04_Matuszko Soroka.indd - Prace Geograficzne

PRACE GEOGRAFICZNE, zeszyt 122
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ
Kraków 2009
Dorota Matuszko, Jakub Soroka
SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU
ZACHMURZENIA NA MAKSYMALNE WARTOŚCI
NATĘŻENIA CAŁKOWITEGO
PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO
Zarys treści: W opracowaniu przedstawiono wyniki spostrzeżeń dokonywanych w latach
2004−2008 w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim, dotyczące zależności natężenia całkowitego
promieniowania słonecznego od stopnia pokrycia nieba chmurami i składu rodzajowego zachmurzenia. Potwierdzono wyniki wcześniejszych badań: zachmurzenie w dwojaki sposób wpływa
na natężenie promieniowania słonecznego – zazwyczaj je osłabia, ale w pewnych warunkach
pogodowych powoduje jego zwiększenie. Maksymalne natężenie promieniowania całkowitego
nie występuje przy niebie bezchmurnym, lecz zachmurzonym (3/8−6/8), przy obecności chmur
konwekcyjnych.
Słowa kluczowe: natężenie całkowitego promieniowania słonecznego, stopień zachmurzenia,
rodzaje chmur, transmisja promieniowania przez chmury
Key words: total solar radiation intensity, cloudiness, cloud genera, solar radiation transmission
through the clouds
Wstęp
Wielkość energii słonecznej dopływającej do powierzchni ziemi zależy od wielu
czynników. Wśród nich największy wpływ mają czynniki astronomiczne, które powodują cykliczną zmienność dopływu promieniowania słonecznego w ciągu roku oraz
w ciągu dnia. Wielkość zachmurzenia, rodzaj chmur i ich położenie względem tarczy
słonecznej są głównymi czynnikami meteorologicznymi kształtującymi strumień
energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi. Na wartość natężenia promieniowania słonecznego mierzonego na stacjach naziemnych wpływa także przezroczystość
powietrza, a zwłaszcza zawartość pary wodnej i aerozoli.
40
PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122
Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie spostrzeżeń dotyczących
maksymalnych wartości natężenia całkowitego promieniowania słonecznego w zależności od stopnia pokrycia nieba chmurami i składu rodzajowego zachmurzenia.
Materiały źródłowe
W opracowaniu wykorzystano wyniki pomiarów i obserwacji dokonywanych
w latach 2004−2008, równolegle na dwóch stacjach: w Krakowie (ϕ=50°04’N, λ=19°58’E,
h=206 m n.p.m., Stacja Naukowa Zakładu Klimatologii IGiGP UJ) i Gorzowie Wielkopolskim (ϕ=52°44`N, λ=15°17`E, h=72 m n.p.m., Regionalna Stacja Hydrologiczno-Meteorologiczna IMGW). Na obydwu stacjach w sposób ciągły rejestrowano natężenie promieniowania całkowitego w W⋅m-2. Pomiary wykonywano czujnikami firmy
Kipp&Zonen typu CM5 i rejestrowano natężenie promieniowania jako wartości średnie dziesięciominutowe z próbkowania co 10 sekund. Stopień zachmurzenia oceniano
w oktantach, a rodzaje chmur określano zgodnie z międzynarodową klasyfikacją chmur
(Międzynarodowy Atlas Chmur 1959). W Krakowie obserwacje zachmurzenia wykonywano w ustalonych terminach, o godzinie 6:00, 9:00, 12:00, 15:00 i 18:00 UTC, natomiast
w Gorzowie Wielkopolskim przez cały dzień. Obserwator na tej stacji śledził na bieżąco
stan pokrycia nieba chmurami i notował natężenie promieniowania w przypadku, gdy
tarcza słoneczna nie była zasłonięta chmurami, a następnie gdy była nimi pokryta.
Metoda ta pozwoliła na uzyskanie wyników określających wpływ poszczególnych
rodzajów chmur na chwilowe natężenie całkowitego promieniowania słonecznego.
