Minęło ponad 5 lat od przystąpienia Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej do realizacji komponentu infrastrukturalnego programu badawczego ACTRIS. Od tego czasu IMGW-PIB wzbogacił się o specjalistyczną aparaturę badawczą (Wind Profiler) i rozpoczął tworzenie platformy obserwacyjnej ACTRIS na stacji meteorologicznej w Raciborzu. Jak wygląda obecnie stan realizacji projektu?
AUTORZY: Ewa Krajny, Leszek Ośródka. Zakład Ochrony Atmosfery/Centrum Badań i Rozwoju, IMGW-PIB
ACTRIS (ang. Aerosol, Clouds and Trace Gases Research Infrastructure) stanowi jeden z najważniejszych elementów europejskiego systemu infrastruktur do badania atmosfery i środowiska. Jest to wielowarstwowa, wielodziedzinowa, interoperacyjna infrastruktura badawcza, w której zbierane i gromadzone są wyniki pomiarów pochodzących z rozproszonych sieci, a ich dane są opracowywane, standaryzowane i integrowane w Centralnej Bazie Danych ACTRIS. Od roku 2016 przedsięwzięcie znajduje się na Mapie Drogowej ESFRI najważniejszych infrastruktur badawczych Europejskiego Forum Strategii do spraw Infrastruktur Badawczych (ang. European Strategy Forum on Research Infrastructures – ESFRI). W 2020 roku krajowa infrastruktura ACTRIS została również umieszczona na Polskiej Mapie Infrastruktury Badawczej.
Pozyskiwanie aparatury i jej utrzymanie
IMGW-PIB, jako członek-założyciel konsorcjum ACTRIS-PL, jest beneficjentem kilku kluczowych projektów infrastrukturalnych.
Na początku 2023 roku, w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020 (POIR), zakupiono specjalistyczne oprzyrządowanie do radarowego pomiaru pionowego profilu kierunku i prędkości wiatru, tzw. anemometr profilujący Wind Profiler LAP®3000 (WP). Urządzenie – wraz z inną aparaturą do pomiaru aerozoli – zainstalowano na stacji hydrologiczno-meterologicznej w Raciborzu Studziennej. Platforma obserwacyjna jest połączona z podobnym systemem należącym do IGF PAN i IPIŚ PAN, zlokalizowanym również w Raciborzu przy ul. Chłopskiej, i stanowi jedną stację Racibórz ACTRIS-PL.
W lipcu 2024 roku, w wyniku pozytywnego rozstrzygnięcia konkursu MNiSW na wsparcie infrastruktury ACTRISERIC, IMGW-PIB otrzymał środki m.in. na wzmocnienie osobowe obsługi oprzyrządowania, szkolenia i utrzymanie platformy ACTRIS-PL w Raciborzu. Dodatkowo, na początku sierpnia br. konsorcjum złożyło w ramach programu FENG aplikację na projekt o nazwie „ACTRIS – Infrastruktura do badania aerozoli, chmur oraz gazów śladowych”. Instytut chce w ten sposób pozyskać środki na zakup urządzenia do pomiaru wysokości podstawy chmur i identyfikacji warstw aerozolowych (ceilometr klasy CL-61 wraz z oprogramowaniem). Aparatura będzie uzupełnieniem komponentu remote sensing na potrzeby osłony meteorologicznej projektu ACTRIS.
Podjęte działania mają służyć takiemu przygotowaniu instytutowej platformy badawczej ACTRIS-PL, aby spełniała ona wymogi pełnoprawnej stacji pomiarowej ACTRIS, co pozwoli włączyć się w pełną wymianę informacji o aerozolach w Europie. Finalizację prac zaplanowano na koniec 2025 roku.
