Troposfera to najniższa warstwa atmosfery Ziemi, w której zachodzą bardzo ważne procesy fizyczne mające wpływ na pogodę. Monitorowanie jej stanu w czasie rzeczywistym ma nie tylko ogromne znaczenie badawcze i poznawcze, ale również operacyjne. Znajomość dynamiki troposfery poprawia bowiem jakość modeli prognostycznych, a pozyskiwane w sposób ciągły dane są bardzo cennym materiałem np. w meteorologicznych prognozach lotniczych. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej uruchomił właśnie pierwszy w Polsce radarowy anemometr profilujący, który będzie stałym elementem systemu monitoringu i prognozy zjawisk meteorologicznych, w tym. m.in. badania profilu wiatru do wysokości 5000 m nad poziomem gruntu.
Wind Profiler jest całkowicie automatycznym przyrządem teledetekcyjnym, pozwalającym na bieżąco śledzić zmiany zachodzące w najniższej warstwie atmosfery ziemskiej. Obecnie w Unii Europejskiej i krajach NATO działają 34 tego typu urządzenia. Zamontowany w zeszłym roku na stacji hydrologiczno-meteorologicznej w Raciborzu Wind Profiler LAP3000 jest pierwszym radarowym anemometrem w Polsce. Po udanych testach technicznych, w styczniu tego roku uruchomiono pomiary kontrolne w warunkach zimowych, których celem było pozyskanie informacji o skuteczności działania urządzenia.
Jak to działa?
Wind Profiler funkcjonuje w bardzo podobny sposób jak radar meteorologiczny, przy czym jego zadaniem jest pomiar stanu atmosfery w układzie pionowym. Urządzenie wysyła wiązkę impulsów elektromagnetycznych, która ulega rozproszeniu i częściowemu odbiciu przez cząstki powietrza o różnych właściwościach turbulencyjnych. Powracający do anteny sygnał zawiera informację m.in. o prędkości i kierunku wiatru, opadach atmosferycznych oraz wybranych charakterystykach anemologicznych.
Najlepsze warunki techniczno-eksploatacyjne urządzenie osiąga w zakresie częstotliwości 1290 MHz, która jest powszechnie używana przez służby meteorologiczne państw europejskich (Region VI WMO). W takim też zakresie Wind Profiler będzie funkcjonował w sieci pomiarowej IMGW-PIB. Dzięki temu pozyskiwane dane będą mogły być bezpośrednio wykorzystywane w międzynarodowym systemie prognoz i ostrzeżeń meteorologicznych. Przeprowadzone w lutym 2023 roku testy skuteczności pomiaru polegały na wyznaczeniu, w każdej z pionowych warstw o grubości 50 m, procentowego udziału pomiarów zakwalifikowanych przez producenta urządzenia jako zwalidowane, tj. dające 98 proc. poprawnie zebranych danych.
Wyniki testów
Dla składowej poziomej kierunku wiatru oraz prędkości najlepsze wyniki uzyskano mniej więcej dla warstwy od 150 m do około 2100 m nad poziomem gruntu (n.p.g.). Powyżej i poniżej tego zakresu wysokości skuteczność odbioru sygnału zwrotnego malała, niemniej dane te są nadal użyteczne dla oceny meteorologicznej poszczególnych zdarzeń, np. badania wysokich stężeń zanieczyszczeń pyłowych, o czym za chwilę. Jeśli zaś chodzi o pomiar prędkości pionowej wiatru, bardzo dobre wyniki uzyskano dla całego zakresy sondowania – od 500 m do 3000 m n.p.gr.
Wind Profiler LAP3000 jest przystosowany również do pomiaru prędkości opadania opadu atmosferycznego. W trakcie zimowych testów skuteczność pomiaru tego parametru nie była zbyt duża i rzadko (tylko do wysokości ok. 900 m n.p.gr.) przekraczała 25 proc. Przy czym analizy te przeprowadzono w sytuacji, gdy opad atmosferyczny był równolegle rejestrowany przez standardowe urządzenia naziemne na stacji meteorologicznej w Raciborzu. W związku z tym prawdopodobnie konieczna będzie dodatkowa kalibracja urządzenia w zakresie identyfikacji tego parametru.
