F. Mika Korhonen on Unsplash

Written by 15:30 Hydro, Meteo, Nauka, Technologie

Monitoring suszy na obszarach rolniczych z wykorzystaniem danych satelitarnych i naziemnych. Case study z Wielkopolski

Małgorzata Kępińska-Kasprzak, Piotr Struzik, Joanna Chmist-Sikorska
IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Zespół Prognoz Specjalistycznych

Susze w Polsce występują średnio co 2-3 lata. Najczęściej dotykają zachodnią i centralną część kraju oraz Podlasie i Wyżynę Lubelską, czyli obszary o największym potencjale rolniczym. Niestety zagrożenie suszami będzie się zwiększać, co widać w scenariuszach zmiany klimatu dla Polsku, które pokazują, że nierównomierny w czasie i przestrzeni rozkład opadów pozostanie głównym problemem dla rozwoju rolnictwa. Dlatego rośnie zainteresowanie nowoczesnymi technologami monitoringu obszarów upraw, opierającymi się na danych satelitarnych i naziemnych. Jak korzystać z tych narzędzi i czy mogą one rzeczywiście wspierać właścicieli gospodarstw rolniczych w wydajnym zarządzaniu produkcją rolniczą? Na przykładzie suszy z 2018 roku pokażemy, że prowadzone przez IMGW-PIB obserwacje, uzupełnione ogólnodostępnymi obrazami satelitarnymi, pozwalają lepiej przygotować się na niedobory wody i minimalizować straty.

W Polsce, podobnie jak w wielu państwach europejskich, od lat 80. obserwujemy zmiany szeregu elementów meteorologicznych, jak np. rosnące trendy średnich temperatur powietrza czy usłonecznienia, które warunkują wzrost ewapotranspiracji (parowania) i pogłębiają już i tak niekorzystny bilans wodny. Takie warunki sprzyjają powstawaniu susz, które występują w Polsce dość regularnie od 2015 roku (2016, 2018, 2019 i 2020). Jednym z najbardziej niekorzystnych dla rolnictwa był rok 2018, w którym trwająca od kwietnia susza spowodowała starty na ponad 3,5 miliarda złotych. Ucierpiały wówczas zboża, rzepaki, okopowe i warzywa. Wysychały trawy i ściółka w lasach, co prowadziło do licznych pożarów. W niektórych regionach kraju wprowadzano ograniczenia w korzystaniu z wodociągów.

Niekorzystny przebieg warunków termicznych i opadowych w 2018 roku dobrze obrazują wykresy odchyleń od normy średnich miesięcznych temperatur powietrza i miesięcznych sum opadów atmosferycznych. Okres wegetacyjny rozpoczął się w kwietniu, który okazał się najcieplejszym w historii pomiarów, z odchyleniem ponad 5 st. Celsjusza. W kolejnych miesiącach średnie temperatury były również wyższe od przeciętnej, choć nie tak jak w kwietniu. Jednocześnie obserwowano niższe niż zwykle opady deszczu, z wyjątkiem lipca, kiedy przechodzący przez Polskę front burzowy przyniósł wysokie sumy opady.

Jednym z mocno dotkniętych przez suszę regionów była Wielkopolska. Na przykładzie powiatu słupeckiego, leżącego on na obszarze najbardziej zagrożonym występowaniem ujemnego klimatycznego bilansu wodnego, pokażemy w jaki sposób dostępne narzędzia umożliwiają bieżący monitoring suszy rolniczej i podejmowanie właściwych działań zapobiegawczych.

Roczne sumy ewapotranspiracji wskaźnikowej w latach 1966-2020 i jej trend – stacja Koło.
Roczne sumy ewapotranspiracji wskaźnikowej w latach 1966-2020 i jej trend – stacja Koło.
Roczne sumy klimatycznego bilansu wodnego w latach 1966-2020 i jego trend – stacja Koło.
Roczne sumy klimatycznego bilansu wodnego w latach 1966-2020 i jego trend – stacja Koło.
Odchylenia średnich miesięcznych temperatur w Polsce w 2018 roku.
Odchylenia średnich miesięcznych temperatur w Polsce w 2018 roku.

Monitoring suszy rolniczej prowadzony w IMGW-PIB, opiera się zarówno na danych z pomiarów naziemnych, jak i satelitarnych. Dane naziemne pochodzące ze stacji meteorologicznych dostarczają informacji o opadach, temperaturach powietrza, usłonecznieniu i wielu innych elementach, pozwalających na obliczenie i analizę szeregu parametrów obrazujących bieżące warunki potencjalnie zagrażające roślinom uprawnym, np. różnice pomiędzy kumulowanymi wartościami opadów atmosferycznych i ewapotranspiracji czy klimatyczny bilans wodny.

