SPOSTRZEŻENIA DOTYCZĄCE WPŁYWU ZACHMURZENIA NA MAKSYMALNE WARTOŚCI
NATĘŻENIA CAŁKOWITEGO PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO
Zarys treści: W opracowaniu przedstawiono wyniki spostrzeżeń dokonywanych w latach 2004−2008 w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim, dotyczące zależności natężenia całkowitego promieniowania słonecznego od stopnia pokrycia nieba chmurami i składu rodzajowego zachmu- rzenia. Potwierdzono wyniki wcześniejszych badań: zachmurzenie w dwojaki sposób wpływa na natężenie promieniowania słonecznego – zazwyczaj je osłabia, ale w pewnych warunkach pogodowych powoduje jego zwiększenie. Maksymalne natężenie promieniowania całkowitego nie występuje przy niebie bezchmurnym, lecz zachmurzonym (3/8−6/8), przy obecności chmur konwekcyjnych.
Słowa kluczowe: natężenie całkowitego promieniowania słonecznego, stopień zachmurzenia, rodzaje chmur, transmisja promieniowania przez chmury
Key words: total solar radiation intensity, cloudiness, cloud genera, solar radiation transmission through the clouds
Wstęp
Wielkość energii słonecznej dopływającej do powierzchni ziemi zależy od wielu czynników. Wśród nich największy wpływ mają czynniki astronomiczne, które powo- dują cykliczną zmienność dopływu promieniowania słonecznego w ciągu roku oraz w ciągu dnia. Wielkość zachmurzenia, rodzaj chmur i ich położenie względem tarczy słonecznej są głównymi czynnikami meteorologicznymi kształtującymi strumień energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi. Na wartość natężenia promienio- wania słonecznego mierzonego na stacjach naziemnych wpływa także przezroczystość powietrza, a zwłaszcza zawartość pary wodnej i aerozoli.
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ Kraków 2009
Dorota Matuszko, Jakub Soroka
Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie spostrzeżeń dotyczących maksymalnych wartości natężenia całkowitego promieniowania słonecznego w zależ- ności od stopnia pokrycia nieba chmurami i składu rodzajowego zachmurzenia.
Materiały źródłowe
W opracowaniu wykorzystano wyniki pomiarów i obserwacji dokonywanych w latach 2004−2008, równolegle na dwóch stacjach: w Krakowie (ϕ=50°04’N, λ=19°58’E, h=206 m n.p.m., Stacja Naukowa Zakładu Klimatologii IGiGP UJ) i Gorzowie Wiel- kopolskim (ϕ=52°44`N, λ=15°17`E, h=72 m n.p.m., Regionalna Stacja Hydrologiczno- -Meteorologiczna IMGW). Na obydwu stacjach w sposób ciągły rejestrowano natę- żenie promieniowania całkowitego w W⋅m-2.Pomiary wykonywano czujnikami firmy Kipp&Zonen typu CM5 i rejestrowano natężenie promieniowania jako wartości śred- nie dziesięciominutowe z próbkowania co 10 sekund. Stopień zachmurzenia oceniano w oktantach, a rodzaje chmur określano zgodnie z międzynarodową klasyfikacją chmur (Międzynarodowy Atlas Chmur 1959). W Krakowie obserwacje zachmurzenia wykonywa- no w ustalonych terminach, o godzinie 6:00, 9:00, 12:00, 15:00 i 18:00 UTC, natomiast w Gorzowie Wielkopolskim przez cały dzień. Obserwator na tej stacji śledził na bieżąco stan pokrycia nieba chmurami i notował natężenie promieniowania w przypadku, gdy tarcza słoneczna nie była zasłonięta chmurami, a następnie gdy była nimi pokryta.
Metoda ta pozwoliła na uzyskanie wyników określających wpływ poszczególnych rodzajów chmur na chwilowe natężenie całkowitego promieniowania słonecznego.
