W centrum zainteresowań dr Ewy Łupikaszy z Katedry Klimatologii Wydziału Nauk o Ziemi od wielu lat pozostają opady atmosferyczne. W październiku 2010 roku rozpoczęła pracę nad projektem, którego głównym problemem badawczym są genetyczne uwarunkowania opadów ekstremalnych w Europie oraz ich zmienność przestrzenno-czasowa. Zakończenie badań przewidziane jest we wrześniu 2013 roku.

Dr Ewa Łupikasza w stacji meteorologicznej znajdującej się na terenie Ojcowskiego Parku Narodowego (czerwiec 2013)

Opady atmosferyczne są niezbędne i decydują m.in. o wydajności upraw, jeśli jednak wzrasta ich intensywność, a system kanalizacyjny nie ma już możliwości odbioru dużych objętości wód opadowych, pojawiają się powodzie czy miejscowe podtopienia. Opady jako jeden z elementów klimatu mają ogromne znaczenie w rozwoju cywilizacji, nic więc dziwnego, że zainteresowane były nimi nawet najstarsze cywilizacje. Ślady pierwszych przedsięwzięć o charakterze hydrologiczno-inżynierskim odnaleźć już można 3200 lat p.n.e., ich autorami byli Egipcjanie i Sumerowie.

– Pierwsze wzmianki na temat pomiarów opadów atmosferycznych pochodzą z Indii z IV wieku p.n.e. oraz z Palestyny z II wieku p.n.e. – objaśnia dr Ewa Łupikasza. – Najstarsze informacje o zastosowaniu deszczomierzy pochodzą z Chin z roku 1247. Regularne pomiary tego elementu rozpoczęto w Korei w 1441 roku za panowania Króla Sejonga i były one nieprzerwanie prowadzone do 1907 roku. W Europie do XVII wieku nie prowadzono pomiarów ilości opadów. Pierwszą próbę skonstruowania deszczomierza podjął Benedetto Castelli we Włoszech w roku 1639. W 1660 roku Sir Christopher Wren skonstruował pierwszy brytyjski deszczomierz. Regularne pomiary opadów w Europie zapoczątkowano w 1715 r. w Hoofdorp– Zwannenburg w Holandii, nieco później w Padwie we Włoszech i w Uppsali w Szwecji. Na początku XIX wieku w Europie sumy opadów mierzono już w wielu miastach, między innymi od 1803 r. w Warszawie, rok później w Pradze, a następnie w Kopenhadze, Jenie, Dreźnie, Helsinkach i w Berlinie. Wielowiekowe zainteresowanie opadami atmosferycznymi nie oznacza jednak, że jest to dziedzina, w której znaleziono odpowiedzi na wszystkie pytania i wątpliwości dręczące ludzkość, a temat doczekał się wyczerpujących wyników analiz. Wręcz przeciwnie wiele jeszcze problemów wymaga szczegółowych badań, a dogłębne wyjaśnienie mechanizmów prowadzących do powstania opadów od czasów greckich filozofów, którzy podjęli pierwsze próby w tym zakresie, jest nadal obiektem penetracji współczesnej nauki.

– Podstawą pracy klimatologów – wyjaśnia pani adiunkt – są badania i analizy danych z wielu lat. Zastanawiając się nad tematem pracy habilitacyjnej, szukałam zagadnienia, które nie było do tej pory do końca rozpracowane. Postanowiłam zająć się analizą genezy opadów ekstremalnych w Europie w okresie od grudnia 1950 roku do lutego 2008, gromadząc dane dobowe z 513 stacji meteorologicznych kontynentu, w tym z około 50 polskich. Problem ten w tak dużej skali przestrzennej nie był rozpatrywany. Podstawą mojej pracy jest powiązanie opadów z frontami atmosferycznymi. Problematyka badawcza obejmowała zdefiniowanie opadu ekstremalnego w skali Europy, rozpoznanie genetycznych typów ekstremalnych opadów oraz ich zmienności przestrzennej i sezonowej, ustalenie związków pomiędzy genetycznymi typami ekstremalnych opadów i cyrkulacją atmosfery i probabilistyczna (poprzez wskazanie zdarzeń losowych i przypisanie im w sensowny sposób prawdopodobieństwa) analiza występowania ekstremalnych opadów w Europie.

Projekt jest nowatorski, ponieważ ze względu na fakt niejednoznacznych kryteriów pozwalających na automatyczne wykreślenie frontów atmosferycznych, ten bardzo istotny w klimatologii problem nie był dotychczas podejmowany w tak szerokim zakresie, zarówno obszarowym, jak i na przestrzeni tak rozległego okresu. Nie ma metody, która pozwalałaby w sposób automatyczny wykreślić fronty atmosferyczne. Wprawdzie są dostępne modele, które orientacyjnie lokalizują ich występowanie, ale one zawsze muszą być weryfikowane przez synoptyków. W zależności od rodzajów frontów, ich umiejscowienie bywa bardzo trudne. Wiadomo, że fronty chłodne, ze względu na wyraźne zmiany elementów meteorologicznych (głównie temperatury i kierunku wiatrów), o wiele łatwiej jest zlokalizować. W przypadku pozostałych, zwłaszcza frontu ciepłego pojawia się wiele problemów. Specyfika projektu dr Ewy Łupikaszy polega między innymi na niebywale mozolnej pracy z mapami synoptycznymi nad rozpoznaniem genetycznego typu każdego ekstremalnego zdarzenia opadowego, jakie wystąpiło podczas badanych 56 lat.

Rozmieszczenie stacji meteorologicznych w Europie wraz z procentem dni z brakującymi danymi

Kolejnym nowatorstwem projektu jest podjęcie problematyki zależności pomiędzy występowaniem genetycznych typów ekstremalnych opadów i cyrkulacją atmosfery opisaną poprzez metodycznie jednorodną klasyfikację sytuacji synoptycznych w skali kontynentalnej, która równocześnie ujmuje lokalne cechy cyrkulacji atmosfery. W takiej skali przestrzennej temat ten nie został dotychczas opisany w literaturze.

Najżmudniejszym etapem projektu było rozpoznanie genezy opadów ekstremalnych, czyli przyporządkowanie ich do występujących wówczas frontów atmosferycznych. Wiązało się to z koniecznością przeanalizowania co najmniej dwóch map synoptycznych, obrazujących sytuację pogodową w Europie w odniesieniu do każdego dnia z badanego 56-letniego okresu. Praca nad stworzeniem bazy danych trwała ponad 6 miesięcy i rozciągała się na kilkanaście godzin na dobę. Powstało 20910 map rozmieszczenia ekstremalnych opadów, które zostały porównane z 45592 mapami synoptycznymi. Jak wspomina dr Łupikasza, ostatnie trzy lata jej życia podporządkowane było realizacji grantu. Warto dodać, że opady ekstremalne występują w Europie niemal każdego dnia. Nic więc dziwnego, że liczba gromadzonych danych rozrastała się wręcz niewyobrażalnie, wprawiając autorkę projektu nie jeden raz w przerażenie, ale nie zniechęcenie. W trakcie pracy pani adiunkt uznała bowiem, że należy temat badawczy rozszerzyć o nieplanowany wcześniej zakres.

– Analizując rozmieszczenie genetycznych typów ekstremalnych opadów (opadów frontowych lub powstałych w sytuacji braku frontów, czyli opadów wewnątrzmasowych), uznałam za konieczne ich powiązanie z cyrkulacją, czyli kierunkiem napływu mas powietrza i rodzajami układu barycznego (wyż, niż). W rezultacie udało mi się uzyskać wyniki mówiące o tym, z jakimi frontami najczęściej w Europie związane są opady ekstremalne i jaka sytuacja synoptyczna sprzyja ich występowaniu. Okazuje się, że zależności są bardzo wyraźne i zróżnicowane regionalnie.

Jednym z dotychczasowych efektów realizacji projektu jest klasyfikacja genetycznych typów opadów ekstremalnych, co podkreśla nowatorski charakter pracy badawczej.

Następnym krokiem było przeprowadzenie syntezy tychże wyników w postaci regionalizacji, prowadzącej do wyłonienia grup stacji charakteryzujących się podobną strukturą występowania genetycznych typów ekstremalnych opadów. – Badałam nie tylko opady najbardziej ekstremalne, czyli prowadzące do katastrof, ale także i te nieco słabsze – kontynuuje dr Łupikasza. – Zjawiska ekstremalne w klimatologii posiadają różne definicje. W przypadku jednak tak rozległego terenu musiałam posłużyć się definicją statystyczną. O ile na przykład w Górach Skandynawskich bardzo często opady przekraczają 20 litrów na metr kwadratowy, o tyle w Polsce zdarzają się one rzadko, częściej występują jedynie w górach, np. na Kasprowym Wierchu czy Śnieżce.

