Tekst / Artykuł

PRZEGLĄD GEOFIZYCZNY
Rocznik LIV
2009
Zeszyt 3–4
Jacek WALCZEWSKI
IMGW — Kraków
NIEKTÓRE DANE O WYSTĘPOWANIU CAŁODZIENNYCH
WARSTW INWERSYJNYCH W ATMOSFERZE KRAKOWA
I UWARUNKOWANIA TEGO ZJAWISKA
SOME DATA ON OCCURRENCE OF THE ALL-DAY INVERSIONS
IN THE ATMOSPHERIC BOUNDARY-LAYER IN CRACOW
AND ON THE FACTORS STIMULATING THIS OCCURRENCE
Zagadnienie wymienione w tytule było już poruszane w szeregu prac (patrz załączony wykaz literatury). W niniejszym opracowaniu odniesiemy się do tej sprawy,
próbując niektórych nowych ujęć.
Jak wiadomo, w atmosferze ziemskiej występuje — ogólnie biorąc — spadek
temperatury z wysokością, co wiąże się z występowaniem ruchów pionowych powietrza, z warstw dolnych ku górze. Są jednak sytuacje, w których proces ten się
odwraca, występuje — w pewnym zakresie — wzrost temperatury z wysokością
(inwersja), co skutkuje hamowaniem ruchów pionowych, a w związku z tym gromadzeniem się blisko powierzchna ziemi zanieczyszczeń powietrza i tworzeniem
sytuacji niekorzystnych biologicznie. Dlatego też występowanie inwersji (dolnych
i wzniesionych) jest przedmiotem obserwacji i badań.
W Krakowie badania takie także były prowadzone od lat 1978–1979 za pomocą sondażu akustycznego atmosfery (z użyciem „radaru sonicznego” — sodaru),
które z początkiem lat 90. przyjęły charakter ciągłej służby utrzymywanej do końca
2005 r. Później wystąpiły różne przeszkody w kontynuowaniu tej ciągłości, m.in.
z dniem 1 marca 2007 został zlikwidowany Zakład Teledetekcji Atmosfery, a na jego
miejsce powstał Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza,
w którym nie wszyscy pracownicy ZTA znaleźli zatrudnienie. W końcu 2008 r. Stacja
[183]
184
J. Walczewski
Obserwacyjna w dotychczasowej lokalizacji musiała być zlikwidowana. Czynione
są próby odtworzenia jej w innym miejscu. Pozostał jednak unikalny zbiór danych
ciągłych sondaży akustycznych z 10-lecia 1994–2005 (z wyjątkiem lat 1995 i 2002,
kiedy wystąpiły pewne przerwy w sondażu).
Wyniki prowadzonych badań przedstawione były w licznych publikacjach, z których wybrane pozycje są zestawione w załączonym spisie literatury. Pragnę zwrócić
uwagę na ten spis. Są tam wymienione m.in. 2 systemy klasyfikacji typów cyrkulacji
atmosferycznej: system J. L i t y ń s k i e g o (1969), obejmujący 27 typów, którym
posługiwałem się w pracy (Walczewski, 2007c), oraz system T. N i e d ź w i e d z i a
(1981), którym posłużono się w pracach (Walczewski, 2007a, 2008) i w niniejszym
opracowaniu.
Nasze badania warstwy granicznej atmosfery w monitoringu środowiska
miejskiego wpisywały się w międzynarodowe kierunki prac, na dowód czego
w spisie literatury wspomniałem także nasze wybrane publikacje zagraniczne
(Walczewski, 1986, 1997, 1998; Feleksy-Bielak, Walczewski, 1988). Szerszy
przegląd literatury omawianego tematu znajduje się w publikacji autora (Walczewski, 2007b).
Zaobserwowane w okresie badawczym pewne długookresowe zmiany w występowaniu inwersji zasługują jednakże na dalszą analizę. W niniejszej pracy zajmiemy
się występowaniem całodziennych inwersji (liczba i), mogących istotnie wpływać
na zanieczyszczenie powietrza ze względu na długotrwałe hamowanie pionowej
dyspersji zanieczyszczeń.
Ostrzeganie o nadchodzeniu niekorzystnych dla czystości powietrza sytuacji
z dolnymi warstwami inwersyjnymi może być realizowane — w celu ograniczenia
emisji zanieczyszczeń we wskazanych dniach — przez ustalenie związków wspomnianych sytuacji z typami cyrkulacji atmosferycznej, które są prognozowane przez
Biura Prognoz. Taki system ostrzegania zaproponowano w Krakowie, ale na razie
nie został jeszcze zrealizowany.