Na wykresach i w tabeli przedstawiono dane z Krakowa, ponieważ podstawowym materiałem źródłowym wykorzystanym w opracowaniu są codzienne dane aktynome- tryczne i nefologiczne pochodzące ze Stacji Naukowej Zakładu Klimatologii IGiGP UJ.
Krakowska seria obserwacji zachmurzenia należy do najdłuższych w Europie i może stanowić doskonały punkt odniesienia do badań prowadzonych w innych miejscach (Matuszko 2007). Wyniki spostrzeżeń z Gorzowa Wielkopolskiego potwierdzają prawidłowości zauważone w Krakowie oraz są ich cennym uzupełnieniem, ponieważ dotyczą szczegółowych obserwacji w wybranych dniach badanego okresu.
W pracy analizowano średnie dziesięciominutowe wartości natężenia promie- niowania i ich przebieg dobowy pod wpływem zmian zachmurzenia. Szczególną uwagę zwrócono na dane z półrocza ciepłego, kiedy Słońce znajduje się najwyżej nad horyzontem i występują maksymalne możliwe wartości natężenia promienio- wania całkowitego w naszych szerokościach geograficznych, tj. powyżej 1000 W⋅m-2. Rozpatrywano różnice w dopływie promieniowania słonecznego w odniesieniu do jego wartości średnich godzinnych oraz warunków nieba bezchmurnego.
Dotychczasowy stan badań
Przeprowadzone na świecie pomiary i obserwacje wykazują, że chmury w dwo- jaki sposób wpływają na natężenie promieniowania słonecznego: zazwyczaj osłabiają promieniowanie, ale w pewnych warunkach pogodowych powodują jego zwiększenie.
Ze względu na tzw. efekt lustrzany (Podstawczyńska 2004, 2007), czyli odbicie promieniowania słonecznego od bocznych części chmur konwekcyjnych, wzrasta
promieniowanie rozproszone, co powoduje, że wartości natężenia promieniowania całkowitego mogą być większe niż w czasie pogody bezchmurnej. Wzrost promie- niowania słonecznego następuje w wyniku procesów odbicia i silnego rozpraszania w kierunku powierzchni ziemi, zachodzących głównie na krawędziach chmur oświetlo- nych przez bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Robinson (1977) oraz Monteith i Unsworth (1988) podają, że rozbudowane chmury konwekcyjne mogą podnosić wartość promieniowania całkowitego w stosunku do warunków bezchmurnego nieba średnio od 5 do 15%, a najbardziej efektywny wzrost natężenia promieniowania na- stępuje w chwili, gdy niebo w 50% pokryte jest chmurami, których wymiar pionowy zbliżony jest do poziomego. Podstawczyńska (2007) przytacza badania Segala i Davisa (1992) przeprowadzone w Kolorado (USA), które dowodzą podwyższenia natężenia promieniowania słonecznego nawet o 250 W⋅m-2 w stosunku do wartości notowanych przy bezchmurnym niebie. Zjawisko tak znacznego wzrostu natężenia promieniowania całkowitego w wyniku odbicia w bocznych częściach chmur konwekcyjnych występo- wało w godzinach okołopołudniowych i trwało zwykle 15−30 minut, ale zdarzały się przypadki, gdy utrzymywały się około godziny. Według Robinsona (1977), w bocznych częściach chmur Cumulus i Cumulonimbus jest mniejsza koncentracja kropelek wody i proces rozpraszania oraz odbicia dominuje nad procesem pochłaniania promieniowania słonecznego. Kuchinke i Nunez (1999) porównują oświetlone krawędzie chmur do soczewek, które kierują promienie słoneczne do powierzchni ziemi.
Wyniki pomiarów i obserwacji
Spostrzeżenia dokonane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim potwierdzają wyniki badań opisane w literaturze i dobitnie wskazują, że maksymalne natężenie promieniowania całkowitego występuje nie przy niebie bezchmurnym, lecz zachmu- rzonym (tab. 1). Warto zauważyć, że
najwyższe wartości promieniowania całkowitego rejestrowane są przy za- chmurzeniu ≥3/8, często przy 6/8.
