79

ZRÓŻNICOWANIE DŁUGOŚCI I WARUNKÓW TERMICZNYCH OKRESU WEGETACYJNEGO NA OBSZARZE BESKIDÓW I POGÓRZY W LATACH 2001–2011 NA PODSTAWIE DANYCH ZGROMADZONYCH

W BAZIE GLDAS

Witold Bochenek*, Justyna Dedo*, Wojciech Marczewski**

Bochenek W., Dedo J., Marczewski W., 2013: Zróżnicowanie długości i warunków termicznych okresu wege-tacyjnego na obszarze Beskidów i Pogórzy w latach 2001–2011 na podstawie danych zgromadzonych w bazie GLDAS (Differentiation of duration and thermal conditions of the vegetation season in the Beskid Mts. and Carpathian Foothill on the GLDAS database in the period 2001–2011), Monitoring Środowiska Przyrodniczego, Vol. 14, s. 79–85.

Zarys treści: W niniejszym artykule przedstawiono analizę długości okresu wegetacyjnego oraz temperatury powietrza podczas jego trwania, na obszarze Beskidów Zachodnich i Pogórzy, na podstawie danych zestawionych w bazie GLDAS (Global Land Data Assimilation System), w rozdzielczości przestrzennej 0,25 stopnia i czasowej – miesiąca. Celem niniejszego opracowania była ocena użyteczności danych mezoskalowych z bazy Global Land Data Assimilation System (GLDAS) dla określania wartości bezwzględnych i trendów długości i średniej tempe-ratury powietrza podczas okresu wegetacyjnego.

Słowa kluczowe: okres wegetacyjny, temperatura powietrza, GLDAS, NOAH, Karpaty Zachodnie. Key words: vegetation season, air temperature, GLDAS, NOAH, Western Carpathians.

* Witold Bochenek, Stacja Naukowa IGiPZ PAN w Szymbarku, Szymbark 430, 38-311 Szymbark, e-mail: igszym-bark@poczta.onet.pl* Justyna Dedo, Stacja Naukowa IGiPZ PAN w Szymbarku, Szymbark 430, 38-311 Szymbark, e-mail: justynake-dzior@interia.pl – zatrudnienie w ramach umowy z CBK** Wojciech Marczewski, Centrum Badań Kosmicznych PAN, ul. Bartycka 18A, 00-716 Warszawa

1. Wprowadzenie

Długość okresu wegetacyjnego oraz jego charakte-rystyki hydrometeorologiczne odgrywają ważną rolę w toku planowania gospodarczego, ale wskazują rów-nież na oceny regionalne stanu środowiska, zwłaszcza w aspektach zmian klimatycznych.

Okres wegetacyjny to część roku, gdy średnia dobo-wa temperatura powietrza przekracza 5oC. W związku z dużą dynamiką temperatury z dnia na dzień jedno-znaczne wyznaczenie dat jego początku i końca jest trudne, dlatego w przeszłości proponowano różne me-

tody matematyczne wyznaczania daty progowej (Gu-miński 1948, Huculak, Makowiec 1977). Współcze-śnie zaczyna się wykorzystywać metody wyróżniania okresów wegetacyjnych na podstawie danych sateli-tarnych, na przykład indeksów wegetacyjnych (Siłuch, Bartoszek 2012).

Celem niniejszego opracowania jest ocena użytecz-ności danych mezoskalowych z bazy Global Land Data Assimilation System (GLDAS) dla określania wartości bezwzględnych i trendów długości i średniej tempera-tury powietrza w okresie wegetacyjnym.