Na wykresach i w tabeli przedstawiono dane z Krakowa, ponieważ podstawowym
materiałem źródłowym wykorzystanym w opracowaniu są codzienne dane aktynometryczne i nefologiczne pochodzące ze Stacji Naukowej Zakładu Klimatologii IGiGP UJ.
Krakowska seria obserwacji zachmurzenia należy do najdłuższych w Europie i może
stanowić doskonały punkt odniesienia do badań prowadzonych w innych miejscach
(Matuszko 2007). Wyniki spostrzeżeń z Gorzowa Wielkopolskiego potwierdzają
prawidłowości zauważone w Krakowie oraz są ich cennym uzupełnieniem, ponieważ
dotyczą szczegółowych obserwacji w wybranych dniach badanego okresu.
W pracy analizowano średnie dziesięciominutowe wartości natężenia promieniowania i ich przebieg dobowy pod wpływem zmian zachmurzenia. Szczególną
uwagę zwrócono na dane z półrocza ciepłego, kiedy Słońce znajduje się najwyżej
nad horyzontem i występują maksymalne możliwe wartości natężenia promieniowania całkowitego w naszych szerokościach geograficznych, tj. powyżej 1000 W⋅m-2.
Rozpatrywano różnice w dopływie promieniowania słonecznego w odniesieniu do jego
wartości średnich godzinnych oraz warunków nieba bezchmurnego.
Dotychczasowy stan badań
Przeprowadzone na świecie pomiary i obserwacje wykazują, że chmury w dwojaki sposób wpływają na natężenie promieniowania słonecznego: zazwyczaj osłabiają
promieniowanie, ale w pewnych warunkach pogodowych powodują jego zwiększenie.
Ze względu na tzw. efekt lustrzany (Podstawczyńska 2004, 2007), czyli odbicie
promieniowania słonecznego od bocznych części chmur konwekcyjnych, wzrasta
SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU ZACHMURZENIA...
41
promieniowanie rozproszone, co powoduje, że wartości natężenia promieniowania
całkowitego mogą być większe niż w czasie pogody bezchmurnej. Wzrost promieniowania słonecznego następuje w wyniku procesów odbicia i silnego rozpraszania
w kierunku powierzchni ziemi, zachodzących głównie na krawędziach chmur oświetlonych przez bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Robinson (1977) oraz Monteith
i Unsworth (1988) podają, że rozbudowane chmury konwekcyjne mogą podnosić
wartość promieniowania całkowitego w stosunku do warunków bezchmurnego nieba
średnio od 5 do 15%, a najbardziej efektywny wzrost natężenia promieniowania następuje w chwili, gdy niebo w 50% pokryte jest chmurami, których wymiar pionowy
zbliżony jest do poziomego. Podstawczyńska (2007) przytacza badania Segala i Davisa
(1992) przeprowadzone w Kolorado (USA), które dowodzą podwyższenia natężenia
promieniowania słonecznego nawet o 250 W⋅m-2 w stosunku do wartości notowanych
przy bezchmurnym niebie. Zjawisko tak znacznego wzrostu natężenia promieniowania
całkowitego w wyniku odbicia w bocznych częściach chmur konwekcyjnych występowało w godzinach okołopołudniowych i trwało zwykle 15−30 minut, ale zdarzały się
przypadki, gdy utrzymywały się około godziny. Według Robinsona (1977), w bocznych
częściach chmur Cumulus i Cumulonimbus jest mniejsza koncentracja kropelek wody
i proces rozpraszania oraz odbicia dominuje nad procesem pochłaniania promieniowania
słonecznego. Kuchinke i Nunez (1999) porównują oświetlone krawędzie chmur do
soczewek, które kierują promienie słoneczne do powierzchni ziemi.
Wyniki pomiarów i obserwacji
Spostrzeżenia dokonane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim potwierdzają
wyniki badań opisane w literaturze i dobitnie wskazują, że maksymalne natężenie
promieniowania całkowitego występuje nie przy niebie bezchmurnym, lecz zachmurzonym (tab. 1). Warto zauważyć, że
najwyższe wartości promieniowania
całkowitego rejestrowane są przy zachmurzeniu ≥3/8, często przy 6/8.
