facebook twitter instagram issuu linkedin research gate youtube ustv

Nauka na wyciągnięcie ręki

Obszar nauk humanistycznych
Obszar nauk społecznych
Obszar nauk ścisłych
Obszar nauk przyrodniczych
Obszar nauk technicznych
Obszar sztuki

Deszcze, ulewy i powodzie

Genetyczne uwarunkowania opadów ekstremalnych w Europie oraz ich zmienność przestrzenno-czasowa

Deszcze, ulewy i powodzie

W centrum zainteresowań dr Ewy Łupikaszy z Katedry Klimatologii Wydziału Nauk o Ziemi od wielu lat pozostają opady atmosferyczne. W październiku 2010 roku rozpoczęła pracę nad projektem, którego głównym problemem badawczym są genetyczne uwarunkowania opadów ekstremalnych w Europie oraz ich zmienność przestrzenno-czasowa. Zakończenie badań przewidziane jest we wrześniu 2013 roku.

Opady atmosferyczne są niezbędne i decydują m.in. o wydajności upraw, jeśli jednak wzrasta ich intensywność, a system kanalizacyjny nie ma już możliwości odbioru dużych objętości wód opadowych, pojawiają się powodzie czy miejscowe podtopienia. Opady jako jeden z elementów klimatu mają ogromne znaczenie w rozwoju cywilizacji, nic więc dziwnego, że zainteresowane były nimi nawet najstarsze cywilizacje. Ślady pierwszych przedsięwzięć o charakterze hydrologiczno-inżynierskim odnaleźć już można 3200 lat p.n.e., ich autorami byli Egipcjanie i Sumerowie.


– Pierwsze wzmianki na temat pomiarów opadów atmosferycznych pochodzą z Indii z IV wieku p.n.e. oraz z Palestyny z II wieku p.n.e. – objaśnia dr Ewa Łupikasza. – Najstarsze informacje o zastosowaniu deszczomierzy pochodzą z Chin z roku 1247. Regularne pomiary tego elementu rozpoczęto w Korei w 1441 roku za panowania Króla Sejonga i były one nieprzerwanie prowadzone do 1907 roku. W Europie do XVII wieku nie prowadzono pomiarów ilości opadów. Pierwszą próbę skonstruowania deszczomierza podjął Benedetto Castelli we Włoszech w roku 1639. W 1660 roku Sir  Christopher Wren skonstruował pierwszy brytyjski deszczomierz. Regularne pomiary opadów w Europie zapoczątkowano w 1715 r. w Hoofdorp–Zwannenburg w Holandii, nieco później w Padwie we Włoszech i w Uppsali w Szwecji. Na początku XIX wieku w Europie sumy opadów mierzono już w wielu miastach, między innymi od 1803 r. w Warszawie, rok później w Pradze, a następnie w Kopenhadze, Jenie, Dreźnie, Helsinkach i w Berlinie.

Wielowiekowe zainteresowanie opadami atmosferycznymi nie oznacza jednak, że jest to dziedzina, w której znaleziono odpowiedzi na wszystkie pytania i wątpliwości dręczące ludzkość, a temat doczekał się wyczerpujących wyników analiz. Wręcz przeciwnie wiele jeszcze problemów wymaga szczegółowych badań, a dogłębne wyjaśnienie mechanizmów prowadzących do powstania opadów od czasów greckich filozofów, którzy podjęli pierwsze próby w tym zakresie, jest nadal obiektem penetracji współczesnej nauki.

foto

Dr Ewa Łupikasza w stacji meteorologicznej znajdującej
się na terenie Ojcowskiego Parku Narodowego (czerwiec 2013)

 

– Podstawą pracy klimatologów – wyjaśnia pani adiunkt – są badania i analizy danych z wielu lat. Zastanawiając się nad tematem pracy habilitacyjnej, szukałam zagadnienia, które nie było do tej pory do końca rozpracowane. Postanowiłam zająć się analizą genezy opadów ekstremalnych w Europie w okresie od grudnia 1950 roku do lutego 2008, gromadząc dane dobowe z 513 stacji meteorologicznych kontynentu, w tym z około 50 polskich. Problem ten w tak dużej skali przestrzennej nie był rozpatrywany. Podstawą mojej pracy jest powiązanie opadów z frontami atmosferycznymi. Problematyka badawcza obejmowała zdefiniowanie opadu ekstremalnego w skali Europy, rozpoznanie genetycznych typów ekstremalnych opadów oraz ich zmienności przestrzennej i sezonowej, ustalenie związków pomiędzy genetycznymi typami ekstremalnych opadów i cyrkulacją atmosfery i probabilistyczna (poprzez wskazanie zdarzeń losowych i przypisanie im w sensowny sposób prawdopodobieństwa) analiza występowania ekstremalnych opadów w Europie.

