Klimat Polski na tle klimatu Europy

Klimat Polski na tle klimatu Europy
Zmiany i ich konsekwencje
EkstremaIne wartości turbulencyjnego
strumienia dwutlenku Węgla netto
w centrum Łodzi na tle Warunków
meteorolog icznych
Extreme values of turbulent carbon dioxide net flux
in the center of Lódź against the background
of meteorological conditions
Włodzimierz PawIak
Katedra Meteorologii i Klimatologii, Uniwersytet Łódzki
Streszczenie: Ciągłe pomiary pionowego turbulencyjnego strumienia dwutlenku
węgla netto Ęo, prowadzone są W zachodniej częścicentrumŁodzi od lipca 2006
roku. Wyniki wskazują na dominację transportu Co' od powierzchni czynnej do atmosfery orazna istnienie wyraźnego roczne8o rytmu tego strumienia z maksimum
w zimie (rzędu 30_40 pmol'm'.s') i minimum w lecie (0_10 pmol.m'.s'). Taką
zmiennośĆF, o' można wytlumaczy Ć sezonowymi zmianami emisj i dwutl enku wę gl a
o charakterze antropogenicznymi naturalnym. celem niniejszego opracowania jest
prezentacja przypadkow kształtowania się ekstremalnie wysokich i niskich wartości
pionowego turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto na terenie zurbaniZowanym na tle panujących warunków meteorologicznych.
Słowa kluczowe: dwutlenek węgla, metoda kowariancyjna, obszar żródłowy, klimat
miasta, teren zurbani zow any
summary: continuous measurements of vertical turbulent carbon dioxide net flux
Ąn, are carried out in the west part of Łódź centre since July 2006. Results show
domination of upward co, transport from the active surface to the atmosphere. Distinct annual course of Ę., flux with wintertime maximum (of the order of 30-40
pmol.m't's') and summertime minimum (0-10 pmol.m'.st; is also clearly visible.
Such Ęo, variability can be explained by seasonal changes ofanthropogenic and natura1 carbon dioxide emission. The aim of this work is the presentation of extremely
high and low vertical turbulent carbon dioxide net flux values occurrence on the urban terrain against the background ofmeteorological conditions.
Key words: carbon dioxide, covariance method, source area, urban climate, urban
terrain
16Ą
Wlodzimierz Pawlak
Wstęp
Zagadnienie obiegu dwutlenku węgla w środowiskujest jednym z najszerzej dyskutowanych obecnie problemów klimatologicznych. Gaz ten w wyniku asymilacji
przez roś7inypodczas fotosyntezy bierze udział, w produkcji biomasy. Jest równiez
gazem cieplarnianym, który pomimo śladowejilościw atmosferze, znacząco wpływa na bilans radiacy1ny kuli ziemskiej. Jego StęZenie jest od wielu lat monitorowane, przy czy.rn pomiary w1kazująutrzymującą się tendencję wzrostową zawartości
w powietrzu atmosferycznym (IPCC 2oo7). Coraz większa w ostatnich latach dostępno śćpr zy r ządow umożliwi aj ących stosow anie zaaw ansowanych technik pomiarowych (jak wykorzystana w tym opracowaniu metoda kowariancji wirów)
spowodowa|a wzrost zainteresowania problemem pomiarów intensyrvności turbulenryjnej wymiany dwutlenku węgla pomiędzy ziemią i atmosferą. Jednym z
czynników determinujących intensyrvność tej wymiany jest sposób użytkowania
ziem| W sezonie ciepłym na terenach naturalnych lub rolniczych pokrytych roślinnościądominacja procesów biologicznych, takich jak oddychanie roślin oraz fotosynteza, powoduje, że pochłanianie Co2 przeważanad jego emisją (Baldocchi i in.
2000, Schmid i in. 2000). W chłodnej części roku, kiedy procesy biologiczne słabną
lub zanikają, pionowa wymiana dwutIenku węglawyraźnie traci na intensywności.
Na terenach zurbanizowanych, gdzie nad obszarami pokrytymi roślinnościąprzeważająróznego rodzaju powierzchnie sztuczne, procesy biologiczne w zdecydowanie mniejszym stopniu determinują wymianę Co2. Decydujący wpłyrv na zmiennośĆi kierunek strumienia Fcoz' W mieście ma natomiast obecnośćdwutlenku
węgla pochodzenia antropogeniCznego. Emisja tego gazu na terenach miejskich
jest szczególnie silna w sezonie zimowym, co jest konsekwencją spalania paliw kopalnych podczas ogrzewania mieszkań i domów oraz ruchu samochodowego
(Grimmond i in. 2002, Nemitz t in. 2002, Moriwaki, Kanda 2004, Gratani, Varone
2005, Coutts i in. Ż0o7, Vesala i in. 2008, Pawlak i in. 2009). W sezonie letnim
emisja antropogeniczna jest wyraźnie mniejsza (mieszkania nie są ogrzewane,
ruch samochodowy jest mniejszy, zwłaszcza w wakacje) oraz w pewnym stopniu
równoważonaprzez pochłanianie dwutlenku węglaprzez rośliny(Grimmond i in.
Ż002, Moriwaki, Kanda 2oo4,Yesala i in. 2008, Pawlak i in. 2009).
Mimo faktu, że miasta sąznaczącYmi źródłamidwutlenku węgla dla atmosfery
długie, co najmniej kilkuletnie serie pomiarowe zmienności strumienia F.o, wcip
należą do rzadkości (Grimmond i in. 2oo2, Nemitz i in. 2002, Velasco i in. 2005,
Vogt i in. 2006, Coutts i in.2007 , Pawlak i in. 2009). Pomiary strumieni turbulencyjnych masy i energii są prowadzone w Łodzi od listopada 2000 roku (Fortuniak
2003, offerle i in. 2003, Pawlak iin.Ż004, offerle i in. 2005, Pawlak i in. 2005, Fortuniak i in. 2006, Offerle i in. 2006a, b, Pawlak iin.2007, Fortuniak i in. 2008, Paw-
laki in.2009, Fortuniak2010). Ciągłepomiarypionowego strumieniaturbulencyjnego dwutlenku węgla netto rozpoCzęto w centrum Łodzi w lipcu 2006 roku i są
one prowadzone do dziś.
Pomiary Ęo, wykonyrłanew Łodzi potwierdzają istnienie opisanego vvyże1 rytmu rocznego tego strumienia. Wynika z nich równiez, że specyficzne warunki pogodowe sprzyjająkształtowaniu się strumieniaĘo, znacznieprzekraczającego war-
Ekstremalne wartościturbulencyjnego strumienia dwutlenku WęgIa netto w centrum
Łodzi...
165
tości przyjęte Za maksymalne. Celem pracy jest przedstawienie przykładów takich
właśnieepizodów oraz charakterystyka warunków meteorologi cznych im towarzyszących. Ponadto w pracy zaprezentowano typowe przl,padki, kiedy strumień
F ,o, osiągał bardzo małe wartości świadczące o zaniku bądź równoważeniu Się !vymiany turbulencyjnej dwutlenku węglamiędzy powierzchnią miejską a atmosferą.
obszar badań
Punkt pomiarowy turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto jest zlokalizowany w zachodniej części centrum Łodzi (5l"45'45''N, I9"26'43,,E, 2o4 m
n.p.m.) przy uI. Lipowej 81 (rys. 1). Badana częśćmiasta, podobnie jak całe centrum, charakteryzuje się równomierną, bardzo gęStą zabudową o wysokości nie
przekraczającej 15-20 m. Wśród budynków dominują kamienice zbudowane w
XX
wieku, zktorych większość ogrzewana jest węglem lub koksem w przydomowych
kotłowniach. otoczenie centrum to dzielnice przemysłowe oraz powstałe * d.,'giej połowie XX wieku nowe dzielnice cztero- lub dziesięciopiętrowych bloków
Rys. 1. Zdjęcie lotnicze centrum Łodzi (białąkropką oznaczono punkt pomiarowy przy ul.
. Lipowej)
Zr ódło : www.modgi k.lodz.pl.
Fig. 1. Aeria1 photo of the centre of
Street)
Source: www.modgik.lodz.pl
Łódź (white dot indicates measurement point at Lipowa
Włodzimierz Pawlak
mieszkaniowych. w promieniu 500 m od punktu pomiarowego dominuje równomierna gęstośćzabudowy oraz powierzchnie sztuczne (budynki, ulice, chodniki
itd.), które stanowią 5o_7oTo całej powierzchni, natomiast 30To wszystkich płaskich powierzchni stanowią dachy (Kłysik 1998). Budynki zbudowane są głównie z
betonu lub cegieł i najczęściejprzykryte są płaskimi lub lekko nachylonymi dachami pokrytymi smołą Iub, rzadziej, blachą. Ulice i chodniki pokryte są asfaltem,
kostką lub płytami betonowymi. Roślinnośczajmu1e mniej niż 40% powierzchni
(Kłysik 1998), przy Czym w najbliższym otoczeniu punktu pomiarowego brak
zwartych kompleksow roślinności,która jest rozproszona między budynkami i
Wewnątrz kanionów ulicznych. Drzewa, głównie liściaste, o wysokościod 8 do 15
m, występują jedynie na 7oTo wszystkich powierzchni (Kłysik 1998).
Obszary połozone nieco dalej od punktu pomiarowego (od 1000 do 1500 m)
charakteryzują się asymetriązabudol+ry pomiędzy częściąwschodnią azachodnią
(rys. 1). sztuczne powierzchnie pokrywają około 80% częściwschodniej, podczas
gdy w częścizachodniej odsetek ten stanowi 55To (Kłysik 1998). Niedaleko od
punktu pomiarowego znajdująsię dwa parki: park Poniatowskiego połozonyw odległości-900 m w kierunku południowym oraz parkZdrowie połozony na zachodzie w odległości-1700 m.
Średnia wysokośc budynków w odległościnie przekraczającej 500 m od punktu
pomiarowego została oszacowana na 11 m (offerle 2003). Jedynym elementem
wyrażnie przewyższającym otaczającą zabudowę jest nowy blok mieszkalny wybudowany - 180 m na zachód od punktu pomiarowego. System pomiarowy zainstalowany jest na szczycie 2O-metrowego masztu zbudowanego na 17-metrowym budynku (rys.2,l"o,ry), którego wysokość nie wyróżnia się zbytnio na tle otoczenia.
Poziom pomiarów rzędu 37 m ponad dwukrotnie przev,ryższający średnią wysokośćzabudovny pozwala na przyjęcie za|'ożenia, ze intensyrvnośćturbulencyjnej
wym i any C o, mi ędzy
p
ow i er z chnią czy nną a atmo
s
ferą mi erz on
aj
e s
t
p
owy żej w
ar -
stwy tarcia (Grimmond, oke 1 999). Duża wysokośćpomiarów powoduje, że czujniki pomiarowe rejestrują zmiennośćstrumienia Ęo, uśrednionego dla pewnej po-
wierzchni. średniobszar żródłov"ry czujników turbulencyjnej wymiany masy i
energii zainstalowanychprzy uL Lipowej 8I (przy P : 90To) zostaŁ oszacowany dla
chwiejnej stratyfikacji atmosfery przezFortuniaka (2009) i stanowi onw przybliżeniu okrąg o średnicy 1 km. W przypadku stratyfikacji obojętnej lub stałej obszar ten
może byĆ zdecydowanie większy i obejmować parki na południu i zachodzie. W
dalszej częścipracy przedstawiono rejony Żrodłowe oszacowane dla badanych
przypadków wystąpienia ekstremalnych wartości Ęo, (rys. 6). obszar źródłov'ry
czujników promieniowania na tym Samym poziomie prawdopodobieństwa stanowi okrąg o średnicy Ż2o m (Fortuniak 2010).
Metoda pomiarowa
Do pomiarów intensywności turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla netto nad
opisaną częściącentrumŁodzt zast'osowano metodę kowariancji wirów (ang. eddy
covariance). System pomiarowy zainstalowano około 1 m ponizej szczYtu masztu
Ekstremalne waftościturbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto w centrum Lodzt
na ramieniu wysuniętym na 1 m od osi masztu (rys. Ż, prav'ry). Teoretyczne podsta-
wy metody (Lee i in. Żoo4,Fortuniak 2010) zakładają, ze turbulenryjny Strumień
masy stanowi kowariancja fluktuacji pionowej prędkości wiatru oraz fluktuacji stężenia mierzonej wielkości. Zgodnie z powyższym założeniem pionowy strumień
dwutlenku węgla wyznaczono za pomocą zalezności
F.or:*VCOi,
(1)
!
I
I
gdzie:
F.o, 'pionowy turbulencyjny strumień dwutlenku węgla netto (pmol'm '.s '),
w'- fluktuacje pionowej prędkości wiatru (m's'),
PCo, _ fluktuacje stężenia dwutlenku węgla (mol.m 3).
Strumień pozytywny oznaczapionowy transport Co, do góry (przewaga emisji
od powierzchni czynnej do atmosfery), podczas gdy strumień ujemny oznacza
strumień skierowany w dół, czyli absorpcję dwutlenku węg7a przez powierzchnię
Czynną. Pomimo proStoty powyższe1zależnościmetodyka pomiaru jest skomplikowana i wymaga spełnienia szerokiego wachlarza kryteriów. Nalezą do nich na
przykład wspomniana wcześniej duza wysokość instalacji zestawu pomiarowego,
duza częstotliwość pomiaru rzędu 10 lub więcej Hz, odpowiednia długośĆprzedzia|u uśredniania danych, Szereg poprawek koniecznych zewzględu na odległość
między przyrządami czy zmiany gęstościdwutlenku węgla w powietrzu, dokładna
2. Maszt przy uI. Lipowej (lewe zdjęcie) oraz przyrządy pomiarowe strumienia dwutlenku węgla (prawe zdjęcie). Fot. W. Paw]ak
:is. 2. Tower at the Lipowa Street (1eft photo) and carbon dioxide flux measurement set
(right photo). Phot. \\{ Pawlak
R.r,'s.
168
Włodzimierz Pawlak
procedura oceny danych i eliminacji wartości błędnych Czy ocena stacjonarności
uzyskanych wyników Problematyka kryteriów koniecznych do spełnienia prawidłowościpomiaru strumienia turbulencyjnego metodą kowariancji wirów jest
dyskutowana w literaturze światowejod co najmniej kilkudziesięciu lat' W pol_
skiej literaturze problemu szczegółowe teoretyczne podstawy metody kowariancji
wirów opisał Fortuniak (2010).
Fluktuacje w' oraz pCo,' mierzone są z częstotliwością70 Hz za pomocą anemomerru sonicznego RMYoung 81000 (RMYoung, USA) oraz podczerwonego
analizatoragazowego Co,/H,oLi7500 (Li-coł USA) (rys.2,prav'ry). obaczujniki
podłączone są do dataloggeraŻIX firmy Campbell Scientific (USA), a dane zapo'
mocą portu RS232 gromadzone są w komputerze PC w postaci 1S-minutowych plików. Krótko- i długofalowe składniki bilansu radiacyjnego mierzone są za pomocą
bilansomierza CNR1 (Kipp&Zonen, Holandia) i rejestrowane ptzez datalogger
cR1OX (CampbellScientific, USA) jako 1-minutowe średnie.Bilans radiacyjny jest
następnie obliczanyjako algebraiczna suma zmierzonych składników. Dodatkowe
czujniki mierzą zmiennośćpodstawowych elementów meteorologicznych, takich
jak wilgotnośĆ i temperatura powietrza (sonda HMP 45C, Vaisala, Finlandia), ciś-
nienie atmosferyczne (CS1OO, CampbellScientific, UsA), kierunek (W200Ę Vector Instruments, USA) i prędkośćwiatru (AR100R, Vector Instruments, USA). Ich
wartości zapisywane są jako 10-minutowe średnie.
W badanym przypadku zastosowano T-godztnny przedział uśredniania danych.
Krótsze przedziały, rzędu \5 minut, wydająsię dawać niedoszacowane oraz niezb1t
stabilne wyniki. Przed przystąpieniem do właściwego obliczania Strumieni wyeliminowano dane w' oraz pCo,' o nierzeczywistych wartościach (ang. 'spike detection', Vickers, Mahrt t997). Ponadto zastosowano podwójną rotację układu
współrzędnych wiatru (Kaimal, Finnigan 1994) oraz maks;'malizację kowariancji
w przedziale +/-2 s konieczną zeuwagi na odległośćmiędzy anemometrem a analizatorem gazowym (Fortuniak 2010). Ponadto uwzględniono poprawki na temperaturę anemometru sonicznego (Schotanus i in. 1983) oraz poprawkę WPL na
zmiany stęzenia dwutlenku węgla w powietrzu (Webb i in. 1980). Po przeprowadzeniu obliczeń dla całego okresu badawczego lipiec 2006_marzec 2010 za pomocą
trzechtestów zweryfikowano wyniki w celu zachowaniapostulatu o stacjonarności
Szeregu (Fortuniak 2010). Dane były odrzucane, jezeli wszystkietrzy testy Sugerowały ich niestacjonarność. Całkowity odsetek danych brakujących lub odrzuconych
Stanowi -36To, przy Czym 9Vo związane było ze stwierdzoną niestacjonarnością, a
Ż7Tobyło efektem przerw w dostawie prądu oraz opadów lub osadów atmosferycznych, które uniemożliwiają prawidłowy pomiar przez anemometr soniczny i anali-
zatot gazovry.
Rezultaty
Na rysunku 3 przedstawiono zmiennośćjednogodzinnych średnich wartości bilansu radiacyjnego Q*, temperatury powietrza T otaz strumienia Fę62 między lipcem
2006 a marcem 2010 roku na punkcie pomiarowym przy uI. Lipowej 81 w Łodzi.
Ekstremalne wartościturbulencyjnego strumienia dwutlenku WęgIa netto w centrum
Łodzi''.
169
F662 w badanym
okresie jest zdecydowanaprzewagajego wartości dodatnich, co oznacza, żebadana
częśćcentrumŁodzi intens1rvnie emituje dwutlenek węgla do atmosfery. Ponadto
zmiennośćF.o, potwierdza występowanie znanego z literatury rocznego rytmu pionowej turbulencyjnej wymiany dwutlenku węgla między gęsto zabudowaną powierzchnią miejską a atmosferą. Rytm ten jest w przybIiżeniu odwrotny do zmiennościtemperatury powietrza i charakteryzuje się maksimum w zimie (rzędu 30 40
pmol.m_2.s 1) oraz minimum w lecie (0-10 pmol.m 2's 1). Maksymalne wartościFcoz
obserwowane sązawsze w dzień, zewzględu na dobrze rozwiniętą turbulencję.
opisana zmiennośĆ rocznaF,n,jest, jak wspomniano wcześniej, tylko pośrednio
związana z rocznym rytmem temperatury powietrza. Strumień dwutlenku węg1a
na terenie miejskim jest bowiem determinowany przede wszystkim przez antropogeniczne źródła CO, takie jak spalanie paliw kopalnych podczas ogrzewania
mieszkań i w ruchu samochodowym, których intensywnośćjest efektem między
innymi zmian temperatury powietrza. Antropogeniczne źródIa najwięcej CO, dostarczajądo powietrza miejskiego w zimie (Kłysik 1996, Nemitziin.Żoo2, Gratami, Varone 2005, offerle i in. 2005, Vesala i in. 2008). W lecie ich intensyr,łrnośćza-
Najważniejszą CeChą charakterystyczną zmienności Strumienia
800
T
o'ż
.g *
Ii
a^,
6g
3o
200ó
2a
2009
3010
OUU
400
:oo
-t00
k-u#
Ę**#
:l)
D
>ai
2ł08
*
tł{
.t)
ó0
;
4ł
30
10
0
-t0
3
E
{
\E
I
N
-ztj
50
10
co
JE
E;*
o:
trĘ
Ł-
30
}Ą
JO
0
-10
9!r*z;-
;3FćXEH
Rys. 3. Zmiennośćbilansu radiacy-jnego Q*, temperatury powietrza T oraz turbulencyjnego
strumienia dwutlenku węglaFro, w okresie od lipca 2006 do marca 2010 roku (wszyst_
kie wartościto jednogodzinne średnie, strzałki a_d obrazują omawiane przypadki eks-
tremalnych wartości F.n')
Fig. 3. Variability of radiation balance Q*, air temperature ?l and turbulent flux of carbon dioxide F.o, in the periodJuly 2006-March 2010 (a11 values are 1-hour means, arrows a-d
indicates described cases ofF.n, extreme vaiues)
Włc:dzimierz Pawlak
110
nika (brak ogrzewania mieszkań) lub wyraźnie traci fla znaczeniu (wakacyjne
obniżenie intensywnościruchu samochodowego). Istotny wpływ na letnie obniżenie się intens}rvności wymiany dwutlenku węgla na badanym terenie ma pojawienie się procesów biologicznych, z których najwazniejsze jest pochłanianie dwutlenku węglaprzez roślinyw ciągu dnia podczas fotosyntezy.