Kumulowane wartości ewapotranspiracji i opadów atmosferycznych (lewy panel) oraz klimatyczny bilans wodny (prawy panel) w 2018 roku – Koło.
Kumulowane wartości ewapotranspiracji i opadów atmosferycznych (lewy panel) oraz klimatyczny bilans wodny (prawy panel) w 2018 roku – Koło.

Jednak ze względu na to, że są to dane punktowe, ich interpretacja przestrzenna bywa utrudniona. Dlatego tak cennym uzupełnieniem są produkty satelitarne, które zapewniają szerokie spektrum informacji, przy dużej i bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej. Do parametrów opartych na danych satelitarnych, które pozwalających na monitorowanie suszy, należą: nasłonecznienie, ewapotranspiracja aktualna i referencyjna, produkcja pierwotna brutto, klimatyczny bilans wodny, współczynnik Sielianinowa i wskaźniki wilgotności gleby na różnych głębokościach. Obecnie do dyspozycji mamy również informacje o odchyleniach od średniej z wielolecia takich wskaźników, jak nasłonecznienie, ewapotranspiracja i wilgotność gleby, co jest wyjątkowo przydatne w analizie susz.

Parametry wykorzystywane do monitorowania obszaru rolniczego oparte na produktach satelitar-nych (na przykładzie woj. wielkopolskiego). Czerwonymi strzałkami oznaczono parametry pozwalające śledzić rozwój suszy w strefie korzeniowej gleby.
Parametry wykorzystywane do monitorowania obszaru rolniczego oparte na produktach satelitar-nych (na przykładzie woj. wielkopolskiego). Czerwonymi strzałkami oznaczono parametry pozwalające śledzić rozwój suszy w strefie korzeniowej gleby.

Poszczególne „produkty satelitarne” różnią się między sobą rozdzielczością przestrzenna. Najmniejszą rozdzielczość ma wskaźnik wilgotności gleby (25 km × 25 km) oraz nasłonecznienie, ewapotranspiracja i produkcja pierwotna (5 km × 5 km). Klimatyczny bilans wodny, bazujący na produkcie RainGRS i Ewapotranspiracji referencyjnej (produkt EUMETSAT Land SAF) możemy wyznaczać z rozdzielczością 1 km × 1 km, a najdokładniejsze są parametry oparte na danych z platformy Sentinel-2 (10 m × 10 m). Cennym udogodnieniem jest możliwość generowania przebiegu wszystkich parametrów w odniesieniu do jednostek administracyjnych, jako wartości średnich dla tych obszarów.

Przy tak obszernym katalogu produktów możemy prowadzić monitoring poszczególnych parametrów i ich analizy porównawcze w różnych horyzontach czasowych, na przykład z krokiem miesięcznym. Na poniższej grafice przedstawiono zmiany wskaźnika wilgotności gleby w płytkiej warstwie korzeniowej (7-28 cm) i klimatycznego bilansu wodnego w woj. wielkopolskim pomiędzy kwietniem, majem a czerwcem 2018 roku. Widoczny jest wyraźny spadek wilgotności gleby w czasie, będący wynikiem istotnego niedoboru opadów atmosferycznych.

Wskaźnik wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm (górny wiersz) oraz klimatyczny bilans wodny (dolny wiersz) w miesiącach od kwietnia do czerwca 2018 roku.
Wskaźnik wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm (górny wiersz) oraz klimatyczny bilans wodny (dolny wiersz) w miesiącach od kwietnia do czerwca 2018 roku.

Dzięki informacjom satelitarnym możemy również śledzić różnice w rozkładzie przestrzennym poszczególnych wskaźników w danym miesiącu. Na przykładzie maja 2018 roku widać bardzo niską wilgotność gleby w warstwie 7-28 cm w prawie całym województwie wielkopolskim, nieco lepsze warunki wilgotnościowe w głębszej warstwie korzeniowej w centralnej części województwa, wysokie wartości parowania referencyjnego na krańcach zachodnich i wschodnich oraz ujemny bilans klimatyczny na większości obszaru.

Rozkład przestrzenny wskaźników wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm i 28-100 cm, ewapotranspira-cji referencyjnej oraz klimatycznego bilansu wodnego w maju 2018.
Rozkład przestrzenny wskaźników wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm i 28-100 cm, ewapotranspira-cji referencyjnej oraz klimatycznego bilansu wodnego w maju 2018.

