Tendencje sekularnych zmian klimatu w Poznaniu

BADANIA FIZJOGRAFICZNE NAD POLSKĄ ZACHODNIĄ Tom XLIV, Seria A, Geografia fizyczna 1992 KRZYSZTOF KOWALSKI TENDENCJE SEKULARNYCH ZMIAN W POZNANIU KLIMATU ZARYS TREŚCI W pracy przedstawiono analityczny obraz zmian klimatu w Poznaniu w latach 1848-1985. Dotyczy on takich zagadnień jak: zmiany temperatury, zmiany opadów atmosferycznych, zmniejszenie wpływu oceanu na klimat oraz zmian warunków klimatycznych. Uzasadniałyby one biologiczny proces „stepowienia”. Dla oddania tych długotrwałych zmian posłużono się analizą regresji wielomianowej. Praca zawiera przewidywania klimatyczne. WSTĘP W ostatnich latach naukowcy i opinia publiczna są zainteresowani zmianami klimatu. Przewiduje się znaczny wzrost temperatury w skali światowej o około 1,5-4,5%C przed 2100 rokiem spowodowany przez zwiększenie zawartości CO2 i innych gazów śladowych w składzie atmosfery. Ma to podnieść poziom mórz o około 70 cm. Problem może być fascynujący z czysto naukowego punktu widzenia, ale wpływy klimatycznych zmian w rolnictwie, na zasoby wodne, hydrotechnikę, zdrowie itd., będą bardzo ważne dla socjalnego i ekonomicznego rozwoju społeczeństw — potwierdzają to m.in. Klemes (1985), Dooge (1987), Kozarski (1988), Brouver (1989), Kundzewicz (1989). Ostatnio stało się też jasne, że tradycyjna percepcja statycznego klimatu jest nie do obrony i to z dwóch powodów: a) dla przewidywania, b) dla budowy modeli matematycznych tych procesów, które powinny uwzględniać niestacjonarność w celu uzyskania bardziej wiarygodnych charakterystyk częstościowych. Chodziłoby o wprowadzenie współczynników korekcyjnych, które metryzowa- łyby niestacjonarność wartości Średniej, odchylenia standardowego, współczynniką skośności i spłaszczenia. Do konstruowania takich modeli potrzebne są badania tendencji rzeczywistych procesów przyrodniczych. Większość tych analiz i prognoz ma charakter globalny. Dlatego też niezmier- nie istotne jest zbadanie zmian klimatycznych regionalnej. Obszar Wielkopolski cechuje wyjątkowa i zmniejszony wpływ oceanu na klimat, co również w skali mniejszej, np. skąpość opadów atmosferycznych potwierdził np. Smosarski (1937). 116 K. Kowalski Ponadto biolodzy we florze i faunie tego regionu zauważyli niekorzystne zmiany, które nazwali „stepowieniem” (czy też nawet pustynnieniem). Przyrodnicy, a szczególnie botanicy, od ponad 130 lat wskazują, że nieuchronnie zmniejsza się ilość wilgotności w naszym bilansie wodnym. Całe zagadnienie ma szeroką podbudowę uzasadniającą słuszność stawianych tez m.in.: Wodziczko (1947), Lambor (1954, 1965). Niestety mało na ten temat jest prac z zakresu klimatologii. Podane wyżej fakty wskazują na potrzebę oddania analitycznego obrazu zmian klimatu Poznania (i Wielkopolski) dla takich zagadnień jak: — zmian temperatury, — zmian opadów atmosferycznych, — zmniejszonego wpływu oceanu na klimat, — zmian warunków klimatycznych, które uzasadniałyby proces „stepowienia”. Jednym ze sposobów badania zmian klimatycznych jest matematyczna analiza tendencji na podstawie szeregów czasowych. Jej celem jest wykrycie długookre- sowych zmian i ukazanie ich w sposób analityczny. Badania nad sekularnymi wahaniami klimatu Poznania prowadzono już wcześniej np. Smosarski (1938), Schneigert (1966), Plenzler (1972) oraz Kowalski (1989). Miały one na celu przede wszystkim ustalenie okresowości wahań temperatur i opadów atmosferycznych. Z prac w Polsce, które dotykały też tych zagadnień