Projekt jest nowatorski, ponieważ ze względu na fakt niejednoznacznych kryteriów pozwalających na automatyczne wykreślenie frontów atmosferycznych, ten bardzo istotny w klimatologii problem nie był dotychczas podejmowany w tak szerokim zakresie, zarówno obszarowym, jak i na przestrzeni tak rozległego okresu. Nie ma metody, która pozwalałaby w sposób automatyczny wykreślić fronty atmosferyczne. Wprawdzie są dostępne modele, które orientacyjnie lokalizują ich występowanie, ale one zawsze muszą być weryfikowane przez synoptyków. W zależności od rodzajów frontów, ich umiejscowienie bywa bardzo trudne. Wiadomo, że fronty chłodne, ze względu na wyraźne zmiany elementów meteorologicznych (głównie temperatury i kierunku wiatrów), o wiele łatwiej jest zlokalizować. W przypadku pozostałych, zwłaszcza frontu ciepłego pojawia się wiele problemów. Specyfika projektu dr Ewy Łupikaszy polega między innymi na niebywale mozolnej pracy z mapami synoptycznymi nad rozpoznaniem genetycznego typu każdego ekstremalnego zdarzenia opadowego, jakie wystąpiło podczas badanych 56 lat.

Kolejnym nowatorstwem projektu jest podjęcie problematyki zależności pomiędzy występowaniem genetycznych typów ekstremalnych opadów i cyrkulacją atmosfery opisaną poprzez metodycznie jednorodną klasyfikację sytuacji synoptycznych w skali kontynentalnej, która równocześnie ujmuje lokalne cechy cyrkulacji atmosfery. W takiej skali przestrzennej temat ten nie został dotychczas opisany w literaturze.

Najżmudniejszym etapem projektu było rozpoznanie genezy opadów ekstremalnych, czyli przyporządkowanie ich do występujących wówczas frontów atmosferycznych. Wiązało się to z koniecznością przeanalizowania co najmniej dwóch map synoptycznych, obrazujących sytuację pogodową w Europie w odniesieniu do każdego dnia z badanego 56-letniego okresu. Praca nad stworzeniem bazy danych trwała ponad 6 miesięcy i rozciągała się na kilkanaście godzin na dobę. Powstało 20910 map rozmieszczenia ekstremalnych opadów, które zostały porównane z 45592 mapami synoptycznymi. Jak wspomina dr Łupikasza, ostatnie trzy lata jej życia podporządkowane było realizacji grantu. Warto dodać, że opady ekstremalne występują w Europie niemal każdego dnia. Nic więc dziwnego, że liczba gromadzonych danych rozrastała się wręcz niewyobrażalnie, wprawiając autorkę projektu nie jeden raz w przerażenie, ale nie zniechęcenie. W trakcie pracy pani adiunkt uznała bowiem, że należy temat badawczy rozszerzyć o nieplanowany wcześniej zakres.

– Analizując rozmieszczenie genetycznych typów ekstremalnych opadów (opadów frontowych lub powstałych w sytuacji braku frontów, czyli opadów wewnątrzmasowych), uznałam za konieczne ich powiązanie z cyrkulacją, czyli kierunkiem napływu mas powietrza i rodzajami układu barycznego (wyż, niż). W rezultacie udało mi się uzyskać wyniki mówiące o tym, z jakimi frontami najczęściej w Europie związane są opady ekstremalne i jaka sytuacja synoptyczna sprzyja ich występowaniu. Okazuje się, że zależności są bardzo wyraźne i zróżnicowane regionalnie.

Jednym z dotychczasowych efektów realizacji projektu jest klasyfikacja genetycznych typów opadów ekstremalnych, co podkreśla nowatorski charakter pracy badawczej.

Następnym krokiem było przeprowadzenie syntezy tychże wyników w postaci regionalizacji, prowadzącej do wyłonienia grup stacji charakteryzujących się podobną strukturą występowania genetycznych typów ekstremalnych opadów. – Badałam nie tylko opady najbardziej ekstremalne, czyli prowadzące do katastrof, ale także i te nieco słabsze – kontynuuje dr Łupikasza. – Zjawiska ekstremalne w klimatologii posiadają różne definicje. W przypadku jednak tak rozległego terenu musiałam posłużyć się definicją statystyczną. O ile na przykład w Górach Skandynawskich bardzo często opady przekraczają 20 litrów na metr kwadratowy, o tyle w Polsce zdarzają się one rzadko, częściej występują jedynie w górach, np. na Kasprowym Wierchu czy Śnieżce.

