Jedną z najlepszych charakterystyk warunków wilgotnościowych i energetycznych siedliska jest struktura bilansu cieplnego powierzchni czynnej i bilansu wodnego. W Katedrze Agrometeorologii Akademii Rolniczej w Poznaniu opracowano model matematyczny, pozwalający - na podstawie standardowych danych meteorologicznych i fazy rozwojowej roślin - oszacować wartości składowe bilansu cieplnego i wodnego różnych jednostek fizjograficznych. W niniejszym opracowaniu struktury bilansu cieplnego powierzchni czynnej różnych ekosystemów na tle warunków klimatycznych środkowozachodniej Polski wykorzystano dotychczasowe doświadczenia Katedry Agrometeorologii Akademii Rolniczej w Poznaniu w zakresie oceny, analizy i kartowania struktury bilansu cieplnego i wodnego.

Charakterystyka badanego obszaru:

Rozciągłość równoleżnikowa opracowywanego obszaru wynosi około 300 km, a południkowa od 190 do 225km. W tak przyjętych granicach obszar środkowozachodniej Polski wynosi około 40000 kilometrów kwadratowych. Do opracowywania wybrano lata 1956- 1975, ze względu na najpełniejszą informację meteorologiczną. Wykorzystano wszystkie stacje meteorologiczne, które posiadały najmniej luk pomiarowych.. Obszar ten w większości należy do Krainy Wielkich Dolin i położony jest w dorzeczu środkowej Warty z jej dopływami (Prosną, Obrą i Notecią), a w południowej części obejmuje również zlewnię Baryczy - dopływ Odry. Na zachodzie obszar ten dochodzi do odcinka Odry pod Słubicami, na południowym wschodzie - do górnego biegu Warty, na wschodzie sięga do doliny Wisły pomiędzy Płockiem, a Fordonem, a na północy zamknięty jest doliną Noteci i Warty. W zachodniej i północnej części regionu występują liczne tereny pojezierne, gdzie udział jezior wynosi od 0,1 do ponad 10% powierzchni. Na południe od krawędzi zasięgu ostatniego zlodowacenia brak jest zupełnie jezior. Prawie 93% powierzchni regionu znajduje się na wysokości 50 - 150m.n.p.m. badany region przecięty jest ze wschodu na zachód trzema pradolinami. Najdalej na północ wysunięta jest pradolina Toruńsko - Eberswaldzka, w części środkowej znajduje się Pradolina Warszawsko - Berlińska, a najdalej na południe wysunięta jest Pradolina Barycko - Głogowska. Krajobrazy środkowozachodniej Polski tworzą:

• wielkie, szerokie pradoliny, w których występują bądź równiny aluwialne wysłane torfem, bądź wydmy,

• płaskie, z lekka faliste równiny moreny dennej lub sandru,

• pasy pagórków morenowych,

• jeziora.

Lasy zajmują 22% powierzchni regionu, a większe powierzchnie zalesione koncentrują się głównie w jego zachodniej i północnej części. Duże obszary badanego terenu wschodniej i środkowej jego części, należą do najmniej lesistych terenów w kraju. Najbardziej typowymi glebami są gleby brunatne i płowe. Ukształtowały się one pod wpływem roślinności wielogatunkowych lasów liściastych i mieszanych. Gleby te należą w większości do żyznych.

Metody badań:

Metoda bilansu cieplnego:

Wymiana energii między powierzchnia czynna a przypowierzchniowymi warstwami atmosfery i gleby jest jednym z najważniejszych procesów fizycznych, kształtujących środowisko geograficzne. Prawo zachowania energii zezwala na przedstawienie składników bilansu cieplnego powierzchni czynnej w następującym równaniu:

R_n + LE + S + G = 0

Gdzie: R_n - gęstość salda promieniowania (W/m²)

LE - gęstość strumienia utajonego ciepła parowania (W/m²)

S - gęstość strumienia ciepła jawnego (W/m²)

G - gęstość strumienia ciepła w glebie (W/m²)

Przyjęto, że znak dodatni mają składniki, których strumienie płyną ku powierzchni, a ujemny, gdy są skierowane od powierzchni czynnej. W Katedrze Agrometeorologii Akademii Rolniczej w Poznaniu opracowano model matematyczny, pozwalający - na podstawie standardowych danych meteorologicznych i fazy rozwojowej roślin - oszacować wartości składowe bilansu cieplnego powierzchni czynnej. Wprowadzając do powyższego równania współczynnik Bowena, określający stosunek ciepła jawnego do utajonego (S/LE) i przekształcając je, otrzymuje się wzór na obliczanie strumienia ciepła utajonego parowania:

LE = - (Rn +G)/(1+β)

gdzie:β - stosunek Bowena (S/LE)

Pomiędzy strumieniem ciepła utajonego LE, dla dobowego przedziału czasowego, a wartością ewapotranspiracji rzeczywistej ETR istnieje prosta zależność, którą można zapisać w następujący sposób:

ETR = (n. LE)/28.34

gdzie: n - liczba dni w miesiącu,

28.34 - współczynnik przeliczający gęstość strumienia energii wykorzystanej na parowanie na milimetry na dobę.

Istotę metody stanowi współzależność współczynnika Bowena z kompleksowym wskaźnikiem meteorologicznym W, który wyraża wpływ podstawowych elementów meteorologicznych i fazy rozwojowej roślin na ilość energii wykorzystanej przez rośliny w procesie ewapotranspiracji. Zależność ta ujęta jest równaniem:

β = 12,75/(W+3,7) - 0.02

W = 100^. (dV^½)^{arc(½π x f)}/(t (u + 0,4))

gdzie: d - niedosyt wilgotności powietrza (hPa)

V - prędkość wiatru (m/s)

t - temperatura powietrza (°C)

u - usłonecznienie względne

f - faza rozwojowa roślin: przyjmuje wartości od 0 do 1

W powyższym wzorze wartości f zostały obliczone na podstawie kalendarza fenologicznego opracowanego przez Karlińskiego i Kędziorę.