należałoby wymienić pracę Kożuchowskiego (1988) dotyczącą kontynentalizmu pluwialnego. OMÓWNIENIE METODY BADAŃ ANALIZY TENDENCJI Na podstawie „surowych” danych klimatycznych trudno wyprowadzić wnioski dotyczące długookresowych zmian. Przykładem niech będzie ilustracja graficzna (rys. 1 i 2) rocznych temperatur i sum opadów atmosferycznych dla Poznania w latach 1848-1985. Dlatego też stosujemy metody analizy szeregów czasowych mających na celu uchwycenie tendencji. Zazwyczaj zakłada się, że szereg czasowy, o czym piszą np. Yevjevich (1987) oraz Pruchnicki (1987), złożony jest z trzech składników: У! = Ут+ УР + УЕ, gdzie Yr - jest składnikiem długookresowym, (1) trendem; Ур - jest składnikiem periodycznym, Y=z - jest składnikiem przypadkowym. Celem analizy szeregów czasowych jest rozdzielenie tych składników. Poszukiwanie trendu w szeregach czasowych polega na eliminowaniu skład owych krótkookresowych. Najczęściej stosowaną metodą, o czym pisze np. Pruchnicki (1987), jest wygładzanie szeregu za pomocą tzw. średniej rucho mej z (2m+1) elementów ciągu według wzoru (2) : Yi" тн) i+m =(2n+1)"' У У. j=i-m (2) Tendecje sekularnych zmian klimatu w Poznaniu 117 10.5 10 ah | 1840 1860 = © — © aa I 6.5 a Roczne temperatury PC] 9.5 | | 1880 1900 1920 1940 Lata 1960 1980 2000 88 =>— s 8 w 8 1 1 8 Roczne opady atmosferyczne [mm] Rys. 1. Wykres średniej rocznej temperatury dla Poznania w latach 1848-1985 Fig. 1. Annual temperature, Poznań, 1848-1985 200540 1880 1880 1900 1820 Lata 1940 1960 1980 2000 Rys. 2. Wykres sum opadów atmosferycznych dla Poznania w latach 1848-1985 Fig. 2. Totals of atmospheric percipitation for Poznań, 1848-1958 W niniejszej pracy dokonano doboru takiego filtra wygładzającego przyjmując, że m=5. Analityczną postać trendu klimatu określono jako wielomian piątego 118 K. Kowalski stopnia, którego według wzoru (3): parametry wyznacza się metodą najmniejszych kwadratów HY (3) Y= > Bix", i=0 gdzie: x - czas wyrażony w latach dla wygody obliczeń (jest to czas „przesunięty ”), х=[6,133], B; - współczynniki wyznaczone metodą najmniejszych kwadratów. Jest to ustalenie analitycznego równania trendu, którą będziemy nazywać tendencją. Weryfikacji hipotezy o istnieniu trendu dokonano w sposób statystycz- ny przez testowanie współczynników wielomianów ortogonalnych na poziomie istotności a=0,05 na podstawie pracy Malca (1974). W analizie regresji liniowej wielokrotnej składniki regresji są na ogół wzajemnie zależne, co utrudnia ich badanie indywidualne. Trudność ta znika, gdy zmienne niezależne zastępuje się funkcjami ortogonalnymi. Wówczas bowiem składniki regresji stają się niezależ- ne. DANE KLIMATYCZNE Podstawę do analizy stanowił materiał historyczny temperatur i sum opadów atmosferycznych dla Poznania w latach 1848-1985; materiały te przygotował i sprawdził Plenzler (1972). Uważa on te materiały za jednorodne. Podobnie sądził Smosarski (1938). METODA BADAŃ KLIMATYCZNYCH Wybrane do badań wskaźniki mają na celu oddanie wzrostu temperatury, zmniejszonego wpływu oceanu na klimat oraz warunków klimatycznych, z którymi związany jest proces stepowienia. Lista tych wskaźników klimatycznych wraz z objaśnieniami podana jest poniżej: 1) T — temperatura roczna dla Poznania, 2) O — suma opadów atmosferycznych dła Poznania, 3) A — amplituda roczna temperatury, 4) P — dzielnik opadowy, 5) F — stopień suszy, 6) H — współczynnik zmienności opadów atmosferycznych, 7) WS — współczynnik potencjalnego stepownienia (...truncated)