METEOROLOGICKÉ ZPRÁVY METEOROLOGICAL BULLETIN

ČESKÝ HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV CZECH HYDROMETEOROLOGICAL INSTITUTE METEOROLOGICKÉ ZPRÁVY METEOROLOGICAL BULLETIN Zpráva světové meteorologické organizace o stavu počasí a podnebí ve světě v roce 2010........................................................ 65 Karel Vaníček Martin Staněk Ladislav Metelka Pavla Skřivánková: Asimilace řad celkového ozonu z Hradce Králové, 1961 2010............... 70 Kateřina Zemánková Jan Bednář Josef Brechler Peter Huszár: Výpočty koncentrací přízemního ozonu na území ČR pomocí modelu CAMx s přihlédnutím ke vlivu biogenních těkavých organických látek............... 79 Martin Popek Jan Bednář: Bishopův kruh a další optické jevy na částicích vulkanického popela nebo pouštního písku v atmosféře..................... 89 Eva Červená: Přechod od tradičních alfanumerických kódů ke kódu FM 94 BUFR pro výměnu meteorologických dat...................................... 91 Informace Recenze................................................ 95 ROČNÍK 64 2011 ČÍSLO 3

The WMO report on the Status of the Global Climate in 2010....................................... 65 Karel Vaníček Martin Staněk Ladislav Metelka Pavla Skřivánková: Assimilation of total ozone data series, Hradec Králové, 1961 2010............................................................ 70 Kateřina Zemánková Jan Bednář Josef Brechler Peter Huszár: Calculations of surface ozone concentrations on the territory of the Czech Republic by means of the CAMx model considering the effect of biogenic emissions of volatile organic compounds.............................................. 79 Martin Popek Jan Bednář: Bishop s circle and another optical phenomena on particles of volcanic ash or desert sand in the atmosphere.............................................................. 89 Eva Červená: Migration from traditional alphanumeric code forms to FM 94 BUFR for the exchange of meteorological data...................................................................... 91 Information Reviews...................................................................... 95 Abstracting and Indexing: Current Contents/Physical Chemical and Earth Sciences Cambridge Scientific Abstracts (CSA) Meteorological and Geoastrophysical Abstracts Environmental Abstracts Meteorologické Zprávy, odborný časopis se zaměřením na meteorologii, klimatologii, čistotu ovzduší a hydrologii. Dvouměsíčník Meteorological Bulletin, Journal specialized in meteorology, climatology, air quality and hydrology. Bi-monthly Vedoucí redaktor Chief Editor L. Němec, Český hydrometeorologický ústav, Praha, Česká republika Redaktor Executive Editor O. Šuvarinová, Český hydrometeorologický ústav, Praha, Česká republika Redakční rada Editorial Board J. Bednář, Univerzita Karlova, Praha, Česká republika Z. Horký, Praha, Česká republika F. Hudec, Univerzita obrany, Brno, Česká republika K. Krška, Brno, Česká republika M. Lapin, Univerzita Komenského, Bratislava, Slovenská republika F. Neuwirth, Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Wien, Austria V. Pastirčák, Slovenský hydrometeorologický ústav, Bratislava, Slovenská republika D. Řezáčová, Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, Česká republika J. Strachota, Praha, Česká republika J. Sulan, Český hydrometeorologický ústav, Plzeň, Česká republika F. Šopko, Český hydrometeorologický ústav, Praha, Česká republika R. Tolasz, Český hydrometeorologický ústav, Praha, Česká republika K. Vaníček, Český hydrometeorologický ústav, Hradec Králové, Česká republika H. Vondráčková, Český hydrometeorologický ústav, Praha, Česká republika Vydavatel (redakce) Publishers Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 17, 143 06 Praha 4-Komořany, telefon 244 032 722, 244 032 725, e-mail: suvarinova@chmi.cz. Sazba a tisk: Studio 3P, spol. s r. o. Rozšiřuje a informace o předplatném podává a objednávky přijímá Český hydrometeorologický ústav, SIS, Na Šabatce 17, 143 06 Praha 4-Komořany. Cena jednotlivého čísla 25, Kč, roční předplatné 240, Kč včetně poštovného. Reg. číslo MK ČR E 5107. Meteorologické Zprávy, Český hydrometeorologický ústav Czech Hydrometeorological Institute, Na Šabatce 17, 143 06 Praha 4-Komořany, Phones: (+420) 244 032 722, (+420) 244 032 725, e-mail: suvarinova@chmi.cz. Printed in the Studio 3P, l.l.c. Orders and enquiries: Please contact Czech Hydrometeorological Institute, SIS, Na Šabatce 17, 143 06 Praha 4-Komořany, Czech Republic. Annual subscription: 48, EUR (6 issues) ISSN 0026 1173

METEOROLOGICKÉ ZPRÁVY Meteorological Bulletin ROČNÍK 64 (2011) V PRAZE DNE 28. ČERVNA 2011 ČÍSLO 3 ZPRÁVA SVĚTOVÉ METEOROLOGICKÉ ORGANIZACE O STAVU POČASÍ A PODNEBÍ VE SVĚTĚ V ROCE 2010 The WMO report on the Status of the Global Climate in 2010. Since 1993 the World Meteorological Organization (WMO) has been publishing its annual WMO Statement on the Status of the Global Climate. The report has gradually gained in popularity and recently is a recognized authoritative source of information for the scientific community, the media and the general public. The report presented is the latest link of this successful sequence. The journal Meteorologické Zprávy (Meterological Bulletin) offers to its readers an abbreviated version of the report. KLÍČOVÁ SLOVA: teplota vzduchu průměrná globální úhrny srážek globální cyklona tropická KEY WORDS: average global air temperature global precipitation amounts tropical cyclone 1. ÚVOD V roce 1993 zahájila Světová meteorologická organizace (SMO) vydávání každoročních zpráv o stavu počasí a podnebí ve světě. Vycházela při tom ze závěrů druhé Mezinárodní konference o klimatu, kterou uspořádala spolu se svými odbornými partnery v roce 1990. Tato zpráva si postupně získala velkou popularitu a je dnes uznávána jako důležitý zdroj informací pro vědeckou obec, média i širokou veřejnost. Předkládaný zkrácený překlad [1] je zatím posledním článkem této úspěšné série (obr. 1). Rok 2010 byl obzvláště zajímavý tím, že globální povrchová teplota dosáhla rekordních hodnot, podobně jako v letech 1998 a 2005, čímž potvrdila tendenci zrychlujícího se oteplování během posledních 50 let. Tento rok tak uzavřel nejteplejší dekádu v historii teplotních měření. Během tohoto desetiletí bylo pozorováno nejvýraznější oteplení v severní Africe a na Arabském poloostrově, v jižní Asii a v Arktidě. Kromě toho byly v různých částech světa zaznamenány výrazné klimatické extrémy se značnými sociálně ekonomickými dopady. Mezi nejzávažnější extrémy tohoto roku patřily zejména záplavy v Pákistánu a Austrálii a vlny letních veder v Rusku. Navíc byl rok 2010 význačný také jako rok, ve Obr. 1 Obálka publikace WMO. kterém pracovní skupiny Fig. 1. Cover of thewmo publication. vybraných odborníků formulovaly doporučení pro strukturu, priority a způsob řízení klimatických služeb v reakci na jednomyslné závěry třetí Mezinárodní konference o klimatu, kterou svolala SMO v roce 2009 ve spolupráci s Organizací spojených národů. V rámci svého rozvoje je SMO pověřena dále zlepšovat své klimatické produkty, informace a služby pro všechna klimaticky citlivá socio-ekonomická odvětví. Rok 2010 byl pro SMO také rokem významného diamantového jubilea, neboť dne 23. března roku 1950 jako nově vzniklá organizace převzala globální odpovědnosti Mezinárodní meteorologické organizace, založené v roce 1873 po prvním Mezinárodním meteorologickém kongresu ve Vídni. SMO vyjadřuje uznání všem pracovištím a národním meteorologickým a hydrologickým službám všech 189 členů, které s SMO spolupracovaly a přispěly ke vzniku této klíčové zprávy. 2. GLOBÁLNÍ TEPLOTA V ROCE 2010 Průměrná globální teplota byla stanovena na 14,53 C ±0,09 C, tedy +0,53 C nad třicetiletý roční průměr 1961 1990, který činí 14 C. To činí tento rok nejteplejším v historii zaznamenávaných teplotních měření od roku 1880. Kladná odchylka +0,53 C jej řadí těsně před roky 2005 (+0,52 C) a 1998 (+0,51 C). Rozdíly mezi těmito třemi roky nejsou statisticky významné vzhledem k nejistotám spojeným s měřením teploty nad povrchem souší i oceánů s využitím pouze limitovaného počtu pozorovacích míst a interpolováním hodnot mezi těmito místy. Data z ECMWF (ERA) naznačují, že rok 2010 byl druhým nejteplejším rokem s tím, že rozdíl mezi ním a rokem 2005 se pohybuje pouze v rozpětí nejistoty. Desetiletí 2001 2010 bylo také rekordně teplé. Průměrná teplota dekády byla o 0,46 C nad průměrem 1961 1990, a o 0,21 C vyšší než předcházející rekordní teplota dekády 1991 2000. Ta byla zase teplejší než předcházející desetiletí v souladu s dlouhodobým trendem oteplování. Meteorologické Zprávy, 64, 2011 65

Obr. 2 Odchylka globální povrchové teploty ( C) od průměru 1961 1990 pro 50 nejteplejších let za období 1880 2010. Velikost sloupců znázorňuje 95% meze spolehlivosti dat pro jednotlivé roky. (Zdroj: Met Office Hadley Centre, UK, and Climatic Research Unit, University of East Anglia, United Kingdom). Fig. 2. Global ranked surface temperatures for the warmest 50 years. Inset shows global ranked surface temperatures from 1880. The size of the bars indicates the 95 per cent confidence limits associated with each year. (Source: Met Office Hadley Centre, UK, and Climatic Research Unit, University of East Anglia, United Kingdom). Poznámka: Tato analýza je založena na třech nezávislých souborech dat, shromážděných Hadleyho střediskem pro předpovědi a výzkum klimatu a Ústavem pro výzkum klimatu při Východoanglické univerzitě (HadCRU) ve Velké Británii, Národním střediskem pro klimatická data při Národním úřadu pro oceány a ovzduší (NCDC- NOAA) a Goddardovým institutem pro kosmický výzkum (GISS) při Národním úřadu pro letectví a kosmonautiku (NASA) ve Spojených státech amerických. 3. HLAVNÍ VLIVY PŮSOBÍCÍ NA GLOBÁLNÍ KLIMA V ROCE 2010 V Tichém oceánu byl začátek roku pod vlivem mořského proudu El Niño, který ale v prvních měsících roku výrazně zeslábnul. Došlo k rychlému přechodu a v srpnu se vytvořily vhodné podmínky pro rozvoj jevu La Niña. Podle některých měření byl nástup jevu La Niña na konci roku 2010 nejsilnější, přinejmenším od poloviny sedmdesátých let, a řadí se mezi pět nejmohutnějších v minulém století. Atmosférická odezva byla obzvláště silná, s nejvyššími měsíčními hodnotami indexu jižní oscilace od září a prosince 1973 a s nejvyšším šestiměsíčním průměrem od roku 1917. Přechod od El Niño k La Niña byl podobný situaci v roce 1998, v dalším velmi Obr. 3 Odchylky globální povrchové teploty souší a oceánů ( C) v roce 2010 od průměru 1961 1990 (Zdroj: Met Office Hadley Centre, UK, and Climatic Research Unit, University of East Anglia, United Kingdom). Fig. 3. Global land surface and sea surface temperature anomalies ( C) for 2010, relative to 1961 1990 (Source: Met Office Hadley Centre, UK, and Climatic Research Unit, University of East Anglia, United Kingdom). teplém roce, ale s tím rozdílem, že v roce 2010 byl El Niño slabší a La Niña silnější. Výrazně teplejší než průměr byla také východní tropická část Indického oceánu v druhé polovině roku 2010, v kontrastu s předchozím případem La Niña na přelomu let 2007/2008, kdy bylo celkově chladněji. Arktická oscilace (AO) a Severoatlantická oscilace (NAO) se nacházely během většiny roku v negativní fázi, s výjimkou zimy 2009/2010 na severní polokouli, která měla ve většině ukazatelů nejsilnější negativni sezonní AO/NAO v historii. Obě oscilace se dostaly do silně negativní fáze opět na konci roku 2010, kdy prosincové hodnoty byly pouze o něco méně extrémní než během předcházející zimy. Antarktická oscilace byla v pozitivním režimu po většinu roku a dosáhla nejvyšších měsíčních hodnot od července a srpna 1989. 4. REGIONÁLNÍ TEPLOTA Pro severní polokouli a Afriku byl rok 2010 nejteplejší v historii. Byl také nejteplejším rokem v historii pro šest regionů: západní Afriku, saharsko-arabský region, Středomoří, jižní Asii, střední/jihozápadní Asii a region Grónsko/ arktická Kanada, s rekordy překonanými na mnoha místech. Podprůměrná teplota souší byla zaznamenána na menším prostoru, zejména šlo o západní a střední Sibiř, severní a střední Austrálii, část severní Evropy, jihovýchod USA a severovýchodní Čínu. Průměrná oceánská teplota byla nižší ve východním Pacifiku v důsledku působení jevu La Niña. Tropický Atlantik byl obzvláště teplý, s rozsáhlými partiemi nejvyšší teploty v historii. Podobně rekordní byly také oblasti oceánu v okolí Austrálie. 4.1 Afrika a Arabský poloostrov Rok 2010 byl mimořádně teplý ve větší části Afriky a jižní Asie, stejně jako na Dálném východě a indickém subkontinentu. Průměrná teplota v Africe byla o 1,29 C nad dlouhodobým průměrem, dosavadní rekord byl překonán o 0,35 C. Všech dvanáct měsíců zde bylo nejméně o 0,7 C nad normálem. Obzvláště teplá byla severní polovina kontinentu, saharsko-arabský region byl teplejší dokonce o 2,22 C, rekord byl překonán o 0,89 C. Tak velkou roční teplotní anomálii nezaznamenala žádná oblast, s výjimkou Arktidy. Pro Středomoří byl tento rok také nejteplejším v historii. Novodobé oteplování se nejvíce projevuje v Africe. Průměrná teplota dekády 2001 2010 byla o 0,85 C nad normálem, o 0,49 C vyšší než v předcházejícím desetiletí, přičemž pět nejteplejších roků zaznamenaných na kontinentu bylo po roce 2003. Východní Afrika, která do roku 2003 neměla nikdy více než 1 C nad normálem, nyní této hraniční hodnoty dosáhla v osmi po sobě jdoucích letech. 4.2 Asie a Tichomoří Oblast vysoké teploty v Africe a na Arabském poloostrově se dále rozšířila na sever i východ do jižní a střední Asie a na indický subkontinent. Indie a Turecko zaznamenaly nejteplejší rok historie stejně jako jižní a jihozápadní oblasti střední Asie. Jihovýchodní Asie měla druhý nejteplejší rok od roku 1998. Teploty tohoto regionu, které se v první polovině roku pohybovaly o více než stupeň nad normálem, se vrátily k průměru stejně jako aktivita El Niña. Většina území severní a východní Asie byla v roce 2010 teplejší než průměr, s výjimkou části západní a střední Sibiře. Roční teplota zde většinou nebyla výjimečná, protože velmi horké léto bylo vykompenzováno průměrnou teplotou na začátku a na konci roku. Léto 2010 bylo v Asii nejteplejší v historii, těsně byl překonán rekord z roku 1998. Rekord- 66 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

ně teplé léto měla Čína, Japonsko a Rusko, přičemž výrazně teplý byl ruský Dálný východ. Austrálie, postižená po většinu roku dešťovými srážkami, měla nejchladnější rok od roku 2001 s podprůměrnou teplotou zejména ve střední a východní části, ačkoliv i zde měly některé oblasti na severu kontinentu podle záznamů nejteplejší rok. Nový Zéland měl svůj pátý nejteplejší rok v historii, nejteplejší byl Jižní ostrov a okolí Aucklandu. 4.3 Evropa Rok 2010 byl pro Evropu velmi různorodý. Teplota vzduchu byla podprůměrná v mnoha částech severní a západní Evropy, kde byl nejchladnější rok přinejmenším od roku 1996. Norsko zaznamenalo nejchladnější rok od roku 1985, Velká Británie a Irsko od roku 1986, a také jiné země, jako Švédsko, Finsko, Nizozemsko, Německo, Francie, Dánsko a Lotyšsko, měly průměrnou roční teplotu pod dlouhodobým průměrem (většina z nich poprvé od roku 1996). Na druhé straně mělo mnoho oblastí jižní a východní Evropy průměrnou roční teplotu 1 až 3 C nad normálem. Turecko mělo nejteplejší rok v historii a Athény nejteplejší rok přinejmenším od roku 1897. Byl to také nejteplejší rok ve vysokých zeměpisných šířkách severního Atlantiku Svalbard v Norsku 2,5 C nad normálem a Reykjavík 1,6 C nad normálem (druhý nejteplejší rok v zaznamenané historii). Oblast severně od Alp byla chladná na počátku a na konci roku, s nedostatkem běžného západního proudění (souvislost s extrémně negativní fází Severoatlantické oscilace), čímž bylo umožněno studenému kontinentálnímu vzduchu dlouhodobě stagnovat na západním okraji kontinentu. Nejméně obvyklé podmínky v zimě 2009/2010 se vytvořily v nejzápadnějších částech Evropy, kde Irsko a Skotsko zaznamenaly nejchladnější zimu od zimního období 1962/1963. Také mnoho dalších oblastí severní a střední Evropy zaznamenalo nejchladnější zimy od let 1978/1979, 1986/1987 nebo 1995/1996, podmínky však nedosahovaly krutosti zim let šedesátých a dřívějších. Mnohé z těchto regionů zaznamenaly největší teplotní odchylky v prosinci. Léto bylo na většině území Evropy neobvykle horké, průměrná teplota celého kontinentu byla nejvyšší v zaznamenané historii a překonala dosavadní rekord roku 2003 o 0,62 C. Nejextrémnější podmínky panovaly v západní části Ruska, ale letní teploty byly nad průměrem téměř na celém kontinentu. Obzvláště horký byl červenec překonal kontinentální rekord téměř o celý stupeň, s teplotami nejméně 1 C nad normálem téměř všude, s výjimkou Velké Británie, Irska a části Bulharska. 4.4 Severní Amerika a Grónsko Rok 2010 byl mimořádně teplým rokem v severní části Severní Ameriky a zejména v Arktidě. Pro Kanadu to byl nejteplejší rok v záznamech s průměrnou teplotou 3,0 C nad průměrem 1961 1990. Nejvyšší roční odchylka dosáhla +5 C na severu Hudsonova zálivu, v Iqaluitu na Baffinově ostrově byla průměrná teplota 4,3 C, čímž o 2,3 C překonala stávající rekord. Byl to také nejteplejší rok na většině stanic v Grónsku, s výjimkou severovýchodní části, s roční odchylkou +4,9 C v Ilulissatu a +4,0 C v Nuuku. Region Grónsko/ arktická Kanada jako celek vykazoval roční teplotu o 2,99 C vyšší než normál a o 0,75 C vyšší než stávající rekord. Desetiletí 2001 2010 bylo také extrémně teplé s dekádní teplotou o 1,39 C nad normálem a o 0,92 C teplejší než druhá nejteplejší dekáda. Na jih od těchto oblastí byly teploty poměrně blízko průměru pro většinu území Spojených států, s výjimkou jejich severního okraje. Jihovýchod Spojených států byl chladnější než průměr hlavně kvůli neobvykle nízké teplotě v zimě. Florida zažila nejchladnější čtvrtletí leden až březen a také prosinec v celé historii. Spojené státy americké jako celek zaznamenaly svou nejchladnější zimu od let 1984/1985 a pro většinu území jižně od Texasu to byla jedna z deseti nejchladnějších zim v jejich záznamech. Nízká teplota byla provázena neobvykle vysokou sněhovou pokrývkou a silnými sněhovými bouřemi, které zasáhly některá města na východě, zejména Washington, D.C. Nicméně většina amerických států měla nadprůměrnou teplotu v létě, které bylo čtvrté nejteplejší v historii. 4.5 Jižní Amerika Teplota v Jižní Americe byla většinou nad průměrem v severní části kontinentu a blízká průměru na jihu. Na severu kontinentu, kde se teploty roku 2010 řadí na druhé místo za rok 1998, byla velmi teplá první polovina roku až do července, kdy se teplota vrátila k průměru. Na jihu bylo teplé počasí na začátku a na konci roku vystřídáno poměrně chladnou zimou a předjařím, v severní polovině Argentiny bylo mimořádně teplo v prosinci. 5. PŘÍLIVY HORKÉHO A STUDENÉHO VZDUCHU Výjimečné vlny veder byly zaznamenány v některých oblastech Eurasie v průběhu léta na severní polokouli. Nejextrémnější vedra byla v západní části Ruské federace, s vrcholem od začátku července do poloviny srpna, přičemž nadprůměrná teplota nastoupila již od května. V Moskvě se průměrná červencová teplota dostala až o 7,6 C nad normál, čímž tento měsíc překonal o více než 2 C stávající rekord. Podobné anomálie pokračovaly až do nástupu chladnějšího počasí v posledních deseti dnech srpna. Dne 29. července byl stanoven nový moskevský rekord nejvyšší absolutní teploty vzduchu (38,2 C) a teplota nad 30 C byla dosažena ve 33 po sobě jdoucích dnech (pro srovnání: za celé léto 2009 nebyl takový den ani jediný). Tomuto extrémnímu horku v Moskvě je přičítáno okolo 11 000 případů úmrtí. Centrální oblasti evropské části Ruska měly průměrnou letní teplotu o více než 5 C nad dlouhodobým průměrem. Teplo bylo doprovázeno ničivými lesními požáry, zatímco velké sucho, a to zejména v Povolží, způsobilo rozsáhlou neúrodu. Sousední a další blízké země byly postiženy podobně. Rusko, Bělorusko a Finsko měly nejvyšší průměrnou teplotu v historii a například v Srbsku byl dosažen nejvyšší počet tropických nocí, kdy teplota neklesla pod 20 C. V jižní Asii nastala začátkem roku výjimečná předmonzunová vedra, při nichž byla dne 26. května dosažena teplota 53,5 C v Mohendžo Daru, což představovalo absolutní rekord pro Pákistán a nejvyšší dosaženou teplotu v Asii přinejmenším od roku 1942. Extrémním horkem byla během léta postižena severní Afrika, Turecko a Arabský poloostrov se zaznamenanou teplotou 52,0 C v Jeddahu (Saúdská Arábie), 50,4 C v Dauhá, 47,7 C v Taroudantu (Maroko) a 46,7 C v Mutu (Turecko). Mnoho zemí severní a západní Evropy zakusilo abnormální zimu začátkem a na konci roku. Dne 19. února poklesla teplota na 57,0 C v Hoseda-Hard (Rusko) což byla druhá nejnižší zaznamenaná teplota v Evropě. Mimo Rusko byla v Evropě stanovena řada rekordních zápisů, které se netýkaly přímo jednotlivých extrémů: například celá řada stanic ve středním Švédsku zaznamenala nejdelší období, po které teplota nevystoupila nad 0 C. Extrémní zima se vrátila do severní a západní Evropy koncem listopadu a trvala téměř celý prosinec. Podle pozorování ve střední Anglii to byl druhý nejstudenější prosinec za více než 350 let. Průměrné měsíční teploty byly až o 10 C nižší než průměr Meteorologické Zprávy, 64, 2011 67

v části Norska a Švédska a o více než 5 C pod normálem pro velkou část severní Evropy. Přívaly sněhu zde mnohokrát narušily dopravu, stejně jako mrznoucí déšť v posledním prosincovém týdnu v Moskvě. Rekordně nízká teplota 8,7 C byla naměřena dne 23. prosince v Castledergu v severním Irsku, teplota 23,0 C naměřená dne 22. prosince v Holbaeku v Dánsku byla nejnižší zaznamenanou teplotou od roku 1987. Neobvyklá atmosférická cirkulace, která způsobila extrémní zimu v severní Evropě, naopak zapříčinila neobvyklé teplo v jiných oblastech v arktické části Kanady, Grónsku a jihovýchodní části Evropy. Některé stanice v severní Kanadě naměřily průměrnou prosincovou teplotu až 14 C nad normálem, zatímco Vladikavkaz v Rusku zaznamenal 6. prosince teplotu 27,1 C, čímž byl překonán rekord této země pro nejvyšší zimní teplotu (stanovena v Soči v únoru 2010) o 3,3 C. 6. SRÁŽKY Podle analýzy Národního klimatologického úřadu USA byly v roce 2010 globální úhrny srážek nad plochou souší nejvyšší v historii, 52 mm nad průměrnou hodnotou třicetiletí 1961 1990, která činí 1 033 mm. Předchozí rekordní roky 1956 a 2000 také souvisely se silným působením jevu La Niña. Rok byl velmi vlhký pro velkou část východní Asie a Austrálie. Ta zaznamenala své druhé nejdeštivější období v historii (52 % nad průměrem 1961 1990), spojené se silnou aktivitou jevu La Niña (stejně jako v rekordním roce 1974), a srážek bylo také mnohem více ve větší části Indonésie, Japonska a jihovýchodní Číny. Nadprůměrné srážky byly rovněž v Pákistánu, který měl svůj čtvrtý nejvyšší monzunový příděl srážek v historii, a v západní Indii. Velmi vlhký rok to byl také ve velké části střední a jihovýchodní Evropy a přilehlých oblastech Asie, kde měly některé regiony srážkové úhrny 50 i více procent nad normálem. V Maďarsku zaznamenali nejdeštivější rok od roku 1901, stejně jako v mnoha dalších lokalitách, jako v Burse (Turecko), Novém Sadu (Srbsko) a na mnoha stanicích v Moldavsku. Na rozdíl od předcházejících let byl tento rok velmi deštivý na většině Pyrenejského poloostrova. Portugalsko mělo nejdeštivější rok poslední dekády (20 % nad normálem) a množství srážek bylo o více než 50 % nad normálem v části jihozápadního Španělska. Dešťové srážky byly v roce 2010 nad průměrem ve velké části západní Afriky, zejména v oblasti Sahelu. Hodně Obr. 4 Odchylky ročního srážkového úhrnu (mm) 2010 od průměru 1951 2000 pro globální plochu souší. (Zdroj: Global Precipitation Climatology Centre, Deutscher Wetterdienst, Germany). Fig. 4. Annual precipitation anomalies for global land areas for 2010 focusing on 1951 2000 base period. (Source: Global Precipitation Climatology Centre, Deutscher Wetterdienst, Germany). nadprůměrné byly také v severovýchodní části Jižní Ameriky a přilehlých oblastech, jmenovitě v severní a západní Kolumbii a severní Venezuele. V Kartageně spadlo od května do prosince 2 485 mm srážek (150 % normálu) a četná místa v Kolumbii měla svůj nejdeštivější rok v historii. Mezi další oblasti, pro které byl tento rok srážkově nadnormální, patřila větší část severu a západu Spojených států, kanadské prérie a jihovýchod Brazílie. Oblastí, kde vládlo sucho po celý rok, bylo méně, ale mnohé trpěly suchem po část roku. Mezi oblasti, které měly v roce 2010 podnormální roční úhrn srážek, patřila severozápadní Evropa, větší část Argentiny a Chile, mnoho ostrovů ve středním a východním Tichomoří a jihozápadní část Austrálie. 7. POVODNĚ Nejhorší záplavy ve své historii zažil Pákistán v důsledku mimořádně silných monzunových dešťů. K událostem zásadně odpovědným za povodně došlo ve dnech 26. až 29. července, kdy čtyřdenní úhrn srážek přesáhl 300 mm v rozsáhlé oblasti severního Pákistánu s centrem v Pešávaru. Další silné deště od 2. do 8. srpna v jižněji položených oblastech situaci ještě zhoršily. Záplavy způsobily smrt více než 1 500 lidí a více než 20 miliónů lidí bylo nuceno opustit své domovy v rozsáhlých záplavových oblastech. Z hlediska počtu postižených osob byly tyto povodně hodnoceny Organizací spojených národů jako největší humanitární krize v nedávné historii. Celkové množství srážek za monzunové období bylo pro Pákistán čtvrté nejvyšší v historii a nejvyšší od roku 1994. Letní deště byly mnohem vydatnější, než bývá obvyklé, také v západní Indii. Čína zažila nejsilnější monzunové povodně od roku 1998, nejvíce postižen byl jihovýchod a část severovýchodu. Tyto povodně se rozšířily i na Korejský poloostrov. Řada těchto povodní vedla k významným ztrátám na životech bezprostředně nebo v důsledku následných sesuvů půdy v Číně, kde bylo v provincii Gansu více než 1 700 lidí mrtvých nebo pohřešovaných. V další části roku byly silné povodně na území Thajska a v říjnu v oblasti Vietnamu. V druhé polovině roku se v důsledku silných dešťů vyskytly četné případy povodní ve východní Austrálii. K největší povodni se stovkami zničených budov a vážným narušením zemědělství, těžby surovin a dopravy došlo ve středním a jižním Queenslandu v posledním prosincovém týdnu a začátkem roku 2011. Mezi nejvíce postižená města patřil Rockhampton, Emerald a Bundaberg. V průběhu roku nastaly povodně také ve střední a jihovýchodní Evropě. Střední Evropu postihly velké povodně v květnu, zejména východní Německo, Polsko a Slovensko. K záplavám došlo také v Rumunsku, na Ukrajině a v Moldavii koncem června, v Německu, Polsku a České republice v srpnu. Velké povodně se pak vrátily do jihovýchodní Evropy na počátku prosince s nejhoršími dopady pro Černou Horu, Bosnu a Hercegovinu a Srbsko. Občasné záplavy provázely letní monzunové období v západoafrickém Sahelu, nejvíce postiženy byly Benin a Niger. K významné povodni došlo rovněž v Keni během prvních měsíců roku. Opakované silné deště měly za následek dlouhotrvající záplavy v Kolumbii, zejména v listopadu a prosinci. Byly hodnoceny jako nejhorší přírodní katastrofa v dějinách země, s více než 300 mrtvými a těžkými škodami na velkých přehradách, budovách, v zemědělství a infrastruktuře. Postižena byla také Venezuela a Panama, poprvé ve své historii byl ve dnech 8. až 9. prosince z důvodu počasí uzavřen Panamský průplav. 68 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Lokální záplavy z přívalových dešťů způsobily vážné škody a ztráty na životech na mnoha jiných místech, například v Rio de Janeiru (duben), na Madeiře (únor), v Arkansasu (červen), v jižní Francii (červen) a Casablance v Maroku (listopad). 8. SUCHA Koncem roku 2010 byly suchem těžce postiženy části povodí Amazonky. Neobvykle suché období od července do září v severozápadní Brazílii vedlo v mnoha částech Amazonie k výrazně sníženému odtoku. Rio Negro, hlavní přítok Amazonky, měl nejnižší stav vody v historii. Předtím byly vážně postiženy suchem ostrovy východního Karibiku. Nejsevernější části pevninské Jižní Ameriky z nichž mnohé později zažily silné záplavy byly také velmi suché, přičemž rozsáhlé části Venezuely zakusily nejsušší leden až březen za více než 100 let. Těžce postižena byla také Kolumbie a Guyana. V Asii byla velká sucha zaznamenána již na přelomu let 2009/2010, a to v jihozápadní Číně. Sucho zde bylo provázeno vysokými teplotami a způsobilo vznik četných lesních požárů. Před začátkem monzunu trpěl suchem v prvních měsících roku rovněž Pákistán. Sucho bylo také v některých částech západní Evropy, např. Velká Británie zaznamenala nejsušší první polovinu roku od roku 1929. Suché podmínky byly výjimečné zejména v pobřežních oblastech, které obvykle mívají hojnost srážek díky západnímu proudění, spolu se západním Norskem měly nejsušší zimu v historii. Některé části jižní Asie, zejména severovýchodní Indie, Bangladéš a části Thajska a Vietnamu, byly relativně suché během hlavní monzunové sezony. Nejsušší rok historie zažil jihozápad Austrálie. Suché poměry panovaly během posledních měsíců roku v oblasti východní Afriky, a to zejména v rovníkových částech Keni a Tanzánie, kde v období září až prosinec spadla na mnoha místech méně než polovina obvyklého množství srážek. Velké sucho bylo na konci roku také v důležitých obilných oblastech východní Číny a v regionu River Plate v Argentině a Uruguayi. 9. TROPICKÉ CYKLONY Globální aktivita tropických cyklon byla v roce 2010 nejnižší zaznamenaná v moderní éře satelitních pozorování (od roku 1970 do současnosti). Vzniklo celkem 67 bouří, z nichž 34 dosáhlo síly hurikánu nebo tajfunu (s průměrnou rychlostí větru 120 km/h nebo vyšší). Tento počet překonal 68 bouří pozorovaných v letech 1976 a 1977 jako zatím nejnižší hodnotu od roku 1970 a je o 20 % nižší než průměrný počet 85 bouří za období 1970 2009. Počet hurikánů a tajfunů byl rovněž nižší než dlouhodobý průměr (44). Atlantský oceán byl jediným oceánem s nadnormální aktivitou. Výjimečně klidná sezona byla v severozápadním a severovýchodním Pacifiku. Severozápadní Pacifik evidoval 14 bouří (7 tajfunů) nejnižší počet v satelitní éře, severovýchodní Pacifik (8 bouří, 3 hurikány) vyrovnal zatím nejnižší dosažené počty. Počet bouří byl v obou případech pouze přibližně poloviční ve srovnání s dlouhodobým průměrem. Indický oceán s 15 bouřemi a 7 cyklony byl také hodně pod průměrem, zatímco jihozápadní Pacifik (11 bouří, 5 cyklonů) se blížil průměru. Naproti tomu Atlantský oceán měl velmi aktivní sezonu, s 19 bouřemi překonal průměrný počet (10) a dostal se na třetí nejvyšší hodnotu v historii. 12 bouří dosáhlo síly hurikánu a tím se rok zařadil za sezonu 2005, kdy se vyskytlo 28 bouří, z toho 15 hurikánů. Největším tropickým cyklonem byl říjnový Megi v oblasti severozápadního Pacifiku s minimálním centrálním tlakem 885 hpa, čímž se stal nejsilnějším na celé planetě od roku 2005. Největší škody napáchal Giri, který v říjnu v Myanmaru usmrtil více než 150 lidí. 10. JINÉ EXTRÉMNÍ VÝKYVY POČASÍ Na konci února přešla přes severozápadní Evropu bouře Xynthia a napáchala velké škody větrem. Více než 60 lidských životů si bouře vyžádala v západní Francii, pojistné ztráty ve Francii a Německu přesáhly 4 miliardy amerických dolarů a ke značným škodám došlo i ve Španělsku, Belgii, Nizozemsku, Švýcarsku a Rakousku. Na Pic du Midi ve francouzských Pyrenejích byla naměřena rychlost větru 238 km/h a nárazy o rychlosti 120 až 140 km/h byly běžné i v nižších polohách ve Francii a Švýcarsku. Začátkem prosince po dlouhém suchém a teplém období zažil Izrael nejničivější lesní požár ve své historii v horách Carmel nedaleko Haify. Největší kroupu změřili v USA měla 20 cm v průměru při bouři Vivien v Jižní Dakotě dne 23. července. Dvě velmi silná krupobití byla pozorována v Austrálii 6. března v Melbourne a 22. března v Perthu a mimořádně silné krupobití bylo také v Calgary v Kanadě dne 12. července. 11. ZALEDNĚNÍ POLÁRNÍCH OBLASTÍ Plocha arktického mořského ledu byla v roce 2010 opět hluboko pod průměrem. Minimální rozlohy 4,60 milionu km 2 bylo dosaženo dne 19. září a byla to třetí nejnižší hodnota sezonního minima v éře satelitních pozorování (po letech 2007 a 2008), více než 2 miliony km 2 pod dlouhodobým průměrem (6,74 milionu km 2 ). Kanadský sektor zaznamenal v létě rekordně nízkou rozlohu. Největší plocha odlomeného ledu v Arktidě od roku 1962 byla zaznamenána dne 5. srpna, kdy se z Petermannova ledovce v severozápadním Grónsku oddělila část o ploše 251 km 2. Naproti tomu plocha antarktického mořského ledu byla po většinu roku mírně nad průměrem, s nejnižším měsíčním průměrem 3,16 milionu km 2 v únoru 0,22 milionu km 2 nad dlouhodobým průměrem. 12. ANTARKTICKÁ OZONOVÁ DÍRA Antarktická ozonová díra byla v roce 2010 méně výrazná než v posledních letech, i když stále větší a intenzivnější než v dlouhodobém průměru. Denní maximum rozlohy ozonové díry v průběhu roku 2010 bylo 22,2 milionu km 2 dne 25. září. To je o 3,6 milionů km 2 více, než je průměr 1979 2000, ale asi o 8 milionů km 2 méně, než je rekordních téměř 30 milionů km 2 v roce 2000. Průměrnou rozlohou vrcholu ozonové díry (7. září 13. říjen) byla ozonová díra v roce 2010 dvanáctá nejmenší v éře satelitních pozorování od roku 1979 a druhá nejmenší od roku 1989. Nejnižší průměrná denní koncentrace ozonu byla během roku 2010 dosažena dne 1. října 118,0 Dobsonových jednotek (DU), což je pod průměrem 1979 až 2000 (125,4 DU). Zároveň se ale jedná o jedenáctou nejvyšší hodnotu od roku 1979 a druhou nejvyšší od roku 1988. Rekordní minimum 73,0 DU bylo pozorováno v roce 1994. Originální text: WMO Statement on the Status of the Global Climate in 2010 (WMO-No. 1074), dostupný na WWW: <www.wmo.int/pages/publications/showcase/documents/1074_ en.pdf> Světová meteorologická organizace, 2011. Přeložil a upravil Václav Pokorný, ČHMÚ, Na Šabatce 2050/17, 143 06 Praha 4 - Komořany, pokorny@chmi.cz Lektor (Reviewer) RNDr. R. Tolasz, Ph.D. Meteorologické Zprávy, 64, 2011 69

ASIMILACE ŘAD CELKOVÉHO OZONU Z HRADCE KRÁLOVÉ, 1961 2010 Karel Vaníček, Martin Staněk, Český hydrometeorologický ústav, Solární a ozonová observatoř Hradec Králové, Hvězdárna 456, 500 08 Hradec Králové, vanicek@chmi.cz, stanek@chmi.cz Ladislav Metelka, Český hydrometeorologický ústav, Pobočka Hradec Králové, Dvorská 410/102, 503 11 Hradec Králové, metelka@chmi.cz Pavla Skřivánková, Český hydrometeorologický ústav, Odbor distančních měření a informací Praha-Libuš, Na Šabatce 17, 143 06 Praha 4, skrivankova@chmi.cz Assimilation of total ozone data series, Hradec Králové, 1961 2010. Total ozone observations performed with the Dobson and Brewer spectrophotometers in Hradec Králové, Czech Republic are specified in the paper. Assimilation of the Dobson data series to the calibration level of Brewer instruments using the multi-regression polynomial transfer function of the period 1961 2010 is described and discussed. Substantial differences between trends of total ozone estimated from the original and assimilated data sets have been found in the winter spring season. They indicate a certain recovery of the ozone layer over the Czech territory during the last 15 years. Equivalent and persistent reduction of total ozone has been indentified also in the summer months but without signs of recovery in the same time period. Consistent but somewhat different relations exist at Hradec Králové between the assimilated ground and satellite overpass total ozone observations processed by the TOMS and DOAS algorithms. The assimilated total ozone and ozone effective temperature data series created for the location will be further analyzed with respect to the stratospheric dynamics and extreme events under the project P209/10/0058 supported by the Czech Grant Agency. KLÍČOVÁ SLOVA: vrstva ozonová ozon celkový teplota ozonu efektivní asimilace řad KEY WORDS: ozone layer total ozone ozone effective temperature assimilation 1. ÚVOD Dlouhodobé sledování stavu ozonové vrstvy nad územím České republiky (ČR) je součástí systematického monitoringu atmosféry, který provádí Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ). ČR tak plní i svůj závazek vyplývající z podpisu Vídeňské úmluvy na ochranu ozonové vrstvy z r. 1985 [1]. Měření celkového ozonu v atmosféře (tloušťky ozonové vrstvy) byla zavedena na nynější Solární a ozonové observatoři (SOO) ČHMÚ v Hradci Králové již v r. 1961. Pracoviště je součástí celosvětové sítě pozemních stanic, které monitorují stratosférický ozon v rámci programu Globálního sledování atmosféry (GAW) Světové meteorologické organizace (SMO) [2]. Každodenní měření z SOO jsou ukládána do centrální klimatické databáze ČHMÚ CLIDATA a do Světového ozonového a UV datového centra SMO (WOUDC) v Torontu, odkud jsou používána k vědeckým analýzám a k validaci družicových měření. 50letá řada celkového ozonu z Hradce Králové patří k nejdelším v Evropě a poskytuje vysoce kvalitní informace o změnách stratosférického ozonu nejen ze středoevropské oblasti, ale i ze středních šířek severní polokoule. Proto byla její komplexní analýza zahrnuta do výzkumného projektu Grantové agentury ČR č. P209/10/0058 Dlouhodobé změny ozonové vrstvy nad územím ČR, který řeší odborníci z několika pracovišť ČHMÚ v období 2010 2012. Jedním z hlavních cílů projektu je posouzení podílu přirozených atmosférických procesů a chemického rozkladu stratosférického ozonu látkami regulovanými Montrealským protokolem na změnách ozonové vrstvy. Výsledky projektu přispějí k posouzení vazby mezi změnami klimatu v horní troposféře a spodní stratosféře (UT/LS) a k případnému prokázání počátku přirozené obnovy vrstvy v naší zeměpisné oblasti. V současné době jsou z SOO k dispozici dvě základní datové řady celkového ozonu. První tvoří měření prováděná Dobsonovým spektrofotometrem (1961 2010), druhou data získaná pomocí Brewerova spektrofotometru (1994 2010). Z přístrojových důvodů i z rozdílného režimu měření, které budou dále diskutovány, se obě řady navzájem během roku liší. Tím je do statistických studií změn celkového ozonu vnášen sezonní přístrojový signál, který zkresluje odhady trendů. Před jejich analýzou je proto potřeba nejprve provést asimilaci obou řad, která bude respektovat mezinárodní standardy kalibrací přístrojů a zpracování měření. Popisu a hodnocení asimilace provedené pracovníky ČHMÚ je věnován tento příspěvek. 2. MĚŘENÍ CELKOVÉHO OZONU POMOCÍ SPEKTROFOTOMETRŮ 2.1 Princip měření Vzhledem k tomu, že se koncentrace stratosférického ozonu plynule mění, s maximem ve výškách kolem 22 24 km, je přímé měření celkového ozonu ve vertikálním sloupci atmosféry velmi obtížné. Nejčastěji používané jsou proto spektroskopické metody vycházející ze selektivní absorpce slunečního záření ozonem v ultrafialové části spektra (UV). Pro pozemní měření se k tomuto účelu používají především Dobsonův a Brewerův spektrofotometr. Oba přístroje pomocí svého optického systému rozkládají sluneční záření dopadající na zemský povrch a z UV části jeho spektra vybírají systémem štěrbin jednotně zvolené vlnové délky se silnou a slabou absorpcí ozonem. Takto vybrané blízce monochromatické paprsky dopadají na fotonásobič, který generuje elektrický signál odpovídající rozdílům intenzit více a méně zeslabených paprsků. Jejich porovnáním v matematickém modelu, který popisuje přenos záření v atmosféře, lze určit celkový obsah ozonu ve vertikálním sloupci atmosféry mezi zemským povrchem a vnější hranicí atmosféry. Zmíněné přístroje se ale liší jak konstrukcí optického systému, tak i vybranými vlnovými délkami. Zatímco Dobsonův spektrofotometr používá 3 vlnové páry označené A, C, D, Brewerův spektrofotometr měří na 5 vlnových délkách s kombinací 3 vlnových párů MS5, MS6, MS7, ale v užším pásmu UV spektra obr. 1. Vzhledem k teplotní závislosti absorpčních koeficientů ozonu je proto pohlcování UV záření měřené oběma přístroji do určité míry závislé na aktuální teplotě stratosféry resp. 70 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

kde Fo AD, F AD jsou lineární kombinace logaritmů intenzit záření pro vlnové páry A, D na vnější hranici zemské atmosféry a intenzit měřených spektrofotometrem na zemském povrchu. Veličina Fo AD se rovněž nazývá extraterestrická konstanta a je specifickým technickým parametrem každého přístroje, pomocí kterého se nastavuje kalibrační úroveň daného přístroje. Členy (Δα AD ), (Δβ AD ) jsou lineární kombinace absorpčních koeficientů ozonu a Rayleighových rozptylových koeficientů pro vlnové páry A, D platné pro světový standardní přístroj D083 a referenční teplotu ozonové vrstvy Tef = 46,3 ºC. Parametry m, μ jsou optické hmoty atmosféry a ozonové vrstvy v okamžiku měření. Spektrofotometr D074 je pravidelně kalibrován minimálně každé 4 roky vůči mezinárodním etalonům programu GAW navázaným na světový standard D083 (NOAA, Boulder, USA) s přesností pod 1 % [5]. Obr. 1 Vlnové délky, používané k měření celkového ozonu Dobsonovým a Brewerovým spektrofotometrem a teplotní závislost absorpčních koeficientů ozonu v UV oblasti slunečního záření na teplotě ozonové vrstvy převzato z [18]. Fig. 1. The wavelengths used for total ozone measurements with the Dobson and Brewer spectrophotometers and temperature dependence of ozone absorption coefficients in the UV part of the solar spectrum on temperature of the ozone layer adopted from [18]. efektivní teplotě ozonové vrstvy Tef viz. opět obr. 1. Tím jsou do hodnot celkového ozonu simultánně měřených oběma přístroji vnášeny rozdíly, které je třeba potlačit vhodnou metodou jejich asimilace. 2.2 Měření celkového ozonu Dobsonovým spektrofotometrem X D Dobsonův spektrofotometr (obr. 2) byl sestrojen již ve 20. letech minulého století [3], ale vzhledem ke svým robustním vlastnostem a mimořádně zdařilé konstrukci se používá dodnes zhruba na 70 stanicích sítě GAW. Jedná se o ručně ovládaný dvojitý monochromátor měřící UV záření na vybraných dvojicích vlnových délek, které jsou uvedené v obr. 1. Jeho elektronické komponenty, operační pravidla a zpracování měření byly postupně modernizovány [4]. Na SOO se používá přístroj číslo D074 již od r. 1961. V domácí literatuře jsou jeho funkce a provozní měření podrobně popsány v práci [5], která obsahuje i detailní popis vyhodnocení a zpracování měření. Pro potřeby tohoto článku jsou podstatné následující informace: měření celkového ozonu přístrojem D074 (nadále X D ) se provádějí denně, ale z personálních důvodů od r. 2007 pouze v pracovní dny, pokud to dovolují povětrnostní podmínky (mimo déšť, sněžení a silnou oblačnost), hodnoty X D jsou měřeny na všech vlnových párech A, C, D na přímé sluneční záření (DS) i z rozptýleného záření ze zenitu (ZS), jako reprezentativní jsou v souladu s mezinárodním doporučením [4] brány hodnoty vypočítané pro kombinovaný pár A, D ze vztahu: 2.3 Měření celkového ozonu Brewerovým spektrofotometrem X B V posledních desetiletích se ve světové síti GAW stále více uplatňuje modernější Brewerův spektrofotometr (obr. 2), který má stejnou třídu přesnosti, ale umožňuje rovněž měření s vysokou rozlišovací schopností spektrálních intenzit UV. Přístroj je řízený počítačem a v plně automatizovaném režimu provádí měření, jejich okamžité zpracování, kontrolní testy pomocí interních lamp, opravy kalibračních konstant a odesílání naměřených dat prostřednictvím připojených sítí. Pro další části tohoto článku je třeba zmínit, že: výpočty celkového ozonu X B se provádějí pomocí algoritmu definovaného vztahem (1) s tím, že lineární kombinace F, Fo, (Δα), (Δβ) již nejsou vztažené k dvojitému vlnovému páru, ale zahrnují čtyři samostatné vlnové délky viz obr. 1, zmíněné kombinace jsou zvoleny tak, aby potlačily podíl celkového obsahu SO 2 v atmosféře na výpočtu X B, při kalibracích přístroje umožňuje jeho optoelektronický systém kontrolu aktuálního výběru vlnových délek a jim příslušných absorpčních koeficientů ozonu. Tím jsou, na rozdíl od Dobsonových spektrofotometrů, jednotlivé Brewerovy přístroje nezávislé na jednotné definici absorpčních čar referenčním etalonem, protože jsou provozní vlnové délky vybrány v podstatně užším pásmu UV spektra, jejich spektrální absorpční koeficienty ozonu jsou podstatně méně závislé na teplotě Tef, a tím jsou i sezonně stabilnější. Na SOO se v současné době používají Brewerovy spektrofotometry B098 (jednoduchý monochromátor, od r. 1994) a B184 (dvojitý monochromátor, od r. 2004). Oba přístroje jsou kalibrovány každé 2 roky s přesností pod 1 % prostřed- X D = [Fo AD F AD (Δβ AD )m] / (Δα AD )μ, (1) Obr. 2 Dobsonův spektrofotometr D074 (vpravo) a Brewerovy spektrofotometry B098 a B184 (vlevo) na SOO v Hradci Králové. Fig. 2. The Dobson spectrophotometer D074 (right) and the Brewer spectrophotometers B098, B184 (left) at SOO in Hradec Králové. Meteorologické Zprávy, 64, 2011 71

nictvím cestovních etalonů vůči světové referenční triádě udržované v Environment Canada, Toronto, Kanada. Bližší technické podrobnosti lze nalézt opět v práci [5]. 2.4 Rozdíly mezi datovými řadami celkového ozonu a jejich příčiny Pracoviště SOO patří k omezenému počtu stanic GAW, které po pořízení Brewerových spektrofotometrů nepřestaly z důvodu šetření pracovních kapacit měřit i nadále Dobsonovými přístroji. Proto jsou z Hradce Králové k dispozici více než 15leté řady velmi kvalitních souběžných měření X D a X B, které umožňují jejich vzájemné porovnání. Zjištění případných systematických rozdílů způsobených objektivními příčinami má totiž velmi důležitý význam pro posuzování vlivu výměny měřicí techniky v celosvětové staniční síti na dlouhodobé změny ozonové vrstvy, zvláště v období očekávaného nástupu její obnovy. První informace o sezonních rozdílech mezi hodnotami X D a X B publikovali již v r. 1988 odborníci, kteří Brewerův spektrofotometr zkonstruovali [6]. V následujících letech byly podobné výsledky zjištěny i na dalších stanicích sítě GAW umístěných ve středních a vyšších zeměpisných šířkách, především v Hohenpeissenbergu (SRN) [7], v Arose, (Švýcarsko) [8] a nakonec i v Hradci Králové [9]. Vzájemné porovnání těchto studií ukázalo na tyto hlavní fyzikální a technické příčiny rozdílů [10]: Dobsonovy spektrofotometry jsou většinou kalibrovány na společných srovnáních v letních měsících, kdy je efektivní teplota ozonové vrstvy Tef blízká referenční hodnotě 46,3 C, pro kterou se při výpočtech X D používají konstantní hodnoty absorpčních koeficientů ozonu. V zimních a v jarních měsících se však Tef může ve středních a vyšších zeměpisných šířkách od této hodnoty výrazně lišit. Protože jsou kombinace koeficientů Δα pro Dobsonovy přístroje více teplotně závislé než pro Brewerovy spektrofotometry, sezonní kolísání Tef způsobuje i změny rozdílů mezi hodnotami X D a X B během roku, další rozdíl může způsobit skutečnost, že u všech Dobsonových spektrofotometrů se předpokládá přesně stejné nastavení výběru spektrálních čar, jaké má světový standard D083 (obr. 1), což ve skutečnosti nemusí u jednotlivých přístrojů platit se stejnou přesností. Naopak, u Brewerových spektrofotometrů je možné přesně zjistit hodnoty aktuálně měřených vlnových délek speciálním testem a podle nich upravit hodnoty absorpčních koeficientů ozonu použitých při výpočtech. Ty se tak při výpočtech X B mohou lišit od hodnot uvedených v obr 1, hodnoty X D obsahují sice malou (obvykle méně, než 1 %), přesto však v oblastech se silným znečištěním atmosféry nezanedbatelnou část celkového SO 2, kdežto vliv obsahu tohoto plynu v atmosféře je u měření X B potlačen. posledním podstatným rozdílem jsou odlišné zorné úhly obou přístrojů dané vstupními otvory, které mohou při nízkých výškách slunce nad obzorem (μ > 3) nebo při vysokém rozptylu aerosolem vést k tzv. kosinovému efektu, kdy rozptýlená složka UV pronikající do optického systému zvyšuje intenzity měřené na vybraných čarách spektra, a tím poněkud zkresluje výpočty celkového ozonu. Hodnocení vlivu výše uvedených faktorů na rozdíly mezi řadami X D a X B z Hradce Králové se zabývá práce [11]. Její výsledky, aktualizované pro období 1994 2010, lze shrnout do těchto závěrů platných pro zeměpisnou šířku, lokalitu SOO a přístroje D074 a B098: a) Porovnání simultánních měření X D a X B (± 10 minut) ukazuje na jejich výrazné sezonní rozdíly. Zatímco v letní polovině roku (květen září) jsou v rozmezí přístrojové přesnosti měření ± 1 %, v zimní polovině roku tento limit překračují s minimy v měsících prosinec a leden, kdy jsou hodnoty naměřené přístrojem D074 nižší až o 4 %. Takovéto rozdíly již dosahují úrovně dlouhodobých změn ozonové vrstvy ve středních šířkách. Proto je nutné statisticky analyzovat obě řady odděleně. b) Hlavní příčinou sezonních rozdílů mezi hodnotami X D a X B je již zmíněná rozdílná teplotní závislost absorpčních koeficientů ozonu. Tento vliv lze vyjádřit opravnými multiplikačními faktory k TD (Dobson) a k TB (Brewer) [12]: k TD = 0,00130 ( 46,3 Tef) (2) k TB = 0,00005 ( 46,3 Tef) (3) Ze vztahů (2) a (3) je zřejmé, že vliv teploty ozonové vrstvy Tef na hodnoty celkového ozonu je u Brewerových spektrofotometrů zanedbatelný, zatímco u Dobsonových přístrojů může dosahovat 1 2 % v závislosti na reálných teplotách stratosféry. c) Opravy hodnot celkového ozonu na Tef však stále plně nekompenzují rozdíly mezi oběma řadami, především v zimních měsících. Zbývající rezidua sezonních rozdílů jsou proto s největší pravděpodobností způsobeny rozptylovým efektem, který je třeba dále vhodným způsobem potlačit. d) Výše uvedené rozdíly mezi řadami X D a X B mají přístrojový charakter. Při jejich analýzách je však nutné brát v úvahu jejich odlišnou statistickou reprezentativnost vyplývající z rozdílného počtu měření prováděných v jednotlivých letech. Z grafu na obr. 3 je zřejmé, že objem dat generovaných automaticky řízeným přístrojem B098 je o řád vyšší než počet ručních měření X D spektrofotometrem D074. Ten navíc v posledních letech výrazně poklesl, když byla z provozních důvodů měření X D na SOO omezena pouze na pracovní dny a na DS typ měření. Výrazné rozdíly mezi oběma řadami jsou také v počtu dní s měřením během roku. Zatímco u B098 jsou k dispozici hodnoty celkového ozonu prakticky pro 365 dnů v roce, u D074 tento počet v současné době činí zhruba polovinu. Obr. 3 Počet měření celkového ozonu Dobsonovým a Brewerovým spektrofotometrem během roku v Hradci Králové, 1961 2010. Fig. 3. The numbers of total ozone observations taken with the Dobson and Brewer spectrophotometers in Hradec Králové in particular years, 1961 2010. 72 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

3. ASIMILACE ŘAD CELKOVÉHO OZONU 3.1 Efektivní teplota ozonové vrstvy nad územím ČR a) Ozonosondážní a aerologická měření V předchozí kapitole bylo vysvětleno, že hlavním krokem při odstranění rozdílů mezi řadami X D a X B je jejich oprava vůči vlivu efektivní teploty ozonové vrstvy Tef na absorpční koeficienty ozonu (2), (3), zejména u přístroje D074. K tomu však bylo třeba získat řadu denních hodnot Tef, které jsou co nejvíce reprezentativní pro území ČR. Vzhledem k tomu, že teplota atmosféry je časově i prostorově velmi proměnlivá, lze Tef s největší přesností stanovit využitím reálně naměřených ozonových a teplotních profilů, nejlépe z radiosondážních ozonových měření. Na aerologické stanici ČHMÚ v Praze- Libuši jsou tato měření prováněna již od roku 1979. Od roku 1992 se k měření vertikálních profilů ozonu používají velice přesné ozonové sondy s elektrochemickým čidlem (ECC). Ozonová sondáž poskytuje údaje o výškovém rozložení koncentrace ozonu až do výšky kolem 30 km, tedy i z oblasti nad jejím maximem kolem 22 24 km. Efektivní teplota ozonové vrstvy je definovaná jako integrál vertikálního profilu teploty T(p) vážený vertikálním profilem koncentrace ozonu O 3 (p): Tef = 10hPa 800hPa 10hPa 800hPa T( p). O 3 ( p)dp O 3 ( p)dp Vztah (4) se používá pro výpočet Tef mezi standardními tlakovými hladinami 800 až 10 hpa, tedy pro vrstvu atmosféry přibližně mezi 1 500 m až 30 000 m nad mořem. V některých studiích [13], [14] však byl pro určení hodnot Tef doporučen vztah (5), který určuje tzv. stratosférickou efektivní teplotu Tef _STRAT mezi hladinami 200 až 10 hpa, tedy přibližně od hladiny tropopauzy ve výšce cca 11 000 m až do cca 30 000 m nad mořem. Tef _STR = 10hPa 200hPa 10hPa 200hPa T ( p). O 3 ( p)dp O 3 ( p)dp Pro potřeby asimilace řad X D a X B z Hradce Králové byly testovány oba vztahy. Z rovnic (4) a (5) a z ozonových sondáží v Praze-Libuši v letech 1992 2010 byly pro každý den s měřením profilu O 3 (p) nejprve vypočítány hodnoty Tef, které tvořily fyzikálně nejpřesnější části celkové řady. Měření profilů ozonu v Praze-Libuši jsou ale kvůli finanční náročnosti prováděna pouze v období leden až duben, vždy v pondělí, ve středu a v pátek. Pro vytvoření souvislé řady denních hodnot Tef pro celé zájmové období 1961 2010 bylo tedy potřeba chybějící údaje doplnit vhodnými teplotami ze standardních tlakových hladin měřenými na této stanici klasickými aerologickými sondami. Pro jejich testování byly vybrány teplotní údaje z hladin 100, 50 a 20 hpa (T100, T50 a T20). Tyto údaje byly získány z datových souborů aerologických měření v databázi ČHMÚ CLIDATA, kde jsou dostupná od roku 1971. Pro období 1961 1970, tedy před zahájením pravidelných měření na stanici Praha-Libuš, a dále pro dny, kdy sondážní měření teploty v databázi CLIDATA chybí nebo nebyla dostatečně kvalitní, bylo rozhodnuto využít údaje z reanalýz (4) (5) Obr. 4 Roční chod průměrných měsíčních teplot T100, T50, T20, Tef, Tef_ STR a Tef_ ECMWF na stanici Praha-Libuš. Fig. 4. The annual course of monthly averages of temperatures T100, T50, T20, Tef, Tef_ STR and Tef_ ECMWF at the station Praha-Libuš. Evropského centra pro střednědobou předpověď (ECMWF) ERA-40 a ERA-Interim. Popisem metody doplňování a kontroly aerologických dat se zabývá další část této kapitoly. Teplotní údaje T100, T50 a T20 byly v rámci testů porovnány s hodnotami Tef a Tef_ STR z ozonových sondáží a dále s nezávislou řadou denních hodnot efektivní ozonové teploty Tef_ ECMWF získanou z Holandského meteorologického ústavu (KNMI) [15]. Tato řada byla vypočítána pro Hradec Králové pomocí algoritmu vytvořeného v KNMI, využívajícího teplotní a ozonové údaje z ECMWF [16]. Ze srovnání sezonní proměnlivosti průměrných měsíčních teplot T100, T50, T20, Tef, Tef_ STR a Tef_ ECMWF (viz. obr. 4) vyplynulo, že nejlépe s teplotní řadou Tef_ ECMWF korespondují údaje z hladiny 20 hpa. Zároveň hodnoty T20 souhlasí velmi dobře i s vypočítanými hodnotami Tef_ STR z ozonových sondáží v zimní a jarní sezoně. V letních měsících jsou navíc nejblíže standardizované hodnotě Tef = 46,3 ºC, která se používá pro rutinní zpracování měření Dobsonovým spektrofotometrem. Proto bylo rozhodnuto použít při tvorbě souvislé řady denních Tef pro období 1961 2010 mimo měřených hodnot právě teplotní údaje T20 ze standardní tlakové hladiny 20 hpa. b) Doplnění chybějících dat T20 z reanalýz ERA-40 a ERA-Interim Teploty T100, T50, T20 (00 GMT a 12 GMT) z aerologických sondáží ze stanice Praha-Libuš za roky 1971 2009 byly v první fázi porovnány s daty reanalýz ERA-40, která jsou k dispozici od 1. 9. 1957 do 31. 8. 2002 s gridovým krokem 2,5º a ERA-Interim (1. 1. 1989 31. 12. 2009) s krokem 1,5º. Žádný z gridových bodů však není identický s polohou stanice [50º N, 14,4º E]. Nejbližší bod ERA-40 je [50º N, 15º E] a v ERA-Interim [49,5º N, 15º E]. Navíc jsou sondy při výstupu snášeny větrem a jejich reálná poloha ve zvolených hladinách tedy nemusí odpovídat poloze stanice. Proto nebyla data z Prahy porovnávána s hodnotami v jediném gridovém bodě, ale v rámci boxu 3 3 body (ERA-40), resp. 5 5 bodů (ERA- Interim), vždy ovšem se středovým bodem boxu co nejblíže Praze. Celý box dat z ERA-40 tedy zahrnoval body se zeměpisnou šířkou 47,5 N, 50,0 N a 52,5 N a zeměpisnou délkou 12,5 E, 15,0 E a 17,5 E (středový bod boxu 50,0 N a 15,0 E), pro reanalýzu ERA-Interim to byly zeměpisné šířky 46,5 N, 48,0 N, 49,5 N, 51,0 N a 52,5 N a zeměpisné délky 12,0 E, 13,5 E, 15,0 E, 16,5 E a 18,0 E (středový bod boxu 49,5 N a 15,0 E). Meteorologické Zprávy, 64, 2011 73

Tab. 1 Kvantily diferencí mezi teplotami ze sondáží a minimy/maximy teplot přes gridový box reanalýz; E40 = reanalýza ERA-40, EIN = reanalýza ERA-Interim. Table 1. The quantiles of differences between temperatures from soundings and minima/maxima of temperature across the grid-box from re-analyses, E40 = re-analysis ERA-40, EIN = re-analysis ERA-Interim. kvantil hladina T100 T100 T050 T050 T020 T020 reanalýza E40 EIN E40 EIN E40 EIN maximum 16,86 10,30 12,41 7,30 12,52 13,00 99% 1,62 1,23 2,24 1,70 2,71 1,94 98% 1,14 0,88 1,66 1,27 1,87 1,48 95% 0,58 0,43 0,91 0,78 0,93 0,93 90% 0,14 0,06 0,38 0,40 0,32 0,48 75% 0 0 0 0 0 0 25% 0 0 0 0 0 0 10% -0,18 0-0,49 0-0,99-0,11 5% -0,62 0-1,01-0,29-1,71-0,64 2% -1,17-0,40-1,66-0,80-2,66-1,26 1% -1,53-0,69-2,18-1,16-3,52-1,76 minimum -10,06-3,31-21,48-3,27-12,61-12,89 počet 22 870 15 271 20 947 14 867 13 700 13 585 Porovnávání teplot ze sondáží s daty z reanalýz probíhalo tak, že pro každý termín byla z reanalýz vypočítána maximální a minimální teplota přes celý box. Pokud ležela teplota ze sondáže uvnitř tohoto intervalu, byla dále považována za věrohodnou. Pokud byla nižší (resp. vyšší) než minimum (resp. maximum) teplot přes box, byla vypočítána diference mezi teplotou ze sondáže a minimální (resp. maximální) teplotou reanalyzovaných dat přes box. Základní statistické charakteristiky takto definovaných rozdílů jsou shrnuty v tab. 1. Je z nich zřejmé, že v ojedinělých případech byly zjištěny i poměrně výrazné rozdíly mezi údaji ze sondáže a reanalýzami. Všechny sporné případy byly následně prověřeny na aerologickém oddělení ČHMÚ a nalezené chyby v sondážních datech byly opraveny (včetně oprav v databázi CLIDATA). V některých případech však byly výrazné rozdíly vyhodnoceny jako chyby reanalýzy. Nejčastěji to bylo spojeno výraznými a rychlými změnami vertikálního rozložení teploty v krátkém časovém období (cca 1 3 dny). Reanalýza na tyto změny nereagovala dostatečně rychle a porovnáním sporných údajů Tab. 2 Parametry lineárního regresního vztahu mezi teplotami T20 z reanalýz a radiosondážním měřením na stanici Praha-Libuš (r = korelační koeficient). Table 2. The parameters of the linear regression relation between temperatures T20 from the re-analyses and from the radio-sounding measurements at the station Praha-Libuš (r = coefficient of correlation). T020 E40 EIN r a b r a b I 0,944-4,207 0,970 0,966-0,672 1,010 II 0,932-0,236 1,024 0,968 1,903 1,042 III 0,854-2,721 0,972 0,932 3,356 1,064 IV 0,885-3,741 0,941 0,926 1,729 1,034 V 0,785-2,348 0,955 0,864-1,719 0,959 VI 0,559-10,839 0,760 0,752-0,682 0,974 VII 0,404-18,531 0,584 0,702-1,938 0,942 VIII 0,532-12,587 0,726 0,784-1,801 0,951 IX 0,806-4,067 0,930 0,886-0,127 0,999 X 0,851-3,996 0,952 0,922 1,780 1,047 XI 0,898-2,493 1,001 0,946 1,283 1,043 XII 0,901-5,078 0,958 0,942 1,432 1,045 s hodnotami z okolních termínů sondáží bylo vyloučeno, že se jednalo o chybu měření. U odchylek do 5 ºC však již většinou nebylo možné příčinu rozdílu jasně identifikovat, v takových případech byla původní data v databázi ponechána. Jak již bylo zmíněno, pro období 1961 1970 datové soubory sondážních měření nejsou k dispozici a i z období 1971 2010 některá měření chybí. Proto bylo rozhodnuto doplnit chybějící data pomocí reanalýz. K tomu byly studovány vazby mezi opravenými daty ze sondáží a reanalyzovanými daty, vždy pro středový bod daného gridového boxu (bod nejblíže ke stanici Praha-Libuš). Parametry lineárního regresního vztahu pro nejvhodnější hladinu 20 hpa T20 S = a + b. T20 R, (6) kde T20 S je teplota sondáže a T20 R, je odpovídající teplota z příslušné reanalýzy, jsou uvedeny v tab. 2. Je zřejmé, že data z ERA-Interim vykazují těsnější vazbu na měření v Praze- Libuši (vyšší korelační koeficient) než z ERA-40. Tato vazba je nejtěsnější v zimních měsících, v létě naopak slábne. Reanalýzy rovněž v zimě častěji podhodnocují variabilitu teplot (b>1), v létě naopak častěji nadhodnocují (b<1). Obecně lze konstatovat, že parametry lineární regrese vykazují jistou závislost na ročním období. Z tohoto důvodu nebyla k doplnění chybějících dat použita přímo data z reanalýz, ale data opravená pomocí lineárních závislostí mezi reanalýzami a existujícími měřeními na stanici Praha-Libuš (s použitím parametrů v tab. 2. Pro období od 1. 1. 1989 do 31. 8. 2002 jsou však pro doplnění chybějících radiosondážních měření k dispozici jak data z ERA-40, tak i z ERA-Interim. Pro toto období byla tedy pro obě reanalýzy vyhodnocena rezidua (reanalýza měření), jak pro původní data z reanalýz, tak i pro data upravená pomocí regresního vztahu mezi reanalýzou a měřením. Výsledky ukazují, že použití regresí upravených vztahů mezi reanalýzou a sondáží zpravidla dává o něco lepší výsledky než reanalýza sama. Rezidua takto upravených dat ERA- 40 sice ve všech hladinách vykazují nepatrně větší systematickou chybu než rezidua korigovaná ERA-Interim, ale jen v hladině 20 hpa tato systematická chyba mírně přesahuje 0,1 C, jinak je vždy do 0,1 C. Regresí upravená ERA-40 naopak vykazuje o něco nižší střední kvadratickou odchylku reziduí než korigovaná ERA-Interim. Po použití regresní korekce jsou ale celkově rozdíly mezi rezidui ERA-40 a ERA-Interim nepodstatné. Vzhledem k tomu, že ve starších radiosondážních datech chybí více hodnot než v datech novějších, bylo rozhodnuto použít k doplnění chybějících dat T20 regresí upravená data z ERA-40 pro období 1961 8/2002 a teprve pro data od 9/2002 korigovaná data z ERA-Interim. Tento postup zajišťuje maximální metodickou homogenitu doplňování dat, zejména pro období před r. 1992, kdy přímo naměřená radiosondážní data chybí častěji. 3.2 Dobson Brewer regresní transformační funkce V kapitole 2.4 jsou zdůvodněny hlavní rozdíly mezi řadami X D a X B vyplývající z odlišnosti technologií měření oběma typy spektrofotometrů. Jedná se o již diskutovaný vliv efektivní teploty ozonové vrstvy Tef a o rozptylový efekt. Zatímco opravu na vliv Tef je možno exaktně odvodit pomocí mezinárodně standardních absorpčních koeficientů α (v současné době škála Bass-Paur, [17]) a vztahů (2), (3), k popisu rozptylového efektu není potřebný fyzikální model k dispozici. Proto je nutné potlačení rozdílů mezi řadami X D a X B 74 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

v rámci jejich asimilace provést pomocí empirických převodních funkcí (transfer functions), ve kterých jsou Tef a optická hmota ozonové vrstvy μ nezávislými proměnnými. S ohledem na dosud omezené zkušenosti není ale zatím tvar převodního vztahu jednotně definovaný. První studie věnovaná odvození a testování převodní funkce byla provedena na simultánních řadách X D a X B z Arosy, Švýcarsko. Na základě analýzy vlivu Tef a vnitřního rozptylu UV na měření X D na této nejdelší řadě v síti GAW [18] její autoři navrhli k provedení přepočtů individuálně naměřených hodnot X D na úroveň řady X B vícenásobnou polynomiální regresní funkci, kterou lze s použitím vztahu (2) vyjádřit ve tvaru [13]: X B = a 1 X D + a 2 (k TD. X D ) + a 3 (μ. X D ) + a 4 (μ. X D ) 2 + ε kde, a 1 a 4 jsou regresní koeficienty, k TD je faktor definovaný vztahem (2) a ε je reziduální celkový ozon vyjadřující přesnost převodní funkce vůči naměřeným hodnotám X B. Na rozdíl od lineárního členu k TD je v rovnici (7) rozptylový efekt popsán kvadratickým členem proměnné (μ. X D ), který vyjadřuje tzv. dráhový celkový ozon (slant-path ozone). Tento člen podle [13] i na základě analýzy provedené na SOO lépe vystihuje vliv vnějšího i vnitřního rozptylu, než samotná optická hmota μ. Vzhledem k tomu, že se tvar převodní funkce vyjádřený rovnicí (7) s největší pravděpodobností stane obecně zavedeným v síti GAW, byl zvolen i pro potřeby asimilace řad X D a X B z Hradce Králové. K použití rovnice (7) bylo třeba určit regresní koeficienty a 1 a 4, které reprezentují specifiku technického stavu přístrojů, především skutečné nastavení vlnových štěrbin u přístroje D074 a geografické podmínky místa měření. Za tímto účelem bylo vybráno celkem 9 270 simultánních (±10 min) párů jednotlivých měření X D a X B typu DS (Direct Sun) spolu s příslušnými optickými hmotami μ, které jsou referenční i pro měření typu ZS (Zenith Sky). K těmto párům byly podle data měření přiřazeny hodnoty teploty ozonové vrstvy z asimilované řady měření T20 a Tef viz. kapitolu 3.1. Použitá data reprezentovala celý rozsah hodnot všech vstupních nezávislých proměnných (X D = 205 530 DU, μ = 1,12 3,6), které se při provozních měřeních na SOO vyskytují. Vzhledem k harmonogramu řešení výzkumného projektu (2010 2012) a s ohledem na změnu absorpčních koeficientů u přístroje B098 v červnu 1997 [5] byly tyto statistické analýzy provedeny již v r. 2010 pro období 7/1997 12/2009. Pro potřeby odvození převodní funkce však byl rozsah výběrových souborů za uvedené 14leté období plně postačující. S použitím těchto datových souborů byly metodou nejmenších čtverců získány regresní koeficienty: a 1 = 1,004, a 2 = 2,2, a 3 = -0,0066, a 4 = 0,000009, které byly otestovány jako významné na 95% hladině spolehlivosti. Získané regresní koeficienty byly použity také k opravě měření X D pouze na efektivní teplotu ozonové vrstvy reprezentovanou asimilovanou řadou složenou z Tef_ STRAT, T20 a T ERA : (7) X DTef = a 1 X D + a 2 (k TD. X D ) (8) Za účelem zhodnocení přesnosti použití vztahů (7) a (8) byly opravené řady X DTef a X Dregr porovnány s naměřenou řadou X B. Toto srovnání, které je znázorněné na obr. 5 a obr. 6 ukázalo, že pouhá oprava na Tef snižuje sezonní rozdíly Obr. 5 Rozdíly mezi hodnotami celkového ozonu měřenými Brewerovým spektrofotometrem X B a opravenými hodnotami X DTef a X Dregr simultánní DS měření, Hradec Králové, 7/1997 12/2009. Fig. 5. Differences between Brewer DS total ozone observations X B and simultaneous corrected Dobson values X DTef and X Dregr, Hradec Králové, 7/1997 12/2009 Obr. 6 Roční chod průměrných rozdílů mezi hodnotami celkového ozonu naměřenými Brewerovým spektrofotometrem X B a simultánně opravenými hodnotami X DTef a X Dregr pouze DS měření, Hradec Králové, 7/1997 12/2009. Fig. 6. Annual course of average differences between Brewer DS total ozone observations X B and simultaneous corrected Dobson values X DTef and X Dregr, Hradec Králové, 7/1997 12/2009. mezi měřenými hodnotami X B a opravenými hodnotami X DTef pouze o 1 1,5 %. Po této opravě, především v zimním a jarním období, nadále přetrvávají rozdíly překračující přístrojovou přesnost měření. Tato rezidua snížila do pásma přístrojové přesnosti měření ±1 % až oprava na rozptylový efekt, tj. na dráhový ozon pomocí kompletního regresního vztahu (7). Ten se tak ukázal spolu s výše uvedenými regresními koeficienty jako plně vyhovující pro použití při celkové asimilaci naměřených řad X D a X B. Podrobnější zhodnocení přesnosti použité regresní metody zvláště s ohledem na sezonní proměnlivost by poskytla její aplikace na kratší výběrový soubor simultánních měření s následným srovnáním s nezávislými D/B páry. Takovouto analýzu plánují autoři pro publikaci výsledků projektu v zahraniční odborné literatuře. Ve vztahu (7) není zahrnut člen popisující podíl celkového SO 2 na X D (u X B je odstraněn již při měření). K jeho kvantifikaci bohužel nejsou k dispozici potřebná měření. Analýza provedená v práci [9] vedla k závěru, že od poloviny 90. let (odsíření hlavních zdrojů emisí SO 2 v ČR) vliv tohoto plynu na měření celkového ozonu je až na ojedinělé krátkodobé epizody zanedbatelný. Před tímto snížením emisí však podíl SO 2 Meteorologické Zprávy, 64, 2011 75

na X D mohl dosahovat až 2 DU (cca 0,6 %). Tento vliv je ale do značné míry kompenzován odvozením regresních koeficientů pro vztah (7), při kterém byly použity výběrové soubory X D neopravené na SO 2. 3.3 Asimilace řad celkového ozonu Jak již bylo uvedeno, cílem asimilace naměřených řad celkového ozonu X D a X B z Hradce Králové bylo vytvoření technické řady denních průměrů X ASIM vztažené k přístrojové úrovni Brewerových spektrofotometrů, která by byla metrologicky homogenní za celé období 1961 2010. Její použití bude sloužit k analýzám dlouhodobých změn celkového ozonu, ve kterých bude maximálně potlačen instrumentální signál. K asimilaci byly jako výchozí datové soubory použity naměřené řady X D a X B, které jsou až do současnosti kalibračně homogenizované a uložené v databázi WOUDC [9]. Dalším vstupním datovým souborem byla asimilovaná řada hodnot Tef (Tef_ STR, T20-radiosondy a T20-reanalýzy) popsaná v kapitole 3.1. Výchozím vztahem pro úpravu hodnot X D byla převodní funkce definovaná vztahem (7), pomocí které bylo upraveno celkem 12 437 denních průměrů X D naměřených Dobsonovým spektrofotometrem za období 1961 2010, tj. 68 % z celkově možných dnů. V ostatních dnech se měření neprováděla nebo byla ojediněle vyloučena z důvodu jejich nízké kvality. Celková asimilovaná řada X ASIM byla vytvořena sloučením jednotlivých souborů: X ASIM = X Dregr (1/1961 6/1997) + + X B (7/1997 12/2010) + (9) + X Bdopl (1/1994 6/1997), kde X Bdopl (1/1994 6/1997) jsou doplňující hodnoty naměřené v období leden 1994 až červen 1997 přístrojem B098 ve dnech, kdy nebyla prováděna měření spektrofotometrem D074. Celkově tak asimilovaná řada zahrnuje 14 683 denních průměrů celkového ozonu, tj. 80 % celého období 1961 2010. Ve zbytku dnů, převážně z období 1961 1994 před nasazením Brewerova spektrofotometru, měření nejsou k dispozici. Pro tyto dny autoři zvažují možnost doplnění hodnot X ASIM z reanalýz ERA-40 a ERA-Interim. Obr. 7 Časové rozložení rozdílů mezi naměřenými hodnotami celkového ozonu X D a opravenými hodnotami X Dregr, Hradec Králové, 1961 2010. Fig. 7. Temporal evolution of differences between the measured total ozone X D and the corrected values X Dregr, Hradec Králové, 1961 2010. 4. VÝSLEDKY 4.1 Porovnání původní a asimilované řady celkového ozonu Ačkoliv bude komplexní analýza řady X ASIM provedena až v další etapě řešení projektu, pro ilustraci efektu asimilace jsou do tohoto příspěvku zahrnuty alespoň některá základní srovnání. První je uvedeno na obr. 7, který znázorňuje časové rozdělení rozdílů mezi původními hodnotami řady naměřené Dobsonovým spektrofotometrem X D a řadou vytvořenou regresní převodní funkcí (7) X Dregr. Z obrázku je zřejmé, že v souladu s obr. 6 v letní polovině roku (duben říjen) rozdíly leží v mezích přístrojové přesnosti měření 1 %. V ostatních měsících tuto hranici ale překračují s maximem 3 4 % v prosinci, a to již mohou významně ovlivnit analýzy trendů změn celkového ozonu nad územím naší republiky. Zajímavé je, že odchylky nejsou během zkoumaného období stejnoměrně rozděleny. Největší zimní rozdíly se vyskytují v první polovině 60. let a pak až v posledním desetiletí. Vzhledem k tomu, že hodnota odchylek je přímo úměrná teplotě Tef (rozptylový efekt je každoročně stejný), obrázek ukazuje na výraznou změnu teplotních poměrů ve spodní a střední stratosféře v oblasti střední Evropy. Tento jev bude studován v další etapě. Další grafy na obr. 8a a obr. 8b dokumentují rozdíly v hodnocení dlouhodobých změn ozonové vrstvy v hlavních sezonách roku v případě jejich posuzování pouze na základě měření X D nebo pomocí asimilované řady X ASIM. V období zima jaro, pro které je charakteristický výskyt vzduchových hmot s obsahem ozonu sníženým chemickými procesy v severních polárních oblastech, je na obr. 8a vidět u obou řad známé zeslabení ozonové vrstvy začínající v polovině 80. let, s minimem v r. 1993 (sopečná erupce Pinatubo). Pak následuje stabilizace úbytku celkového ozonu a v posledních letech jeho opětovný růst až do úrovně hodnot před r. 1985 (pásmo AVG±STD), který je možno interpretovat, jako počátek přirozené obnovy ozonové vrstvy. Rozdíl je však v gradientech růstu znázorněných lineární interpolací (1992 2010). U asimilované řady je růst téměř o polovinu rychlejší. V sezoně jaro léto (obr. 8b) se obě řady během celého období 1962 2010 téměř neliší. Ovšem graf ukazuje na překvapující všeobecné zeslabení celkového ozonu od konce 80. let, které trvá dosud, dokonce s pokračujícím mírným trendem dalšího úbytku. Toto zeslabení ozonové vrstvy nad střední Evropou již ale nemůže být způsobeno chemickými procesy vlivem ozon ničících látek. Nejpravděpodobnějším vysvětlení je dlouhodobá (dnes již 20letá) a stále trvající změna teplotních a dynamických podmínek ve spodní a střední stratosféře, která již nabývá charakter klimatické změny. V tomto kontextu bude v rámci projektu dále studovaná. 4.2 Porovnání asimilované řady celkového ozonu s družicovými měřeními Družicová měření celkového ozonu X SAT byla zahájena v r. 1978 pomocí spektrometru TOMS na satelitu NIMBUS-7, který byl po uplynutí své životnosti postupně nahrazen dalšími spektrometrickými platformami. V současné době proto existuje několik databází, které se v důsledku postupného vývoje spektrometrů a jejich funkce navzájem do určité míry liší. Rozdíl vyplývá především z algoritmů použitých k výpočtu X SAT. Existují dvě hlavní skupiny databází. První vychází z algoritmu TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) NASA, USA [19]. Druhá skupina, označovaná jako DOAS 76 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Obr. 8a Sezonní průměry celkového ozonu naměřené Dobsonovým spektrofotometrem X D a vypočítané z asimilované řady X ASIM v období zima jaro (L, Ú, B, D) a lineární trend v období 1992 2010, Hradec Králové, 1961 2010. Fig. 8a. Seasonal averages of total ozone measured with the Dobson spectrophotometer X D and calculated from the assimilated data series X ASIM, winter spring months (J, F, M, A) and the linear trend in the period 1992 2010, Hradec Králové, 1961 2010. Obr. 8b Sezonní průměry celkového ozonu naměřené Dobsonovým spektrofotometrem X D a vypočítané asimilovanou řadou X ASIM v období jaro léto (K, Č, Čc, S) a lineární trend v období 1992 2010, Hradec Králové, 1961 2010. Fig. 8b. Seasonal averages of total ozone measured with the Dobson spectrophotometer X D and calculated from the assimilated data series X ASIM, spring summer months (M, J, J, A) and the linear trend in the period 1992 2010, Hradec Králové, 1961 2010. (Differential Optical Absorption Spectroscopy), byla vyvinuta odborníky spolupracujícími s Evropskou družicovou agenturou (ESA) [20]. