Numeryczna mapa opadów atmosferycznych dla dorzecza Wisły.
Wstęp
Systemy informacji geograficznej (GIS) są coraz częściej wykorzystywanym narzędziem gromadzenia, analizy i prezentacji danych opisujących zjawiska i procesy zachodzące w środowisku przyrodniczym. Zastosowanie systemów GIS w badaniach geograficznych otwiera przed nauka niespotykane dotąd możliwości i udostępnia nowe narzędzia analityczne. Jednak wykonanie praktycznych opracowań przy użyciu nowych technik badawczych napotyka często na barierę w postaci braku danych w formie zapisu elektronicznego akceptowanego przez stosowane oprogramowanie komputerowe. Szczególnie dotyczy to opracowań wielkoobszarowych, z względu na trudności z zebraniem danych z wielu stacji pomiarowych rozsianych na terenie dużego regionu, dorzecza czy kraju. Wiąże się to z dokonaniem analizy wszystkich zgromadzonych zbiorów informacji w celu wybrania tych, które tworzą nieprzerwane serie charakteryzujące dane zjawisko w okresie objętym badaniem.
Cel opracowania
Wraz z rozwojem systemów GIS w wielu krajach opracowuje się i udostępnia zestawy danych, które mogą być na szeroką skale wykorzystywane w badaniach przyrodniczych. Informacje tego typu publikują przede wszystkim instytucje z państw najbardziej zaawansowanych w wykorzystaniu technik GIS, czyli ze Stanów Zjednoczonych i Kanady. Są to jednak zwykle zbiory danych dotyczące własnego kraju lub regionu, albo zgeneralizowane dane o zasięgu globalnym, Zdecydowanie brak powszechnie dostępnych tego typu opracowań dla kontynentu europejskiego i dla Polski.
Chcąc przyczynić się do rozwoju zainteresowania systemami informacji geograficznej w badaniach klimatologicznych i hydrologicznych autor tej pracy postanowił przygotować i udostępnić zestaw danych gridowych opisujący opady atmosferyczne na oszarze dorzecza Wisły (zamkniętego profilem w Tczewie) w trzydziestoleciu 1961-1990. Dane te są zapisane w formacie, który może być bezpośrednio odczytywany przez oprogramowanie typu ArcInfo, ArcView, Errdas Imagine.
Dane wyjściowe
Materiałem wyjściowym do utworzenia gridowej warstwy informacyjnej były dane pochodzące ze stacji i posterunków opadowych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej leżących na obszarze dorzecza Wisły i na terenach sąsiednich. Po wstępnej selekcji, spośród kilkuset punktów pomiarowych wybrano 111 stacji i posterunków posiadających nieprzerwane serie danych dla trzydziestolecia ojętego opracowaniem. Jako podstawowe dane posłużyły sumy miesięczne opadów mierzonych w wytypowanych punktach. Na podstawie sum miesięcznych obliczono sumy opadów dla lat hydrologicznych (od listopada do października). Uzyskane sumy roczne wykorzystano do obliczenia średnich wartości rocznych opadów dla okresu trzydziestoletniego. Stworzona w ten sposób baza danych została dołączona do punktowej wartwy informacyjnej opisującej rozmieszczenie stacji i posterunków opadowych na obszarze objętym opracowaniem.
Metoda tworzenia gridu opadów atmosferycznych
Wspomniana wyżej warstwa punktowa (Rys.1)może zostać utworzona np. w programie ArcView przy użyciu funkcji „Add Event Theme” (dodaj temat zdarzeniowy) (ArcView…, 1994) lub w programie PC Arc/Info komendą GENERATE. W obu przypadkach należy wcześniej przygotować plik tekstowy opisujący współrzędne geograficzne punktów tworzących warstwę. Współrzędne stacji i posterunków opadowych zaczerpnięto z roczników opadowych IMGW i wyrażono je w stopniach i dziesiętnych częściach stopnia długości i szerokości geograficznej
Ostatni krok tworzenia warstwy informacyjnej opisującej przestrzenny rozkład opadów atmosferycznych na obszarze dorzecza Wisły w postaci gridu polegał na dokonaniu interpolacji celu przełożenie zbieranej punktowo informacji pomiarowej na przestrzeń geograficzną o charakterze ciągłym. W tym celu posłużono się grupą funkcji „surface interpolators” programu ArcView. Spośród czterech dostępnych metod interpolacji: Inverse Distance Weighted (IDW), Spline, Kriging i Trend (ArcView…, 1996) wybrano metodę pierwszą. Zakłada ona, że każdy element warstwy punktowej wywiera lokalny wpływ na wartości ustalone dla poszczególnych komórek rastra. Wpływ ten maleje wraz ze wzrostem odległości, przy czym stopień oddziaływania stacji może być regulowany przez zmianę wykładnika potęgi do której podnoszona jest odległość od stacji opadowej do środka komórki będącej obiektem obliczeń. Im wyższa wartość wykładnika, tym wpływ odległych stacji jest mniejszy. Do obliczeń można wykorzystać dane z ustalonej przez użytkownika liczby stacji sąsiednich, lub ze wszystkich stacji znajdujących się w określonym promieniu od środka komórki rasta, której wartość ustalana jest drogą interpolacji.
