Obserwowana na świecie współczesna zmiana klimatu ma niezwykle negatywne skutki dla mórz i oceanów, a podnoszenie się ich poziomów uznaje się za jeden z głównych wskaźników globalnego ocieplenia. W efekcie rośnie zagrożenie wezbraniami sztormowymi, powodziami od strony morza i ekstremalnymi zjawiskami hydrologicznymi. Ludność zamieszkująca wybrzeża i tereny nadmorskie, w szczególności obszary nizinne i depresyjne, będzie w najbliższych dziesięcioleciach coraz częściej zmagać się z konsekwencjami tych przeobrażeń. Potencjalne straty może ograniczać skuteczny system ostrzegania oraz wydana odpowiednio wcześnie wysokiej jakości prognoza.
AUTOR: Beata Kowalska, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/Wydział Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni
Morska osłona hydrologiczna to system informowania i ostrzegania o obserwowanym i przewidywanym przebiegu procesów hydrologicznych na morzu. W IMGW-PIB zadania te realizuje zespół Wydziału Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni, który poza opracowaniami dla Morza Bałtyckiego przygotowuje prognozy i aktualne dane dla ujściowych odcinków Odry, Wisły i rzek Przymorza. Ze względu na specyfikę zagadnień i ich znaczenie dla wielu sektorów gospodarki Instytut ściśle współpracuje z wojewódzkimi organami administracji państwowej, lokalnymi samorządami, urzędami morskimi i podlegającymi im kapitanatami portów, ze służbami ratowniczymi i z Marynarką Wojenną. Prognozy hydrologiczne bowiem są istotnym elementem osłony hydrometeorologicznej żeglugi na wodach przybrzeżnych – wspomagają pracę portów, stoczni, armatorów, a w sytuacji zagrożenia mają bezpośredni wpływ na decyzje wydawane przez koordynatorów akcji przeciwpowodziowych. Ich odbiorcami są również żeglarze, turyści i miłośnicy sportów wodnych. Dodatkowo w okresie zimowym IMGW-PIB prowadzi morską osłonę lodową – wydaje raporty i biuletyny lodowe, a także mapy lodowe strefy brzegowej i Bałtyku, dostarczające informacji m.in. na temat warunków żeglugi na całym Morzu Bałtyckim, asyście lodołamaczy czy restrykcjach nawigacyjnych na poszczególnych akwenach.
Niełatwe prognozowanie na morzu
Aby prawidłowo ocenić aktualny stan i możliwe przyszłe zmiany warunków hydrologicznych na Morzu Bałtyckim, niezbędna jest analiza wielu elementów meteorologicznych. Zmiany poziomu wody wzdłuż polskiego wybrzeża są wypadkową działania różnorodnych czynników, z których najważniejsze to ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru, a także temperatura wody i powietrza, ewentualna pokrywa lodowa, prądy morskie oraz falowanie.
W przypadku bezodpływowego morza, jakim jest Bałtyk, niebagatelne znaczenie dla wszelkich aspektów zarówno hydrologicznych, jak i środowiskowych ma wiatr. Przykładowo długotrwałe wiatry z kierunków wschodnich powodują odpływ wody przez Cieśniny Duńskie, a w konsekwencji zmniejszenie się jej objętości w basenie morza i obniżenie jego poziomu. Z kolei utrzymujące się przez dłuższy czas wiatry z kierunków zachodnich są przyczyną wzrostu poziomu wody w Morzu Bałtyckim, czego wskaźnikiem jest tzw. parametr napełnienia Bałtyku, wyznaczany codziennie podczas rutynowej osłony hydrologicznej. Swoje konsekwencje ma również siła wiatru. Szybko przemieszczające się układy niżowe są często przyczyną silnych wiatrów z sektora północnego (NW-N-NE), powodujących w bardzo krótkim czasie gwałtowny wzrost poziomu Morza Bałtyckiego i zwiększenie zagrożenia powodziowego na wybrzeżu. Natomiast intensywny wiatr z południa prowadzi do obniżenia się poziomu wód i powstania bardzo niebezpiecznego dla żeglugi i pracy portów morskich zjawiska niżówki.