Saldo promieniowania

Wartości salda promieniowania dla miesięcy okresu wegetacyjnego obliczono ujmując saldo promieniowania jako różnicę miedzy bilansem krótkofalowym, a długofalowym obliczonym przy pomocy reguły Brunta:

Rn = Rk - Rl

R_k = (1-α)R_o(0,22 + 0,54u)

R_l = -5,68^.10^-8. (t + 273)^4. (0,56 - 0,08e^1/2) ^. (0,1 + 0,9u)

gdzie: α - albedo

R_o - promieniowanie całkowite na granicy atmosfery (W/m²)

u - usłonecznienie względne bezwymiarowe

t - temperatura powietrza (°C)

e - ciśnienie pary wodnej (hPa)

Strumień ciepła w glebie

Strumień ciepła gleby dla gruntów ornych obliczono na podstawie formuły, opartej na różnicach temp. powietrza z 2m (Kapuściński 1981)

G = -3,06Δt - 1,53

gdzie: Δt - zmiana temp. powietrza na początku i końcu okresu bilansowania (dekady)

G - strumień glebowy

Dla innych form użytkowania terenu strumień glebowy G obliczono wg równania:

G_i = k_iG

gdzie: G_i - strumień ciepła dla danego rodzaju użytkowanych gruntów

G - strumień ciepła glebowego gruntów ornych

k_i - współczynnik charakterystyczny dla danego rodzaju gruntu.

Strumień ciepła utajonego i jawnego

Wartość strumienia ciepła jawnego obliczono ze wzoru na bilans cieplny po jego przekształceniu:

S = (Rn + LE + G)

Opisany wyżej sposób określenia strumienia ciepła utajonego i jawnego można stosować tylko dla okresu ciepłego. Dlatego obliczenie strumienia ciepła utajonego i jawnego w całym roku przeprowadzono opierając się na dwóch założeniach

• średnia wartość roczna strumienia ciepła w glebie jest równa zeru,

• parowanie rzeczywiste w półroczu zimnym jest równe parowaniu potencjalnemu, które wyliczono w modelu wzorami Iwanowa i Tichomirowa

E₁ = 0,0018(25 + t)2(100 - h)

E₂ = d(11,25 + 2,25u)

gdzie: E₁,E₂ - suma miesięczna parowania (mm/ miesiąc)

t,h,v,d, - średnie miesięczne wartości temp. powietrza, wilgotności względnej, prędkości wiatru i niedosytu wilgotności powietrza

Po przeprowadzeniu obliczeń parowania dla półrocza ciepłego i zimnego średnia roczna wartość strumienia utajonego LE obliczono z równania

LE = (parowanie rzeczywiste w roku x 28,34) /365,25

Rozkład przestrzenny podstawowych elementów klimatycznych:

Temperatura powietrza. Średnie dwudziestoletnie wartości temp. powietrza w środkowozachodniej Polsce (lata 1956-1975) wahają się od 7,8° w północno-wschodniej i południowo- wschodniej części regionu, poprzez izolinie ośmiu stopni w centrum, do 8,4° C w okolicach Wrocławia. W rejonie Gorzowa biegnie izoterma 8,2° C. Odpowiednie w roku mokrym (1961) średnia roczna temp. była nieco wyższa od średniej wieloletniej o ok. 0,6° C. W środkowej części regionu oscylowała wokół izotermy 8,6° C, przyjmując najwyższe wartości w rejonie Słubic - 9,0° C. Natomiast w roku suchym (1972) wartości były bardzo zbliżone do wartości średnich dwudziestoletnich zarówno co do wartości, jak i przebiegu. Do obliczeń wartości średnich dla okresu zimowego uwzględniono wartości grudnia ubiegłego roku. Z rozpatrywanych miesięcy najbardziej od normy odbiegał styczeń 1961roku. Średnia miesięczna temp. w środkowozachodniej Polsce była wyższa od średniej wieloletniej aż o ponad 10° C. Natomiast styczeń 1972 roku był wyjątkowo mroźny, z temperaturami niższymi od przeciętnych o około 3° C zarówno na wschodzie, jak i na zachodzie. Średnie wartości temp. podczas zimy (XII-II) w latach 1956-1975 były ujemne dla całego regionu. Rok mokry (1961) charakteryzowała zima o wartościach średnich temp. powietrza powyżej zera. Okres wiosenny zaczyna się w marcu z temperaturami średnimi dwudziestolecia(195-1975) już powyżej zera. W centrum środkowozachodniej Polski w marcu temp. oscyluje wokół 2,2° C, a na wschodzie i północnym wschodzie osiąga wartości najniższe. Od marca do maja obserwujemy silną miesięczną dynamikę wzrostu temp. powietrza. Przyrosty w roku mokrym są prawie dwukrotnie słabsze. Marzec roku suchego (1972) był wyjątkowo ciepłym miesiącem, z temp. powyżej 6° C, natomiast w maju temp. była niższa od średniej dwudziestoletniej. Średnie wartości z trzech miesięcy tzn.: III-V w dwudziestoleciu(1956-1975) zamykają izotermy 7,2 i 7,8° C, co potwierdza nieznaczne zróżnicowanie termiczne regionu. Najwyższe temp. obserwujemy na południowym zachodzie, a najniższe na północy. Średnia temp. z okresu wiosennego roku mokrego była wyższa od wartości średnich dwudziestoletnich mniej więcej o 1,5° C. Średni temp. z okresu wiosennego roku suchego była wyższa od średniej dwudziestoletniej i oscylowała między izotermą 8,3 a 8,9° C. W czerwcu wartości średnie dwudziestoletnie temp. powietrza oscylowały od 16,4 do 17,2° C. W roku suchym czerwiec charakteryzowały temp. w granicach średnich lub nieco niższe. Zgodna z wartościami średnimi dwudziestoletnimi była cała wschodnia część środkowozachodniej Polski. Średnie temp. w lipcu w dwudziestoleciu przekraczały na znacznym obszarze wartości 18° C. W roku mokrym lipiec był miesiącem zdecydowanie chłodniejszym. Lipiec roku suchego był miesiącem znacznie cieplejszym od lipca roku średniego w dwudziestoleciu. Średnie wartości z okresu VI-VIII dla roku1961 się poniżej wartości średnich miesięcznych w dwudziestoleciu. Różnice te nie były jednak zbyt duże. Średnie wartości okresu letniego VI-VIII w roku1972 były nieco wyższe od wartości średnich dwudziestolecia.. Jesień jest okresem, w którym temp. powietrza gwałtownie się obniża. Średnie wartości dwudziestoletnie temp. powietrza okresu jesiennego oscylują wokół wartości 8,5° C. Natomiast w roku mokrym były wyższe, a w roku suchym niższe o ok. 1° C.

