Profil naukowy

Od kilkunastu lat w ZKiOA prowadzone są prace dotyczące modelowania meteorologicznego oraz jakości powietrza atmosferycznego, w tym stężeń oraz depozycji zanieczyszczeń atmosferycznych.

Początkowo, we współpracy z Centrum Ekologii i Hydrologii w Edynburgu, wykorzystywany był relatywnie prosty model dyspersji zanieczyszczeń FRAME (Fine Resolution Atmospheric Multi-species Exchange), który dostarczał informacji o średniorocznych stężeniach i rocznej depozycji. W ostatnich latach uruchomione zostały tzw. eulerowskie modele dyspersji zanieczyszczeń, w tym model WRF-Chem, zintegrowany online z mezoskalowym modelem meteorologicznym WRF, oraz model EMEP. Oba modele pracują w wysokiej rozdzielczości czasowej (np. wyniki zapisywane co 1h). Zespół współpracuje w zakresie jakości powietrza atmosferycznego z Wojewódzkim Inspektoratem Ochrony Środowiska we Wrocławiu (WIOŚ Wrocław), Instytutem Ochrony Środowiska, Miastem Wrocław, jak również firmami komercyjnymi (np. Atmoterm SA, Ekometria spółka z o.o.).

Mezoskalowe modele meteorologiczne są wykorzystywane także do tzw. dynamicznego downscalingu informacji klimatologicznych dla różnych obszarów geograficznych (m.in. Polska i Spitsbergen).

Zespół ma do wyłącznej dyspozycji klaster obliczeniowy, wyposażony w 32 procesory i korzystający z dwóch macierzy dyskowych o łącznej pojemności 32Tb. Jest on wyposażony m.in. w kompilatory C oraz Fortran (m.in. Intel, PGI). Parametry klastra pozwalają na efektywne wykonywanie obliczeń z wykorzystaniem nowoczesnych metod modelowania. np, z modelami meteorologicznymi (WRF) i dyspersji zanieczyszczeń (np. FRAME, WRF-Chem

Ponadto Zakład od 2011 korzysta także z mocy obliczeniowych udostępnianych przez Wrocławskie Centrum Sieciowo – Superkomuterowe (klaster Supernowa: http://www.kdm.wcss.wroc.pl).

Prowadzone w Zakładzie badania i analizy związane z modelowaniem warunków meteorologicznych oraz jakości powietrza mają również charakter aplikacyjny.

W oparciu o zdobytą wiedzę i doświadczenie zespół Zakładu przygotował między innymi geoportal Nasze Powietrze, prezentujący bieżące prognozy parametrów jakości powietrza (m.in. stężenie pyłu zawieszonego, tlenków azotu, ozonu troposferycznego czy Polskiego Indeksu Jakości Powietrza), podstawowych parametrów tła meteorologicznego (m. in. temperatura i wilgotność powietrza, prędkość oraz kierunek wiatru, dopływ promieniowania słonecznego, opady) wskaźników biometeorologicznych (UTCI, wskaźnik stresu cieplnego i temperatura ochładzania wiatrem). Powstał on w ramach realizowanego w latach 2013-2017 Projektu LIFE-APIS/PL, finansowanego ze środków UE w ramach instrumentu finansowego LIFE oraz współfinansowany ze środków NFOŚiGW.

Geoportal jest powszechnie dostępny przez stronę www oraz aplikację mobilną i prezentuje uaktualniane codziennie 72-godzinne prognozy dla obszaru Dolnego Śląska

Narzędzia GIS są od wielu lat stosowane przez Zespół w różnego rodzaju analizach elementów klimatu, w różnych skalach przestrzennych i czasowych.

Pracownicy Zespołu brali czynny udział w rozwijaniu metod interpolacji przestrzennej z wykorzystaniem metod wielowymiarowych: regresji wieloczynnikowej oraz regresji ważonej geograficznie. Metody te są obecnie coraz szerzej stosowane w analizach środowiska przyrodniczego. Narzędzia GIS wykorzystywane były także do analiz liczby dni z mgłą, pola opadu atmosferycznego, dopływu promieniowania słonecznego czy ablacji lodowców.