Potencjalni beneficjenci projektu
Platforma badania aerozoli atmosferycznych w Raciborzu wzbudza coraz większe zainteresowanie administracji samorządowej i specjalnej. Po zeszłorocznej wyjazdowej sesji Komisji ds. zmian klimatu województwa śląskiego, w dniu 7 sierpnia 2024 roku stację odwiedziła delegacja Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Warszawie pod przewodnictwem dr Barbary Toczko, Zastępcy Dyrektora Departamentu Monitoringu Środowiska w Głównym Inspektoracie Ochrony Środowiska, odpowiedzialnej za realizację zadań państwowego monitoringu środowiska w zakresie monitoringu jakości powierza w Polsce. Inspiracją wizyty było rozpoznanie możliwości wykorzystania platform obserwacyjnych ACTRIS w Raciborzu jako supersites – stacji do monitoringu jakości powietrza w krajach członkowskich UE, będącej elementem wdrażania zaleceń nowej dyrektywy w sprawie jakości powietrza w Europie. Koncepcja ta zakłada utworzenie na obszarze Polski kilku (prawdopodobnie sześciu) stacji wyposażonych w szeroki zestaw aparatury do pomiaru jakości powietrza, ze szczególnym uwzględnieniem aerozoli. Z tego punktu widzenia platforma ACTRIS-PL doskonale odpowiada, zdaniem przedstawicieli GIOŚ, zakładanym celom – zarówno pod kątem wyposażenia, jak i lokalizacji.
W trakcie wizyty goście zapoznali się z aparaturą pomiarową stanowiącą osłonę meteorologiczną systemu pomiaru aerozoli w ramach projektu ACTRIS, w skład której wchodzą: Winder Profiler LAP®3000, radiometr MPT-5 do pomiaru pionowego profilu temperatury powietrza do wysokości 1000 m n.p.g. (zakupiony w ramach projektu AIR BORDER), nefelometr Aurora 3000, monitor cząstek ultradrobnych Ultra Fine Particle Monitor UFP, spektrometr Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer APS oraz miernik stężenia PM Dust Track DRX. Goście wysoko ocenili zarówno zakres merytoryczny pomiarów, jak też stan techniczny i utrzymanie oprzyrządowania. Jak poinformowała dr Barbara Toczko, będzie ona rekomendowała Głównemu Inspektorowi Ochrony Środowiska włączenie platformy ACTRIS zlokalizowanej na stacji IMGW-PIB w Raciborzu do systemu supersites.
Chęć współpracy zgłosił również EUMETNET. Wyniki pomiarów z platformy ACTRIS-PL mają docelowo być przedmiotem wymiany międzynarodowej w ramach platformy e-PROFILE. Na razie trwają ustalenia formalnych zasad współpracy w tym względzie.
Wybrane wyniki pomiarów WP LAP®3000
Analizy danych operacyjnych pozwoliły na wychwycenie pierwszych zależności, które umożliwiają ocenę jakości funkcjonowania aparatury. Dla przykładu, uśredniony pionowy profil prędkości wiatru uzyskany z WP LAP®3000 dla okresu sierpień 2023 – lipiec 2024 wykazuje wysoką zbieżność z wartościami obliczonymi na podstawie empirycznego wzoru Hellmana-Suttona, powszechnie stosowanego w inżynierii środowiska. Wzór też wiąże prędkość wiatru funkcją wykładniczą z wysokością, a wykładnik n zawarty jest w przedziale (0:1). Zmienność profilu wiatru zależna jest od stabilności atmosfery prezentowanej tu jako klasa stabilności atmosfery, gdzie: A-C to klasy chwiejne (n = 0,238), D to klasa obojętna (n = 0,266), a E-F to klasy stałe (n = 0,257).
Na kolejnych grafikach przedstawiono rozkład kierunków wiatrów w okolicach Raciborza oraz zależność wielkości opadu od ruchów pionowych powietrza – w obu przypadkach opierano się na danych pomiarowych z Wind Profilera LAP®3000.
Epizody wysokich stężeń pyłu w atmosferze
W dniach 30.03 – 01.04.2024 roku na stacjach GIOŚ/PMŚ w województwie śląskim odnotowano podwyższone stężenia PM10 przekraczające poziom informowania ze względu na ochronę zdrowia ludzi, który w Polsce dla stężeń dobowych wynosi 100 µg/m3. Nie przekroczony został natomiast poziom alarmowy (150 µg/m3). Przyczyną tej sytuacji była specyficzna cyrkulacja powietrza, która doprowadziła do napływu gorącego powietrza z nad północnej Afryki oraz towarzyszącej mu inwazji cząstek pyłu saharyjskiego. Tego rodzaju zdarzenia są dość powszechne w tej części Europy, jednak tym razem skala i długotrwałość zjawiska była warta odnotowania. Na uwagę zasługują, nietypowe jak na warunki determinowane niską emisją, przebiegi dobowe stężeń zanieczyszczeń z maksimami w godzinach okołopołudniowych, przy dużej aktywności dynamicznej atmosfery.