Ciśnienie pary wodnej. Dla roku średniego ciśnienie pary wodnej kształtowało się na poziomie 9,2 i 9,4hPa. Nieco wyższe wartości wystąpiły na południu, w części północno-wschodniej oraz na krańcach zachodnich; natomiast na północy, w centrum i na południowym wschodzie oscylowały wokół wartości 9,2hPa. Tak niewielkie zróżnicowanie średnich rocznych wartości ciśnienia pary wodnej powtórzyło się w roku suchym i mokrym. W roku mokrym najwyższe ciśnienia pary wodnej wystąpiły na zachodzie i osiągnęły wartość 10hPa. Średnie roczne najniższe wartości dwudziestoletnie oscylowały wokół ciśnienia 9,4hPa. W roku suchym nieco niższe niż w mokrym, ale lokalnie przekraczały wartości średnie wieloletnie. Najwyższe wartości miesięczne ciśnienia pary wodnej w dwudziestoleciu wystąpiły w lipcu i oscylowały wokół ciśnienia 15hPa.Najniższe wartości zanotowano w styczniu. Ciśnienie pary wodnej w tym miesiącu nie przekroczyło na zdecydowanej większości terenu 5hPa, jedynie w części zachodniej wartości te były nieco wyższe.

Niedosyt wilgotności powietrza. Parametr ten uważany jest za jeden z najważniejszych elementów meteorologicznych charakteryzujących stan uwilgotnienia przygruntowej warstwy powietrza. W analizowanym okresie dwudziestoletnim największe wartości niedosytu wilgotności powietrza wystąpiły w okresie letnim, VI-VIII, przekraczając na północnym wschodzie 6,0hPa. W okresie wiosennym wartości niedosytu wilgotności szybko wzrastały, wraz ze wzrostem temp. powietrza. W okresie jesiennym omawianego okresu przy szybkich spadkach temp. powietrza równie szybko maleją średnie wartości miesięczne niedosytu. W okresie zimowym średnie miesięczne i okresowe wartości niedosytu kształtują się poniżej 1,0hPa, wykazując bardzo małe zróżnicowanie przestrzenne. Średnie wartości roczne niedosytu wilgotności powietrza wahają się w granicach 2,8-2,9hPa. Tak mała różnica świadczy o niewielkim średnim rocznym wilgotnościowym zróżnicowaniu przestrzennym. W lipcu roku mokrego wartości niedosytu były mniejsze o 1,0hPa od średnich dwudziestoletnich, natomiast w lipcu roku suchego - większe o 1,0hPa. W pierwszym miesiącu wiosny roku mokrego wartości niedosytu były nieco większe niż w roku średnim. Okres wiosenny roku suchego cechują wartości zbliżone do wartości średnich w marcu roku mokrego. W okresie jesiennym wartości niedosytu wilgotności powietrza wyraźnie zmniejszają się. W roku mokrym , we wrześniu i październiku, wartości te były większe niż w dwudziestoleciu. W roku średnim w okresie IX-XI wartości średnie niedosytu opisują izarytmy 2,6hPa. Obserwujemy niewielkie zróżnicowanie przestrzenne tego elementu. Podobnie jest w roku mokrym i suchym; odchylenia od średniej są nieduże.

Zachmurzenie i usłonecznienie względne. Na wszystkich stacjach meteorologicznych prowadzi się ocenę stopnia zachmurzenia nieba. Natomiast pomiary usłonecznienia prowadzą niestety tylko nieliczne stacje. W ciągu roku najmniejsze zachmurzenie, a zarazem największa liczba dni pogodnych, występuje w środkowozachodniej Polsce w okresie letnim. Zachmurzenie w tych miesiącach kształtuje się na poziomie5,2-6,1 w skali 1-10, a średnie zachmurzenie oscyluje między 5,3 a 5,9. Największe miesięczne zachmurzenie przypada na listopad. Średnie roczne zachmurzenie w Wielkopolsce z dwudziestolecia 1956-1975 wynosi 6,0-6,6. Wartości średnie roczne usłonecznienia względnego z lat1956-1975 wahają się od 29% w północnej i południowo-zachodniej części rozpatrywanego terenu do 33-34% w rejonie Płocka. W okresie letnim VI-VIII usłonecznienie względne jest największe i wynosi prawie w całym regionie powyżej 40%. We wrześniu wartości usłonecznienia względnego są zbliżone do tych z miesięcy letnich, a miejscami nawet większe. Wartości z maja są zbliżone do wartości lipca, w grudniu i styczniu są zawsze mniejsze od 20%. Rok mokry cechował wartości zbliżone do normy. W tym roku na uwagę zasługuje lipiec, gdyż w tym miesiącu wartości usłonecznienia były dwukrotnie mniejsze niż w dwudziestoleciu, w czerwcu natomiast wartości te były wyraźnie większe od średniej. Wrzesień tego roku był wyjątkowo słoneczny. Usłonecznienie przekraczało na znacznym obszarze 50%. W roku suchym wartości średnie usłonecznienia względnego pozostają na poziomie tych z dwudziestolecia. Sierpień tego roku miał zdecydowanie mniejsze usłonecznienie względne niż sierpień z dwudziestolecia. We wrześnie i październiku różnice przestrzenne dochodziły do 10%. Marzec tego roku był bardziej słoneczny niż średni, natomiast w kwietniu wartości usłonecznienia były zdecydowanie mniejsze niż przeciętne. Również w zimie tego roku wartości usłonecznienia były mniejsze niż przeciętne prawie na całym obszarze.

