Czarne chmury – burze, ulewy i trąby powietrzne w Polsce

Burze, trąby powietrzne i ulewy są ostatnio częstymi bohaterkami medialnych doniesień z Polski. Wraz z nimi powtarza się pytanie − czy to już przejawy zmiany klimatu? Jak globalne ocieplenie wpływa na zjawiska ekstremalne w Polsce? Które z nich występują dziś częściej niż dawniej lub są silniejsze?

Zmiana klimatu powoduje, że różne ekstremalne zjawiska pogodowe występują częściej i robią się silniejsze. Na pewno wiele razy słyszeliście to zdanie – to skrót myślowy, pozwalający odbiorcy wyobrazić sobie jeden ze skutków globalnego ocieplenia. Należy jednak pamiętać, że w przyrodzie rzadko mamy do czynienia z jednolitymi trendami dotyczącymi wszystkich zjawisk na całym świecie. Czasami zmiany dotyczą tylko częstości, czasami tylko natężenia zjawisk, a kierunek zmian (zwiększenie lub zmniejszenie) zależy od regionu. Wystąpienie niektórych zjawisk wymaga spełnienia wielu warunków jednocześnie i okazuje się, że zmiana klimatu może zwiększać prawdopodobieństwo jednych, a zmniejszać drugich. Niejednokrotnie nie będziemy pewni wpływu ocieplenia, dopóki nie zbierzemy wystarczająco dużo danych pomiarowych.

O zjawiskach ekstremalnych w Europie i na świecie przeczytasz także w tekstach:

• Drzewka pomarańczowe? Raczej susze i grad,
• Coraz silniejsze huragany [i nie jest to drobny efekt],
• Coraz częstsze susze w Polsce – konsekwencja zmiany klimatu i działań anty-adaptacyjnych,
• PAN o klimacie, suszy, powodziach i gospodarce wodnej.

Globalne ocieplenie to lepsze warunki dla zjawisk konwekcyjnych

Globalne ocieplenie oznacza, że w związku z zaburzeniem bilansu energetycznego planety w jej oceanach i atmosferze gromadzi się coraz więcej energii. Fizyka mówi, że powinno to sprzyjać występowaniu coraz silniejszych zjawisk konwekcyjnych, czyli związanych z unoszeniem się powietrza nagrzewającego się od powierzchni Ziemi.

Wyobraź sobie przylegający do powierzchni Ziemi i nagrzewający się od niej bąbel powietrza. Rozgrzewający się gaz rozpręża się, jego gęstość spada i bąbel robi się lżejszy od powietrza w jego otoczeniu. Zaczyna się unosić. Jeśli dodatkowo zawiera parę wodną (o co tym łatwiej, im cieplejsze robią się oceany), to jego gęstość jest jeszcze mniejsza. Dlaczego? Bo cząsteczki H₂O są lżejsze niż O₂ czy N₂, a powietrze to w przybliżeniu gaz doskonały, więc w ustalonej temperaturze i ciśnieniu w określonej jego objętości może się pomieścić konkretna liczba molekuł (pojawienie się w naszym bąblu cząsteczki wody „wypycha” z niego inne). Unosząc się, bąbel rozpręża się dalej, przez co jego temperatura spada i na pewnej wysokości para wodna zaczyna się skraplać. To jednak oznacza, że uwolniona zostaje dodatkowa porcja energii, oddawana przez wodę podczas kondensacji, czyli skraplania (to tak zwane ciepło skraplania). Ta energia dodatkowo ogrzewa powietrze, co zmniejsza jego gęstość, dzięki czemu może się ono unieść wyżej niż gdyby do żadnego skraplania pary wodnej nie doszło. Unosząc się, powietrze niesie ze sobą także kropelki wody – coraz wyżej i wyżej. Tak powstają rozbudowane chmury konwekcyjne, które w skrajnych przypadkach mogą osiągać grubość kilku lub kilkunastu kilometrów i sięgać szczytu troposfery. Na ich wierzchołku formuje się wtedy rozległy płat zachmurzenia, dzięki któremu cała chmura wygląda jak wielkie kowadło. To właśnie z takimi chmurami lub całymi ich układami wiążą się niszczycielskie zjawiska, takie jak burze z wyładowaniami elektrycznymi, gwałtowne szkwały (np. związane z zapadnięciem czy „urwaniem” chmury – tzw. „downburstem”), ulewy, grad czy trąby powietrzne (tornada).