Wyróżniamy kilka typów opadów. W letnie dni, częściej niż w innych porach roku mamy do czynienia z opadem powstającym w wyniku swobodnej konwekcji, która pojawia się zwykle podczas upalnych dni, kiedy to unoszące się nagrzane powietrze ulega skraplaniu i powraca na ziemię w postaci intensywnego, lecz krótkotrwałego deszczu. Natomiast w wyniku zderzenia się mas powietrza o różnej temperaturze i wilgotności, czyli w strefie frontu atmosferycznego, powstają opady frontowe.

Kolejnym typem jest opad orograficzny, związany z ruchem powietrza natrafiającego na naturalną przeszkodę, jaką są góry. Wilgotne masy powietrza, docierając do bariery orograficznej, zaczynają się po niej wślizgiwać. Następuje wówczas kondensacja pary wodnej, powstają chmury i z nieba płyną strugi deszczu. Opady orograficzne mogą formować się zarówno podczas przejścia frontów, jak i w dni, kiedy fronty atmosferyczne nie występują.

W zależności od typu genetycznego, w tym rodzaju frontu (ciepły, chłodny, stacjonarny) opady mają zróżnicowany charakter, czyli czas trwania i intensywność. Ciągłe i długotrwałe opady są wynikiem rozwoju chmur związanych z przejściem frontów atmosferycznych. Wyniki zebrane przez dr Łupikaszę wskazują i potwierdzają ogromną rolę orografii w formowaniu się opadów ekstremalnych. Wszystkie wysokie góry typu Alpy czy Pireneje stanowią naturalną barierę orograficzną jeżeli są zorientowane prostopadle do docierających mas powietrza. I tak, Góry Skandynawskie są progiem dla mas napływających znad Atlantyku, natomiast Tatry stanowią przeszkodę dla mas przemieszczających się z północy.

Polska, jak pokazują wyniki badań, jest bardzo ciekawym miejscem dla badaczy – dochodzi tutaj do „walki” oceanicznych mas powietrza znad Atlantyku z kontynentalnymi masami powietrza napływającymi z głębi kontynentu. – Z wielkim zadowoleniem stwierdziłam, że żyjemy w wyjątkowym miejscu Europy – stwierdza klimatolog – różnorodność zjawisk atmosferycznych, wynikająca właśnie z owej walki, daje duże pole do działania dla wszelkich badań związanych z klimatem i kształtowaniem się trendów pogodowych.

Prace nad projektem dobiegają końca, nadszedł czas na wnioski. – Oceniłam – mówi dr Łupikasza – zależności pomiędzy występowaniem opadów atmosferycznych, frontami i cyrkulacją atmosfery, w wyniku czego wiadomo, w których obszarach Europy jaka sytuacja synoptyczna sprzyja opadom.

Na podstawie żmudnych obliczeń można także wykazać wyraźne sezonowe i regionalne zróżnicowanie kierunków tendencji opadów wysokich w Europie. Zimą na południu kontynentu odnotowuje się ich spadek, w przeciwieństwie do północy, gdzie wskaźniki te znacznie rosną. Wiosną na półwyspie Iberyjskim, w Sudetach i Rudawach pojawiają się trendy spadkowe, w lecie w Europie Zachodniej i Środkowej jest coraz mniej dni z opadami wysokimi, czego nie można powiedzieć o Europie Wschodniej, gdzie dominuje tendencja zwyżkowa. Natomiast jesienią, zwykle kojarzoną z pluchą i obfitymi deszczami, nieco odpoczywa Europa Środkowa – zmiany występowania opadów wysokich są tak niewielkie, że nie mają znaczenia statystycznego.

Zgromadzona baza danych otwiera wiele możliwości badawczych, pani adiunkt nie wyklucza kontynuacji pracy, może w nieco większych zespołach. Interesującym tematem może być np. analiza zmian typów cyrkulacji atmosfery, które w poszczególnych obszarach sprzyjają występowaniu opadów ekstremalnych. Efektem byłyby kolejne, bardzo istotne wnioski na temat zmian występowania opadów ekstremalnych – jakich możemy oczekiwać w przyszłości, pod warunkiem, że tendencje te nie ulegną zmianie.