Opady atmosferyczne. Obszar środkowozachodniej Polski należy do najuboższych w Polsce w opady atmosferyczne. W rozważanym dwudziestoleciu 1956-1975 średnia suma roczna opadów zmierzonych w centrum środkowozachodniej Polski wynosiła około 500mm nie przekraczając jej w rejonie Śremu. Generalnie całe centrum ma opady poniżej 540mm. W latach 1956-1975 największe sumy opadów zanotowano tradycyjnie w lipcu. Ilość opadów zwiększała się w kierunku południowym i wschodnim, osiągając na południu sumy wyższe od 80mm, a na południowym wschodzie przekroczyły one 90mm. Najuboższa w opady była jak zwykle zima (XII-II). W wybranym dwudziestoleciu suma opadów z tego okresu oscylowała między 85 a 115mm. W roku mokrym opad y przekroczyły normę dwudziestoletnią miejscami o ponad 200mm, np. w okolicach Poznania. Szczególnie deficytowy w opady, szczególnie w centralnej części środkowozachodniej Polski, był rok 1972. W okolicach Poznania i doliny Obry zanotowano opady nieco poniżej 350 i 375mm, mniejsze od przeciętnych o prawie 150-200mm. W okresie zimowym roku mokrego spadło 40-60mm wody opadowej. Maj roku1972 był miesiącem z najkorzystniejszym wynikiem opadowym okresu wiosennego. W tym miesiącu spadło na wschodzie regionu ponad100mm opadu. W okresie letnim roku suchego w centrum opady były poniżej normy; sumy te oscylowały wokół 150-175mm przy normie 185-190mm. W okresie jesiennym na całym obszarze sumy opadów kształtowały się poniżej normy dwudziestoletniej. Deficyt sięgał około 45mm opadu w centrum i na zachodzie. Najuboższy pod względem opadów, z miesięcy jesiennych okazał się październik. Na całym obszarze opady wynosiły około 10mm i były w tym miesiącu mniejsze od normy w przybliżeniu o 35mm.

Kierunek i prędkość wiatru. Wiatr jest jednym z najważniejszych elementów klimatu, zwłaszcza przy wyjaśnianiu genezy zjawisk atmosferycznych charakteryzujących klimat, a poza tym jest elementem o niemałym znaczeniu praktycznym. Z analizy róży wiatrów wynika wyraźna przewaga wiatrów zachodnich. W styczniu, lutym i kwietniu przeważają wiatry z kierunków zachodnich, lecz w marcu prąd zachodni słabnie i zaznacza się spory udział wiatrów wschodnich. W czerwcu, lipcu, sierpniu i wrześniu obserwujemy przewagę wiatrów zachodnich. W październiku przewaga ta maleje, by w listopadzie i w grudniu wiatry SW wyraźnie zdominowały wiatry z innych kierunków. Cisze stanowią 10% wszystkich obserwacji. Najrzadziej występują w styczniu i lutym nie przekraczając 7%. Średnie dwudziestoletnie prędkości wiatru zawierają się w przedziale od 2,0 do 1m/s. Największe prędkości stwierdzono na terenie stacji Poznań, której położenie w pobliżu lotniska sprzyja występowaniu nieco większych prędkości niż na terenie bardziej osłoniętym. Zróżnicowanie przestrzenne prędkości wiatru jest stosunkowo małe. Największe prędkości wiatru notowane są zimą i wiosną, a najmniejsze latem i jesienią. Najbardziej wietrznym miesiącem roku jest marzec. Prędkości w tym miesiącu przekraczają prawie na całym obszarze 3,0m/s. W roku suchym wartości średnie prędkości wiatru lokalnie przekraczały dwudziestoletnie. Rok mokry był z kolei rokiem ze średnimi prędkościami mniejszymi od średnich dwudziestoletnich, zwłaszcza w centralnej części regionu. W roku suchym miesiące zimowe były miesiącami wyjątkowo wietrznymi, z prędkościami średnimi lokalnie ponad 5,0m/s. W marcu wystąpiły wiatry o dużych prędkościach. Również kwiecień wykazywał prędkości wiatru większe od średnich. Jedynie w maju wartości prędkości wiatru wahały się w granicach wartości średnich wieloletnich. Okres letni jak zwykle charakteryzują najmniejsze prędkości wiatru, które w roku 1972 utrzymały się na poziomie zbliżonym do średnich dwudziestoletnich we wszystkich miesiącach i oscylowały od mniej więcej 2,0 do 3,5m/s. Okres jesienny cechuje ponowny wzrost prędkości wiatru, zwłaszcza w listopadzie. Natomiast we wrześniu obserwujemy wiatry o mniejszych wartościach. Średnia prędkość wiatru w okresie jesiennym 1972 roku była nieco większa od średniej prędkości wiatru w roku przeciętnym.

Sezonowy bieg składowych bilansu cieplnego powierzchni czynnej dla różnych form użytkowania terenu.

Średnie okresowe wartości składowych bilansu cieplnego dla dziewięciu form użytkowania terenu, wartości opadów atmosferycznych oraz parowania rzeczywistego ETR podano w tabelach 3a, 3b, 3c-11a, 11b, 11c. Wartości te są średnimi dla całej środkowozachodniej Polski, uzyskanymi z trzydziestu stacji pomiarowych. W tabelach przedstawiono również sezonowy bieg stosunków bilansu cieplnego zarówno dla roku średniego, jak i dla lat z najmniejszymi i największymi opadami, dla wszystkich rozważanych form użytkowania.