Wyróżniamy kilka typów opadów. W letnie dni, częściej niż w innych porach roku mamy do czynienia z opadem powstającym w wyniku swobodnej konwekcji, która pojawia się zwykle podczas upalnych dni, kiedy to unoszące się nagrzane powietrze ulega skraplaniu i powraca na ziemię w postaci intensywnego, lecz krótkotrwałego deszczu. Natomiast w wyniku zderzenia się mas powietrza o różnej temperaturze i wilgotności, czyli w strefie frontu atmosferycznego, powstają opady frontowe.

Kolejnym typem jest opad orograficzny, związany z ruchem powietrza natrafiającego na naturalną przeszkodę, jaką są góry. Wilgotne masy powietrza, docierając do bariery orograficznej, zaczynają się po niej wślizgiwać. Następuje wówczas kondensacja pary wodnej, powstają chmury i z nieba płyną strugi deszczu. Opady orograficzne mogą formować się zarówno podczas przejścia frontów, jak i w dni, kiedy fronty atmosferyczne
nie występują.

W zależności od typu genetycznego, w tym rodzaju frontu (ciepły, chłodny, stacjonarny) opady mają zróżnicowany charakter, czyli czas trwania i intensywność. Ciągłe i długotrwałe opady są wynikiem rozwoju chmur związanych z przejściem frontów atmosferycznych. Wyniki zebrane przez dr Łupikaszę wskazują i potwierdzają ogromną rolę orografii w formowaniu się opadów ekstremalnych. Wszystkie wysokie góry typu Alpy czy Pireneje stanowią naturalną barierę orograficzną jeżeli są zorientowane prostopadle do docierających mas powietrza. I tak, Góry Skandynawskie są progiem dla mas napływających znad Atlantyku, natomiast Tatry stanowią przeszkodę dla mas przemieszczających się z północy.

Polska, jak pokazują wyniki badań, jest bardzo ciekawym miejscem dla badaczy – dochodzi tutaj do „walki”  oceanicznych mas powietrza znad Atlantyku z kontynentalnymi masami powietrza napływającymi z głębi kontynentu. – Z wielkim zadowoleniem stwierdziłam, że żyjemy w wyjątkowym miejscu Europy – stwierdza klimatolog – różnorodność zjawisk atmosferycznych, wynikająca właśnie z owej walki, daje duże pole do działania dla wszelkich badań związanych z klimatem i kształtowaniem się trendów pogodowych.

Prace nad projektem dobiegają końca, nadszedł czas na wnioski. – Oceniłam – mówi dr Łupikasza – zależności pomiędzy występowaniem opadów atmosferycznych, frontami i cyrkulacją atmosfery, w wyniku czego wiadomo, w których obszarach Europy jaka sytuacja synoptyczna sprzyja opadom.

Na podstawie żmudnych obliczeń można także wykazać wyraźne sezonowe i regionalne zróżnicowanie kierunków tendencji opadów wysokich w Europie. Zimą na południu kontynentu odnotowuje się ich spadek, w przeciwieństwie do północy, gdzie wskaźniki te znacznie rosną. Wiosną na półwyspie Iberyjskim, w Sudetach i Rudawach pojawiają się trendy spadkowe, w lecie w Europie Zachodniej i Środkowej jest coraz mniej dni z opadami wysokimi, czego nie można powiedzieć o Europie Wschodniej, gdzie dominuje tendencja zwyżkowa. Natomiast jesienią, zwykle kojarzoną z pluchą i obfitymi deszczami, nieco odpoczywa Europa Środkowa – zmiany występowania opadów wysokich są tak niewielkie, że nie mają znaczenia statystycznego.

mapka

Rozmieszczenie stacji meteorologicznych w Europie
wraz z procentem dni z brakującymi danymi

Zgromadzona baza danych otwiera wiele możliwości badawczych, pani adiunkt nie wyklucza kontynuacji pracy, może w nieco większych zespołach. Interesującym tematem może być np. analiza zmian typów cyrkulacji atmosfery, które w poszczególnych obszarach sprzyjają występowaniu opadów ekstremalnych. Efektem byłyby kolejne, bardzo istotne wnioski na temat zmian występowania opadów ekstremalnych – jakich możemy oczekiwać w przyszłości, pod warunkiem, że tendencje te nie ulegną zmianie.

Maria Sztuka

Tekst ukazał się w lipcowym numerze „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” z 2013 roku.

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2019
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.