W Krakowie w warunkach atmo- sfery bezchmurnej najniższe wartości natężenia promieniowania całkowi- tego w ciągu roku występują w mie- siącach zimowych (około 300 W⋅m-2 w grudniu), najwyższe natomiast występują od drugiej połowy maja do lipca, przy najwyższej wysoko- ści Słońca nad horyzontem (h>60o) i wynoszą 840−860 W⋅m-2 (ryc. 1).
W dniach bezchmurnych duże zna- czenie w wielkości dopływu promie- niowania słonecznego do powierzchni ziemi ma przezroczystość powietrza, zwłaszcza zawartość pary wodnej,
Ryc. 1. Przykładowy przebieg dobowy natężenia promieniowania całkowitego w dniu bezchmur- nym (27.05.2005 r., czas UTC+1)
Fig. 1. Example of daily course of total solar radiation intensity on a cloudless day (27th May, 2005, UTC+1)
a w atmosferze miejskiej – zanieczyszczeń pyłowych. Zauważono, że obecność zamglenia bądź zmętnienia może osłabiać natężenie promieniowania słonecznego o kilkadziesiąt W⋅m-2.
Pomiary i obserwacje wykonywane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim wy- kazały, że podwyższenie wartości promieniowania całkowitego w stosunku do warun- ków bezchmurnego nieba jest możliwe kiedy występują chmury o budowie pionowej i pierzaste. Największe średnie godzinne natężenie promieniowania całkowitego (829 W⋅m-2) w badanym okresie notowane było w Krakowie przy pokryciu nieba chmurami Cirrus, Cirrostratus, Cirrocumulus i najwyższym położeniu Słońca nad hory- zontem (h>60o). Wysokość Słońca odgrywa bardzo dużą rolę w dopływie promienio- wania słonecznego, szczególnie gdy na niebie znajdują się chmury piętra wysokiego.
Na fakt ten zwracał uwagę Kondratiew (1965), według którego przy zmieniającej się wysokości Słońca od 5o do 50o, transmisja promieniowania słonecznego przez chmury Cirrus rośnie od 2 do 44%. W Krakowie w badanym okresie, gdy niebo pokryte było chmurami wysokimi, średnie godzinne wartości natężenia promieniowania słonecznego zmieniały się od 233 W⋅m-2 przy wysokości Słońca h<20o do 829 W⋅m-2 przyh>60o.
Na obydwu stacjach zaobserwowano, że chwilowe podwyższenie natężenia całkowitego promieniowania słonecznego w stosunku do wartości notowanych przy niebie bezchmurnym zdarza się, gdy na niebie są chmury Cumulus i Cumulonimbus oraz dodatkowo Altocumulus, Stratocumulus, Cirrus i Cirrostratus. Sytuacja taka występuje wtedy, gdy tarcza słoneczna nie jest zasłonięta chmurami i promieniowanie bezpo- średnie dociera bez przeszkód do powierzchni ziemi, a od chmur znajdujących się w strefie okołosłonecznej dochodzi promieniowanie rozproszone. Jeżeli tarcza słoneczna Tab. 1. Zachmurzenie i sytuacja synoptyczna w dniach z maksymalnym natężeniem promie- niowania całkowitego (powyżej 1000 W⋅m-2) w Krakowie (2004−2007)
Table 1. Cloudiness and synoptic situation on days with the maximum total solar radiation intensity (over 1000 W⋅m-2) in Kraków (2004–2007)
została zasłonięta przez chmurę, natężenie promieniowania gwałtownie spadało.
W miesiącach o najdłuższych dniach i najwyższej wysokości Słońca nad horyzontem (maj, czerwiec) przy pokryciu tarczy przez chmury Cirrus spi chwilowe spadki wyno- siły około 100 W⋅m-2, Cirrostratus 150−200 W⋅m-2, Cumulus med 450 W⋅m-2, Altocumulus i Cumulus 600 W⋅m-2, Stratocumulus i Cumulus 800 W⋅m-2 i maksymalnie przy chmurze Cumulonimbus − ponad 800 W⋅m-2.