Ponieważ grunty orne stanowią ok. 60% omawianego obszaru nie sposób pominąć ich w omawianiu struktury bilansu cieplnego. Wartość salda promieniowania osiąga w czerwcu w każdym rozpatrywanym okresie bilansowania ponad 100W/m². Strumień ciepła utajonego, będący największa pozycja rozchodowa w strukturze bilansu cieplnego tego ekosystemu, stanowi w roku średnim w lipcu 80%, w czerwcu 79%, natomiast w sierpniu średnio 65% salda promieniowania zużywanego na parowanie. W lipcu roku mokrego , przy saldzie promieniowania mniejszym od przeciętnego o 13W/m² i mniejszym od salda promieniowania w roku suchym o 19W/m², wartość stosunku gęstości strumienia utajonego ciepła parowania do gęstości salda promieniowania pozostaje niezmieniona i dla wszystkich okresów bilansowania utrzymuje się na poziomie 80%. Świadczy to o priorytecie procesu parowania. Po zaspokojeniu potrzeb parowania pozostałe 20% przypada na dwa pozostałe strumienie: strumień ciepła jawnego zabiera w lipcu 15%, a strumień glebowy 4-5% salda promieniowania. W roku przeciętnym w październiku udział strumienia ciepła jawnego wynosi 47% salda promieniowania, natomiast w roku suchym największy udział strumienia ciepła jawnego przypada na sierpień, kiedy to stanowi 33% salda promieniowania. Takie wyniki można dość łatwo zinterpretować słabszą niż w roku normalnym i wilgotnym kondycją roślin, co musi mieć wpływ na osłabienie procesu parowania i wzrost znaczenia strumienia jawnego oraz glebowego w strukturze bilansu cieplnego. Strumień ciepła jawnego zmienia swój znak wiosną w marcu, a jesienią na przełomie października i listopada. Od listopada do marca strumień ciepła jawnego staje się źródłem energii dla powierzchni czynnej tego ekosystemu. Strumień ciepła w glebie istotną rolę w strukturze bilansu cieplnego powierzchni czynnej odgrywa wiosną i jesienią. Wiosną udział jego dochodzi do 39% wartości salda promieniowania, a jesienią może przekroczyć nawet 50%. Wartość strumienia glebowego zmienia swój znak w roku przeciętnym w styczniu i we wrześniu. W okresie zimowym wartość ta w styczniu w roku średnim oscyluje wokół wartości zerowej.

Łąki i pastwiska. Składowe bilansu cieplnego łąk i pastwisk na początku okresu wegetacyjnego , w przebiegu wieloletnim, są zbliżone do składowych uzyskanych dla gruntów ornych. W marcu wartości salda promieniowania wynoszą ok. 30W/m², a wartości pozostałych składowych są podobne: strumienia ciepła utajonego ok. -20, strumienia ciepła jawnego -3, i strumienia glebowego -9W/m². Wartości współczynników Bowena w ekosystemie łąkowo-pastwiskowym oraz gruntów są dość podobne wiosną, ale odbiegają od wartości współczynników Bowena dla ekosystemów leśnych, zwłaszcza w marcu. W lipcu nad łąkami i pastwiskami zwiększa się strumień ciepła jawnego i wyraźnie zmniejsza się strumień ciepła utajonego. Stosunek strumienia utajonego do salda promieniowania w marcu w roku mokrym dla łąk i pastwisk znacznie wzrastał i był większy niż w roku przeciętnym o ok. 1/3. W 1961 roku strumień ciepła jawnego miał znak przeciwny niż w roku suchym i przeciętnym, a więc strumień ciepła jawnego dostarczał energię do powierzchni parującej. Rok suchy był generalnie zbliżony do roku przeciętnego zarówno pod względem przebiegu składowych bilansu cieplnego, jak i stosunków między nimi.

Lasy iglaste. Lasy iglaste zajmują 13,5%powierzchni regionu, co daje im drugie miejsce po gruntach ornych w strukturze użytkowania terenu środkowozachodniej Polski. Lasy iglaste obejmują bory suche i bory świeże. W marcu współczynnik Bowena dla gruntów ornych wynosił 16%, natomiast dla lasów iglastych stosunek ten dochodzi do 63%. Tak poważną różnicę możemy wytłumaczyć tym, że w lesie iglastym wiosną promienie słoneczne mają utrudniony dostęp do powierzchni gleby i nagrzewanie się jej jest zdecydowanie wolniejsze od powierzchni ornych. Stąd też więcej energii może być tu przeznaczone na strumień ciepła jawnego. W roku wartość współczynnika Bowena stopniowo zwiększa się wraz z rozwojem wegetacji. W roku suchym natomiast rozkład jest podobny do rozkładu w roku przeciętnym. Oczywiście największą cześć salda promieniowania stanowi strumień ciepła utajonego. Jest on bardzo stabilny i utrzymuje się na poziomie ok. 80% salda promieniowania. W październiku w roku przeciętnym i mokrym wartość strumienia ciepła zużytego na parowanie przekracza wartość salda promieniowania. W ekosystemie lasu iglastego najmniejsze znaczenie ma strumień ciepła płynącego z bądź do gleby. W okresie letnim strumień ten stanowi ok. 2% salda promieniowania i może być pomijany. Struktura bilansu cieplnego lasów iglastych nie ulega silnym zmianom w latach skrajnych pod względem opadowym.

Lasy liściaste. Termin ten obejmuje lasy mieszane, olesy i grądy. Największe różnice w strukturze bilansu cieplnego lasu iglastego i liściastego wykazuje współ. Bowena. W lesie iglastym współczynnik ten w okresie wegetacyjnym powoli zwiększa się, natomiast w lesie liściastym można zauważyć niewielkie, ale systematyczne zmniejszanie się jego wartości. Taki rozkład współczynnika Bowena świadczy o zasobności siedliska lasu liściastego w wodę, ponieważ nie zmienia się on także w latach skrajnych. Również strumień ciepła utajonego w lesie liściastym jest większy od tego w lesie iglastym o ponad 15%. Od maja do września stanowi niemal zawsze ponad 80% salda promieniowania. Strumień ciepła glebowego od maja do sierpnia nie przekracza 3% salda promieniowania, niezależnie od sumy czy rozkładu opadów. Strumień ten odgrywa znaczna role w skrajnych miesiącach okresu wegetacyjnego. Struktura bilansu cieplnego lasu liściastego jest mało wrażliwa na warunki pogodowe.

