Marcin Wdowikowski

W odociągi i kanalizacja/ Water supply and sewage systems Ocena możliwości zastosowania danych opadowych z prywatnych stacji meteorologicznych dla wybranych epizodów deszczowych na terenie Wrocławia Assessment of the possibility of using rainfall data from private meteorological stations for selected rain episodes in Wrocław MONIKA NOWAKOWSKA, MACIEJ BEŁCIK, MAGDALENA JAWOR, MARCIN WDOWIKOWSKI DOI 10.36119/15.2024.11.4 W artykule oceniono możliwość wykorzystania danych opadowych z prywatnych stacji meteorologicznych (PWS) do monitorowania wybranych epizodów deszczowych na terenie Wrocławia. PWS zyskują na popularności dzięki łatwej dostępności i niskim kosztom zakupu, umożliwiając monitorowanie parametrów atmosferycznych takich jak temperatura, wilgotność, ciśnienie, opady deszczu oraz prędkość i kierunek wiatru. Badania obejmowały analizę danych z 32 PWS zlokalizowanych we Wrocławiu i okolicach, które następnie porównano z danymi z profesjonalnych stacji meteorologicznych IMGW oraz sieci MPWiK we Wrocławiu. Wyniki badań wykazały, że dane z PWS mogą być użyteczne w monitorowaniu intensywnych opadów, które mogą prowadzić do lokalnych podtopień, pod warunkiem prawidłowego umiejscowienia stacji oraz weryfikacji danych. Największym wyzwaniem związanym z PWS jest ryzyko nieprawidłowego umiejscowienia, co może wpływać na dokładność pomiarów. Dlatego konieczna jest systematyczna weryfikacja i interpretacja zebranych danych, aby mogły one być wykorzystane w praktycznych zastosowaniach, takich jak hydrologia miejska. Słowa kluczowe: Prywatne Stacje Meteorologiczne, intensywne opady, Średnia Ważona Odległością, kriging, hydrologia miejska The article evaluates the feasibility of using rainfall data from Personal Weather Stations (PWS) to monitor selected rain episodes in Wrocław. PWS are gaining popularity due to their easy accessibility and low cost, enabling the monitoring of atmospheric parameters such as temperature, humidity, pressure, rainfall, and wind speed and direction. The study involved the analysis of data from 32 PWS located in Wrocław and its surroundings, which were then compared with data from professional meteorological stations of IMGW-PIB and the MPWiK network in Wrocław. The results showed that PWS data can be useful in monitoring heavy rainfall, which may lead to local flooding, provided the stations are properly placed and the data are verified. The greatest challenge associated with PWS is the risk of incorrect placement, which can affect measurement accuracy. Therefore, systematic verification and interpretation of the collected data are necessary for their use in practical applications, such as urban hydrology. Keywords: Personal Weather Station, heavy rainfall, Inverse Distance Weight, kriging, urban hydrology Wstęp Analizy meteorologiczne, w tym wysokości opadów i temperatury powietrza pełnią coraz istotniejszą rolę w inżynierii środowiska, a w szczególności w modelowaniu odwodnienia systemów miejskich [15], zagospodarowania wód opadowych [9], czy bezpiecznego wymiarowania systemów wodno-kanalizacyjnych [12]. W ostatnim czasie coraz bardziej popularne stają się Prywatne Stacje Pogodowe (Personal Weather Station – PWS). PWS to urządzenia, które są wykorzystywane przez prywatne osoby do dokonywania pomiarów meteorologicznych. Są one użytkowane na całym świecie. Urządzenia takie są łatwo dostępne, relatywnie tanie w zakupie i przez to popularne. PWS, w zależności od modelu urządzenia, pozwalają na monito- rowanie stanu atmosfery w zakresie m.in.: temperatury powietrza, wilgotności względnej, ciśnienia atmosferycznego, opadów,prędkości i kierunku wiatru. Urządzenia pomiarowe mogą być doposażone w dodatkowe czujniki zwiększające ilość mierzonych parametrów atmosfery. Zbierane w ten sposób dane pomiarowe służą nie tylko bieżącemu monitorowaniu warunków meteorologicznych dr inż. Monika Nowakowska: https://orcid.org/0000-0002-6406-4447; [email protected], dr inż. Maciej Bełcik: https://orcid.org/0000-0001-7652-6031; [email protected], dr inż. Magdalena Jawor: https://orcid.org/0009-0005-1065-6315; [email protected], dr inż. Marcin Wdowikowski: https://orcid.org/0000-0003-2693-0946 ‒ Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska, Wrocław. Adres do korespondencji/ Corresponding author: [email protected] 38 11/2024www.informacjainstal.com.pl www.informacjainstal.com.pl Wodociągi i kanalizacja w najbliższym otoczeniu, ale także w prosty sposób mogą być udostępnianie innym osobom. W tym celu