Z przeprowadzonych w Łodzt pomiarów turbulenryjnego strumienia dwutlenku węgla wynika, że zdarzają się sytuacje, kiedy wartośC Fro,wyraźnie przekracza
typowe zimowe maksymaIne wartości rzędu 3O_4o pmol'm ''s ' lub wartościmaksymalne w danej porze roku. Taka sytuacja miała chociażby miejsce w pierwszych
dniach stycznia 2008 roku (rys.4, Iewy,przypadek,,a" na rys. 3). Ostatnie dni
grudnia 2007 roku były stosunkowo ciepłe, napłyrvowi powietrzaz sektora SW odpowiadały temperatury powietrza od -5"C do O"C w ciągu dnia. Przełomowi roku
towarzyszył,azmianakierunku napływu powietrza nad sektor E i SE, co spowodował'o wyraźne obnizenie temperatury powietrza oraz zadecydowało o tym' że obszar źródłowy czujników obejmował gęsto zabudowane otoczenie punktu pomiarowego, jak równiez fragment ul. Mickiewicza będącej jedną z głownych arterii
komunikacyjnych miasta (rys. 6a). Między 2 a 5 stycznia temperatura powietrza
była niższa od _5"C a minimalne odnotowane wartości sięgnęły _15'C. Strumień
+ał
s
*
€3
F
'* ir
g*
Ć
*{/*
}'',r', * *y
--- {},,
sT
,t*
,r*e'
kienrłekwialru
pe$łł*e wi*tru
ał':
:łł
rr:
ł
9a
70{2 d,t ói]0a
-.
suo94a
m!i
l{ll r es
:fi)E aq
1B{'# €,;
5
Ę: P- il
E dP .).
P:L
t
-r5
710
:A? B
::
Ba
.
+
-.! :
tÓ
-lo0
!c :" €
I -:l[j ?,,
są
'ai-j
=
"i:
1*E=
tso !
qo 'PŁ
oŁ
tl 6 1?1*!4 ó l: l$:ł ó i:1ś:ł 6 t: ls:iłÓ .} 13 1s:4 Ą ,:1834 ri 12 l82,a b l] t834
[$odr'ńy]
[god*i*y]
Rys. 4. Jednogodzinne średnie wartościstrumienia dwutlenku węgla Fror, bilansu radiacy1nego Q*' strumieni ciepła jawnego Q,, i utajonego Q., temperatury powietrzaT orazkjerunku i prędkości wiatru w wybranych dniach stycznia 2008 i listopada 2009 roku
Fig. 4. One-hour mean values of carbon dioxide flux F.or, radiation balance Q*, fluxes ot
sensible Q" md latent Qu heat, air temperature I wind speed and direction in selectec
days ofJanuary 2008 and November 2009
Ekstremalne wartościturbulencyjnego strumienia dwutlenku Węgla netto w centrum Łodzi''
ciepła jawnego Q' był Stosunkowo wysoki jak na tę porę roku i przewyzszałwartośĆ
bilansu radiacyjnego Q*. Taka sytuacja świadczy o silnej emisji ciepła antropoge-
nicznego zwl'ązanego z ogrzewaniem mieszkań przez cała dobę (Kłysik 1996'
offerle i in. 2005), czemu towarzyszyła intensywna emisja antropogenicznego Co.
oraz wzrost strumienia Ęu, do 60 pmol'm'.s ' 3 stycznia po południu. Dodatkowym czynnikiem kształtującym wzrost F r,.rbyła równiez emisja CO.zwlązana z ruchem samochodowym. Niskiej temperaturze powietrza towarzyszy wtedy dużaliczba korków i wolne przemieszczanie się pojazdow emitujących duze ilościCo, do atmosfery, czemu możnarownieżprzypisaĆfakt,że maksyrnalne wartości3l,4 su1cznia
wystąpiły w trakcie popołudniowego szczwu komunikaryjnego. W kolejnych dniach
Stycznia nastąpił wzrost temperatury powtetrza oraz obniżenie wartościĘu,.
Warunki pogodowe mogą wymusić wzrost F.n, nie tylko w czasie ztmy (rys. 4,
prawy' przypadek ,,b" narys. 3). W ostatnich dniach październikaL)}9 napływowi
powietrza z sektora NW towarzyszyły temperatury od 0"C do 10'C. W pierwszych
dniach listopada napływ powietrza zmienił się na południowy
i
południo-
wo-wschodni, co spowodowało wyraźne obniżenie temperatury powietrza orazzadecydowało o tym' ze, podobnie jak w poprzednim przypadku, obszar źrodłowy
czujników obejmował gęsto zabudowane otoczenie punktu pomiarowego oraz
*(]*
* I|'.z;: -'Q,,
*- a}r.