Bilans wodny.

Roczny bieg klimatycznego bilansu wodnego, który stanowi różnice pomiędzy opadem atmosferycznym zmierzonym, a ewapotranspiracją rzeczywistą (P-ETR) oraz roczny bieg opadów i ewapotranspiracji rzeczywistej można prześledzić w tabelach 3a-11b, 11c. Zawierają one wartości klimatycznego bilansu wodnego dla rozpatrywanego terenu oraz opady i ewapotranspirację rzeczywistą, obliczone na podstawie danych z trzydziestu stacji meteorologicznych dla dziewięciu form użytkowania terenu, roku średniego oraz mokrego i suchego. Można zauważyć, że w roku średnim okres wiosenny i letni jest okresem deficytu wody. Deficyt ten nie występuje jedynie na nieużytkach oraz w zabudowie miejskiej i wiejskiej. Na tych terenach opady są zawsze większe niż ETR. Największa ewapotranspiracja rzeczywista w stosunku do opadów jest w maju i w czerwcu, w okresie największego zapotrzebowania roślin na wodę. Przeciętnie brakuje ok. 10-20mm warstwy wody. W roku średnim we wrześniu ewapotranspiracja zbiorników wodnych była zdecydowanie większa niż opady. W 1961 roku najmniejsze opady były w czerwcu, co spowodowało deficyt w klimatycznym bilansie wodnym sięgający 20-40mm. W roku suchym ETR była w siedmiu miesiącach większa niż opady. Dopiero wrzesień poprawił ten niekorzystny bilans. Październik przyniósł opady, które wypełniły normę jedynie w 50%.

Nieużytki i tereny zabudowane sprzyjają szybkiemu odpływowi wody z ekosystemu i zmniejszają możliwości retencyjne krajobrazu. Należy jeszcze dodać, że ilość wody wyparowanej w okresie od IV-VIII jest przeciętnie zawsze większa od opadów, z wyjątkiem nieużytków, zabudowy miejskiej i wiejskiej. W tym okresie zapasy retencyjne gleb zmniejszają się, co powoduje obniżenie poziomu wód gruntowych. Świadczy to o bardzo trudnej sytuacji pod względem stosunków wodnych w środkowozachodniej Polsce, a zwłaszcza w Wielkopolsce.

ETR/P_P

Roczny stosunek ewapotranspiracji rzeczywistej do opadów poprawionych P_p obliczono dla pięciu wybranych form użytkowania terenu (grunty orne, łąki i pastwiska, lasy iglaste i liściaste, zbiorniki wodne), natomiast analizę statystyczną dla tych form użytkowania przeprowadzono dla okresów: III-V, VI-VIII, IX-XI i dla roku dla stacji Poznań w latach 1956-1992. Wartości opadów zmierzonych i poprawionych wraz z poprawkami zamieszczono w tab. 15 i 16. Maksymalną sumę rocznego opadu w Poznaniu zarejestrowano w 1967 roku - 733mm, a najmniejszą w 1982 roku - 269mm oraz w 1972 roku - 323mm. Przyczyną największych opadów rocznych w 1967 roku były duże opady zimowe. W rozpatrywanym okresie 1956-1992 łatwo zauważyć wyraźny trend spadkowy opadów atmosferycznych. Należy zauważyć, ze opady wynoszące 700mm i więcej wystąpiły tylko w pierwszym 12-leciu rozpatrywanego okresu. Ostatnie 11 lat charakteryzują opady, których średnia roczna suma opadów wyniosła jedynie 445mm, natomiast wartość średnich opadów z pierwszego 12-lecia osiągnęła 575mm. Najsilniejszy trend spadkowy wystąpił w okresie wiosny, a najsłabszy w okresie letnim. Szczególnie niepokoi zmniejszanie się opadów wiosennych, które mają największy wpływ na wegetację roślin w środkowozachodniej Polsce. W ostatnich latach występują coraz większe różnice w stosunku ETR/P_p. Dotyczy to zarówno lat mokrych jak i suchych. Obserwujemy coraz większe wahania stosunku ETR/P_P pomiędzy kolejnymi latami, zwłaszcza w okresie VI-VIII. Zdarzają się coraz częściej na przemian zarówno miesiące katastrofalnie suche, jak i katastrofalnie mokre. Najmniejszą wartość średnią stosunku ETR/P_p i wartość mediany mają w okresie roku grunty orne. Najwyższy stosunek ETR/P_p stwierdzono dla zbiorników wodnych, gdzie wartość mediany wynosi 1,11, następnie w lasach liściastych 0,95, w lasach iglastych 0,91, dalej na łąkach i pastwiskach 0,85 i wspomnianych wcześniej gruntach ornych 0,84. Podobny przebieg stosunku utrzymuje się w pozostałych rozpatrywanych okresach. Największe wartości stosunek ten przyjmuje w okresie III-V i VI-VIII, kiedy wartość mediany jest taka sama dla gruntów ornych jak dla łąk i pastwisk - 1,17 (III-V) i odpowiednio 1,21 oraz 1,26 (VI-VIII). Zdecydowanie największy stosunek ETR/P_p charakteryzuje powierzchnię wodną, dla której jedynie w okresie IX-XI jest on nieco mniejszy od jedności, natomiast w okresie letnim osiąga wartość maksymalną - 1,75. Stosunek ETR/P_p jest najmniej korzystny w okresie wiosennym i letnim, kiedy dla wszystkich rozpatrywanych typów użytkowania jest większy od jedności. Świadczy to wyraźnie o napiętych stosunkach wodnych badanego obszaru. Na uzyskanie większych wartości ETR w okresie letnim wpływa korzystny rozkład opadów, gdyż zdecydowanie większe sumy opadów przypadają na okres wegetacyjny. Ewaporacji sprzyja również większa zdolność ewaporacyjna powietrza oraz pełnia rozwoju roślin i duże wartości pionowego gradientu ciśnienia pary wodnej. Grunty orne najsilniej reagują na brak wody opadowej najmocniej reagując na ewapotranspirację.