powstało wiele portali internetowych udostępniających dane pochodzące z PWS, wśród których wymienić można między innymi: Weather Underground, Weathercloud, PWS Weather, AWEKAS, and CWOP. Portale te zbierają dane oraz pozwalają na dostęp do wizualizacji w postaci tabel i wykresów w czasie rzeczywistym bądź w różnych odstępach czasu (zazwyczaj 5-minutowych). Liczba PWS jest różna w zależności od obszaru, ale ich ilość na całym świecie systematycznie rośnie, a sieć pomiarowa ulega coraz większemu zagęszczeniu. Najpopularniejszym portalem zrzeszającym pasjonatów jest platforma Weather Underground, która “obsługuje” ponad 250 tys. PWS na obszarze całego świata, np. na terenie Wielkiej Brytani znajduje się przeszło 1700 urządzeń pomiarowych [1]. Według danych na rok 2020, w samym serwisie Weather Underground, aktywnych było 1054 punktów pomiarowych zlokalizowanych na terenie Polski [2]. Na analizowanym obszarze (miasto Wrocław i najbliższa okolica) znajdują się 32 stacje PWS [23], badające stan atmosfery W zakresie przedstawionych wyżej elementów meteorologicznych.. Pomiar opadu w tego typu urządzeniach wykonywany jest poprzez samo opróżniający się mechnizm korytkowo wywrotkowy, powszechnie stosowany w stacjach meteorologicznych na całym świecie. Standaryzowana powierzchnia wlotu do deszczomierza zapewnia minimalną rozdzielczość pomiaru opadów deszczu na poziomie 0,25 mm wysokości opadu. Wartość ta stanowi jednostkę pomiarową zliczaną w czasie pojedyńczego opróżnienia korytka deszczomierza umożliwiając tym samym uzyskanie informacji o natężeniu opadów deszczu (Rys. 1). Największą wadą PWS w odniesieniu do pomiarów standaryzowanych jest możliwość nieprawidłowego umiejscowienia urządzenia. Pod względem prawidłowości pomiaru opadów, stacja taka nie powinna być umiejscowiona w pobliżu wysokich obiektów czy drzew, mogących stanowić przeszkody / ograniczenia pomiarowe. Zgodnie z instrukcją użytkowników portalu (wunderground.com) miejsce montażu stacji powinno być oddalone co najmniej o 1,5 m od najbliższej przeszkody której wysokość nie przekracza 3 m wysokości lub odpowiednio dalej przy obiektach o większej wysokości. Mimo opracowanych szczegółowych wytycznych, rzeczywista lokalizacja i sposób montażu PWS nie jest monitorowany Rys. 1. Schemat działania deszczomierza w stacji PWS [23] Fig. 1. Operational diagram of the rain gauge at the PWS station [23] przez portale, co sprawia, że konieczna staje się weryfikacja i interpretacja prawidłowości danych prezentowanych przez poszczególne stacje pomiarowe. Instrukcja dla stacji meteorologicznych państwowej służby meteorologicznej w Polsce pełnionej przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy (IMGW-PIB) zakłada minimalne warunki lokalizacji deszczomierza jako odległość dwukrotności wysokości najwyższej przeszkody [12]. W ujęciu ogólnym w strukturze czasowo-przestrzennej opadów atmosferycznych występujących w Polsce wyróżnia się 3 typy genetyczne [16, 20]: l opady konwekcyjne – krótkotrwałe (do ok. 2 godzin) o małym zasięgu terytorialnym, l opady frontalne – wielogodzinne (najczęściej od 2 do 13 godzin) o dużym zasięgu, l opady niżowe – długotrwałe (najczęściej ponad 13 godzin) o regionalnym zasięgu. Obserwowanym efektem zmian klimatu jest zjawisko wzrostu temperatury powietrza w mieście w stosunku do terenów otaczających – miejska wyspa ciepła (MWC) [3]. MWC jest wynikiem uwalniania się ciepła – m.in. z procesów przemysłowych i komunalnych w zurbanizowanym środowisku, które wywołują szereg zmian lokalnych warunków meteorologicznych, tj. wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne oraz prędkość i kierunek wiatru. Intensywność oddziaływania MWC wzrasta liniowo wraz ze wzrostem wielkości miasta, od wartości niewiele przekraczających 1,0oC – w małych miastach do 2,5oC – w dużych miastach. Jednakże, w ekstremalnych warunkach termicznych, gdy temperatura osiąga wartości ponad 35oC, w miastach o liczbie mieszkańców około 600 000, intensywność MWC sięgać może nawet 7oC. We Wrocławiu, biorąc pod uwagę jego wielkość, strukturę i uprzemysłowienie, MWC [4, 17-19] jest zjawiskiem częstym i potęguje przestrzenne zróżnicowanie 11/2024 warunków klimatycznych i bioklimatycznych. Zjawisko MWC nasila się zwłaszcza nocą podczas bezchmurnej i bezwietrznej pogody i wyraża się wzrostem temperatury, postępującym w kierunku centralnych części miast. Pole temperatury w takich przypadkach przyjmuje na ogół kształt koncentryczny, zaburzony przez lokalne obniżenia i podwyższenia temperatury, związane z