W Krakowie w warunkach atmosfery bezchmurnej najniższe wartości
natężenia promieniowania całkowitego w ciągu roku występują w miesiącach zimowych (około 300 W⋅m-2
w grudniu), najwyższe natomiast
występują od drugiej połowy maja
do lipca, przy najwyższej wysokości Słońca nad horyzontem (h>60o)
i wynoszą 840−860 W⋅m -2 (ryc. 1). Ryc. 1. Przykładowy przebieg dobowy natężenia
W dniach bezchmurnych duże zna- promieniowania całkowitego w dniu bezchmurczenie w wielkości dopływu promie- nym (27.05.2005 r., czas UTC+1)
niowania słonecznego do powierzchni Fig. 1. Example of daily course of total solar
ziemi ma przezroczystość powietrza, radiation intensity on a cloudless day (27th May,
zwłaszcza zawartość pary wodnej, 2005, UTC+1)
42
PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122
Tab. 1. Zachmurzenie i sytuacja synoptyczna w dniach z maksymalnym natężeniem promieniowania całkowitego (powyżej 1000 W⋅m-2) w Krakowie (2004−2007)
Table 1. Cloudiness and synoptic situation on days with the maximum total solar radiation
intensity (over 1000 W⋅m-2) in Kraków (2004–2007)
a w atmosferze miejskiej – zanieczyszczeń pyłowych. Zauważono, że obecność
zamglenia bądź zmętnienia może osłabiać natężenie promieniowania słonecznego
o kilkadziesiąt W⋅m-2.
Pomiary i obserwacje wykonywane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim wykazały, że podwyższenie wartości promieniowania całkowitego w stosunku do warunków bezchmurnego nieba jest możliwe kiedy występują chmury o budowie pionowej
i pierzaste. Największe średnie godzinne natężenie promieniowania całkowitego
(829 W⋅m-2) w badanym okresie notowane było w Krakowie przy pokryciu nieba
chmurami Cirrus, Cirrostratus, Cirrocumulus i najwyższym położeniu Słońca nad horyzontem (h>60o). Wysokość Słońca odgrywa bardzo dużą rolę w dopływie promieniowania słonecznego, szczególnie gdy na niebie znajdują się chmury piętra wysokiego.
Na fakt ten zwracał uwagę Kondratiew (1965), według którego przy zmieniającej się
wysokości Słońca od 5o do 50o, transmisja promieniowania słonecznego przez chmury
Cirrus rośnie od 2 do 44%. W Krakowie w badanym okresie, gdy niebo pokryte było
chmurami wysokimi, średnie godzinne wartości natężenia promieniowania słonecznego
zmieniały się od 233 W⋅m-2 przy wysokości Słońca h<20o do 829 W⋅m-2 przy h>60o.
Na obydwu stacjach zaobserwowano, że chwilowe podwyższenie natężenia
całkowitego promieniowania słonecznego w stosunku do wartości notowanych przy
niebie bezchmurnym zdarza się, gdy na niebie są chmury Cumulus i Cumulonimbus oraz
dodatkowo Altocumulus, Stratocumulus, Cirrus i Cirrostratus. Sytuacja taka występuje
wtedy, gdy tarcza słoneczna nie jest zasłonięta chmurami i promieniowanie bezpośrednie dociera bez przeszkód do powierzchni ziemi, a od chmur znajdujących się
w strefie okołosłonecznej dochodzi promieniowanie rozproszone. Jeżeli tarcza słoneczna
SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU ZACHMURZENIA...
43
została zasłonięta przez chmurę, natężenie promieniowania gwałtownie spadało.
W miesiącach o najdłuższych dniach i najwyższej wysokości Słońca nad horyzontem
(maj, czerwiec) przy pokryciu tarczy przez chmury Cirrus spi chwilowe spadki wynosiły około 100 W⋅m-2, Cirrostratus 150−200 W⋅m-2, Cumulus med 450 W⋅m-2, Altocumulus
i Cumulus 600 W⋅m-2, Stratocumulus i Cumulus 800 W⋅m-2 i maksymalnie przy chmurze
Cumulonimbus − ponad 800 W⋅m-2.