Im więcej energii na powierzchni Ziemi (a więc wyższa temperatura) i im silniejsze parowanie, tym lepsze powinny być warunki do powstawania zjawisk burzowych – to prosty wniosek z praw fizyki. Czy obserwujemy to w rzeczywistości? Tak. Jak to opisują w książce „Climate change in Poland” Bielec-Bakowska i in., (2021), pomiary i przeprowadzane na ich podstawie obliczenia wskazują, że w miarę postępującego ocieplenia się klimatu, w Polsce coraz częściej mamy do czynienia z warunkami sprzyjającymi występowaniu intensywnej konwekcji, prowadzącej do ekstremalnych zjawisk pogodowych. Najczęściej pojawiają się na południu kraju, w rejonie gór i pogórzy, ale ich prawdopodobieństwo rośnie szczególnie w północno-zachodniej Polsce.

Czy mamy w Polsce więcej burz?

Nie mamy na to dowodów. W danych obserwacyjnych sprawozdaje się tzw. „dni z burzą” (czyli z wyładowaniami atmosferycznymi), a to nie to samo co liczba burz. W ciągu ostatnich 100 lat roczna liczba takich dni w Polsce nie zmieniła się istotnie. W okresie 1951–2018 można dopatrzeć się trendu wzrostowego we wschodniej części kraju, ale spadkowego w zachodniej. Wyraźne wydłużył się natomiast sezon burzowy, czyli okres w ciągu roku, w którym burze mogą wystąpić. Wciąż najczęściej obserwujemy je latem, jednak zwiększa się prawdopodobieństwo pojawiania się ich także w półroczu zimowym (między październikiem a marcem). Szczególną uwagę zwraca wzrost częstości burz wiosną (marzec-maj,Bielec-Bakowska i in., 2021).

Czemu dni burzowych nie przybywa, choć warunki dla konwekcji są coraz lepsze? Wynika to z faktu, że dla ich rozwoju istotne są także wiatr i to, jak jego prędkość zmienia się z wysokością. Tymczasem w związku z globalnym ociepleniem i rozgrzewaniem się Arktyki, w Europie Środkowej coraz częściej mamy do czynienia z rozbudowywaniem się rozległych, statycznych układów wyżowych i spowalnianiem sterującego przepływami powietrza nad Europą prądu strumieniowego (patrz: Fale na froncie), co może utrudniać rozwijanie się burz (Taszarek i in., 2021). Pewną rolę odgrywać mogą także zjawiska lokalne, związane z rodzajem podłoża (suche/wilgotne, szorstkie/gładkie) i jego ukształtowaniem (płaskie/z przeszkodami), które wpływają na to, czy w konkretnej lokalizacji pionowe prądy powietrza powstają łatwiej czy trudniej.

Niestety trudno jest na podstawie aktualnej wiedzy przewidzieć jak będą w przyszłości kształtować się trendy związane z występowaniem burz w Polsce. W atmosferze będzie się prawdopodobnie znajdować coraz więcej energii i wilgoci, a prąd strumieniowy prawdopodobnie będzie spowalniał, zagadką (na razie) pozostaje jednak, jak będą nakładać się na siebie te i inne efekty w konkretnych lokalizacjach. W rozstrzygnięciu tej kwestii pomóc może zwiększenie rozdzielczości modeli numerycznych, tak żeby lepiej oddawały zjawiska w mniejszych skalach (o modelowaniu pogody i klimatu przeczytasz w tekście Wirtualny klimat).

Czy w efekcie zmiany klimatu pojawiły się w Polsce tornada?

Nie. Tornada, po polsku nazywane tradycyjnie trąbami powietrznymi, pojawiały się u nas także zanim temperatura globalna zaczęła rosnąć. Niestety na razie nie dysponujemy danymi wystarczającymi by stwierdzić, czy częstość ich występowania uległa istotnej zmianie (Bielec-Bakowska i in., 2021). Istnieje co prawda Europejska Baza Danych o Groźnych Zjawiskach Pogodowych (European Severe Weather Database, ESWD), sięgająca początków dziewiętnastego wieku, należy jednak zdawać sobie sprawę z tego, że jeśli chodzi o trąby powietrzne, to im dalej w przeszłość, tym mniej jest ona kompletna.

