Written by 08:50 Nauka, Technologie

IMGW z nowymi możliwościami badania atmosfery

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.

Antena nadawcza WP LAP3000 w Raciborzu
Antena nadawcza WP LAP3000 w Raciborzu

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.

Przebieg chwilowych stężeń PM10 na wysokości 3‍ m n.p.gr. na tle prędkości wiatru do wysokości 3000 m n.p.gr. podczas epizodu stężeń pyłu w lutym 2023 roku w Raciborzu.
Przebieg chwilowych stężeń PM10 na wysokości 3‍ m n.p.gr. na tle prędkości wiatru do wysokości 3000 m n.p.gr. podczas epizodu stężeń pyłu w lutym 2023 roku w Raciborzu.

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.

(Visited 39 times, 1 visits today)
Tagi: , , , , Last modified: 1 września 2023
Close