Mimo że radarowy anemometr profilujący wykorzystywany jest gównie w pracy operacyjnej oraz do badań poszczególnych jednostkowych zdarzeń meteorologicznych, to gromadzone za jego pomocą dane pomiarowe mogą być z powodzeniem stosowane w analizach statystycznych i klimatologicznych. Najbardziej rozpowszechnioną formą są badania charakterystyki rozkładu kierunku i prędkości wiatru na różnych wysokościach. Dane pomiarowe uzyskane w ramach testów pokazują, jak duża jest zmienność obu parametrów na różnych wysokościach. Informacje te mają niebagatelne znaczenie przede wszystkich dla lotnictwa, ale również mogą pomóc w analizach i prognozach zanieczyszczeń.
Jakość powietrza na tle danych z Wind Profilera
Od 6 do 9 lutego 2023 roku na obszarze górnej Odry, w rejonie granicy polsko-czeskiej, notowano podwyższone stężenie pyłu zawieszonego. Dane pomiarowe ze stacji w Raciborzu oraz pozyskane z radarowego anemometru profilującego pokazały, że główną przyczyną wzrostu zanieczyszczenia w tych dniach był rozbudowany układ wyżowy oraz specyfika rozkładu prędkości i kierunku wiatru na poszczególnych wysokościach troposfery.
W ciągu całego epizodu w warstwie przyziemnej atmosfery dominował wiatr słaby, poniżej 1 m/s, a poziome składowe prędkości wiatru do wysokości 250 m wynosiły maksymalnie 4 m/s. 7 lutego, gdy zarejestrowano najwyższe wartości stężenia pyłu PM10, prędkość wiatru w warstwie do 1000 m nie przekraczała 5 m/s. W całym analizowanych okresie pionowe składowe prędkości wiatru do wysokości 1 km były bliskie 0 m/s lub ujemne (do –0,1 m/s). Przeważał wiatr z sektora północnego i wschodniego, z wyjątkiem wycinka warstwy atmosfery na wysokości ok. 750 m, gdzie wiał wiatr z sektora południowo-zachodniego.
Podobne próby testowe będą powtórzone pod koniec roku, w warunkach jesienno-zimowych, w celu potwierdzenia istnienia wpływu warunków stagnacyjnych na poziomy i pionowy transport zanieczyszczeń. Wówczas wyniki pomiarów można będzie zaimplementować w modelowaniu procesów pogodowych i aerosanitarnych.
Wysoką skuteczność i użyteczność danych pomiarowych z Wind Profilera potwierdziły również analizy meteorologiczne z okresu 17-19 lutego, gdy przez Polskę przechodził niż Ulf. Przyniósł on silne porywy wiatru, do 15,3 m/s na północy i w środkowej części kraju, a wysoko w górach do 27,8 m/s. Na południu wiało znacznie lżej, co bardzo dobrze pokazują wykresy i profile prędkości wiatru na różnych wysokościach, opracowane na podstawie materiałów pozyskanych przez LAP3000. Szczegółową analizę testów Wind Profilera, który od stycznia tego roku stał się częścią systemu pomiarowo-obserwacyjnego IMGW-PIB, prezentujemy w opracowaniu na stronie https://www.imgw.pl/badania-nauka/projekty-naukowe-i-badawcze-imgw-pib w sekcji projektu ACTRIS.
Zakup urządzenia WP LAP2000 zrealizowano w ramach projektu ACTRIS finansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020 (POIR), oś IV. zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, działanie 4.2. Rozwój nowoczesnej infrastruktury badawczej sektora nauki, Inteligentny Rozwój.
Oprac. Rafał Stepnowski.
Zdjęcie główne: Miguel A. Amutio | Unsplash.