rodzajem pokrycia i użytkowania terenu [4]. Obszar badań Lokalizacja Oceny możliwości wykorzystania prywatnych stacji meteorologicznych dokonano dla obszaru miasta Wrocław znajdującego się w Polsce w centralno-wschodniej części Europy. Wrocław leży u podnóża Sudetów, w samym centrum bardzo rozległej Niziny Śląskiej. Przez miasto przepływa siedem rzek, z których największą jest Odra. Wrocław jest miastem bardzo rozległym, w kierunku północ-południe odległość między końcowymi punktami wynosi 19,4 kilometra (współrzędne geograficzne od 51.042N do 51.212N), a od zachodu na wschód jest to 26,3 kilometra (współrzędne geograficzne od 16.807 do 17,176E). Wrocław zaliczany jest do miast nizinnych, Najwyżej położony punkt na terenie miasta ma 155 m npm, a najniżej 105 metrów. Miasto Wrocław jest także stolicą regionu dolnośląskiego, zamieszkałym przez 674 tys. mieszkańców, o powierzchni 293 km2 [6]. Klimat Wrocławia zaliczany jest do umiarkowanych z przewagą wpływów oceanicznych. Średnioroczny opad z wielolecia 1991–2020 dla miasta wynosi 541 mm, a średnioroczna temperatura to 9,7 st. C [13] Punkty pomiarowe Zjawiska opadowe rejestrowane są na terenie Wrocławia przez deszczomierze zlokalizowane na stacjach pomiarowych znajdujących się na terenie całego miasta. Wśród punktów pomiarowych 39 W znajduje się jedna stacja meteorologiczna, Wrocław-Strachowice, należąca do IMGW-PIB, czyli instytucji odpowiedzialnej w Polsce za prowadzenie pomiarów i obserwacji meteorologicznych. Ponadto na obszarze miasta zlokalizowanych zostało 11 stacji pomiarowych należących do Miejskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów i Kanalizacji we Wrocławiu (MPWiK Wrocław) – spółki odpowiedzialnej między innymi za budowę i utrzyTabela 1. Stacje IMGW-PIB i MPWiK na obszarze badań Table 1. IMGW-PIB and MPWiK stations in the research area ID stacji Nazwa ulicy IMGW-PIB Wrocław-Strachowice D01 Bogusławskiego D02 Bystrzycka D03 Dobra D04 Gitarowa D05 Na Grobli D06 Jagniątkowska D07 Milicka D08 Powstańców Śl. D09 Ślazowa D10 Terenowa D11 Wędkarzy Rys. 2. Lokalizacja punktów pomiarowych na mapie Wrocławia (punkt zielony stacja IMGW-PIB, punkty niebieskie stacje PWS, punkty czerwone stacje MPWiK) Fig. 2. Location of measurement points on the map of Wrocław (green point – IMGW-PIB station, blue points – PWS stations, red points – MPWiK stations) manie sieci kanalizacji deszczowej na terenie gminy. Wysokość opadu na stacjach dokonuje się za pomocą deszczomierzy wagowych z automatycznym rejestrem pomiaru. Wykaz stacji IMGW-PIB oraz MPWiK przedstawiono w tabeli 1. Na terenie miasta i w jego najbliższej okolicy znajdują się także 32 indywidualne stacje meteorologiczne, które zarejestrowane są na portalu Weather Underground. Wykaz stacji PWS na obszarze badań przedstawiono w tabeli 2. Lokalizację wszystkich punktów pomiarowych na terenie miasta i najbliższych obrzeżach przedstawiono na rysunku 2. Tabela 2. Stacje PWS na obszarze badań Table. 2. PWS stations in the research area 40 Numer stacji ID stacji Miejscowość Nazwa ulicy Latitude 1 ISMOLE18 Smolec Cynamonowa 51.069N 16.890E 2 IWROCAW52 Wrocław Kącka 51.141N 16.869E 3 IWROCA52 Wrocław Osiniecka 51.121N 16.894E 4 IWROCAW66 Wrocław Piekarska 51.176N 16.911E 5 IWROCA67 Wrocław Postępowa / Rakietowa 51.098N 16.938E 6 IMOKRO3 Mokronos Górny Spacerowa 51.071N 16.915E 7 IWROCA96 Wrocław M. Wolfkego 51.159N 16.873E Longitude 8 IWYSOK6 Wysoka Jaworowa 51.050N 16.996E 9 IWROCA81 Wrocław Irlandzka / Klecińska 51.110N 16.967E 10 IWROCA74 Wrocław Hubska 51.089N 17.045E 11 IDOLNYU03 Smolec Czereśniowa 1 51.087N 16.906E 12 ISMOLE6 Smolec Czereśniowa 9 51.088N 16.907E 13 IWROCAW54 Wrocław Szałwiowa 15 51.176N 17.000E 14 IWROCAW62 Wrocław Jaskółcza 27 51.136N 17.087E 15 IWROCA84 Wrocław Giżycka 72a 51.134N 17.078E 16 IWROCA82 Wrocław Jedności Narodowej 238 51.130N 17.055E 17 IWROCA47 Wrocław A. Oppmana 3 51.142N 17.049E 18 IWROCA73 Wrocław wyb. J. Conrada-Korzeniowskiego 6 51.130N 17.035E 19 IWROCA37 Wrocław A. Vivaldiego 44 51.052N 17.062E 20 IWYSOK4 Wysoka Trzmielowa 8 51.054N 17.006E 21 IWROCA64 Wrocław Marcepanowa 2 / Czekoladowa 51.062N 16.976E 22 IWROCA46 Wrocław Cukrowa 18 51.062N 16.981E 23 IDOLNOU016 Wrocław Brylantowa 51 51.046N 17.027E 24 IDSOLTAS9 Wrocław Oboźna 51.058N 17.039E 25 IWROCA100 Wrocław Oboźna 51.057N 17.037E 26 IERNIK1 Żerniki Wrocławskie Miodowa 2 51.030N 17.062E 27 IWROCA35 Wrocław Granitowa 7 / Pawia 51.068N 17.041E 28 IWROCA27 Wrocław Pieszycka 15 51.076N 17.047E 29 IWROCA93 Wrocław Wysoka 78 (Tęczowa) 