turbulent heat fluxes it is hard to determine the variability of representativeness for whole months. This is because of the influence of meteorological conditions
(in the day of measurement and in the period preceding it) on flux values. It is necessary to calculate mean values for longer periods (e.g. month). Figure 7 shows the monthly mean of radiation,
sensible and latent heat fluxes in 2001 and 2002. Variability of monthly QH and QE means shows
distinct diurnal and annual rhythm with maximum at noon (between 50 W/m2 in winter and 200
W/m2 in summer). Means values are strongly connected with radiation balance variability. A
characteristic feature of the urban area is lower latent than sensible heat fluxes, which is due to
reduced transpiration in relation to rural terrain. That feature doesn’t occur in winter, when fluxes
values are similar. Latent heat flux QE does not have negative values (in the mean) because there
is little condensation in the city. QE is similar to QH during the period of intensive growth of
vegetation but not in April or May. This situation occurs in the beginning of summer when the
trees have got the most green leaves.
The measurements collected in Łódź allow analysis of urban area energy balance components and provide knowledge about radiation and turbulent energy exchange between geometrically complicated urban surface and atmosphere. This exchange is characterized by clear diurnal
and annual variability of radiation balance Q* sensible heat flux QH, latent heat flux QE and soil
heat flux. Moreover, precise measurement method (like eddy covariance method), allow investigations of the other urban energy balance components (QF, ΔQS, ΔQA), which so far was treated as
a balance equation remainder containing cumulative value of error.
This work base on the data collected in experiment supported by NSF 0095284 and
NATO 977460.