Tornado to zjawisko lokalne (zwykle ma średnicę kilku–kilkuset metrów) i krótkotrwałe (trwa kilka–kilkadziesiąt minut). Obecnie w tropieniu trąb powietrznych pomagają nam radary meteorologiczne, dzięki którym obserwujemy jednocześnie duże obszary i możemy rozpoznać charakterystyczne echa związane z ukształtowaniem się tornada (np. Trafalis i White, 2010). W Europie mamy też duże zagęszczenie ludności, w dodatku niemal każdy ma przy sobie kieszonkowe urządzenie pozwalające wykonać zdjęcie lub film zjawiska meteorologicznego, poinformować służby państwowe, media czy znajomych poprzez media społecznościowe. Możemy w związku z tym zakładać, że większość występujących dziś trąb zostaje faktycznie odnotowana i trafia do ESWD lub zbiorów danych IMGW. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu takich możliwości nie było i część trąb powietrznych mogła pozostawać niezaobserwowana. Dodatkowo rzadkość występowania trąb powietrznych może sprawiać, że obserwatorzy-amatorzy nie rozpoznają ich lub odwrotnie – określają ich mianem inne zjawiska (Groenemeijer i van Delden, 2007, Taszarek i Gromadzki, 2017, Doswell, 2003).

Analiza innych pomiarów meteorologicznych, na podstawie których można określić prawdopodobieństwo występowania trąb powietrznych, nie wskazuje na istotne zmiany tego prawdopodobieństwa w Polsce w ostatnich 100 latach (Bielec-Bakowska i in., 2021).

Jeśli chodzi o projekcje na przyszłość, to w przypadku tornad mamy podobny problem jak w przypadku burz. Do ich powstania konieczne jest jednoczesne spełnienie dużej liczby warunków. Dlatego na razie trudno jest określić, czy w przyszłości będzie ich w Polsce przybywać.

Ulewy coraz częstsze

W odróżnieniu od trąb powietrznych, do obserwacji opadów wystarcza nam sieć stacji meteorologicznych i hydrologicznych umiejscowionych w reprezentatywnych dla poszczególnych regionów lokalizacjach. Dlatego w ich przypadku problem z dostępnością jest zdecydowanie mniejszy. Z opracowań takich jak Kundzewicz i in. (2017), czy Łupikasza i Małarzewski (2021) dowiadujemy się, że średnio rzecz biorąc roczne sumy opadów nie ulegają w Polsce istotnym zmianom. W większości kraju obserwujemy jednak wzrost liczby dni z opadem intensywnym, czyli powyżej 10 mm na dobę. Wyjątkiem jest Polska południowo-zachodnia. W wielu rejonach świata obserwuje się też wzrost maksymalnych wartości opadów (Madakumbra i inni, 2021, por. też rys. 7).

Obliczenia z użyciem modeli numerycznych wskazują, że prawdopodobieństwo intensywnych opadów będzie rosło w miarę dalszego wzrostu średniej temperatury (Pińskwar i Choryński, 2021, Madakumbra i inni, 2021). Wraz z nim rosło będzie ryzyko podtopień i powodzi błyskawicznych, takich jak 1 lipca 2021 w Szczecinie i okolicach, kiedy na ulicach można było spotkać ryby. To jedno z zagrożeń, które powinniśmy poważnie brać pod uwagę przy tworzeniu planów zagospodarowania terenu i projektowaniu infrastruktury, zwłaszcza w miastach (patrz PAN o klimacie, suszy, powodziach i gospodarce wodnej).

Jak widać, odpowiedź na to, czy konkretne zjawisko czy klasa zjawisk występuje u nas częściej z powodu zmiany klimatu, nie zawsze jest prosta. Obecnie jednak bardzo aktywnie rozwija się nowa dziedzina nauki, zajmująca się atrybucją zjawisk ekstremalnych, czyli określaniem, na ile ich prawdopodobieństwo czy nasilenie wzrosło w związku z globalnym ociepleniem (przeczytacie o niej między innymi w wywiadzie z dr Friederike Otto z grupy World Weather Attribution). W czasopismach naukowych pojawia się coraz więcej opracowań tego typu i z pewnością dzięki temu a także coraz większej rozdzielczości modeli oraz coraz dłuższym seriom pomiarowym już niedługo uda się rozstrzygnąć wiele z tych kwestii.

Aleksandra Kardaś, konsultacja merytoryczna: prof. Szymon Malinowski