Dane o dużej rozdzielczości przestrzennej umożliwiają analizę parametrów z krokiem krótszym niż miesięczny, na przykład 10-dniowym. Przykładem może być współczynnik hydrotermiczny Sielianinowa, używany do monitorowania warunków lokalnych, szczególnie pod kątem suszy rolniczej. Jest to szczególnie ważne m.in. dla oceny warunków produkcji roślinnej w rolnictwie i możliwości wdrożenia działań ograniczających skutki niedoborów wody. Przykładowy rozkład i zmiany współczynnika w maju 2018 roku przedstawiono na poniższej grafice – łatwo zauważyć istotne różnice w wartościach pomiędzy poszczególnymi dekadami, co wynikało z punktowych opadów przelotnych.

Rozkład przestrzenny wskaźnika Sielianinowa w kolejnych dekadach maja 2018 roku.
Rozkład przestrzenny wskaźnika Sielianinowa w kolejnych dekadach maja 2018 roku.

Duża rozdzielczość przestrzenna informacji pozwala zatem na analizę zróżnicowania przestrzennego wskaźników zarówno pomiędzy województwami, jak i powiatami czy gminami, a nawet na prześledzenie niektórych zjawisk w jeszcze większej skali, tak jak np. wyraźnie wyższe wartości klimatycznego bilansu wodnego na niewielkich obszarach, będące wynikiem lokalnych, wysokich opadów burzowych podczas okresu suchego.

Klimatyczny bilans wodny w maju 2018 roku; kolor zielony i niebieski pokazują obszary, gdzie lokalne opady burzowe wpłynęły na wyraźne zwiększenie wartości klimatycznego bilans wodnego.
Klimatyczny bilans wodny w maju 2018 roku; kolor zielony i niebieski pokazują obszary, gdzie lokalne opady burzowe wpłynęły na wyraźne zwiększenie wartości klimatycznego bilans wodnego.

W monitoringu suszy bardzo ważna jest możliwość analizy odchyleń poszczególnych wskaźników od średniej wieloletniej. Pozwala to nie tylko oszacować bieżące warunki w porównaniu do warunków przeciętnych, ale również potwierdzić czy wszystkie wskaźniki w podobny sposób charakteryzują ewentualny niedobór lub nadmiar wilgoci. Taki przykład prezentujemy na kolejnej grafice, na której zestawiono mapy rozkładu przestrzennego wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm oraz ewapotranspiracji aktualnej w okresie wegetacyjnym 2018 roku w Wielkopolsce. Od kwietnia wilgotność gleby w płytkiej strefie korzeniowej szybko spadała i susza glebowa objęła obszar całego województwa. Równocześnie pogłębiały się odchylenia ewapotranspiracji aktualnej od wartości średniej, co potwierdzało malejące zasoby wody w glebie i szacie roślinnej. Jedynie w lipcu obserwowano mniejsze odchylenia, co było wynikiem przejścia przez Polskę frontu burzowego, który przyniósł obfite opady deszczu i spowodował wzrost wilgotności gleby i możliwości ewapotranspiracji.

Odchylenia od średniej z wielolecia (anomalie) wskaźnika wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm oraz ewapotranspiracji aktualnej w kolejnych miesiącach okresu wegetacyjnego 2018 roku (odchylenie od wielolecia ±50%).
Odchylenia od średniej z wielolecia (anomalie) wskaźnika wilgotności gleby w warstwie 7-28 cm oraz ewapotranspiracji aktualnej w kolejnych miesiącach okresu wegetacyjnego 2018 roku (odchylenie od wielolecia ±50%).

Dane naziemne i satelitarne pozwalają również na śledzenie przebiegu dobowego, dekadowego, miesięcznego czy nawet sezonowego lub rocznego poszczególnych wskaźników obrazujących warunki uprawy roślin, uśrednionych dla wybranego okresu. Zestawienie na wspólnym wykresie całego spektrum wskaźników ukazuje obraz sytuacji dekada po dekadzie i informację o okresach suchych i bardziej wilgotnych, np. po większych opadach atmosferycznych. Szczególnie cenna wydaje się analiza odchyleń wszystkich wskaźników od średniej wieloletniej na tle takich danych, jak opady atmosferyczne czy temperatury powietrza. Na wykresie przedstawiono przebieg anomalii wybranych wskaźników na tle sum opadów atmosferycznych w 2018 roku dla powiat słupeckiego. Widoczne są bardzo duże anomalie wskaźników wilgotności gleby i parowania aktualnego w okresie zimowym, będące wynikiem przemarznięcia profilu glebowego. Następnie obserwujemy ich gwałtowny wzrost i powrót do wartości przeciętnych po ociepleniu wczesną wiosną. Okres kwietnia, maja i czerwca to niedobór opadów przy pięknej i słonecznej pogodzie, stąd wysokie wartości nasłonecznienia i ewapotranspiracji referencyjnej oraz stopniowy spadek wilgotności gleby, klimatycznego bilansu wodnego czy parowania aktualnego. Po wysokich opadach na początku lipca zmniejsza się nasłonecznienie, ale rosną wartości wskaźników informujących o wilgotności gleby, ewapotranspiracji aktualnej i KBW. Następnie kolejny okres ciepłej, słonecznej i suchej pogody powoduje ponowny rozwój i pogłębianie się suszy, która zaczyna częściowo ustępować dopiero pod koniec roku.

Przebieg anomalii wybranych wskaźników na tle sum opadów atmosferycznych w 2018 roku – powiat słupecki w woj. wielkopolskim.
Przebieg anomalii wybranych wskaźników na tle sum opadów atmosferycznych w 2018 roku – powiat słupecki w woj. wielkopolskim.

Przedstawiona analiza potwierdza, że dane naziemne (o wysokiej dokładności ale niskiej rozdzielczości przestrzennej) i satelitarne (o gorszej dokładności, ale dobrej rozdzielczości przestrzennej) wzajemnie się uzupełniają i wspólnie stanowią bardzo cenny zbiór informacji w monitoringu obszarów rolniczych w skali gminy, powiatu lub województwa. Zaprezentowany obszerny katalog parametrów pozwala na śledzenie ich przebiegu oraz analizę w różnych porach roku i przy różnych warunkach meteorologicznych. Wieloparametrowy monitoring obszarów rolniczych wydaje się być szczególnie użyteczny do monitorowania zjawiska suszy, co jest szczególnie istotne w zmieniającym się klimacie Polski.

Większość zaprezentowanych produktów można śledzić na bieżąco na stronie https://agrometeo.imgw.pl/.

Zdjęcie główne: Mika Korhonen | Unsplash


MAŁGORZATA KĘPIŃSKA-KASPRZAK. Doktor nauk technicznych w zakresie inżynierii środowiska, absolwentka Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. W IMGW-PIB od 1979 roku. Obecnie zajmuje się realizacją zadań w zakresie agrometeorologii i fenologii, a także klimatologii i hydrologii. Jej zawodowe zainteresowania skupiają się w ostatnich latach na wpływie susz na poszczególne strefy środowiska przyrodniczego oraz na produkcję rolną. Autorka około 80 publikacji z zakresu hydrologii, klimatologii i agrometeorologii. Realizatorka projektów międzynarodowych INTERREG, COST oraz ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, a także projektów NCN i na zamówienie Ministerstwa Środowiska i KZGW związanych z analizą zagrożenia suszą oraz agrometeorologią i fenologią.

PIOTR STRUZIK. Doktor nauk technicznych w zakresie inżynierii środowiska, inżynier, absolwent kierunku elektronika na Akademii Górniczo Hutniczej  im. Stanisława Staszica w Krakowie. W IMGW pracuje od 1983 roku. Zajmuje się systemami odbioru i przetwarzania danych satelitarnych oraz produktami satelitarnymi przydatnymi w meteorologii, hydrologii, oceanografii, agrometeorologii. Realizator wielu projektów międzynarodowych i krajowych, uczestnik Akcji COST, przedstawiciel Polski w grupach roboczych EUMETSAT, inicjator powstania EUMETSAT H-SAF (Satelitarne Centrum Aplikacyjne dla Hydrologii i Gospodarki Wodnej) i CWG (Convection Working Group), kwalifikował misje na Międzynarodową Stacją Kosmiczną. Autor wielu publikacji naukowych.

JOANNA CHMIST-SIKORSKA. Doktor inżynierii środowiska, górnictwa i energetyki. Absolwentka Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. W IMGW-PIB od 2019 roku. Zajmuje się realizacją prac i analiz w zakresie agrometeorologii, a także klimatologii i meteorologii. Obecnie jej zawodowe zainteresowania skupiają się na modelowaniu zjawisk zachodzących w rolniczej przestrzeni produkcyjnej. Autorka 15 publikacji z zakresu inżynierii środowiska.

(Visited 688 times, 1 visits today)
Close