51.104N 17.008E 30 IWROCA50 Wrocław Inowrocławska 51.114N 31 IWROCA34 Wrocław Małopanewska / Legnicka Shell 51.123N 32 IWROCA76 Wrocław Ananasowa /Cytrynowa 51.158N 16.895E Epizody pomiarowe Badania objęły opady występujące w latach 2020–2022. Selekcji epizodów opadowych dokonano na podstawie własnych obserwacji oraz informacji pochodzących z doniesień prasowych, które obejmowały występowanie intesywnych opadów deszczu skutkujących miejscowymi podtopieniami i wylaniami wód z systemu kanalizacji deszczowej na terenie miasta. Istotnym elementem selekcji była rówież dostępność danych pomiarowych ze wszystkich analizowanych źródeł. Ostatecznie wytypowano trzy epizody pomiarowe: l 14 października 2020 r., 13-godzinny opad trwający od 00:00 do 13:00 typu niżowego; l 8–9 lipca 2021 r., 17-godzinny opad trwający od 21:00 dnia 8 lipca do 14:00 dnia 9 lipca typu niżowego; l 30–31 lipca 2022 r., 22-godzinny opad trwający od 11:00 dnia 30 lipca do 9:00 dnia 31 lipca typu niżowego. Dane pomiarowe obejmują sumaryczne wysokości opadu w każdym z analizowanych epizodów dla poszczególnych punktów pomiarowych. W przypadku stacji PWS dane obejmują wyłącznie stacje, które w trakcie trwania epizodu pomiarowego były zarejestrowane w portalu Weather Underground. W związku ze zwiększającą się popularnością amatorskich pomiarów meteorologicznych, liczba punktów pomiarowych na terenie miasta zwiększa się wraz z upływem czasu. Dla epizodu z roku 2020 dane obejmują 9 stacji PWS, podczas gdy dla epizodu z roku 2022 już aż 25 stacji. Dla epizodów z roku 2020 i 2021 wykorzystano dane opadowe pochodzące z MPWiK we Tabela 3. Ilość danych pozyskanych dla poszczególnych epizodów opadowych Table 3. Amount of data obtained for individual rainfall episodes Epizod pomiarowy IMGW-PIB MPWiK 17.014E 14.10.2020 1 9 9 16.988E 8-9.07.2021 1 9 19 30-31.07.2022 1 0 25 PWS 11/2024www.informacjainstal.com.pl wymi. Metoda bywa też nazywana metodą wagową [10]. Wykładnik potęgi (β) może przyjmować wartości 1, 2 lub 3. Dla algorytmu IDP, wartości analizowanej zmiennej w dowolnym węźle siatki j, czyli Zj są obliczane z zależności: Rys. 4. Lokalizacja stacji pomiarowych we Wrocławiu dla epizodu 8–9.07.2021 (punkt zielony stacja IMGW-PIB, punkty niebieskie stacje PWS, punkty czerwone stacje MPWiK) Fig. 4. Location of measurement stations in Wrocław for the episode from 8 to 9 July 2020 (green point – IMGW-PIB station, blue points – PWS stations, red points – MPWiK stations) gdzie: zi – wartość zmiennej w kolejnym punkcie pomiarowym i, dij – odległość węzła j od punktu i, β – dobierany wykładnik potęgowy, przyjęto: β = 2 [11]. Rys. 5. Lokalizacja stacji pomiarowych we Wrocławiu dla epizodu 30–31.07.2022 (punkt zielony stacja IMGW-PIB, punkty niebieskie stacje PWS, punkty czerwone stacje MPWiK) Fig. 5. Location of measurement stations in Wrocław for the episode from 30 to 31 July 2022 (green point – IMGW-PIB station, blue points – PWS stations, red points – MPWiK stations) Wrocławiu za zgodą przedsiębiorstwa. Informacje o ilości danych pozyskanych dla poszczególnych epizodów pomiarowych przedstawiono w tabeli 3, natomiast na rysunkach 3–5 przedstawiono wartości sum opadowych dla poszczególnych stacji. Metody badań Symulacja przestrzenna Wizualizację przestrzenną danych opadowych wykonano z wykorzystaniem programu SURFER w wersji 13 [5], moduł interpolacji krigging. Wiarygodność i miarodajność zastosowanej metody, nawet przy wykorzystaniu niewielkiej liczby punktów pomiarowych, potwierdzono w badaniach wykonanych przez Nowakowską i in. [11]. Dla epizodów z lat 2020 i 2021 symulacji dokonano na podstawie stacji referencyjnych – IMGW-PIB i MPWiK, w celu odczytania wartości dla stacji PWS. Dla epizodu z roku 2022, symulacji dokonano www.informacjainstal.com.pl dla danych ze stacji PWS, w celu odczytania wartości dla pozostałych punktów pomiarowych. Do analizy przestrzennej zastosowano metodę krygingu [10], która pozwala stworzyć mapę na podstawie nieregularnie rozłożonych punktów danych wejściowych XYZ oraz ich charakteru. Utworzenie dowolnej mapy wymaga istnienia regularnej siatki wartości dla prezentowanej powierzchni. Proces przetworzenia nieregularnie położonych punktów XYZ w regularną siatkę wartości nazywany jest gridingiem. Jest to proces interpolacji wartości funkcji w węzłach regularnej siatki XY na podstawie wartości funkcji w wejściowych punktach XYZ. Zastosowanie metody odwrotnych odległości do potęgi (Inverse Distance to a Power – IDP) pozwala na ważoną interpolację uśredniającą