Największy chwilowy spadek natężenia promieniowania całkowitego, poprzedzo- ny wzrostem w stosunku do wartości notowanych przy niebie bezchmurnym, wystąpił w Gorzowie Wielkopolskim 14.06.2008 r. W tym dniu o godzinie 10:52 tarcza słoneczna nie była zasłonięta chmurami, choć niebo było pokryte w 6/8 chmurami Cumulonimbus, Cumulus i Altocumulus. Zanotowano wówczas natężenie promieniowania o wartości rów- nej 1126 W⋅m-2. Nastąpiło zatem podwyższenie wartości promieniowania całkowitego o około 260 W⋅m-2 w stosunku do natężenia mierzonego przy niebie bezchmurnym.
Pół godziny później, gdy Cumulonimbus zasłonił prawie całe niebo (7/8 zachmurzenia) i tarczę słoneczną oraz wystąpił przelotny opad deszczu, natężenie promieniowania spadło do 65 W⋅m-2.
O wielkości podwyższenia promieniowania słonecznego, przy równoczesnym występowaniu Cumulus z innymi chmurami, np. Altocumulus lub Stratocumulus, de- cyduje głównie udział Cumulus w ogólnym zachmurzeniu, ponieważ − jak wcześniej wspomniano − przy tym rodzaju chmur najczęściej dochodzi do efektu lustrzanego.
W zimie przy niskich wysokościach Słońca nad horyzontem (h<20o) różnice mię- dzy chwilowym maksymalnym natężeniem promieniowania całkowitego a średnim godzinnym są znacznie mniejsze (nie przekraczają 200 W⋅m-2), czego powodem może być również mniejsza o tej porze roku częstość występowania chmur konwekcyjnych.
W chłodnej części roku trudniej jest ocenić rolę zachmurzenia w dopływie pro- mieniowania do powierzchni ziemi, ze względu na małe wartości promieniowania, które w południe przy niebie bezchmurnym na obu stacjach wynoszą średnio około 300 W⋅m-2.
Spadki i wzrosty natężenia promieniowania całkowitego pod wpływem zmian zachmurzenia w lecie ilustrują wykresy przebiegu dziennego (ryc. 2). Kształt krzywej natężenia promieniowania odzwierciedla charakter zachmurzenia w ciągu dnia. Duże wahania natężenia promieniowania całkowitego, zaburzające naturalny bieg dzienny, wskazują na rozwój konwekcji od godzin rannych i tworzenie się kolejno chmur Cumulus różnych gatunków (humilis, fractus, mediocris, congestus), aż do powstania po południu chmury Cumulonimbus. W zależności od tego, czy chmura zasłania tarczę sło- neczną czy nie, natężenie promieniowania gwałtownie spada i ponownie rośnie. Jeżeli Cumulus jest cienki (fractus lub humilis), wahania wynoszą około 200 W⋅m-2, natomiast przy przejściu przez tarczę Słońca silnie rozbudowanych chmur (Cumulus congestus lub Cumulonimbus) dochodzą do 800 W⋅m-2. W godzinach przedpołudniowych krzywa przebiegu promieniowania jest rosnąca i regularna, natomiast pod wieczór malejąca i nierówna. Nieregularny przebieg promieniowania związany jest z przysłanianiem tarczy słonecznej przez chmury Stratocumulus i Altocumulus stratiformis perlucidus i translucidus. Równoczesne pojawianie się na niebie kilku rodzajów chmur (Cumulus, Stratocumulus, Altocumulus, Cirrus, Cirrocumulus) w różnych piętrach wysokościowych
(ryc. 2) powoduje zaburzony rozkład promieniowania w ciągu dnia, lecz mniejszy zakres wahań wartości natężenia promieniowania całkowitego niż przy wyłącznej obecności Cumulus lub Cumulonimbus.