We wszystkich formach użytkowania terenu widać wyraźnie tendencję zwiększania się stosunku ETR/P_p Największa tendencja zwiększania się stosunku występuje w okresie wiosennym. Najbardziej stabilny jest stosunek w okresie IX-XI. Największy wpływ na taką sytuacje ma spadkowy trend opadów atmosferycznych w rozważanym okresie. Duży wpływ na wzrost rozpatrywanego stosunku, zwłaszcza w ostatnim dziesięcioleciu badanego okresu mają mniejsze od średniej opady oraz wzrostowa tendencja temperatury powietrza

Najpoważniejszą pozycję rozchodową w strukturze bilansu cieplnego powierzchni czynnej zajmuje strumień ciepła utajonego. Strumień ten zależy głównie od takich wielkości jak niedosyt wilgotności powietrza, pionowy gradient ciśnienia pary wodnej, prędkości wiatru, lecz przede wszystkim od salda promieniowania i fazy rozwojowej roślin oraz w mniejszym stopniu od wilgotności powietrza i stanu równowagi termodynamicznej atmosfery. Największy procentowy udział strumienia ciepła utajonego w strukturze bilansu cieplnego powierzchni czynnej występuje w lasach liściastych. Tereny te bardzo chętnie korzystają z nadmiaru energii, która często pochodzi z sąsiedniego ekosystemu. Najmniejsze wartości strumienia ciepła utajonego obserwujemy na nieużytkach oraz na terenach o zabudowie miejskiej i wiejskiej. Wartości LE nie przekraczają tam 50% udziału salda promieniowania. Należy zaznaczyć, że dla powierzchni suchych np. zabudowa miejska zwiększenie wartości temp. powoduje wzrost wartości współczynnika Bowena, tzn. więcej energii wykorzystane jest na ogrzanie atmosfery. W okresie lata połowa energii przekazywana jest do atmosfery w formie ciepła jawnego. Ciepło zużywane na ogrzanie gleby stanowi według autora (Kapuściński) najmniejszą cześć rozchodową bilansu cieplnego. Strumień ciepła kształtowany jest przede wszystkim przez pionowy gradient temperatury gleby, wilgotność podłoża, porowatość gleby, fazę rozwojową roślin i saldo promieniowania.

Podsumowując należy zauważyć, że nieużytki i tereny zabudowane sprzyjają szybkiemu odpływowi wody i zmniejszają zdolności retencyjne krajobrazu. Ilość wody wyparowanej w okresie IV-VIII jest średnio zawsze większa od opadów, z wyjątkiem nieużytków, zabudowy miejskiej i wiejskiej. W tym okresie zapasy retencyjne gleb zmniejszają się, co powoduję obniżenie poziomu wód gruntowych. Świadczy to o napiętych stosunkach wodnych środkowozachodniej polski, a zwłaszcza Wielkopolski.

Wnioski:

1.W dwudziestoleciu 1956-1975 w środkowozachodniej Polsce wartość średnia rocznego salda promieniowania dla łąk i pastwisk wynosi prawie 40W/m²

2.Najwieksze wartości salda promieniowania dla łąk i pastwisk występują w czerwcu i lipcu przekraczając 100W/m²

3.Strumień ciepła utajonego parowania w okresie 1956-1975 stanowi średnio 80% salda promieniowania i przyjmuje wartości bliskie - 80W/m²

4.W okresie 1956-1992 wystąpił w środkowozachodniej Polsce ujemny trend opadów atmosferycznych.

5.Stosunek ewapotranspiracji rzeczywistej do opadów wykazywał, dla okresu roku, tendencję rosnąca dla gruntów ornych, łąk i pastwisk, lasów iglastych i liściastych oraz wód.

6.Najsilniejszy trend wzrostowy stosunku ETR/P_p dla wszystkich form użytkowania powierzchni występuje w okresie wiosennym (III-VI).

7.Stosunek ewapotranspiracji rzeczywistej do opadów przekracza w środkowozachodniej Polsce wartość 1,0 w okresie wiosennym i letnim na wszystkich rozpatrywanych formach użytkowania terenu.

8.Na stosunek ewapotranspiracji rzeczywistej do opadów najsilniej wpływają roczne sumy opadów atmosferycznych oraz ich sezonowy rozkład.

9.Utrzymująca się tendencja do wzrostu temperatury zimą i wiosną może spowodować zwiększenie parowania w tym okresie oraz wzrost stosunku ewapotranspiracji rzeczywistej do opadów, co ujemnie wpływa na i tak niekorzystny bilans wodny, zwłaszcza Wielkopolski.

10.W środkowozachodniej Polsce konieczna jest budowa zbiorników retencyjnych i dalsze inwestycje melioracyjne, które miałyby za zadanie retencjonowanie wody z okresów jej nadmiaru i alimentowania jej w okresach posusznych.

Bibliografia:

Janusz Kapuściński

Struktura bilansu cieplnego powierzchni czynnej na tle warunków klimatycznych środkowozachodniej Polski. Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu. Rozprawy naukowe. Zeszyt 303.

Tadeusz Kędziora

Podstawy agrometeorologii.

Marian Molga

Agrometeorologia rolnicza

Struktura bilansu cieplnego powierzchni czynnej na tle warunków klimatycznych środkowozachodniej Polski. Lasy liściaste, lasy iglaste, łąki i pastwiska.