?ił
({]1 :{JÓd 0?
l
6
k1"
.# łierrn*Łrvjatru
**e pędkeśćrr'i*ltł
Żłr}r.fi.?'r'ł }{)i].]'o:
]* :*łł'$7'l'i :ł{r'.l1':? :!i}q'i'.3* :tf* i!':9
:{1ł*'11.jÓ
{łl j
;i
1..l
,;ł
-fę,ęu.ł{ *€*J-"ą"ąą
:
rol
ł;l|:
6Al) L n!
iorl ł 'E l
{tru: Łś
]ł,J ; !':
-łoź !Ż
lł-}{r .i 8 Ę
{lt':"b 9 Ą-lui):- - -
z?
-:oł .:!
jU
3'
1t
j*
! ż;v
>ź| lfi
*0
1
lvi
joo ź
."-s
y.:{,
BĘ l
..xl
>v
{i*
*Ł
l] l*:ł '! t: tłt.]'l {. }J lt Jł n l: }tl :-'
l&:,1 6 t: tsj4 łr l: l:i:ł (}
'
l*'*/lry]
': 1garlziłłi
dwutlenku
węgla F.or, bi1ansu radiacyjRys. 5. Jednogodzinne średnie wartościstrumienia
nego Q*, strumieni ciepła jawnego Qr'' i utajonego Qo, temperatury powietrzaT orazkierunku i prędkości wiatru w wybranych dniach lipca 2006 i listopada 2009 roku
Fig. 5. One-hour mean values of carbon dioxide flux F6p2, radiation balance Q*, fluxes of
sensible Q, and latent Qu heat, air temperature I wind speed and direction in selected
days ofJuly 2006 and November 2009
a}
6 t2 t8:4 *
Wlodzimierz Pawlł,
11)
fragment ul. Mickiewicza (rys.6b). Między 1 a 4 listopada temperatura powietrza
byłaniższaniz O'C, a minimalne odnotowane wartościsięgnęły -5'C. Spadek tem_
peratury w1łvołałintensywną emisję antropogeniCznego Cororaz wzrost strumienia F.o' do ponad 30 pmol.m '.s ' 3 listopada po południu. Równieżw tymprzypaĆ'
ku maksymalne wartośCi F,,o, odnotowano w godzinach popołudniowych, cc
świadczyo istotnym wpłyrvie ruchu samochodowego na kształtowanie się F.o, r'.
mieście. W kolejnych dniach listopada nastąpił wzrost temperatury powietrza orr
obniżenie WartościFcor.
Sezon letni nie jest okresem sprzyjającym intensyrvnej turbulencyjnej wymianie netto dwutlenku węgla. Pomiędzy 16 a 19 lipca 2006 roku temperatura powie trzaniezależnie od pory doby byŁawyższaniz 10"C (rys' 5, Iewy, przypadek,,c'' n.
rys. 3). Napłyrv powietrza Z Sektora północnego spowodował, że obszar źrodłolr-,
a) 2^5.41.2008
b) 1-4.11.2009
Rys. 6. obszary źródłowe na poziomach P :25To, 5oTo, 75To i 907o średnich strumieni tu:-
bulencyjnych F.o, mierzonych podczas stratyfikacji chwiejnej w godzinach 10-14
dniach 2_5 styczttiaŻOo8 (a), 1_4listopada2009 (b)' 16_191ipca2006 (c) oraz 274aI.'
stopada2009 (d) naposterunkupomiarowym przyuI. Lipowej 81wŁodzi.Kołanaryscwane linią przerywanąobrazlĄą odległośĆ250 i 500 m od punktu pomiarowego
Fig. 6. Source areas at P : P :25Vo,5OTo,75Vo i 907o calculated for turbulentF.o, fluxe.
measured at 1o am _ Ż p^ measured during unstable stratification in the periods 2__'
January2008 (a),|aNovember2009 (b), 16_19January2006 (c) andŻ7-3o November
2oo9 (d) inŁódż at Lipowa 81 measurement station. Dotted line circles indicates 25C '
500 m distance from the measurement point
.,,
Ekstremalne wartości turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto w centrum
Łodzi'.'
113
czujników obejmował gęSto zabudowany fragment centrum Łodzi położony na
północ od punktu pomiarowego (rys. 6c). Brak ogrzewania mieszkań oraz obnizona w okresie wakacyjnym intensywność ruchu samochodowego przyczyniły się do
tego, że turbulencyjna wymiana netto dwutlenku węgla była bardzo niska i nie
ptzekraczała w badanym okresie 15 pmol.m'.s '. Dodatkowym czynnikiem redukującym wartośćF.n, było pochłanianie dwutlenku węgla przez rośliny rozproszone w kanionach ulicznych. Nalezy podkreślić,że wartości F,,,,rzędu 0_10 pmol.m-'.s ' są obserwowane w ciągu całego Lata, a ich podwyższenie odnotowane jest
jedynie w przypadku napłyr'vu powietrza z sektora S lub SE. obszar Ż.ródłowy czujników obejmuje wtedy dwie wazne arterie komunikacyjne, czyli ul. Zeromskiego i
Mickiewicza.
Zdecydowanie rzadszym przypadkiem jest mało intensyrvna turbulencyjna wymiana dwutlenku węgla w chłodnej częściroku. Pomiędzy 27 a 30listopada 2009
roku temperatlra powietrza ntezależnte od pory doby była wyższa niż 3"C
osiągałamaksymalnewartościrzędu 10'C (rys.5, praw,przypadek ,,d" narys.3).
1
Napłyrv powietrza z sektora południowego spowodował, że obszar fuódlowy czujników obejmował gęsto zabudowany fragment centrum Łodzi ale nie sięgał do największych arterii komunikacyjnych w tym rejonie (rys. 6d). Prawdopodobne
zmniejszenie intensyrvnościogrzewania mieszkań skutkowało tym, ze turbulencyjna wymiana netto dwutlenku węgla była niska, maksymalnie rzędu 15 trrmol.m '.s '. Na początku grudnia nastąpił spadek temperatury powietrza oraz wzrost
wartości F.,,'.
Podsumowanie
Z pomiarów pionowego turbulencyjnego strumienia dwutlenku węgla netto przeprowadzonych w centrum Łodzi od lipca 2006 do marca 2010 roku wynika, że ekstremalnie wysokie wartości F.o' pojawiają się zdecydowanie rzadziej niz minimalne. Dni charakteryzujące się niewielką wymianą turbulencyjną dwutlenku węgla
występują się w całym okresie letnim i są związane z niewielkim oddziaływaniem
antropogenicznych źrodełCoz. Z kolei epizody z bardzo wysokimi wartościami
Ę;o: obserwowane są relatywnie rzadko i towarzyszązawsze wyraźnemu spadkowi
temperatury powietrza. Na podwyższenie obserwowanego F69, ma równiez wpływ
kierunek wiatru, który decyduje o tym, jaka częścbadanej powierzchni miasta stanowi obszar źródłovłydla systemu pomiarowego. W opisanych przypadkach (2_5
stycznia 2008 i 1_4 listopadaŻoo9) dobowa emisja dwutlenku węgla sięgała odpowiednio 95i73 g.m 2.d 1ibył'aokołotrzykrotniewiększaodśredniejdobowejemi-
sjiwstyczniuilipcu.
Badania przeprowadzono w ramach projektow badawczych
N N306
276935
oraz N N306 519638 finansowanychprzez Ministerstwo Nauki i SzkolnictwaWyższego ze środków na naukę w latach 2o08_z0l3.
174
Wlodzimierz Pawlar
Literatura
Baldocchi D., FinniganJ., Wilson K., Paw U.K.T., Falge E. 2000. On measurements net ecosystem carbon exchange over tal1 vegetation on compiex terrain. Boundary Layer Mete-
orology,96l 257-29I.
Coutts A.M., Beringer J., Tapper NJ. 2007. Characteristics influencing the variability o:
urban CO. fluxes in Melbourne, Australia. Atmospheric Environment, 41': 5)'-62Fortuniak K. 2oo3. Miejska wyspa ciepła. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego ' Łódź'
Fortuniak K. 2009. Funkcja śladui obszar źródłowystrumieni turbulencyjnych - podstarr-'
teoretyczne i porównanie wybranych algorytmów na przykładzie Łodzi. Prace Geos:
IGiGP UJ' 722:9_ŻŻ.
Fortuniak K. 2010. Radiacyjne i turbulencyjne składniki bilansu cieplnego terenów zurbar..zowanych na pr zykładzie Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkie g o, Łó dź.
Fortuniak K., Kłysik K., Siedlecki M. 2006. New measurements of the energy balance co::'
ponents in Łódż. Proceedings of 6th International Conference on Urban Climate. :
64-67.
Fortuniak K., Grimmond C.S.B., Offerle B., Pawlak W., Siedlecki M. 2008. Singularitles :'
turbulent urban heat fluxes in Łódż.W: K. Kłysik' K. Fortuniak, J. wibig (red.), Klima.
bioklimat miast. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego, ŁódŹ.
Gratani L., Varone L. ZOO5. Daily and seasonal variation of CO, in the city of Rome in re .tionship with the traffic volume. Atmospheric Environment' 39:261'9_Ż624.
Grimmond C.S.B., Oke T.R. 1999. Aerodynamic properties of urban areas derived from a:.lysis of surface form. Journal of Applied Meteorology, 38 1Ż62_7Ż9Ż.
Grimmond C.S.B., King T.S., Cropley F.D., Nowak DJ., Souch C. 2002. Local-scale fluxes : '
carbon dioxide in urban environments: methodological challenges and results from C '
cago. Environmental Pollution, 116 Ż43_254.
IPCC. Żo07.IV IPCC Report.
Kaimal J.C., FinniganIJ. 1.994. Atmospheric Boundary Layer Flows: Their Structure -:
Measurement. Oxford University Press, New York.
Kłysik K. 1996. Spatial and seasonal distribution of anthropogenic heat emission in L;'_Poland. Atmospheric Environment, 30: 3397 -3404.