Ryc. 2. Przebieg dobowy natężenia promieniowania całkowitego w dniach z maksymalnym jego natężeniem (powyżej 1000 W⋅m-2) w Krakowie (2004−2007)
Objaśnienia: dane o zachmurzeniu i sytuacji synoptycznej podano w tabeli 1.
Figure 2. Daily course of total solar radiation intensity on days with its maximum values (over 1000 W⋅m-2) in Kraków (2004−2007)
Explanations: data about cloudiness and synoptic situation are provided in table 1.
Wielkość energii słonecznej dopływającej do powierzchni ziemi zależy również od przezroczystości atmosfery, o czym świadczy fakt, że najwyższe wartości natężenia promieniowania całkowitego występują przy dobrej widzialności, wilgotności względnej poniżej 30%, w dniach z masą powietrza polarnego kontynentalnego lub arktycznego (Niedźwiedź 2008).
Wnioski
Spostrzeżenia dokonane w Krakowie i Gorzowie Wielkopolskim pozwalają na sformułowanie następujących wniosków na temat wpływu zachmurzenia na chwi- lowe wartości natężenia całkowitego promieniowania słonecznego mierzonego przy powierzchni ziemi:
1) zakres zmian osłabienia promieniowania słonecznego przez poszczególne rodzaje chmur jest bardzo duży: od 30 W⋅m-2 przy chmurach Cirrus do ponad 800 W⋅m-2 przy Cumulonimbus, z tego względu przy analizie wpływu zachmurzenia na promie- niowanie słoneczne koniecznie trzeba uwzględniać, oprócz stopnia pokrycia nieba chmurami, także ich skład rodzajowy;
2) najwyższe natężenie promieniowania całkowitego (powyżej 1100 W⋅m-2 zarówno w Krakowie, jak i w Gorzowie Wielkopolskim) występuje przy niebie zachmu- rzonym od 3/8 do 6/8, przy obecności chmur Cumulus mediocris i congestus oraz Cumulonimbus;
3) duże (powyżej 900 W⋅m-2) natężenie promieniowania całkowitego możliwe jest także przy chmurach Stratocumulus i Altocumulus, którym towarzyszą Cumulus;
4) w wielu przypadkach o natężeniu promieniowania całkowitego decyduje nie tylko rodzaj chmury, ale także jej gatunek, a nawet odmiana (często na stacjach meteorologicznych notowany jest wyłącznie rodzaj chmury); największe różnice w transmisji promieniowania przy tym samym rodzaju chmur ma odmiana trans- lucidus, przy której natężenie promieniowania jest większe niż przy opacus, oraz gatunek fibratus w niewielkim stopniu osłabiający promieniowanie w porównaniu do spissatus;
5) między dniami z chmurą Stratus (8/8) różnice w natężeniu promieniowania są bardzo duże (średnio od 40 do 80%) ze względu na różną miąższość tej chmury lub, a może przede wszystkim, z powodu obecności chmur leżących wyżej, które są niewidoczne ze stacji naziemnej;
6) przy występowaniu chmur Cirrus i Cirrostratus istotna jest wysokość Słońca nad horyzontem; przy niskim położeniu Słońca (h<20o) promieniowanie jest w znacz- nym stopniu ograniczone, natężenie promieniowania wynosi około 45% mniej w stosunku do wartości, gdy Słońce jest wzniesione wysoko (h>60o);
7) trudno jest określić wpływ pojedynczych rodzajów chmur na natężenie promie- niowania słonecznego, ponieważ na niebie często obserwuje się równoczesne wy- stępowanie kilku ich rodzajów, np. chmury Nimbostratus lub Cirrocumulus rzadko pojawiają się samodzielnie.