Ekstremalna pogoda na Wybrzeżu
Tereny przybrzeżne i ujścia rzek są nieustannie narażone na niszczące oddziaływanie morza, w tym na gwałtowne zjawiska hydrometeorologiczne i następstwa współczesnej zmiany klimatu. W konsekwencji wzdłuż całego polskiego wybrzeża Bałtyku, w różnej skali i intensywności, rośnie zagrożenie i ryzyko powodziowe. Niewątpliwie największym problemem są wezbrania sztormowe, które mogą powodować olbrzymie straty, zwłaszcza na terenach gęsto zaludnionych i wysoko zindustrializowanych. Utrudniają one prowadzenie żeglugi i zakłócają pracę portów (zrywanie cum, utrata stateczności itp.), a także stanowią poważne zagrożenie dla infrastruktury i brzegów morskich. Zimą zjawiska sztormowe powodują przesuwanie się lodu i blokowanie ujść rzecznych.
Prowadzone od lat badania wskazują na wzrost liczby i intensywności wezbrań sztormowych w polskiej strefie brzegowej. Przykładowo w Świnoujściu w latach 1950-1978 zaobserwowano 72 tego typu zdarzenia, a w okresie 1979-2000 aż 97. W ostatnim dwudziestoleciu wezbrania sztormowe występowały na całym polskim wybrzeżu – 78 we Władysławowie, 76 w Świnoujściu i blisko 60 w Gdyni, Helu i Elblągu. Od 1955 roku rośnie również maksymalny i średni roczny poziom Morza Bałtyckiego. Bardzo ciekawa jest analiza maksymalnych stanów wody podczas kilkudziesięciu wezbrań sztormowych w Gdańsku Porcie Północnym wraz z czasem ich trwania. Dla blisko 20 proc. zdarzeń poziom morza przekroczył 600 cm (przy stanie alarmowym 570 cm), a dla ponad 30 proc. wszystkich wezbrań czas trwania przekroczył 50 godzin.
Przygotowanie codziennej prognozy hydrologicznej
Podstawą do wykonania prognozy jest wnikliwa ocena aktualnej sytuacji hydrologiczno-meteorologicznej i możliwych przewidywanych zmian tych warunków. Synoptyk hydrolog analizuje m.in. pola ciśnień nad Bałtykiem i północnym Atlantykiem, prognozę kierunku i prędkości wiatru w polskiej strefie brzegowej i na Bałtyku, dane o poziomach morza w polskiej strefie brzegowej z ostatniej doby, prognozę opadów nad północną Polską, pole temperatur, a w sezonie zimowym także sytuację lodową na morzu. Następnie, korzystając z wyników obliczeń modeli prognostycznych, a także na bazie własnego doświadczenia i znajomości procesów zachodzących na styku atmosfery i akwenów morskich, pracownik IMGW opracowuje synoptyczne prognozy hydrologiczne. Te wyniki z kolei determinują dalsze działania i są podstawą do podjęcia decyzji o ewentualnym wydaniu ostrzeżenia hydrologicznego lub też komunikatu o prognozowanych niskich poziomach morza.
Bardzo ważna jest współpraca synoptyka hydrologicznego z jego odpowiednikiem w Centrum Osłony Meteorologicznej Kraju. Produkty meteorologiczne bowiem należą do podstawowych danych wejściowych przy opracowywaniu produktów hydrologicznych. Synoptyk dysponuje też określonym zestawem narzędzi prognostycznych – są to:
1. System Morskiej Hydrologii Operacyjnej (SMHO), służący do obliczania krótkoterminowych prognoz z wykorzystaniem jednowymiarowych modeli matematycznych Malińskiego i Wróblewskiego.