Kłysik K. 1998. Charakterystyka powierzchni miejskiej Łodzi. z klimatologicznego pu:, '
widzenia. Acta Universitatis. Lodziensis, Folia Geographica Physica, 3: 773-L85.
Lee X., Massman W., Law B. Ż004. Handbook of Micrometeoro1ogy. A Guide for Su:_._,
Flux Measurement and Analysis. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.
Moriwaki R., KandaM. 2004. Seasonal and diurnal fluxes of radiation, heat, watervapc: :: l
carbon dioxide over a suburban area. Journal of Applied Meteorology, 43: 1700-"-',
Nemitz E., Hargreaves KJ., McDonaldA.G., DorseyJ.R., Fowler D.200Ż- Micrometec:- ''
gical measurements of the urban heat budget and CO, emissions on a city scale. '- '
ronmental Science and Technology, 36: 3739-3146.
-,.'
Offerle B. 2003. The energy balance of an urban area: Examining temporal and spatial - "
Rozprawa
dokt.--.,,,
modelling.
and
remote
sensing
measurements,
bility through
Manuscrypt w języku angielskim.
Offerle B., Grimmond C.S.B., Oke T.R. 2003. Parameterization of net all-wave radiau--- '.
urban areas. Journal of Applied Meteorology, 42: 1157-1'773.
Offerle B., Grimmond C.S.B., Fortuniak K. 2005. Heat storage and anthropogenic he;. ' -;
*
in relation to the energy balance of a central European city centre. International Jc - .
of Climatology , 25: 1405-7479.
'.
Ekstremalne wartościturbulencyjnego strumienia dwutlenku Węgla netto
w
centrum
Łodzi.''
175
offerle B., Grimmond C.S.B., Fortuniak K., Kłysik K., oke T.R. 2006a. Temporal
variations
in heat fluxes over a central European city ientre. Theoretical and Appliód
climatologtr,
84:103-115.
offerle B., Grimmond c.s.B., Fortuniak K., pawlak w. 2006b. Intra-urban differences
of
surface energy fluxesin a central European city.
Journal ofApplied Meteorology and Climatology, 45 725-136.
Pawlak W., Fortuniak K., Kłysik K., Wibig J.' Siedlecki M., offerle B., Grimmond
C.s.B.
2004. Pomiary składników bi]ansu energetycznego w Łodzi w latach 2000
2004. Acta
Geographica Lodziensia, 89: 17 9-794.
Pawlak W., Siedlecki M., Fortuniak K., Kłysik K. 2005. Dobowa zmienność
strumienia Co.
nad poiem pszenżyta. Acta Agrophysica, 126: 473_483.
Pawlak W., Fortuniak K., offerle B., ćrimmond C.S.B. 2007. Application
of eddy_covariance
Przeg!ądćeofi.rycrny,
1et!'9d to CO,,/H,O fluxes measurements from the g.".'
52: 95,706 (in Polish).
'uif"...
Pawlak W., Fortuniak K., Siedlecki M. 2oo9. Carbon dioxide flux in
the center of Łódź, Po-
land - analysis of two years eddy covariance measurements data set. proceedings
of 7th
International Conference on Urban Climate.
schmid H.P., Grimmond c.s.p , croprey F., offerre B., su H.-B. 2000. Measurements
of co,
and energy fluxes over mixed hardwood forest in the mid-western United
States. Agril
cultural and Forest Meteorology, 703 : 357 _37 4.
Schotanus P., Nieuwstadt F.T.M., ńeBruin H.A.R. 1983. Temperature measurement
with a
sonic anemometer and its application to heat and moisturó fluctuations.
Boundary-Layer Meteorology , 26: 8I-93.
Velasco E. Pressley S., Allwine F., Westberg H., Lamb B. 2005. Measuremenrs
of CO, fluxes
from the Mexico City urban landscape. Atmospheric Environment zg,
lązz_ląąe .
,
Vesala T., Jżirvi L., Launiainen S., Sogacńev A., Rainik u- lł"ń-"'.ii"l.,
siluor" E., Keronen P', Rinne J., Riikonen A., Nikinmaa E. 2008. Surface-atmosphere
interacrions over
complex urban terrain in Helsinki, Finland. Tellus, 608: 1gg_199.
vickers D., Mahrt L. 1997. euality conrrol and flux sampling problems for tower
and air_
craft data. Journal of Atmospheric and oceanic Techńolosr, 14: 512_5Ż6.
vogt R., christen A., Rotach M.w., Roth M., satyanaraya.ra A.N.v. 2006. Temporal
dynamics of COr fluxes and profiles over a Central European city. Theoretical and
Applied
Climatology, 84 It7-1,26.
Webb E.K., Pearman G.I., Leuning R. 1980. Correction of flux measuremenrs
for density
effects due to heat and water vapor transfer.
QuarterlyJournal of the Royal Meteorological Society, 106: B5-100.
Katedra Meteorologii i Klimatologii, Uniwersyte t Łódzki
ul. Narutowicza88' 90-139 Łódż
e-mail: wpawlak6 uni.lodz.pl, wpawlak @ geo.uni.lodz.pl