Parametry tworzenia siatki opadów atmosferycznych zostały określone następująco: Zastowowano metodę wyznaczania wartości w komórkach rasta na podstawie ustalonej liczby stacji sąsiednich. Wykonano szereg pró stosując różne parametry interpolacji. Ich celem było uzyskanie możliwie najlepszej korelacji średnich wartości, opadów w zlewniach dorzecza Wisły ze średnimi wartościami odpływu z tych zlewni dla okresu trzydziestoletniego (1961-1990). Miarą współzależności zmiennych był współczynnik korelacji Pearsona. Liczbę stacji opadowych uwzględnioną przy interpolacji zmieniano w zakresie od 6 do 18, w wykładnik potęgi odległości od 1 do 3. Do kilkunastu prób interpolacji uzyskano współczynniki korelacji w zakresie od 0,9016 dla 12 sąsiednich stacji i wykładnika potęgi odległości równego 1 do 0,9182 dla sąsiednich stacji i wykładnika potęgi równego 2.
Ostatecznie liczbę stacji sąsiednich ustalono na 12, a wykładnik potęgi odległości uwzględniany przy określaniu wagi stacji miał wartość 2 (co odpowiada wartościom domyślnym stosowanym w programie ArcView). Interpolacja polegała więc na wyznaczeniu dla każdej komórki rasta średniej rocznej wysokości opadu dla trzydziestolecia na podstawie odpowiednich wartości z dwunastu najbliżej położonych stacji, przy czym odwrotności kwadratów odległości stacji z sąsiedztwa były traktowane jako wagi regulujące wpływ wartości przypisanych tym stacjom na wartość obliczaną. Rozdzielczość tworzonego rasta określono na 5 km. Wartość ta podyktowana została koniecznością osiągnięcia kompromisu między rozmiarem zbioru danych i prędkością wykonywania obliczeń oraz dokładnością przedstawienia przestrzennego rozkładu opadów atmosferycznych na obszarze dorzecza. Numeryczną mapę opadów dla dorzecza Wisły. Numeryczną mapę opadów dla dorzecza Wisły przedstawia rysunek 2.
Weryfikacja wyników obliczeń
Aby uzyskać materiał porównawczy służący zweryfikowaniu utworzonego zestawu danych gridowych należało wygenerować drugą, niezależną numeryczną mapę opadów skonstruowaną w oparciu i jedną z metod klasycznych. Wybrano metodę wieloboków równego zadeszczenia, możliwą do zaimplementowania w systemie ArcView dzięki funkcji „Proximity map ping” (Rys.3). Następnie, mając do dyspozycji dwa różne zbiory danych opisujące opady atmosferyczne w dorzeczu Wisły oraz warstwę wektorową opisującą granice wybranych zlewni (Rys.2)(Sobolewski, 2000), dokonano ustalenia wartości średnich opadów w zlewniach. Wykorzystano tu polecenie „Summarize Zones” będące standardowym narzędziem analitycznym dostępnym w programie ArcView z rozszerzeniem Spatial Analyst (AtcView, 1996). W wyniku jego zastosowania otrzymano tabelę zawierającą wszystkie podstawowe wartości statystyczne opisujące opady atmosferyczne w każdej ze zlewni.
Wyniki ustalone metodą klasyczną i metodą IDW zestawiono w celu porównania. Graficzną ilustracją dokonanej analizy jest wykres (Rys.4). Jak widać, wartoścu uzyskane dla poszczególnych zlewni dwiema niezależnymi metodami wykazują pewne zróżnicowanie, choć ich wzajema korelacja jest bardzo wysoka.
Podsumowanie
Uwagę należy zwrócić na kilka szczegółów związanych z tworzeniem numerycznej mapy opadów atmosferycznych, które mogą wzbudzać pewne wątpliwości co do jakości informacji zawartej w tym zestawie danych. Dotyczy to w szczególności danych opisujących wschodnie kresy dorzecza i obszary górskie. Dane dla terenów wschodnich leżących poza granicami Polski są danymi ekstrapolowanymi. Przyczyną jest brak dostępu do danych pomiarowych z tych obszarów. Dane opisujące tereny górskie pochodzą z interpolacji na podstawie stosunkowo niewielkiej liczby punków pomiarowych. Zwiększenie liczby stacji górskich uwzględnionych w opracowaniu poprawiłoby niewątpliwie wiarygodność danych. Inną drogą poprawy jakości dannych może być uwzględnienie dodatkowych informacji pochodzących z map opadów atmosferycznych sporządzonych specjalnie dla obszarów górskich. Spowoduje to jednak utratę cechy jednorodności prezentowanego zestawu danych. Do konstruowania siatek rastowych opisujących opady atmosferyczne w dorzeczu Wisły użyto wartości nie uwzględniających poprawek na błąd pomiaru opadów atmosferycznych. W przypadku konieczności uzupełnienia systemu GIS o funkcję ustalenia wysokości opadów rzeczywistych możliwe jest stworzenie rastowej siatki korekcyjnej zawierającej informacje o wartościach poprawek w poszczególnych komórkach modelu.
Literatura:
1. ArcView. The Geographic Information System for Everyone, 1994, Environmental Systems Research Institute, Inc., Redlands, California
2. ArcView Spatial Analyst. Advanced Spatial Analysis Using Raster and Vector Data, 1996, Environmental Systems Research Institute, Inc., Redlands, California
3. Sobolewski, W., 2000, Wyznaczanie działów wodnych w dorzeczu Wisły metodą analizy wysokościowego modelu numerycznego, Gospodarka Wodna, Nr 10