Obecnie krakowska stacja sodarowa nie istnieje. Czy uda się ją wskrzesić, by
śledzić procesy w dolnej atmosferze w nowych warunkach, silnie zmieniających się
(o czym będzie mowa dalej)?
Długotrwała zmienność występowania całodziennych inwersji
W tabeli 1 podano miesięczne i roczne liczby dni z całodziennymi inwersjami
w Krakowie w latach 1994–2005, bez lat 1995 i 2002. Graficznie dane te przedstawione są na rys. 1–4. Widać na tych prezentacjach ogromną zmienność wieloletnią
badanych wartości. Suma badanych dni w roku minimum (2001) wyniosła zaledwie
34% wartości maksymalnej z roku 1996, a w roku 2005 — niecałe 45%. Można
zauważyć, jak od roku 2000 zaczynają pojawiać się miesiące z brakiem inwersji, co
wcześniej zdarzyło się tylko raz (w marcu 1998).
185
Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych...
Tabela 1. Liczba dni z całodziennymi inwersjami dolnymi w Krakowie w poszczególnych miesiącach lat
1994–2005 (bez lat 1995, 2002) według obserwacji sodarowych na stacji Kraków-Czyżyny
Table 1. Numbers of the days with all-day lasting ground-based inversions in Cracow in the months
of the years 1994–2005 (without 1995 and 2002) observed by sodar in the station
Cracow-Czyżyny
1994
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2003
2004
2005
I
7
24
27
24
24
12
14
10
17
18
II
7
13
4
12
5
8
5
4
11
0
III
3
3
4
0
12
1
3
1
5
4
IV
8
4
1
7
4
7
0
1
0
2
V
1
9
6
1
3
0
1
5
1
0
VI
1
6
2
5
8
1
2
2
1
0
VII
1
2
7
4
5
3
1
4
0
0
VIII
6
7
7
5
3
3
3
0
0
0
IX
12
8
4
11
6
10
13
2
0
1
X
19
20
5
14
13
20
0
14
19
12
XI
20
15
24
19
22
21
2
26
10
17
XII
26
28
24
23
13
20
3
29
13
8
Suma
111
139
115
125
118
106
47
98
77
62
Widać też zmienność roczną — maksima w porze chłodnej, sięgające w 1996 r.
28 dni na miesiąc, a w 2005 r. wynoszące już tylko 17–18 dni, z 5 miesiącami bez
inwersji.
Zmienność roczna jest łatwa do zinterpretowania — maksima w porze chłodnej
jako wynik krótszych dni i niskiej temperatury, minima w porze ciepłej, gdy operacja
słoneczna sprzyja pionowym ruchom powietrza (konwekcja). Co jednak powoduje
zmienność wieloletnią? Zajmiemy się tym w następnym rozdziale.
Szukanie przyczyn zmienności wieloletniej
Nasuwa się myśl, że może tu oddziaływać zmienność aktywności słonecznej.
Na rysunku 2 przedstawiono krzywą przedstawiającą roczne liczby dni z inwersjami
w zestawieniu z krzywą średniej liczby plam słonecznych w poszczególnych latach
badanego okresu.1 Istotnie, minimum plam słonecznych koreluje z maksimum liczby
dni z inwersjami, nasuwa się również wniosek o zbieżności maksimum liczby plam
słonecznych z minimum i, brak danych z roku 2002 osłabia jednak pewność tego
1
Autor dziękuje Pracownikom Naukowym Krakowskiego Obserwatorium Astronomicznego za
udostępnienie potrzebnych danych.
186
J. Walczewski
Rys. 1. Liczba dni z całodziennymi inwersjami dolnymi w Krakowie w latach 1994, 1996–2001,
2003–2005 (i — linie pionowe) oraz roczne liczby plam słonecznych (linia kropkowana)
Fig. 1. Numbers of the days with the all-day lasting low inversions in Cracow in the years 1994, 1996–2001,
and 2003–2005 (i — vertical lines), and the annual numbers of the Sunspots (dotted line)
wniosku. Niemniej rysunek sugeruje istniejącą zależność i zachęca do dalszych badań
zasygnalizowanego problemu, którego rozwiązanie może stać się wysoce użyteczne
dla prognozowania wzrostu i spadku rocznych liczb i.