dla wartości intensywności opadów – nie wymaga dużej liczby punktów pomiarowych. W IDP każdemu z punktów pomiarowych, przypisywana jest waga. Waga ta jest odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy punktami pomiaro- 11/2024 Wodociągi i kanalizacja Rys. 3. Lokalizacja stacji pomiarowych we Wrocławiu dla epizodu 14.10.2020 (punkt zielony stacja IMGW-PIB, punkty niebieskie stacje PWS, punkty czerwone stacje MPWiK) Fig. 3. Location of measurement stations in Wrocław for the episode of October 14, 2020 (green point – IMGW-PIB station, blue points – PWS stations, red points – MPWiK stations) Najczęściej do analiz opadów stosowano β = 2 [11]. Warto zauważyć, że metoda ta może tylko interpolować wartości, a nie je ekstrapolować. Nigdy bowiem wartości interpolowane nie będą większe od największej wartości spośród zmierzonych, ani nie będą mniejsze od wartości najmniejszej. Różne mogą być kryteria wyboru posterunków pomiarowych wykorzystywanych do obliczeń. Dla dużych obszarów zlewni, z gęstą siecią pomiarową, ogranicza się liczbę posterunków poprzez zdefiniowanie maksymalnego zasięgu oddziaływania lub maksymalnej liczby posterunków. Według badań Zawilskiego [24], brak pomiaru dla jednego stanowiska w bardzo małym stopniu zmienia wartości interpolowane (metodą IDP) w węzłach siatki, nie położonych w jego bezpośrednim otoczeniu. W metodzie kriging, najpowszechniej stosowanej w procedurach interpolacyjnych, program pozwala dobrać indywidualne parametry wariogramu przystosowujące go do struktury i charakteru danych włącznie z uzględnieniem zjawiska anizotropii opartych na metodach geostatystyki. Pozwala na tworzenie złożonych prezentacji map nakładanych – wymagana jest duża liczba punktów pomiarowych. Porównanie wskazań stacji pomiarowych W celu weryfikacji poprawności danych pochodzących ze stacji PWS oraz porównania wyników symulacji z danymi pomiarowymi, wyznaczono odchylenia pomiędzy wartościami wyrażone względną różnicą procentową. Różnice wyrażone w procentach obliczono za pomocą poniższej zależności [7, 8]: 41 W gdzie: ΔP – względna różnica procentowa wartości symulowanej od rzeczywistej, % Psym – wysokość opadu symulowanego przy pomocy metody krigingu, mm Prz – wysokość opadu rzeczywistego zarejestrowanego przez deszczomierz, mm Na podstawie obliczonej różnicy zweryfikowano poprawność opadów dla stacji PWS. Przyjęto, że wartość odchyleia nieprzekraczająca 30% pozwala na uznanie wysokości opadu podawanego przez deszczomierz PWS za prawidłową. Założenia tego dokonano na podstawie doniesień literaturowych, mówiących o tym, że różnice wysokości opadu pomiędzy różnego typu stacjami oraz metodami odczytu (manualna, automatyczna) sięgać mogą właśnie 30% [7, 21, 22]. Wyniki analizy i dyskusja Na podstawie danych ze stacji referencyjnych (IMGW-PIB i MPWiK) wykonano symulacje kriggingowe dla epizodów pomiarowych z roku 2020 i 2021. Symulację wykonano dla obszaru całego miasta Wrocław w zakresie współrzędnych od 51.020 N do 51.200 N oraz od 16.850 E do 17.180 E. Wyniki symulacji przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Na podstawie symulacji określono sumaryczne wysokości opadu dla obszaru aglomeracji wrocławskiej. Symulacja przeprowadzona dla epizodu opadowego z dnia 14.10.2020 wykazała, że najwyższe sumaryczne wartości opadu, sięgające 38 mm uzyskano dla środkowo-zachodniej części miasta w zakresie współrzędnych geograficznych od 51.080 Rys. 7. Symulacja czasowo-przestrzenna opadu z dnia 8-9.07.2021 na podstawie stacji IMGW-PIB i MPWiK (punkty czarne to wyniki modelowania dla stacji PWS, punkty czerwone to dane wejściowe MPWiK, IMGW) Fig. 7. Temporal and spatial simulation of precipitation on July 8-9, 2021 based on the IMGW – PIB and MPWiK stations (black points are modeling results for the PWS station, red points are input data from MPWiK, IMGW) N do 51.130 N oraz od 16.930 E do 16.980 E. Najniższy, nieznacznie przekraczający 20 mm, opad wystąpił w środkowo-wschodniej części miasta na obszarze pomiędzy rzędnymi 51.080 N–51.130 N i 17.040 E-17.110 E. Symulacja wykonana dla epizodu opadowego z dnia 8–9.07.2021 wykazała, że najniższe wartości opadu wystąpiły w centrum miasta – poniżej 42 mm podczas gdy na jego obrzeżach były znacząco wyższe sięgające nawet 66 mm w północno-zachodniej części aglomeracji. Ponadto zauważono, że wraz z przejściem chmury opadowej, z zachodu na wschód, sumaryczne wartości opadu uległy zmniejszaniu. Na podstawie epizodów opadowych z dni: 14.10.2020 oraz 8‒9.07.2021, ze stacji referencyjnych (IMGW i MPWiK) wykonano symulacje sumarycznych wartości opadu atmosferycznego dla lokalizacji stacji PWS, a następnie porównano wartości odczytane z symulacji z wartościami rzeczywistymi zarejestrowanymi przez deszczomierze prywatnych stacji meteorologicznych. W celu sprawdzenia poprawności danych obliczono procentową odchyłkę symulacji od rzeczywistego wskazania stacji PWS. W tabelach 4 i 5 przedstawiono sumaryczne wartości opadu (dla symulacji i deszczomierza) oraz obliczoną odchyłkę. Tabela 4: Odchylenia względne wysokości opadów z deszczomierza i symulacji dla epizodu z dnia 14.10.2020 Table 4. Relative deviations of rainfall from the rain gauge and simulation for the episode of October 14, 2020 Numer stacji Rys. 6. Symulacja czasowo-przestrzenna opadu z dnia 14.10.2020 na podstawie stacji IMGW-PIB i MPWiK (punkty czarne to wyniki modelowania dla stacji PWS, punkty czerwone to dane wejściowe MPWiK, IMGW) Fig. 6. Temporal and spatial simulation of rainfall on October 14, 2020 based on the IMGW – PIB and MPWiK stations (black points are modeling results for the PWS station, red points are input data from MPWiK, IMGW) 42 Wysokość opadu deszczomierz [mm] Wysokość opadu symulacja [mm] ΔP [mm] -44% 2 56,13 31,4 4 32,77 31,2 -5% 12 36,32 30,8 -15% -25% 14 31,24 23,5 19 24,38 27,0 11% 20 38,30 30,5 -20% 27 32,69 28,0 -14% 28 38,61 26,5 -31% 31 64,01 34,0 -47% Dla epizodu opadowego z dnia 14.10.2020 wykazano, że wartości otrzymane w symulacji są niższe od zarejestrowanych na stacjach, we wszystkich przypadkach poza stacją nr 19, gdzie wartość otrzymana podczas symulacji była wyższa od wartości odczytanej z deszczomierza i wyniosła 11%. Pozostałe odchyłki mieszczą się w zakresie od – 5% dla stacji nr 4 11/2024www.informacjainstal.com.pl dwie symulacje na podstawie danych dla wszystkich dostępnych stacji PWS (Rys. 8) oraz dla stacji PWS z wykluczeniem stacji uznanych za mało wiarygodne (odchyłka >30%) (Rys. 9). Wyniki wykonanych symulacji przedstawiono na rysunkach 8 i 9. mało wiarygodny. Najniższe sumaryczne wartości opadu atmosferycznego wykazano dla południowo-zachodniej części miasta z wartościami rzędu 38 mm. Symulacja przeprowadzona dla stacji PWS z pominięciem stacji uznanych we Wodociągi i kanalizacja do – 47% dla stacji nr 31. Zgodnie z przedstawionym wcześniej założeniem, stwierdzono, że wartości odchyłki przekraczające ±30% sprawiają że wartości podawane przez stację stają się niewiarygodne. Wartości odchyłki przekraczające 30% uzyskano dla 3 stacji PWS o nr 2, 28 i 31. Tabela 5. Odchylenia względne wysokości opadów z deszczomierza i symulacji dla epizodu z dnia 8-9.07.2021 Table 5. Relative deviations of rainfall from the rain gauge and simulation for the episode of July 8-9, 2021 Wysokość Wysokość Numer opadu deszczo- opadu symulastacji mierz [mm] cja [mm] ΔP [mm] 2 86,87 63,5 -27% 3 68,58 57,2 -17% 4 73,66 62,4 -15% 8 57,91 47,9 -17% -36% 13 55,38 35,7 14 47,50 44,0 -7% 17 48,01 43,0 -10% 19 44,45 42,8 -4% 20 58,70 47,0 -20% 21 48,00 48,8 2% 22 55,68 48,4 -13% 23 38,00 45,8 21% 24 57,71 44,0 -24% 26 26,90 44,4 65% 28 53,85 41,8 -22% 30 59,89 40,0 -33% 31 129,79 38,0 -71% Dla epizodu opadowego w dn. 8-9.07.2021, podobnie jak dla wcześniejszego wykazano, że wartości otrzymane podczas symulacji były w przeważającej części niższe niż zarejestrowane na stacjach (14 na 17 stacji). Tylko dla 3 punktów pomiarowych wykazano wyższe wartości uzyskane podczas symulacji niż zarejestrowane na stacji – były to punkty nr 21 (odchyłka 2%), 23 (odchyłka 21%) oraz 26 (odchyłka 65%). Dla pozostałych punktów pomiarowych odchyłki wahały się od – 4% dla stacji nr 19 do – 71% dla stacji nr 31. Wartości odchyłki przekraczające ±30%, świadczące o małej wiarygodności pomiaru uzyskano dla 4 stacji PWS o nr 13 (-36%), 26 (65%), 30 (-33%) oraz 31 (-71%), przy czym dla stacji 31 przekroczenie założonej odchyłki stwierdzono już drugi raz (w obu dokonanych symulacjach). Na podstawie analizy odchyłek uzyskanych dla stacji PWS stwierdzono, że wartości uzyskiwane dla 6 stacji o nr 2, 13, 26, 28, 30 i 31 są mało wiarygodne. Dla epizodu opadowego z dnia 30– 31.07.2022 r przeprowadzono symulację potencjalnego pola opadowego na podstawie danych pozyskanych ze stacji PWS oraz modelu przestrzennego. Wykonano www.informacjainstal.com.pl Rys. 8. Symulacja czasowo-przestrzenna wysokości opadu z dnia 30-31.07.2022 na podstawie wszystkich stacji PWS (punkty czarne to dane wejściowe dla stacji PWS, punkty czerwone to wyniki modelowania dla stacji MPWiK, IMGW) Fig. 