80

2. Dane źródłowe, obszar i metody analizy

W niniejszym opracowaniu zaczerpnięto dane z kolumnowej bazy danych GLDAS (model NOAH), opartej na zbieranych i aktualizowanych przez NASA wartościach parametrów wymiany wody i energii w środowisku z uwzględnieniem atmosfery i podłoża glebowego, pochodzących z misji satelitarnych NASA. Wykorzystano rozdzielczość przestrzenną 1/4 stop-nia i czasową – miesięczną w danych GLDAS. Zakres przestrzenny wykorzystanych danych obejmował ob-szar Polski południowo-wschodniej, zachodniej Ukra-iny i północnej Słowacji, o rozciągłości południkowej 49.00–51.00oN i równoleżnikowej 18.50–24.25oE. Sposoby przestrzennej i czasowej integracji danych w GLDAS są wyznaczane wymaganiami modelu NOAH, a użytkownik danych ma możliwość wła-snej walidacji i statystycznych modyfikacji wniosków w podpikselach 0,25 stopnia, na podstawie innych źró-deł danych naziemnych.

Wybrane piksele siatki 0,25 stopnia ponumerowano (od 1 do 184), w poziomych pasach od zachodu w kie-runku wschodnim i nazwano je „oknami” siatki (ryc. 1).

Rozdzielczość czasową ustalono głównie dla danych miesięcznych (sumy lub średnie). Wykorzystano dane z okresu 2001–2011 (dostępność danych przy założonej rozdzielczości przestrzennej jest od marca 2000 r.), ale dane GLDAS w innych rozdzielczościach są dostęp-ne od 1979 r., pod adresem internetowym: http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/hydrology/data-holdings. Każdy plik GLDAS (NOAH) zawiera dane dla 29 zmiennych. Ol-brzymim ułatwieniem i wartością użytkową tych danych jest ich wielkoskalowe zintegrowanie.

Ryc. 1. Podział obszaru analizy na 0,25o „okna” bazy GLDASFig. 1. Diversity of the analysis area to 0.25o the „window” of the GLDAS database

3. Wyniki

Do pierwszych ocen mezoskalowych wykorzystywa-no różnice wartości naziemnych temperatury powietrza, mierzone miejscowo na Stacji Naukowej IGiPZ PAN w Szymbarku i w „oknie” 126 siatki GLDAS, w którym znajduje się Stacja, w okresie 2001–2011.

Porównanie średniej miesięcznej temperatury powie-trza z pomiarów naziemnych i satelitarnych wskazuje na wyraźną przewagę statystycznie nieistotnych różnic; tyl-ko 14% wyników porównań znacząco odbiega od war-tości temperatury zestawionej w bazie GLDAS. Średnia roczna różnica obliczona na podstawie miesięcznych da-nych z okresu 11 lat (2001–2011) wyniosła 0,86oC, przy czym w miesiącach okresu wegetacyjnego (kwiecień–październik) była jeszcze niższa i wyniosła 0,67oC. Cha-rakterystyki miesięczne porównania temperatury pozy-skanej obydwiema metodami przedstawiono na ryc. 2.

Ryc. 2. Charakterystyki statystyczne różnic temperatury po-wietrza na Stacji w Szymbarku i w „oczku 126” w wieloleciu 2001–2011Fig. 2. Statistical measures of air temperature differences in Szymbark Station and the „window” 126 in the period 2001–2011

81

Ryc. 5. Średnia długość okresu wegetacyjnego (w dniach) na obszarze analizy w latach 2001–2011Fig. 5. Average duration of the vegetation season (in days) on the analysed area in the period 2001–2011

Ryc. 4. Średnie daty (nr dnia roku liczony od 1 stycznia) końca okresu wegetacyjnego w okresie 2001–2011Fig. 4. Average date (number of day starting from 1 January) the end of the vegetation season in the period 2001–2011

Ryc. 3. Średnie daty (nr dnia roku liczony od 1 stycznia) początku okresu wegetacyjnego w okresie 2001–2011Fig. 3. Average date (number of day starting from 1 January) the beginning of the vegetation season in the period 2001–2011

82

Opierając się na założeniach Gumińskiego (1948), na podstawie średniej miesięcznej temperatury powie-trza, obliczono daty początku i końca okresu wegeta-cyjnego dla każdego roku. Obliczono średnią ważoną temperaturę w całym okresie wegetacyjnym. Określo-no zmienność i trendy zmian długości okresu wegeta-cyjnego oraz dat jego początku i końca.

Obliczenie średniej daty początku okresu wegeta-cyjnego wskazuje na najwcześniejsze jego rozpoczęcie w „oknie” 78, 19 marca, natomiast najpóźniej okres wegetacyjny rozpoczynał się w „oknie” 168, bo aż 23 kwietnia (ryc. 3). W tych samych dwóch „oknach” siat-ki GLDAS obserwowane są średnie skrajne daty końca okresu wegetacyjnego. Najwcześniej jego zakończenie obserwuje się 5 października („okno” 168), najpóźniej – 13 listopada („okno” 78) (ryc. 4).

Porównania trendów wskazują na coraz wcześniejsze rozpoczynanie się okresu wegetacyjnego na całym ana-lizowanym obszarze, średnio o 1,3 dnia z roku na rok, przy czym największa dynamika „przesuwania się” daty początku wegetacji występuje w Beskidach Zachodnich, gdzie okres wegetacyjny trwa najkrócej. Współczynnik trendu daty końca okresu wegetacyjnego wynosi średnio dla całego obszaru 0,06, przyjmując wartości od -0,54 do 1,29.

Najwyraźniej zarysowaną tendencję ku coraz wcze-śniejszemu kończeniu się okresu wegetacyjnego ob-serwuje się na obszarze Tatr, natomiast na Pogórzu Przemyskim i w Kotlinie Naddniestrzańskiej (Ukraina) obserwuje się tendencję do coraz późniejszego zakoń-czenia wegetacji.

Średnia długość okresu wegetacyjnego na omawia-nym obszarze wyniosła od 165 dni („okno” 168) do 239 dni („okna” 58 i 78) (ryc. 5).

W ujęciu przestrzennym stwierdza się, że okres we-getacyjny najwcześniej rozpoczyna się i najpóźniej koń-czy na obszarze Kotliny Sandomierskiej i w zachodniej części Wyżyny Śląskiej. Okres wegetacyjny najkrócej trwa w najwyższych partiach Karpat Polskich.

Średnia roczna długość okresu wegetacyjnego w wieloleciu 2001–2011 na wybranym obszarze wy-niosła 224 dni, przy zmienności średnich rocznych od 214 dni (lata 2003 i 2005) do 234 dni (2008 r.). Śred-nie odchylenie standardowe czasu trwania okresu we-getacyjnego wyniosło 12,4 dnia i w poszczególnych la-tach kształtowało się od 8,1 dnia (2005 r.) do 23,7 dnia (2002 r.). W ujęciu geograficznym najmniejsze zróżnico-wanie długości okresu wegetacyjnego obserwowane jest na Roztoczu (18–21 dni), największe zaś – w najbardziej na zachód wysuniętej części łuku Karpat, na obszarze Słowacji (powyżej 40 dni).

Dla 11 lat określono tendencje zmian długości okre-su wegetacyjnego, obliczając współczynniki trendu. Na całym analizowanym obszarze obserwuje się tendencję wzrostową o współczynniku regresji 1,36, oznaczają-cym przyrost długości okresu wegetacji o 1,36 dnia/rok. Współczynniki regresji zamykają się w granicach od 0,55 („okno” 135) do 2,87 („okno” 165) (ryc. 6). Najwyż-szy przyrost długości okresu wegetacyjnego występuje w „oknach” o średniej długości wegetacji wynoszą-cej od 195 do 205 dni, położonych przede wszystkim w beskidzkiej części omawianego obszaru. Statystycz-nie istotne (p<0,05) współczynniki trendu występują głównie w północnej części analizowanego obszaru, w 44 „oknach” siatki GLDAS (24% powierzchni obsza-ru analizy).

Najwyższa średnia temperatura powietrza w okresie wegetacyjnym występuje wzdłuż dolin: Wisły i Sanu na

Ryc. 6. Wielkość współczynnika trendu długości okresu wegetacyjnego na analizowanym obszarze w latach 2001–2011 (współ-czynniki statystycznie istotne – „okna” z szrafurą)Fig. 6. Trend’s coefficient of the vegetation season duration in the analyzed area in the period 2001–2011 (statistically significant coefficients – dash fill symbol)

83

Ryc. 8. Wielkość współczynnika trendu średniej temperatury w okresie wegetacyjnym w latach 2001–2011 (współczynniki statystycznie istotne – oczka z szrafurą)Fig. 8. Trend’s coefficient of the average air temperature during vegetation season in the analyzed area in the period 2001–2011 (statistically significant coefficients – dash fill symbol)

Ryc. 7. Rozkład średniej temperatury powietrza w okresie wegetacyjnym; lata 2001–2011Fig. 7. Disribution of average air temperature in vegetation season; the period 2001–2011

Ryc. 9. Długość okresu wegetacyjnego na obszarze PolskiŹródło: Zintegrowany system informacji o rolniczej prze-strzeni produkcyjnej Polski (http://www.zazi.iung.pulawy.pl/Documents/Maps.htm). Opracowanie: poz. 13 i 14 w spi-sie literaturyFig. 9. Duration of vegetation season on the territory of Po-landSource: Integrated Spatial Information System for Agricul-tural Production of Poland (http://www.zazi.iung.pulawy.pl/Documents/Maps.htm). Elaboration: no. 13 and 14 in bibli-graphy

84

obszarze Kotliny Sandomierskiej (powyżej 14oC), nato-miast najniższa – w Tatrach (poniżej 11oC) (ryc. 7).

Trendy średniej temperatury okresu wegetacji wyka-zują regres we wszystkich „oknach” siatki GLDAS, prze-ciętnie o -0,05oC/rok. Zakres zmian współczynnika tren-du zamknął się w granicach od -0,15oC/rok do -0,01oC/rok (ryc. 8), a statystycznie istotne współczynniki trendu wystąpiły tylko w 5 „oknach” siatki GLDAS (niespeł-na 3% ogółu powierzchni obszaru analizy). Wielkość współczynnika trendu wykazuje wprost proporcjonalny związek ze średnią temperaturą okresu wegetacyjnego: w „oknach” o najniższej temperaturze okresu wegetacyj-nego spadkowa tendencja temperatury jest wyraźniejsza.

4. Dyskusja wyników

Przedstawione w niniejszym opracowaniu wyniki średniej długości okresu wegetacyjnego są wyższe od po-dawanych w literaturze (Niedźwiedź, Limanówka 1992, Demidowicz i in. 1998, Woś 1999), co ma bardzo praw-dopodobny związek z postępującymi zmianami klimatu. Środowisko i rozwój wegetacji są kompleksowymi efek-tami zmiany klimatu, wykrywanymi przez wzrost długo-ści okresu wegetacji. Przestrzenne zróżnicowanie długo-ści okresu wegetacyjnego jest w dużym stopniu zbieżne z kolejnymi wynikami podawanymi dla obszaru Polski (Demidowicz i in. 1998) (ryc. 9), chociaż obliczenia uzy-skane z wyników bazy GLDAS (NOAH) wskazują na jeszcze większy przyrost okresu wegetacji o 10 do 15 dni.

Analiza długości okresu wegetacyjnego w regionie wokół Szymbarku (Beskid Niski/Pogórze Ciężkowic-kie) w latach 1968–2009 (Kijowska 2010) wskazuje na występowanie tendencji wzrostowej w całym okresie analizy, co potwierdza opisywane w literaturze prawidło-wości o wydłużaniu się okresu wegetacyjnego w Polsce średnio o 8 dni na 50 lat (Żmudzka i Dobrowolska 2001, Nieróbca i in. 2011). Na podstawie danych zestawionych w pracy Kijowskiej (2010) obliczono średnią długość okresu wegetacyjnego w latach 2000–2009, która wynio-sła 233 dni i przewyższała analogiczną wartość obliczoną dla dekady wcześniej (lata 1990–1999) aż o 18 dni. Średni przyrost długości okresu wegetacyjnego o 1,36 dnia/rok obliczony dla okresu analizy oddaje rzeczywiste tempo zmian. Taka dynamika przyrostu wpisuje się w prognozę tendencji do 2075 r. (Kędziora 1995), według której na

większości powierzchni wybranego do analizy obszaru przyrost długości okresu wegetacji może wynieść nawet 66 do 80 dni.