Drugi kierunek badań mający ogromne znaczenie dla rozwiązania problemu
prognoz to związki i z typami cyrkulacji.
W tabeli 2 przedstawiono roczne liczby dni z inwersjami przy poszczególnych typach
cyrkulacji, sklasyfikowanych przez T. Niedźwiedzia. Widać, że niektóre typy cyrkulacji
zajmują czołowe miejsce w liczbach i. Poniżej podajemy szczegółowe zestawienie:
Typy cyrkulacji
Nr
1.
2.
3.
4.
5.
antycyklonalne
Oznaczenie typu
N+NEa
E+SEa
S+SWa
W+NWa
Ca+Ka
Liczba i
278
343
277
475
530
(centrum antycyklonu oraz klin lub
grzbiet antycyklonalny)
Nr
6.
7.
8.
9.
10.
cyklonalne
Oznaczenie typu
N+NEc
E+SEc
S+SWc
W+NWc
CC+Bc
Liczba i
177
144
322
503
442
(centrum cyklonu, centrum niżu, bruzda
niskiego ciśnienia)
187
Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych...
Tabela 2. Liczba dni z całodziennymi dolnymi inwersjami w Krakowie w latach jak w tab. 1, przy różnych
typach cyrkulacji atmosferycznej (wg T. Niedźwiedzia)
Table 2. Numbers of the days with all-day lasting ground inversions in Cracow, for the years like in
the Table 1, for different atmospheric circulation types (by T. Niedźwiedź)
Typ cyrkulacji
1994
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2003
2004
2005
Suma
1-N+Nea
22
26
32
23
40
14
25
36
32
28
278
2-E+SEa
37
62
33
27
33
25
23
38
28
37
343
3-S+SWa
22
29
22
25
25
33
22
37
30
32
277
4-W+NWa
51
36
68
68
54
65
48
44
54
47
475
5-Ca+Ka
64
54
26
50
36
62
56
65
60
57
530
6-N+NEc
8
26
26
16
17
8
29
17
12
18
177
7-E+SEc
14
24
13
10
9
13
11
13
15
22
144
8-S+SWc
30
35
24
27
45
44
45
25
29
18
322
9-W+NWc
65
24
39
72
58
41
51
43
58
52
503
10-CC+Bc
47
46
38
41
42
45
45
43
43
46
442
Z podanego zestawienia wynika, że najgroźniejsze dla czystości powietrza są
typy 4, 5, 9 i 10.
Jak jednak wygląda częstość występowania omawianych typów cyrkulacji? Na rysunkach 2–4 przedstawiono tę częstość w funkcji czasu (w kolejnych latach omawianego
okresu). Zacznijmy od rys. 3, prezentującego typy 3, 7 i 10. Typy te zestawiono
łącznie, ponieważ łączy je wspólna cecha: minimalna zmienność czasowa frekwencji,
Rys. 2. Liczba dni z typami cyrkulacji 2, 4, 8, 9
Fig. 2. Numbers of the days with the circulation types 2, 4, 8, 9
188
J. Walczewski
co świadczy o małej zależności występowania tych typów od sytuacji atmosferycznej. Możemy je zatem pomijać w dalszych rozważaniach (a należy tu typ 10, jeden
z najczęściej występujących).
Na rysunku 2 przedstawiono typy o dużej zmienności czasowej: 2, 4, 8 i 9.
W występowaniu typu 2 można się doszukać pewnych korelacji z przebiegiem i,
zatem prognozy występowania tego typu mogłyby być użyteczne przy prognozowaniu liczby dni z inwersjami.
W przebiegu występowania typu 9 można znaleźć pewne korelacje odwrotne
w latach 1996–1998. Poza tym typ ten należy do „pierwszej czwórki” typów pod
względem częstości występowania, należy więc poświęcać mu wiele uwagi.
Rys. 3. Liczba dni z typami cyrkulacji 3, 7, 10
Fig. 3. Numbers of the days with the circulation types 3, 7, 10
Rys. 4. Liczba dni z typami cyrkulacji 1, 5, 6
Fig. 4. Numbers of the days with the circulation types 1, 5, 6
Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych...
189
Ogólnie typy 4, 5, 9 i 10 powinny być przede wszystkim prognozowane, jako
sprawcy największych liczb dni z inwersjami.