8. Temporal and spatial simulation of rainfall on July 30–31, 2022 based on all PWS stations (black points are input data from PWS station, red points are modeling results for the MPWiK, IMGW stations) Rys. 9. Symulacja czasowo-przestrzenna opadu z dnia 30–31.07.2022 na podstawie stacji PWS uznanych za wiarygodne (punkty czarne to dane wejściowe dla stacji PWS, punkty czerwone to wyniki modelowania dla stacji MPWiK, IMGW) Fig. 9. Temporal and spatial simulation of precipitation on from 30 to 31 July 2022 based on PWS stations considered reliable (black points are input data from PWS station, red points are modeling results for the MPWiK, IMGW stations) Symulacja czasowo-przestrzenna wykonana dla wszystkich stacji PWS wykazała najwyższe sumy opadów dla północno-wschodniej części aglomeracji, w zakresie współrzędnych 51.110 N-51.200 N oraz 17.030 E-17.100 E z wartościami sięgającymi 86 mm. Ponadto zauważono obszar o wartościach sumarycznej wysokości opadu sięgających 94 mm w środkowo-wschodniej części miasta. Wartości te wynikają jednak z obecności punktu pomiarowego nr 28, który na podstawie poprzednich analiz, uznany został za 11/2024 wcześniejszych analizach za niewiarygodne (Rys. 8) wykazała podobną strukturę przestrzenną. Najwyższe wartości sumarycznej wysokości opadu analogicznie jak w symulacji (Rys. 9) wykazano dla północno-wschodniej części aglomeracji dla współrzędnych w zakresie 51.110 N-51.200 N oraz 17.030 E-17.100 E z wartościami sięgającymi 86 mm, Najniższe wartości opadu uzyskano dla całej zachodniej części aglomeracji z wartościami 34-40 mm. Na podstawie uzyskanych symulacji (Rys. 8 i 9) odczytano dane dla pozostałych 43 W stacji pomiarowych – IMGW-PIB oraz MPWiK i zestawiono je w tabeli 6. W ostatnim etapie badań dokonano sprawdzenia wartości uzyskanych metodą symulacji krigingowej z wartością rzeczywistą odczytaną na stacji referencyjnej l l Kriging jest metodą, której rezultaty można określić co najmniej jako dobre (jeśli chodzi o interpolację danych); Brak pojedynczych punktów w bardzo małym stopniu zmienia wartości interpolowane metodą krigingu; Tabela 6. Sumaryczne wysokości opadu dla stacji IMGW-PIB i MPWiK podczas epizodu opadowego w dn. 30–31.07.2022 Table 6. Total rainfall amounts for the IMGW-PIB and MPWiK stations during the rainfall episode from 30 to 31 July 2022 ID stacji Nazwa ulicy Wysokość opadu wszystkie PWS [mm] D01 Bogusławskiego 78,8 79,0 Bystrzycka 63,0 63,0 D03 Dobra 81,8 78,0 D04 Gitarowa 72,4 66,8 D05 Na Grobli 81,2 78,4 D06 Jagniątkowska 43,0 41,0 D07 Milicka 85,0 84,3 D08 Powstańców Śląskich 69,8 70,2 D09 Ślazowa 74,0 71,8 72,5 D10 Terenowa 82,0 D11 Wędkarzy 54,2 52,4 IMGW-PIB Wrocław-Strachowice 42,4 39,4 l l l Podsumowanie l 44 Powszechny dostęp do rozwijających się technologii informatycznych będzie powodował, że będzie powstawało coraz więcej prywatnych stacji meteorologicznych, również w Polsce. Aktulana dysproporcja pokrycia terenu w stacje pomiarowe pomiędzy instytucjami państwowymi, a użytkownikami prywatnymi powoduje, że PWS stają się istotnym źródłem informacji meteorologicznej. Badania przeprowadzone w niniejszej pracy dla Wrocławia wykazały, że pomiary opadów z PWS mogą być użyteczne, choć wymagają weryfikacji z powodu potencjalnie nieprawidłowego umiejscowienia stacji. Porównano pomiary z PWS z danymi z profesjonalnych stacji meteorologicznych, wskazując na ich potencjalne zastosowanie w monitorowaniu intensywnych opadów, które prowadzą do podtopień. Przeprowadzone analizy pozwoliły sformułować następujące wnioski: l [6] [7] [8] Wysokość opadu wiarygodne PWS [mm] D02 IMGW-PIB Wrocław-Strachowice, która wyniosła 38,8 mm. Obliczona odchyłka wykazała, że wartości uzyskane w wyniku symulacji były wyższe od zarejestrowanej na deszczomierzu odpowiednio o 9% w przypadku symulacji obejmującej wszystkie dostępne dane PWS (Rys. 8) oraz o 1,5% dla symulacji PWS z wiarygodnymi danymi. Uzyskane w obliczeniach odchyłki są niewielkie, a uzyskane wyniki są wiarygodne i spełniają, a nawet znacząco obniżają, przyjęty w założeniach warunek maksymalnej wartości odchyłki nieprzekraczającej 30% nawet dla symulacji uwzględniającej wszystkie dane pozyskane ze stacji PWS. [5] Ze względu na wrażliwość metody krygingu na efekty wygładzenia semiwariogramu empirycznego skrajne wartości mogą być niedoszacowane a niekiedy przeszacowane w całościowym ujęciu modelu, dlatego do ich wagi proponowane jest zastosowanie innej metody analizy; Duże zagęszczenie PWS (nawet po odrzuceniu nietypowych wartości wyników) pozwala na wiarygodne symulowanie wysokości opadu dla aglomeracji miejskiej miasta Wrocławia; Symulacje wysokości opadów uzyskane metoda krigingu pozwalają na uzupełnienie danych pomiarowych ze stacji, które nie rejestrują danych (np. z przycyzn technicznych); Analiza sum opadów z prywatnych stacji meteorologicznych (PWS) pozwala na wykorzystanie ich do weryfikacji modeli opadowych; Z uwagi na konieczność uwiarygodnienia danych pochodzących z PWS (lokalizacja stacji, kompletność) niezbędne jest opracowanie procedury statystycznej weryfikacji danych. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] LITERATURA [1] [2] [3] [4] Bell S., Cornford D., Bastin L., How Good Are Citizen Weather Stations? Addressing a Biased Opinion. Weather 2015, 70, 75–84. Droździoł R., Absalon D., Evaluation of Selected Amateur Rain Gauges with Hellmann Rain Gauge Measurements. Climate. (2023). 11(5). 10.3390/cli11050107. Dubicki A., Dubicka M., Szymanowski M., Klimat Wrocławia. Informator 2002, http:// www.eko.org.pl/ wroclaw/pdf/klimat.pdf Fortuniak K., Miejska wyspa ciepła. Podstawy energetyczne, studia eksperymentalne, modele numeryczne i statystyczne. Wyd. Uniwersytetu Łódzkiego, Łódź 2003. [21] [22] [23] [24] Galon Z., Surfer. Podręcznik użytkownika. Gambit Centrum Oprogramowania i Szkoleń Sp. z o.o., Kraków 2014 Głowny Urząd Statystyczny, https://stat.gov.pl/ Kotowski A., Dancewicz A., Każmierczak B., The Accuracy of measurements of precipitation amount using standard and tipping bucket pluviographs in comparison to Hellmann rain gauges. Environment Protection Engineering 2011, vol. 37, no. 2, s. 23–34. Licznar P., Dżugaj D., Niesobska M., Ekspertyza techniczna polegająca na weryfikacji poprawności działania deszczomierzy wchodzących w skład sieci monitoringu opadów atmosferycznych należących do MPWiK S.A. we Wrocławiu. Raport serii SPR nr 19, Wrocław 2013. Ludwińska A., Dudkiewicz E., Efekty wynikające ze zwiększania pojemności zbiornika gromadzącego wodę deszczową na obszarze Polski o średniej wysokości opadów. Instal 4 (2024), s. 40–47. Magnuszewska A., GIS w geografii fizycznej. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 1999. Nowakowska M., Kaźmierczak B., Kotowski A., Metodyka analizy przestrzennej zmienności opadów na przykładzie Wrocławia. Interdyscyplinarne zagadnienia w inżynierii i ochronie środowiska T. 3 (red. T. M. Traczewska), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013, s. 465–472. Rak J., Wartalska K., Kaźmierczak B., Ryzyko pogodowe w funkcjonowaniu przedsiębiorstw wodno-kanalizacyjnych w Polsce, Instal 1 (2021), s. 39–42. Raport Klimatu Polski, IMGW – PIB, Warszawa, 2024. Różdżyński K., Derek P., Górka A., Grzelak-Agaciak E., Jurczak K., Kamińska M., Kieloch B., Lech H., Letachowicz J., Ragin G., Stepko W., Suchecki St., Trzebunia J., Woźniak Ł., 2014, Instrukcja dla stacji meteorologicznych, IMGW-PIB, Warszawa, 2015, s. 389. Suchorab P., Iwanek M., Efektywność wybranej instalacji dualnej wykorzystującej wody deszczowe w warunkach rzeczywistych opadów, Instal 12 (2021), s. 40–45. Suligowski R., Struktura czasowa i przestrzenna opadów atmosferycznych w Polsce. Próba regionalizacji. Prace Instytutu Geografii Akademii Świętokrzyskiej, nr 12, Kielce 2004. Szymanowski M., Kryza M., Zastosowanie regresji ważonej geograficznie do interpolacji przestrzennej miejskiej wyspy ciepła we Wrocławiu. Prace i Studia Geograficzne 2011, vol. 47, s. 417–423. Szymanowski M., Kryza M., Zastosowanie regresji ważonej geograficznie do modelowania miejskiej wyspy ciepła we Wrocławiu. Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji 2009, vol. 20, s. 407-419. Szymanowski M., Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu. Studia Geograficzne 77, Wyd. Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2004. Twardosz R., Dobowy przebieg opadów atmosferycznych w ujęciu synoptycznym na przykładzie Krakowa (1886-2002). Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Kraków 2005. Urban G., Strug K., Evaluation of precipitation measurements obtained from different types of rain gauges. 2021, Meteorol. Z, 30, 445–463. Urban G., Kowalewski M. K., Sawicki J., Borowiecki K., Assessment of the quality of measurements from selected amateur rain gauges Meteorologische Zeitschrift Vol. 33 No. 2 (2024), s. 159–174. Wunderground.com, instalation guide [dostęp: 09.07.2023], www.wunderground.com Zawilski M., Wstępne rezultaty monitoringu przestrzennego rozkładu opadów w Łodzi w 2010 roku. Wyd. ABRYS, Warszawa 2011, s. 31–39. n