Problem wpływu zachmurzenia na promieniowanie słoneczne jest bardzo złożo- ny i wymaga dalszych szczegółowych badań, w których należy uwzględniać zarówno stopień pokrycia nieba chmurami, jak i rodzaje, gatunki i odmiany chmur oraz ich położenie względem tarczy słonecznej, a także przezroczystość atmosfery (wilgotność, widzialność, stężenie zanieczyszczeń). Należy pamiętać, że chmur leżących wyżej, mimo że są na niebie, często nie widać, ze względu na zasłonięcie ich przez chmury niższych pięter, a właśnie to chmury niewidoczne mogą odgrywać zasadniczą rolę w kształtowaniu wielkości dopływu promieniowania słonecznego.
Literatura
Kondratiew K.J., 1965, Aktinometrija, Gidrometeoizdat, Leningrad.
Kuchinke C., Nunez M., 1999, Cloud transmission estimates of UV-B erythemal irradiance, Theor.
Appl. Climatol., 63, 149−161.
Matuszko D. (red.), 2007, Klimat Krakowa w XX wieku, IG i GP UJ, Kraków.
Międzynarodowy Atlas Chmur, 1959, PIHM, ser. A, 42, Wyd. Komunikacyjne, Warszawa.
Monteith J.L., Unsworth M.H., 1988, Principles of Environmental Physics, Edward Arnold, London.
Niedźwiedź T., 2008, Kalendarz typów cyrkulacji dla Polski południowej, plik komputerowy, Uniw.
Śląski, Sosnowiec (http://klimat.wnoz.us.edu.pl/podstrony/kalendarztn.html).
Podstawczyńska A., 2004, Ultrafioletowe i całkowite promieniowanie słoneczne w Łodzi w latach 1997−2001, Acta Geogr. Lodziensia, 100 lat obserwacji meteorologicznych w Łodzi, 89, 161−178.
Podstawczyńska A., 2007, Cechy solarne klimatu Łodzi, Acta Geogr. Lodziensia, Folia Geogr.
Phys., 7.
Robinson P.J., 1977, Measurements of downwards scattered solar radiation from isolated Cumulus clouds, J. Appl. Meteo., 16, 620−625.
Segal M., Davis J., 1992, The impact of deep Cumulus reflection on the ground-level global irradiance, J. Appl. Meteo., 31, 217−222.
Remarks on the influence of cloudiness
on the maximum values of total solar radiation intensity
Summary
The study presents the results of observations carried out in Kraków (at the research station of the Department of Climatology, Institute of Geography and Spatial Management of the Jagiellonian University) and in Gorzów Wielkopolski (at the Regional Hydrological and Meteorological Station of the Institute of Meteorology and Water Management) in the years 2004−2008. The observations examined the relationship between the intensity of total solar radiation and cloud cover with its specific generic makeup. The results of previous studies have been confirmed, stating that cloudiness has a twofold impact on solar radiation intensity: most often, it attenuates radiation, however, under specific circumstances, it can also enhance it.
The maximum intensity of total radiation (over 1100 W⋅m-2 in Kraków and Gorzów Wielkopolski alike)occurs with a cloud cover of 3/8 to 6/8 of the sky, with Cumulus mediocris and congestus, as well as Cumulonimbus clouds. The highest intensity of total radiation under clear skies conditions in a given year is registered from the second half of May to July (the highest altitude of the Sun above the horizon), equalling 840−860 W⋅m-2. Under clear skies conditions, air transparency, and especially water vapour content are very significant as far as the influx of solar radiation to the surface of the Earth is concerned. On days with Stratus clouds covering the sky (8/8), differences in the intensity of radiation are substantial, due to varying thickness of the cloud,
or primarily, due to the occurrence of higher clouds, invisible from the station located on the surface of the Earth. In the case of high-altitude clouds, the height of the Sun above the horizon is very important − with the Sun located low above the horizon, the radiation is substantially limited.
Dorota Matuszko Uniwersytet Jagielloński
Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej ul. Gronostajowa 7
30-387 Kraków
e-mail: d.matuszko@geo.uj.edu.pl Jakub Soroka
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Regionalna Stacja Hydrologiczno-Meteorologiczna ul. Sybiraków 10
66-400 Gorzów Wielkopolski jakubsoroka@wp.pl