Paweł Wolski

Leśnictwo

Gospodarka leśna

Poznań 2003

Łąki i pastwiska

Rok przeciętny 1956-1975

Okres		I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m²]		-15	-6	31	62	89	102	97	78	49	18	-6	-13
LE [W/m˛]		-7	-10	-19	-44	-68	-81	-67	-62	-32	-22	-14	-10
S [W/m˛]		23	19	-3	-14	-17	-17	-27	-13	-15	-7	12	21
G [W/m˛]		-1	-3	-9	-4	-4	-4	-3	-3	-2	11	8	2
P [mm]		29	31	28	37	57	65	78	62	41	45	41	41
ETR [mm]		9	10	21	47	74	86	73	68	34	23	14	11
P-ETR [mm]		20	21	7	-10	-17	-21	5	-6	7	22	27	30

Łąki i pastwiska

Rok mokry 1961

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m²]	-11	-19	-3	31	66	79	107	83	72	52	17	-5	-17
LE [W/m²]	-14	-6	-16	-28	-45	-64	-75	-65	-58	-28	-28	-13	-5
S [W/m²]	19	31	24	5	-18	-12	-27	-15	-12	-21	-4	8	23
G [W/m²]	6	-6	-5	-8	-4	-3	-4	-3	-3	-3	15	10	-2
P [mm]	41	29	30	41	51	86	56	129	64	25	29	45	41
ETR [mm]	15	7	16	31	48	70	79	71	63	30	31	14	5
P-ETR [mm]	26	22	14	10	3	16	-23	58	1	-5	-2	31	36

Łąki i pastwiska

Rok suchy - 1972

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m˛]	-10	-16	-5	33	59	83	101	103	75	48	16	-5	-21
LE [W/m˛]	-17	-3	-12	-26	-43	-65	-82	-67	-60	-30	-17	-15	-11
S [W/m˛]	17	21	23	-1	-12	-15	-15	-33	-13	-16	-3	10	31
G [W/m˛]	10	-2	-6	-6	-4	-4	-4	-3	-2	-2	4	10	1
P [mm]	40	17	8	33	38	66	67	65	70	49	11	32	6
ETR [mm]	19	3	12	28	46	71	87	73	66	31	19	16	12
P-ETR [mm]	21	14	-4	5	-8	-5	-20	-8	4	18	-8	16	-6

Lasy liściaste

Rok przeciętny 1956-1975

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m²]		-12	1	36	67	94	108	99	82	49	20	-4	-12
LE [W/m²]		-8	-10	-19	-48	-75	-90	-83	-68	-40	-27	-15	-10
S [W/m²]		20	11	-13	-17	-16	-16	-14	-13	-8	2	15	21
G [W/m²]		0	-2	-5	-2	-2	-2	-2	-2	-2	5	4	1
P [mm]		29	31	28	37	57	65	78	62	41	45	41	41
ETR [mm]		9	10	21	51	82	95	91	74	42	29	16	11
P-ETR [mm]		20	21	7	-14	-25	-30	-13	-12	-1	16	25	30

Lasy liściaste

Rok mokry-1961

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m˛]	-10	-15	3	35	72	83	112	85	76	52	20	-3	-15
LE [W/m˛]	-14	-6	-16	-28	-50	-70	-93	-73	-64	-41	-36	-14	-5
S [W/m˛]	21	24	16	-3	-20	-11	-17	-10	-11	-10	8	13	21
G [W/m˛]	3	-3	-3	-4	-2	-2	-2	-2	-2	-2	8	4	-1
P [mm]	41	29	30	41	51	86	56	129	64	25	29	45	41
ETR [mm]	15	7	16	31	53	77	98	80	70	43	38	15	5
P-ETR [mm]	26	22	14	10	-2	9	-42	49	-6	-18	-9	30	36

Lasy liściaste

Rok suchy -1972

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m²]	-8	-12	2	38	64	88	106	105	79	47	18	-4	-19
LE [W/m²]	-17	-3	-12	-26	-47	-73	-90	-89	-66	-37	-21	-17	-11
S [W/m²]	21	17	13	-9	-15	-13	-15	-14	-11	-8	1	15	29
G [W/m²]	5	-1	-3	-3	-2	-2	-2	-2	-2	-2	2	5	1
P [mm]	40	17	8	33	38	66	67	65	70	49	11	32	6
ETR [mm]	19	3	12	28	50	80	95	97	72	39	24	18	12
P-ETR [mm]	21	14	-4	5	-12	-14	-28	-32	-2	10	-13	14	-6

Lasy iglaste

Rok przeciętny 1956-1975

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m˛]		-11	1	35	70	98	117	107	90	55	23	-3	-12
LE [W/m˛]		-8	-10	-19	-56	-74	-82	-72	-59	-37	-27	-16	-10
S [W/m˛]		20	12	-12	-12	-23	-33	-33	-29	-16	-1	16	21
G [W/m˛]		-1	-3	-5	-2	-2	-2	-2	-2	-2	5	3	1
P [mm]		29	31	28	37	57	65	78	62	41	4	41	41
ETR [mm]		9	10	21	59	81	86	79	65	39	29	17	11
P-ETR [mm]	0	20	21	7	-22	-24	-21	-1	-3	2	-25	24	30

Lasy iglaste

Rok mokry -1961

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m˛]	-10	-16	2	35	76	87	122	91	83	58	23	-3	-15
LE [W/m˛]	-14	-6	-16	-28	-61	-66	-84	-63	-55	-37	-35	-15	-5
S [W/m˛]	21	25	16	-2	-13	-19	-6	-26	-25	-19	5	13	21
G [W/m˛]	3	-3	-2	-4	-2	-2	-2	-2	-2	-2	8	5	-1
P [mm]	4	29	30	41	51	86	56	129	64	25	29	45	41
ETR [mm]	15	7	16	31	65	72	8	69	60	39	38	16	5
P-ETR [mm]	-11	22	14	10	-14	14	48	60	4	-14	-9	29	36

Lasy iglaste

Rok suchy -1972

Okres	XII	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
Rn [W/m˛]	-9	-13	1	37	67	92	115	114	86	53	22	-3	-19
LE [W/m˛]	-17	-3	-12	-26	-57	-70	-81	-77	-58	-34	-22	-18	-11
S [W/m˛]	21	18	15	-8	-8	-20	-32	-35	-26	-17	-2	16	29
G [W/m˛]	5	-1	-3	-3	-2	-2	-2	-2	-2	-2	2	5	1
P [mm]	40	17	8	33	38	66	67	65	70	49	11	32	6
ETR [mm]	19	3	12	28	60	77	86	84	63	36	24	19	12
P-ETR [mm]	21	14	-4	5	-22	-11	-19	-19	7	13	-13	13	-6

---