Spośród głównych obszarów badawczych Zakładu wymienić należy obszar Dolnego Śląska z wyszczególnieniem obszaru miast i zróżnicowanego morfologicznie obszaru masywu Sudetów, ale także obszar Polski i Spitsbergen.

W analizach i modelowaniu stosowane są pochodne numerycznych modeli terenu (Digital Elevation Model, CORINE Land Cover) oraz różnego rodzaju zobrazowania teledetekcyjne, głównie satelitarne. Zespół aktywnie korzysta zarówno z narzędzi OpenSource (m.in. GIS GRASS, R, Quantum GIS), jak i komercyjnych (m.in. ArcGIS). Narzędzia te są również szeroko wykorzystywane w ofercie dydaktyczne Zakładu.

Zaangażowanie zespołu w problematykę obszarów polarnych ma w ZKOiA wieloletnią tradycję. Założyciel Zakładu, prof. Aleksander badał Grenlandię w latach 30-tych XX wieku, a doc. Stanisław Baranowski w latach 70-tych pobudował na przedpolu Lodowca Werenskiolda (Spitsbergen) naszą uniwersytecką stację, nazywaną od jego imienia „Baranówką”.

Nasze badania prowadzimy we współpracy z instytutami Polskiej Akademii Nauk i uczelniami, wzajemnie wspierając naszą aktywność na forach organizacji i konferencji krajowych i międzynarodowych (http://www.pkpolar.pl, http://www.kbp.pan.pl, https://iasc.info ). Absolwenci naszej specjalizacji biorą udział w całorocznych wyprawach w polskich stacjach polarnych (Spitsbergen, Szetlandy Południowe).

Wykorzystujemy nasze bogate i różnorodne doświadczenie. Bierzemy udział w badaniach interdyscyplinarnych i współpracujemy z ekspertami różnych dziedzin nauki. Pracujemy w terenie i laboratoriach komputerowych. Działamy na pograniczu różnych dziedzin (meteorologia i klimatologia, glacjologia, hydrologia, geomorfologia, biologia, chemia atmosfery).

Poszukujemy odpowiedzi na pytania:

• Jaki jest właściwy mechanizm funkcjonowania klimatu polarnego?
• Jakie są interakcje pomiędzy klimatem a środowiskiem?
• W jaki sposób zespolone są mechanizmy globalne z procesami w skali regionalnej i lokalnej?

Nasze prace dotyczą m.in.:

• bilansu energetycznego powierzchni lodowca oraz zlewni niezlodowaconych
• warstwy aktywnej zmarzliny
• modeli fizycznych i rozkładu przestrzennego ablacji
• modelowania promieniowania słonecznego
• warstwy granicznej atmosfery
• chemizmu śniegu i transportu zanieczyszczeń atmosferycznych
• dendroklimatologii

Pracownicy ZKiOA posiadają doświadczenie w zakresie opracowywania syntetycznej i kompleksowej charakterystyki klimatologicznej Dolnego Śląska w odniesieniu do makro-, topo- oraz mikroskali.

Jednym z głównych przedmiotów zainteresowań jest rola wysokości względnej i bezwzględnej, formy terenu, ekspozycji stoków, pokrycia terenu w kształtowaniu przestrzennej zmienności warunków klimatycznych na terenach górskich.

Ważnym wątkiem, w uprawianej w naszym Zakładzie klimatologii górskiej, jest również ocena udziału lokalnych czynników cyrkulacyjnych na tle makroskalowej cyrkulacji atmosferycznej (fen i bora). Analizujemy jak deformacja pola wiatru wywołana przez lokalną rzeźbę dokonuje się w mezoskali pod wpływem ogólnej orientacji i przebiegu pasma Sudetów i jakie to niesie za sobą konsekwencje w postaci specyficznych warunków klimatycznych.

Innym zagadnieniem, które jest dość szczegółowo analizowane w Sudetach, to problem bilansu wodnego z uwzględnieniem wydajności nie tylko opadu, ale także osadów z mgły. Mgła to zjawisko, które jest najczęściej notowane w Karkonoszach i jej znaczenie analizujemy w odniesieniu do: częstości występowania, rozkładu przestrzennego, wydajności przychodu wody, jej chemizmu i depozycji zanieczyszczeń, oblodzenia i obciążenia sadzią, ograniczeń w komunikacji. Spore doświadczenie w tej mierze przyczyniło się do przyznania naszemu zespołowi organizacji międzynarodowej konferencji o zasięgu globalnym „Fog, fog collection and dew”, która miała miejsce w 2017 roku.