Pozostają jeszcze typy „pośrednie” 1, 5 i 6 o średniej zmienności. Typ 5 wykazuje
pewną korelację z liczbami i (z wyjątkiem roku 1999).
Wnioski
Istnieje szereg danych mogących wspierać prognozowanie liczby dni z inwersjami. Można zatem uznać, że prognozowanie takich dni systematycznie jest możliwe,
a stąd wniosek, że można też z wyprzedzeniem czasowym starać się o ograniczenia
szkodliwych emisji w takich dniach, chroniąc zdrowie ludności miasta. Ten wniosek
przedstawiamy zarządom miast.
Drugi wniosek to wysoka użyteczność akustycznego sondażu atmosfery, który
powinien być prowadzony w sposób ciągły w dużych aglomeracjach miejskich. Niech
Zarządy takich aglomeracji zechcą zapoznać się z tym wnioskiem.
Materiały wpłynęły do redakcji 22 VI 2009.
Literatura
C z y c z y ł o M., M a t u ł a W., W a l c z e w s k i J., 1985, Rozwój sodaru SAMOS, Prz. Geof., 30, 1,
45–82.
C z y c z y ł o M., W a l c z e w s k i J., 1979, Urządzenie do akustycznego sondowania atmosfery „SAMOS-1”.
Wiad. IMGW, 23, 3–4, 51–51.
F e l e k s y - B i e l a k M., Ł a b n o M., W a l c z e w s k i J., 1987, Kodowanie i archiwizacja danych sodarowych. Wiad. IMGW, 31, 4, 53–56.
F e l e k s y - B i e l a k M., W a l c z e w s k i J., 1988, Diural variation of characteristic SODAR echoes and the
dumal change of atmospheric stability. Atmospheric Environment, 22, 9, 1793–1800.
L i t y ń s k i J., 1969, Liczbowa klasyfikacja typów cyrkulacji i typów pogody dla Polski. Prace PiHM, nr 97,
3–15.
N i e d ź w i e d ź T., 1981, Wpływ sytuacji synoptycznych na wybrane dane klimatu w dorzeczu Górnej Wisły.
Rozpr. Hab. UJ, 80.
S t a s i a k M., W a l c z e w s k i J., 1995, Przebieg roczny występowania typów porannych przemian w warstwie
granicznej — obserwacje sodarowe w Krakowie w 1994. Wiad. IMGW, 39, 67–80.
W a l c z e w s k i J., 1980, Pierwsza seria akustycznych sondaży w Krakowie. Prz. Geof., 25, 2, 145–154.
W a l c z e w s k i J., 1981, Niektóre cechy występowania warstw inwersyjnych w Krakowie w pierwszym roku
sondażu akustycznego. Prz. Geof., 26, 1–2, 95–104.
W a l c z e w s k i J., 1984, Charakterystyka warstwy granicznej atmosfery nad Krakowem w oparciu o wyniki
sondażu akustycznego. Mat. Badawcze IMGW, Seria Meteorologia, 10.
W a l c z e w s k i J., 1985, Wyniki badań meteorologicznych przeprowadzonych za pomocą sodarów SAMOS. Prz.
Geof., 30, 1, 53–66.
W a l c z e w s k i J., 1986, Verlaeufe von SODAR Echos als klimatologische Charakteristik der Grenzschicht.
Deutsche Meteorologen Tagung, Offenbach am Main, Dokumenten, 218–219.
Walczewski J., 1992, 10 lat rozwoju polskiego SODARU i akustycznego sondażu atmosfery w Krakowie. Wiad.
IMGW, 36, 1–2, 37–46.
190
J. Walczewski
Wa l c z e w s k i J., 1994, Niektóre charakterystyki warstwy mieszania wyznaczone za pomocą SODARU pionowo
sądującego w Krakowie. Wiad. IMGW, 38, 3, 91–99.
W a l c z e w s k i J., 1997a, Application of SODAR in urban air-quality monitoring system. Acoustic Remote-Sensing Applications, red. S.P. Signal, Springer Verlag and Narosa Publishing House, Berlin_Heidelberg–New York–New Delhi, 385–394.
W a l c z e w s k i J., 1997b, Zasięg rozpoznawania struktur warstwy granicznej przez Sodary o różnych charakterystykach technicznych. Wiad. IMGW, 41, 1, 45–58.