Analiza trendów dat początku i końca okresu wege-tacyjnego wskazuje, że okres wegetacyjny wydłuża się za sprawą przesuwania się coraz wcześniej daty jego po-czątku (Skowera i Kopeć 2008), co potwierdzają wyniki przeprowadzonej analizy. Ponadto współczynnik zmien-ności daty końca okresu wegetacyjnego Cv jest mniej-szy (9,22%) niż dla daty jego początku (10,64%), co jest zgodne z wnioskami opracowań wieloletnich danych pomiarowych (Olszewski, Żmudzka 1998, Kołodziej, Węgrzyn 2004)

Średnia temperatura powietrza w okresie wegetacyj-nym wykazuje nieznaczną tendencję spadkową (-0,05oC/rok). Jest to odwrotna prawidłowość w stosunku do pre-zentowanego powszechnie poglądu o wzrostowym tren-dzie średniej temperatury okresu wegetacji (Żmudzka, 2012), opartym jednakże na kilkudziesięcioletnich cią-gach pomiarowych, wielokrotnie dłuższych od danych zestawionych w bazie GLDAS. Spadkową tendencję temperatury powietrza można wytłumaczyć wzrostem długości okresu wegetacji i uwzględnianiem okresów, w których temperatura tylko nieznacznie przekracza pro-gową wartość 5oC, co sugerowała w swoim opracowaniu Kijowska (2010).

5. Wnioski

– Średnia roczna długość okresu wegetacyjnego w po-szczególnych „oknach” wyniosła 165–239 dni, wyka-zując zróżnicowanie średnich rocznych wartości obli-czonych dla całości obszaru od 214 (2003 i 2005 r.) do 234 dni (2008 r.).

– Obserwowana jest tendencja wydłużania się okresu we-getacyjnego, szczególnie za sprawą „przesuwania się” coraz wcześniej jego początku.

– Średnia temperatura powietrza podczas trwania okre-su wegetacyjnego na badanym obszarze zamknęła się w granicach 10,3–14,2oC; najchłodniejszym na całym obszarze był okres wegetacyjny w 2010 r. -12,7oC, zaś najcieplejszy w 2006 r. –13,8oC. Obserwowana jest nie-znaczna (-0,05 dnia/rok) tendencja spadkowa tempera-tury powietrza w czasie trwania okresu wegetacyjnego.

Niniejsze opracowanie przygotowano w ramach realizacji projektu SMOS-SWEX (Soil Moisture and Ocean Saini-ty – Soil, Water and Energy Exchange), koordynowanego przez ESA, z CBK PAN jako koordynatorem krajowym.

85

6. Literatura

Demidowicz G., Górski T., Wróblewska E., Zaliw-ski A., Posielski K., 1998: Długość okresu wege-tacyjnego. Atlas Agroklimatyczny, IUNG Puławy.

Gumiński R. 1948: Próba wydzielenia dzielnic rolni-czo-klimatycznych w Polsce. Przegląd Meteorolo-giczny i Hydrologiczny: 1, 1: 7–20.

Huculak W., Makowiec M. 1977: Wyznaczanie mete-orologicznego okresu wegetacyjnego na podstawie jednorocznych materiałów obserwacyjnych. Ze-szyty Naukowe SGGW: 25: 65–72.

Kędziora A., 1995: Prognoza zmian klimatycznych. W: Prognoza ostrzegawcza zmian środowiskowych warunków życia człowieka w Polsce na początku XXI wieku. NFOŚ, Warszawa.

Kijowska M., 2010: Charakterystyka okresu wegeta-cyjnego w Szymbarku w latach 1968–2009. Rocznik Świętokrzyski, Seria B – Nauki Przyr.: 31: 29–43.