Największy chwilowy spadek natężenia promieniowania całkowitego, poprzedzony wzrostem w stosunku do wartości notowanych przy niebie bezchmurnym, wystąpił
w Gorzowie Wielkopolskim 14.06.2008 r. W tym dniu o godzinie 10:52 tarcza słoneczna
nie była zasłonięta chmurami, choć niebo było pokryte w 6/8 chmurami Cumulonimbus,
Cumulus i Altocumulus. Zanotowano wówczas natężenie promieniowania o wartości równej 1126 W⋅m-2. Nastąpiło zatem podwyższenie wartości promieniowania całkowitego
o około 260 W⋅m-2 w stosunku do natężenia mierzonego przy niebie bezchmurnym.
Pół godziny później, gdy Cumulonimbus zasłonił prawie całe niebo (7/8 zachmurzenia)
i tarczę słoneczną oraz wystąpił przelotny opad deszczu, natężenie promieniowania
spadło do 65 W⋅m-2.
O wielkości podwyższenia promieniowania słonecznego, przy równoczesnym
występowaniu Cumulus z innymi chmurami, np. Altocumulus lub Stratocumulus, decyduje głównie udział Cumulus w ogólnym zachmurzeniu, ponieważ − jak wcześniej
wspomniano − przy tym rodzaju chmur najczęściej dochodzi do efektu lustrzanego.
W zimie przy niskich wysokościach Słońca nad horyzontem (h<20o) różnice między chwilowym maksymalnym natężeniem promieniowania całkowitego a średnim
godzinnym są znacznie mniejsze (nie przekraczają 200 W⋅m-2), czego powodem może
być również mniejsza o tej porze roku częstość występowania chmur konwekcyjnych.
W chłodnej części roku trudniej jest ocenić rolę zachmurzenia w dopływie promieniowania do powierzchni ziemi, ze względu na małe wartości promieniowania,
które w południe przy niebie bezchmurnym na obu stacjach wynoszą średnio około
300 W⋅m-2.
Spadki i wzrosty natężenia promieniowania całkowitego pod wpływem zmian
zachmurzenia w lecie ilustrują wykresy przebiegu dziennego (ryc. 2). Kształt krzywej
natężenia promieniowania odzwierciedla charakter zachmurzenia w ciągu dnia. Duże
wahania natężenia promieniowania całkowitego, zaburzające naturalny bieg dzienny,
wskazują na rozwój konwekcji od godzin rannych i tworzenie się kolejno chmur
Cumulus różnych gatunków (humilis, fractus, mediocris, congestus), aż do powstania po
południu chmury Cumulonimbus. W zależności od tego, czy chmura zasłania tarczę słoneczną czy nie, natężenie promieniowania gwałtownie spada i ponownie rośnie. Jeżeli
Cumulus jest cienki (fractus lub humilis), wahania wynoszą około 200 W⋅m-2, natomiast
przy przejściu przez tarczę Słońca silnie rozbudowanych chmur (Cumulus congestus
lub Cumulonimbus) dochodzą do 800 W⋅m-2. W godzinach przedpołudniowych krzywa
przebiegu promieniowania jest rosnąca i regularna, natomiast pod wieczór malejąca
i nierówna. Nieregularny przebieg promieniowania związany jest z przysłanianiem
tarczy słonecznej przez chmury Stratocumulus i Altocumulus stratiformis perlucidus
i translucidus. Równoczesne pojawianie się na niebie kilku rodzajów chmur (Cumulus,
Stratocumulus, Altocumulus, Cirrus, Cirrocumulus) w różnych piętrach wysokościowych
44
PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122
(ryc. 2) powoduje zaburzony rozkład promieniowania w ciągu dnia, lecz mniejszy zakres
wahań wartości natężenia promieniowania całkowitego niż przy wyłącznej obecności
Cumulus lub Cumulonimbus.
SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU ZACHMURZENIA...