W a l c z e w s k i J., 1998a, Problem oceny głębokości warstwy mieszania za pomocą Sodaru — porównania z
lidarowymi obserwacjami warstw pyłowych. Wiad. IMGW, 42, 1, 5–20.
W a l c z e w s k i J., 1998b, Sodar data as basis for an empirical of dural and annual variability of mean mixing
height. Proceedings of the 17th International Symposium on Acoustic Remote Sensing of Atmosphere
and Oceans — ISARS’98, Wiedeń, 6–10 VII 1998, 235–238.
Wa l c z e w s k i J., 2005, Meteorologiczne i klimatyczne warunki rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń powietrza.
Prz. Geof., 50, 3–4, 177–193.
W a l c z e w s k i J., 2006, Liczba dni z całodziennymi inwersjami w Krakowie w latach 1994–2005. Wiad.
IMGW, 50, 3–4, 69–73.
W a l c z e w s k i J., 2007a, Analiza częstości występowania w Krakowie całodziennych inwersji w zestawieniu z
typami cyrkulacji w okresie lat 1994–2005. Wiad. IMGW, 51, 1, 49–54.
W a l c z e w s k i J., 2007b, Związki między występowaniem w Krakowie typów cyrkulacji J. Lityńskiego a pojawianiem się całodziennych warstw inwersyjnych w latach 1995–2005. Wiad. Met., Hydr. i Gosp. Wodn.,
2–3, 69–78.
Wa l c z e w s k i J., 2007c, Przegląd literatury na temat badań warstwy granicznej atmosfery w Krakowie w latach
1980–2007. Wiad. Met., Hydr. i Gosp. Wodn., 4, 87–96.
Wa l c z e w s k i J., 2008, Prognozowanie typów cyrkulacji atmosferycznej jako element wsparcia działań w kierunku
poprawy jakości powietrza. [w:] Ochrona i Inżynieria Środowiska — Zrównoważony Rozwój — Monografia
Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH, 37, 227–231.
Streszczenie
W pracy wykorzystano dane ciągłego akustycznego sondażu dolnej warstwy atmosfery nad Krakowem
w latach 1994–2005 (bez lat 1995 i 2002, w których ciągłość obserwacji była niepełna). Na podstawie
danych sodarowych określono liczby dni z całodziennymi dolnymi inwersjami w poszczególnych latach
(rys. 1) i w miesiącach tych lat (tab. 1). Wobec obserwowanej dużej zmienności tych liczb porównano
je z przebiegiem aktywności słonecznej (rys. 1) oraz z występowaniem różnych typów cyrkulacji atmosferycznej (podzielonych na 10 rodzajów przez T. Niedźwiedzia). W typach tych wyróżniono 3 grupy:
1) wykazujące dużą zmienność w badanym okresie (rys. 3), 2) wykazujące małą zmienność (rys. 4),
i grupę pośrednią (rys. 4). Najwyższe liczby dni z inwersjami występowały przy typach cyrkulacji nr
5, 9, oraz 4 i 10. Dane te mogą być użyteczne dla prognozowania warunków sprzyjających wzrostowi
zanieczyszczenia powietrza w mieście.
S ł o w a k l u c z o w e: dolna warstwa inwersyjna w Krakowie, typy cyrkulacji
Summary
The work is based on the data from the continuous acoustic sounding of the lower atmospheric
layer over Cracow in the years 1994–2005 (without years 1995 and 2002 in which the continuosity of
observations was not full). On the basis of sodar data it was possible to determine the numbers of days
Niektóre dane o występowaniu całodziennych warstw inwersyjnych...
191
with all-day lasting inversions in the individual years (Fig. l) and in the months of these years (Tab. 1).
Considering the observed great variability of these numbers, they have been compared with courses of
Solar activity (Fig. 1) and with the appearance of the different types of atmospheric circulation (divided
into 10 types by T. Niedźwiedż). Among these types 3 groups have been indicated: the types showing
high variability in the period analysed (Fig. 3), the types with low variability (Fig. 4), and those showing average characteristics. The highest numbers of the days with inversions were connected with
circulation types No. 5 and 9, and No. 4 and 10. These data may be useful in forecasting the conditions,
stimulating the air pollution growth in the city.
K e y w o r d s: inversion in the atmospheric Boundary-Layer in Cracow, circulation types