Analiza zmian zachmurzenia w Polsce

Analiza zmian przestrzennych i fizycznych zachmurzenia na terenie Polski w latach 1988-2013 w perspektywie ich wpływu na potencjał energii słonecznej z wykorzystaniem danych satelitarnych z sensora AVHRR.

Kierownik projektu: dr Jan Musiał
Czas trwania: 2014-2017

Cel badań

Głównym celem projektu jest analiza czaso-przestrzennych zmian w rozkładzie i właściwościach fizycznych zachmurzenia w Polsce w ciągu ostatnich 25-ciu lat. Celem drugoplanowym jest ilościowe oszacowanie wpływu tych zmian na zasoby energii słonecznej. Badania będą przeprowadzone na podstawie homogenicznych serii danych satelitarnych pochodzących z sensora Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) o rozdzielczości przestrzennej 1 km2. Zweryfikowana zostanie również hipoteza, iż zmiany klimatu lokalnego wywołane antropogenicznymi czynnikami takimi jak: redukcja przemysłu ciężkiego czy ekspansja terenów zabudowanych, mają swoje odzwierdzielenie w charakterystykach zachmurzenia oraz w napromieniowaniu słonecznym.

Metoda badawcza

Realizacja założonych celów badawczych będzie podzielona na 3 główne etapy. W pierwszej fazie na podstawie danych satelitarnych z sensora AVHRR udostępnionych przez Uniwersytet w Bernie (Husler et al., 2011) zostaną opracowane serie danych klimatycznych dotyczących: zachmurzenia, wysokości górnej i dolnej warstwy chmur, ich grubości optycznej, stanu skupienia i średnicy hydrometeorów oraz zawartości wody. Detekcja chmur na obrazach satelitarnych będzie bazować na algorytmie PCM (Musial et al., 2013), a wyznaczanie właściwości fizycznych chmur na algorytmie PPS (Dybbroe et al., 2005; Roebeling et al., 2006). Szczególny nacisk zostanie położony na homogeniczność danych pochodzących z kilku generacji sensora AVHRR poprzez zastosowanie odpowiednich współczynników kalibracyjnych (Heidinger et al., 2010) i korekcji dobowego cyklu zachmurzenia (Foster and Heidinger, 2013). Uzyskane dane będą zwalidowane na podstawie analogicznych produktów satelitarnych uzyskanych z pomiarów sensora Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS).

Drugim etapem projektu będzie obliczenie 25-letniej serii danych o napromieniowaniu słonecznym za pomocą modelu r:sun (Suri and Hofierka, 2004). W tym celu wyznaczony będzie współczynnik kt (clearness index) zdefiniowany jako: kt = G/Gclear (Hammer et al., 2003), gdzie Gclear oznacza irradiancję słoneczną dla warunków bezchmurnych, a G to ta sama wielkość dla warunków pochmurnych. Te dwie zmienne zostaną otrzymane na podstawie modelu transportu promieniowania w atmosferze libRadtran (Mayer and Kylling, 2005), który posłuży do powiązania charakterystyk zachmurzenia z transmitancją atmosferyczną. Wymodelowane wymuszenie radiacyjne chmur, wyrażone poprzez zmiany w dobowym napromieniowaniu słonecznym, będzie zwalidowane na podstawie analogicznych danych pochodzących z pomiarów naziemnych.

Ostatnim etapem projektu będzie czaso-przestrzenna analiza otrzymanych 25-letnich serii danych satelitarnych dotyczących zachmurzenia, jego właściwości fizycznych i napromieniowania słonecznego. Zlokalizowane nieciągłości w danych, jak również długookresowe trendy zostaną skorelowane w czasie z lokalnymi czynnikami antropogenicznymi. Na tej podstawie zostaną również wyciągnięte wnioski na temat przyszłych zmian klimatów miejscowych w Polsce.

Wpływ rezultatów

Rezultatem projektu będą ilościowe mapy zmian charakterystyk zachmurzenia w Polsce oraz związanych z nimi zmian napromieniowania słonecznego. Uzyskane 25-cio letnie serie danych o rozdzielczości terenowej 1 km2 będą znacznie dokładniejsze od wyinterpolowanych wartości z nielicznych naziemnych stacji pomiarowych jak również od innych dostępnych danych satelitarnych (Karlsson et al., 2013). Na tej podstawie zostaną wyciągnięte wnioski o występowaniu trendów i anomalii klimatycznych w zachmurzeniu i napromieniowaniu słonecznym wywołanych przez lokalne czynniki antropogeniczne takie jak: redukcja przemysłu ciężkiego, czy ekspansja terenów zabudowanych. Przeprowadzone analizy pozwolą ilościowo przedstawić efekt wymuszenia radiacyjnego chmur jako dobową zmianę napromieniowania słonecznego wyrażoną w Wh/m2. Praktyczne zastosowanie uzyskanych wyników będzie związane ze wsparciem planowania inwestycji z sektora energetyki słonecznej, poprzez wyznaczenie rejonów w Polsce gdzie są one coraz bardziej opłacalne. Ostatecznie opracowane serie danych będą stanowić materiał badawczy dla kolejnych analiz klimatycznych.

                                                                   Źródło: NASA, CERES Team