45
Ryc. 2. Przebieg dobowy natężenia promieniowania całkowitego w dniach z maksymalnym jego
natężeniem (powyżej 1000 W⋅m-2) w Krakowie (2004−2007)
Objaśnienia: dane o zachmurzeniu i sytuacji synoptycznej podano w tabeli 1.
Figure 2. Daily course of total solar radiation intensity on days with its maximum values (over
1000 W⋅m-2) in Kraków (2004−2007)
Explanations: data about cloudiness and synoptic situation are provided in table 1.
Wielkość energii słonecznej dopływającej do powierzchni ziemi zależy również
od przezroczystości atmosfery, o czym świadczy fakt, że najwyższe wartości natężenia
promieniowania całkowitego występują przy dobrej widzialności, wilgotności względnej
poniżej 30%, w dniach z masą powietrza polarnego kontynentalnego lub arktycznego
(Niedźwiedź 2008).
Wnioski
Spostrzeżenia dokonane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim pozwalają na
sformułowanie następujących wniosków na temat wpływu zachmurzenia na chwilowe wartości natężenia całkowitego promieniowania słonecznego mierzonego przy
powierzchni ziemi:
1) zakres zmian osłabienia promieniowania słonecznego przez poszczególne rodzaje
chmur jest bardzo duży: od 30 W⋅m-2 przy chmurach Cirrus do ponad 800 W⋅m-2
przy Cumulonimbus, z tego względu przy analizie wpływu zachmurzenia na promieniowanie słoneczne koniecznie trzeba uwzględniać, oprócz stopnia pokrycia nieba
chmurami, także ich skład rodzajowy;
46
PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122
2) najwyższe natężenie promieniowania całkowitego (powyżej 1100 W⋅m-2 zarówno
w Krakowie, jak i w Gorzowie Wielkopolskim) występuje przy niebie zachmurzonym od 3/8 do 6/8, przy obecności chmur Cumulus mediocris i congestus oraz
Cumulonimbus;
3) duże (powyżej 900 W⋅m-2) natężenie promieniowania całkowitego możliwe jest
także przy chmurach Stratocumulus i Altocumulus, którym towarzyszą Cumulus;
4) w wielu przypadkach o natężeniu promieniowania całkowitego decyduje nie
tylko rodzaj chmury, ale także jej gatunek, a nawet odmiana (często na stacjach
meteorologicznych notowany jest wyłącznie rodzaj chmury); największe różnice
w transmisji promieniowania przy tym samym rodzaju chmur ma odmiana translucidus, przy której natężenie promieniowania jest większe niż przy opacus, oraz
gatunek fibratus w niewielkim stopniu osłabiający promieniowanie w porównaniu
do spissatus;
5) między dniami z chmurą Stratus (8/8) różnice w natężeniu promieniowania są
bardzo duże (średnio od 40 do 80%) ze względu na różną miąższość tej chmury
lub, a może przede wszystkim, z powodu obecności chmur leżących wyżej, które
są niewidoczne ze stacji naziemnej;
6) przy występowaniu chmur Cirrus i Cirrostratus istotna jest wysokość Słońca nad
horyzontem; przy niskim położeniu Słońca (h<20o) promieniowanie jest w znacznym stopniu ograniczone, natężenie promieniowania wynosi około 45% mniej
w stosunku do wartości, gdy Słońce jest wzniesione wysoko (h>60o);
7) trudno jest określić wpływ pojedynczych rodzajów chmur na natężenie promieniowania słonecznego, ponieważ na niebie często obserwuje się równoczesne występowanie kilku ich rodzajów, np. chmury Nimbostratus lub Cirrocumulus rzadko
pojawiają się samodzielnie.
Problem wpływu zachmurzenia na promieniowanie słoneczne jest bardzo złożony i wymaga dalszych szczegółowych badań, w których należy uwzględniać zarówno
stopień pokrycia nieba chmurami, jak i rodzaje, gatunki i odmiany chmur oraz ich
położenie względem tarczy słonecznej, a także przezroczystość atmosfery (wilgotność,
widzialność, stężenie zanieczyszczeń). Należy pamiętać, że chmur leżących wyżej,
mimo że są na niebie, często nie widać, ze względu na zasłonięcie ich przez chmury
niższych pięter, a właśnie to chmury niewidoczne mogą odgrywać zasadniczą rolę
w kształtowaniu wielkości dopływu promieniowania słonecznego.
SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU ZACHMURZENIA...
47
Literatura
Kondratiew K.J., 1965, Aktinometrija, Gidrometeoizdat, Leningrad.
Kuchinke C., Nunez M., 1999, Cloud transmission estimates of UV-B erythemal irradiance, Theor.
Appl. Climatol., 63, 149−161.
Matuszko D. (red.), 2007, Klimat Krakowa w XX wieku, IG i GP UJ, Kraków.
Międzynarodowy Atlas Chmur, 1959, PIHM, ser. A, 42, Wyd. Komunikacyjne, Warszawa.
Monteith J.L., Unsworth M.H., 1988, Principles of Environmental Physics, Edward Arnold,
London.
Niedźwiedź T., 2008, Kalendarz typów cyrkulacji dla Polski południowej, plik komputerowy, Uniw.
Śląski, Sosnowiec (http://klimat.wnoz.us.edu.pl/podstrony/kalendarztn.html).
Podstawczyńska A., 2004, Ultrafioletowe i całkowite promieniowanie słoneczne w Łodzi w latach
1997−2001, Acta Geogr. Lodziensia, 100 lat obserwacji meteorologicznych w Łodzi, 89,
161−178.
Podstawczyńska A., 2007, Cechy solarne klimatu Łodzi, Acta Geogr. Lodziensia, Folia Geogr.
Phys., 7.
Robinson P.J., 1977, Measurements of downwards scattered solar radiation from isolated Cumulus
clouds, J. Appl. Meteo., 16, 620−625.
Segal M., Davis J., 1992, The impact of deep Cumulus reflection on the ground-level global irradiance,
J. Appl. Meteo., 31, 217−222.
Remarks on the influence of cloudiness
on the maximum values of total solar radiation intensity
Summary
The study presents the results of observations carried out in Kraków (at
the research station of the Department of Climatology, Institute of Geography and
Spatial Management of the Jagiellonian University) and in Gorzów Wielkopolski (at
the Regional Hydrological and Meteorological Station of the Institute of Meteorology
and Water Management) in the years 2004−2008. The observations examined
the relationship between the intensity of total solar radiation and cloud cover with
its specific generic makeup. The results of previous studies have been confirmed,
stating that cloudiness has a twofold impact on solar radiation intensity: most often,
it attenuates radiation, however, under specific circumstances, it can also enhance it.
The maximum intensity of total radiation (over 1100 W⋅m-2 in Kraków and Gorzów
Wielkopolski alike) occurs with a cloud cover of 3/8 to 6/8 of the sky, with Cumulus
mediocris and congestus, as well as Cumulonimbus clouds. The highest intensity of total
radiation under clear skies conditions in a given year is registered from the second
half of May to July (the highest altitude of the Sun above the horizon), equalling
840−860 W⋅m-2. Under clear skies conditions, air transparency, and especially water
vapour content are very significant as far as the influx of solar radiation to the surface of
the Earth is concerned. On days with Stratus clouds covering the sky (8/8), differences
in the intensity of radiation are substantial, due to varying thickness of the cloud,
48
PRACE GEOGRAFICZNE, ZESZYT 122
or primarily, due to the occurrence of higher clouds, invisible from the station located
on the surface of the Earth. In the case of high-altitude clouds, the height of the Sun
above the horizon is very important − with the Sun located low above the horizon,
the radiation is substantially limited.
Dorota Matuszko
Uniwersytet Jagielloński
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej
ul. Gronostajowa 7
30-387 Kraków
e-mail: [email protected]
Jakub Soroka
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
Regionalna Stacja Hydrologiczno-Meteorologiczna
ul. Sybiraków 10
66-400 Gorzów Wielkopolski
[email protected]