2. Dwuwymiarowy model hydrodynamiczny Mike 21.
3. Model operacyjny obejmujący ujściowy odcinek Wisły, uruchamiany w sytuacji zagrożenia hydrologicznego.
Metoda Malińskiego służy do opracowania prognozy dla Gdyni, Helu, Świnoujścia, a także Szczecina i Trzebieży na Zalewie Szczecińskim. Danymi wejściowymi są tu m.in. rzeczywiste i prognozowane wartości ciśnienia atmosferycznego, kierunek i siła wiatru oraz bieżąca różnica temperatur między wodą a powietrzem. Metodą Malińskiego codziennie jest obliczane napełnienie Bałtyku, czyli parametr reprezentujący hipotetyczny poziom morza w warunku brzegowym, tzn. stan, do którego dążyłby poziom wody wzdłuż wybrzeża w przypadku braku innych sił generujących jej ruch. Wartość napełnienia Bałtyku jest punktem odniesienia do prognoz krótkoterminowych.
Model statystyczno-numeryczny Wróblewskiego (opracowany w Instytucie Oceanologii Polskiej Akademii Nauk) wykorzystuje jako dane wejściowe rzeczywiste poziomy wody wzdłuż polskiego wybrzeża oraz obserwowane i prognozowane wartości ciśnienia atmosferycznego w dwunastu punktach nad Bałtykiem. Model oblicza prognozę poziomów morza dla Gdyni, Helu i Świnoujścia na 72 godziny do przodu.
Dwuwymiarowy model hydrodynamiczny Mike 21 umożliwia numeryczne modelowanie zmian poziomów wody i przepływów w zatokach, ujściach rzek, akwenach morskich i przybrzeżnych. Dane wejściowe to operacyjne i prognostyczne poziomy morza na otwartych granicach modelu oraz ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru dla całego modelowanego obszaru z modeli numerycznych COSMO i ALARO. Model dwuwymiarowy zdecydowanie rozszerza możliwości opracowywania prognoz na morskich obszarach przybrzeżnych. Pozwala na wydłużenie czasu wyprzedzenia prognozy, jak również na obliczanie zmian poziomów wody w dowolnym punkcie rozważanego akwenu (tzn. w dowolnym węźle siatki). Wyniki symulacji mogą być przedstawiane z określoną przez użytkownika częstotliwością. Prognozy z modelu Mike 21 dla polskiej strefy brzegowej oraz osobno dla Zalewu Szczecińskiego są prezentowane codziennie w serwisie baltyk.imgw.pl.
Finalnym efektem pracy synoptyka hydrologa jest prognoza synoptyczna dla wodowskazów morskich na 48 godzin z krokiem 3-godzinnym. Trafia ona do zdefiniowanych wcześniej odbiorców i jest umieszczana w serwisie Monitor IMGW-PIB, do którego dostęp mają uprawnieni użytkownicy. Codziennie opracowuje się też biuletyn hydrologiczny zawierający m.in. opisy zjawisk zaobserwowanych i pomierzonych w hydrosferze i atmosferze oraz prognozę hydrologiczną w formie tekstowej na najbliższy okres (zazwyczaj 18-72 godzin). W stanie zagrożenia hydrologicznego lub alarmu hydrologicznego, oprócz codziennej prognozy hydrologicznej, wydawane i dystrybuowane są dodatkowe komunikaty o bieżącej sytuacji hydrologicznej.
Zdjęcie główne: Raimond Klavins | Unsplash
Beata Kowalska
Absolwentka Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Gdańskiej, obecnie kierownik Wydziału Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni. Członkini zespołów projektowych i naukowo-badawczych, autorka ekspertyz w zakresie m.in. zmian poziomów morza, genezy hydrologicznych i meteorologicznych katastrofalnych powodzi na wybrzeżu polskim, prognozowania krótkookresowych zmian poziomów morza, stanów i przepływów o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia, zmian klimatycznych basenu Morza Bałtyckiego.