Kolejnym zagadnieniem podejmowanym w Zakładzie jest charakterystyka warunków klimatycznych wpływających w sposób bezpośredni i pośredni na stan ekosystemów leśnych, w tym analiza czynników różnicujących przestrzenny rozkład abiotycznych i antropogenicznych uszkodzeń drzewostanów. Są to przede wszystkim: silny wiatr, nadmierne opady deszczu lub śniegu, susza, głębokie spadki temperatury powietrza, czy też obciążenie sadzią. Wszystkie w istotny sposób wpływają na stan zdrowotny lasu wywołując mechaniczne uszkodzenia drzew lub zaburzenia ich stanu fizjologicznego.

Pracownicy Zakładu zajmują się także identyfikacją źródeł emisji zanieczyszczeń atmosferycznych oraz opisem roli procesów atmosferycznych odpowiedzialnych za ich transport, dyspersję, przemiany chemiczne, usuwanie z atmosfery oraz depozycję na powierzchni ziemi. Wykazujemy związki pomiędzy dynamiką wzrostu świerka a zmianami w depozycji zanieczyszczeń dokonującymi się w ciągu ostatnich 50-60 lat. Prowadzone pomiary umożliwiają rozpoznanie skali, struktury i mechanizmów depozycji zanieczyszczeń oraz zależności pomiędzy nią a niekorzystnymi zmianami w górnoreglowych ekosystemach świerkowych.

Kolejny aspekt to identyfikacja procesów, mających wpływ na kształtowanie się cech fizycznych oraz chemizmu pokrywy śnieżnej, od momentu formowania się cząstek opadu, przez procesy usuwania zanieczyszczeń w swobodnej atmosferze, przyrost pokrywy śnieżnej, aż do roli okresów ablacyjnych w uwalnianiu zanieczyszczeń.

Interesuje nas aspekt rozkładu przestrzennego miąższości śniegu, identyfikacja różnych procesów, które mają wpływ na ciągłą zmienność ładunku zanieczyszczeń kumulowanego w pokrywie śnieżnej. Monitorujemy znaczenie czynników atmosferycznych w kształtowaniu tempa ablacji, metamorfizacji śniegu, ekwiwalentu wodnego, czy też zagrożenia lawinowego.

W latach ’80 ubiegłego wieku w ówczesnym Zakładzie Meteorologii i Klimatologii Uniwersytetu Wrocławskiego powstało drugie w Polsce (po nieistniejącym już Zakładzie Teledetekcji atmosfery IMGW w Krakowie) stanowisko akustycznego monitoringu atmosfery. Od tego czasu pomiary SODARowe (Sound Detection and Ranging) w naszym Zakładzie prowadzone są w sposób ciągły.

Na przestrzeni lat sprzęt podlegał licznym modernizacjom. W chwili obecnej w Obserwatorium Meteorologicznym Zakładu działają trójmonostatyczny sodar dopplerowski, mobilny minisodar dopplerowski oraz sodar bistatyczny. Sodar, określany też radarem akustycznym, dostarcza wiarygodnych informacji o procesach zachodzących w Warstwie Granicznej Atmosfery.

Na podstawie analizy echa sodarowego uzyskujemy informacje o gradiencie temperatury oraz prędkości wiatru, zasięgu inwersji oraz intensywności konwekcji. Warstwa graniczna atmosfery jest najniższą częścią atmosfery sięgającą w naszych szerokościach geograficznych do wysokości około 2000-2500 m n.p.g. Mimo tak niewielkiej miąższości należy do najważniejszych części atmosfery. Stanowi ona drogę wymiany strumieni pędu, ciepła i wilgoci ze swobodną atmosferą, a przez to wpływa na procesy pogodowe. Ponadto jest to główny obszar aktywności ludzi oraz, przede wszystkim, miejsce emisji zanieczyszczeń powietrza.

W trakcie realizowanych badań uzupełnieniem pomiarów teledetekcyjnych były sondaże balonem na uwięzi, które w chwili obecnej zostały zastąpione przez pomiary z wykorzystaniem bezzałogowej platformy latającej. Pomiary sodarowe wykorzystywane są przede wszystkim w ocenie jakości powietrza i analizie dynamiki stężeń zanieczyszczeń powietrza. Pozwalają też na weryfikację wyników matematycznego modelowania w zakresie oceny zasięgu warstwy mieszania.

Oprócz świetnego zespołu naukowców, dydaktyków i techników Zakład Klimatologii i Ochrony Atmosfery dysponuje również własnym Obserwatorium meteorologicznym. Kontynuujemy w nim pomiary rozpoczęte w 1946 roku i dysponujemy obecnie ponad 70-letnią serią danych klimatologicznych.

Nasze Obserwatorium tworzy w tej chwili nowoczesny, zautomatyzowany system pomiarowy, umożliwiający wieloaspektowe badania z zakresu klimatologii i ochrony atmosfery. Na system ten składają się następujące komponenty:

• Blok standardowych pomiarów meteorologicznych umożliwiający automatyczne pomiary temperatury i wilgotności powietrza, prędkości i kierunku wiatru, ciśnienia atmosferycznego, opadów i termiki gruntu;
• Blok pomiarów parametrów radiacyjnych, na który składają się czujniki promieniowania całkowitego i rozproszonego, krótko- i długofalowych składowych bilansu radiacyjnego, usłonecznienia i promieniowania UV;
• Blok pomiarów warstwy granicznej atmosfery, składający się ze stacjonarnego sodaru 3D, umożliwiającego pomiary strukturalnego zróżnicowania atmosfery w profilu o wysokości do 1,5 km oraz 15-metrowego profilu pomiarów temperatury powietrza
• Blok pomiarów jakości powietrza, na który składają się pyłomierze TEOM, mierzące stężenie pyłu zawieszonego frakcji PM₁₀ i PM_2,5, automatyczny czujnik pomiaru stężeń ozonu troposferycznego oraz rejestrator stężeń bioaerozolu

Nasze Obserwatorium specjalizuje się również w pomiarach mobilnych oraz terenowych kampaniach pomiarowych. Umożliwiają to nasze mobilne stacje pomiarowe, oparte o dwa samochody (w tym jeden bezemisyjny, o napędzie elektrycznym), stanowiące platformy dla szerokiego zestawu czujników. Nasze doświadczenia z pomiarami mobilnymi sięgają lat 90-tych XX wieku, kiedy rozpoczęliśmy badania nad miejską wyspą ciepła we Wrocławiu, a następnie nad bioklimatem miasta. Obecnie nasze badania koncentrują się na problematyce uwarunkowań przestrzennej zmienności jakości powietrza w obszarach miejskich i podmiejskich oraz w obszarach górskich.

W skład stacji mobilnej wchodzą:

• Zestaw dwóch przenośnych pyłomierzy optycznych, umożliwiających pomiary stężeń PM₁₀, PM₄, PM_2,5 oraz PM₁
• Automatyczne meteorologiczne stacje pomiarowe (Gill i Campbell) oraz kompaktowe czujniki, umożliwiające pomiary w ruchu oraz budowę autonomicznej sieci pomiarowej w terenie
• Dwa sodary mobilne, umożliwiające pomiary pionowej struktury atmosfery w profilu o wysokości 350 m
• Kontener pomiarowy, stanowiący bazę dla pomiarów w terenie i wyposażony w pneumatyczny maszt o wysokości 10 m, z zainstalowanym wiatromierzem i profilem termicznym

Dzięki dotacji Urzędu Miejskiego Wrocławia, w roku 2017 stacja mobilna wzbogaciła się o bezzałogowy statek latający (dron) do pomiarów jakości powietrza, wyposażony w czujniki temperatury, wilgotności powietrza, stężeń pyłu zawieszonego i stężeń ozonu. Zasięg urządzenia wynosi 2,5 km a długotrwałość lotu do 40 min.

System pomiarowy Obserwatorium oraz mobilna stacja pomiarowa wykorzystywane są w naszej pracy naukowej oraz dydaktyce. Współpracujemy również z organami samorządowymi, instytucjami i organizacjami społecznymi. Bieżące wyniki wybranych pomiarów prezentujemy również na naszej stronie www, w zakładce Pogoda on-line oraz na stronie Projektu LIFE-APIS/PL.