31 marca 2024 r. na wszystkich analizowanych stacjach woj. śląskiego stężenie PM10 od godziny 10 UTC gwałtownie wzrosło do wartości przekraczających wspomniany wcześniej poziom informowania (>100 µg/m3). Ta sytuacja utrzymywała się do północy 1 kwietnia. Najwyższa wartość maksymalna wystąpiła 31 marca i osiągnęła 242 µg/m3 na stacji Złoty Potok o godzinie 15 UTC. Przekroczenia 200 µg/m3 odnotowano tego dnia także w Zawierciu (236 µg/m3 o godz. 15 UTC), Cieszynie (211 µg/m3 o godz. 13 UTC) i Ustroniu (206 µg/m3 o godz. 14 UTC). Kolejne maksimum wystąpiło 1 kwietnia w Gliwicach (204 µg/m3 o godz. 20 UTC). Na pozostałych stacjach 31 marca w godzinach wczesnopopołudniowych i 1 kwietnia późnym wieczorem maksymalne stężenie godzinowe PM10 wahało się od 154 µg/m3 w Raciborzu do 193 µg/m3 w Katowicach.
Ze względu na wielkość cząstek pyłów afrykańskich, podwyższone wartości stężeń nie były tak znaczące w przypadku mniejszych frakcji pyłu (PM2.5), przez co dla tego parametru nie odnotowano istotnych (tak jak w przypadku PM10) skoków wartości.
Na uwagę zasługuje dominujący WSW kierunek wiatru górnego podczas trwania maksimum epizodu (co oznacza, że wiatr ogólnej cyrkulacji atmosfery z grubsza odpowiadał kierunkowi transportu zanieczyszczeń znad Sahary) oraz niska prędkość w pionowym słupie atmosfery.
Przyszłość projektu
Podstawowym celem eksploatacji platformy obserwacyjnej ACTRIS-PL, zlokalizowanej na stacji meteorologicznej w PSHM w Raciborzu, jest włączenie jej w struktury ACTIS i uzyskanie wszystkich stosownych dokumentów labelingu, a następnie przekazywanie danych pomiarowych do struktury ACTRIS. Pozwoli to na swobodną wymianę informacji na zasadzie równego partnerstwa i umożliwi wykorzystanie zasobów aparaturowych ACTRIS w pełnym zakresie. Termin osiągnięcia gotowości wyznaczono na 31 grudnia 2025 roku.
Potencjalną korzyścią jest również, wspomniane wyżej, przystąpienie IMGW-PIB do programu e-PROFILE realizowanego w ramach EUMENET. Wymiana danych z zakresu realizowanych pomiarów meteorologicznych (WP, radiometr, ceilometr CL51, a w przyszłości CL61) umożliwi prowadzenie badań nad strukturą warstwy granicznej atmosfery nie tylko punktowo, ale także przestrzennie. Będzie to ważne źródło naszej wiedzy o planetarnej warstwie granicznej. Wreszcie, w świetle wstępnych zapowiedzi GIOŚ, możliwe jest włączenie platformy ACTRIS-PL w Raciborzu do systemu supersites.
W pełni ukształtowany profil badawczy platformy do badania aerozoli posłuży jako zaplecze badawcze przy realizacji projektów ściśle naukowych, zarówno z zakresu badań podstawowych (granty NCN, HORYZONT etc.), np. wpływu aerozoli (wymuszenia radiacyjnego) na zmianę klimatu, jak też o charakterze wdrożeniowym (NCBiR, INTERREG etc.) – np. asymilacja danych pomiarowych w warstwie granicznej atmosfery do modelowania procesów atmosferycznych, w tym pola imisji zanieczyszczeń. Nie należy również zapominać o potencjale komercyjnym, np. możliwości wsparcia procesów budowy i eksploatacji urządzeń energetyki odnawialnej, takich jak siłownie wiatrowe i fotowoltaiczne.