Kołodziej J., Węgrzyn A., 2004: Zróżnicowanie czasu trwania okresu wegetacyjnego w Obserwatorium Agrometeorologicznym w Felinie w pięćdziesięcio-leciu 1951–2000. Annales UMCS sec. E: Vol. LIX: nr 2: 869–880.

Niedźwiedź T., Limanówka D., 1992: Termiczne pory roku w Polsce. Zeszyty Naukowe UJ, Prace Geo-graficzne, z. 90: 53–69.

Nieróbca A., Kozyra J., Mizak K., Pudełko R. 2011: Zmiany długości okresu wegetacyjnego w Polsce i prognozy na lata 2011–2030. W: Streszczenia prac. XXXV Ogólnopolski Zjazd Agroklimatolo-gów i Klimatologów z udziałem gości zagranicz-nych. 7–10 września 2011. Wrocław-Pokrzywna k. Głuchołaz. Wrocław. UP, ss. 38.

Numeryczna mapa okresu wegetacyjnego. Opracowa-nie: Demidowicz G., Deputat T., Górski T., Zalew-ski A., Wróblewska E., IUNG Puławy 1998.

Numeryczna mapa sumy opadów w okresie wegeta-cyjnym. Opracowanie: Górski T., Demidowicz G., Deputat T., Górska K., Marcinkowska I., Spoz-Pać W., Zaliwski A., Wróblewska E., IUNG Puławy 1998.

Olszewski K., Żmudzka E., 1998: Zmiany tempera-tury powietrza na Wyżynie Lubelskiej. W: M. No-wosad (red.), Problemy współczesnej klimatologii i agrometeorologii regionu lubelskiego Lublin, Wyd. UMCS, Lublin, 89–94.

Siłuch M., Bartoszek K., 2012: Możliwości wykorzy-stania danych satelitarnych do wyznaczania po-czątku i końca okresu wegetacyjnego. Woda – Śro-dowisko – Obszary Wiejskie, 12, 2 (38): 245–255.

Skowera B., Kopeć B., 2008: Okresy termiczne w Polsce południowo-wschodniej (1971–2000). Acta Agrophysica: 12(2): 517–526.

Woś A., 1999: Klimat Polski. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa.

Żmudzka E., 2012: Wieloletnie zmiany zasobów ter-micznych w okresie wegetacyjnym i aktywnego wzrostu roślin w Polsce. Woda – Środowisko – Ob-szary Wiejskie: 12, 2 (38): 377–389.

Żmudzka E., Dobrowolska M. 2001: Termiczny okres wegetacyjny w Polsce – zróżnicowanie prze-strzenne i zmienność czasowa. Przegląd Naukowy Wydziału Inżynierii i Kształtowania Środowiska SGGW: 21: 75–80.

DIFFERENTIATION OF DURATION AND THER-MAL CONDITIONS OF THE VEGETATION SE-

ASON IN THE BESKID MTS. AND CARPATHIAN FOOTHILL ON THE GLDAS DATABASE

IN THE PERIOD 2001–2011

SummaryThe report presents an analysis of the duration of

the vegetation season and the air temperature in the area of Beskid Mts. and Carpathian Foothills based on data collected by GLDAS (Global Land Data Assimilation System) database, with a resolution of 0.25 degree spatial and temporal – a month. The aim of the study was to evaluate the usefulness of the data from the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) database, the determination of absolute values and trends of duration and average air temperature of the vegetation season. The average annual duration of the vegetation season in each „window” ranged from 165–239 days, demonstrating the diversity of the average annual values calculated for the total area of 214 (2003 and 2005) to 234 days (2008). The tendency of the elongation of the vegetation season is observed, especially thanks to „move to” the dates of its beginning. The average air temperature during the vegetation season in the study area closed between 10.3–14.2°C, the coldest vegetation season was in 2010 (12.7°C), while the warmest – in 2006 (13.8°C). The slight declining tendency (-0,05day/ year) is observed in the average air temperature during the vegetation season.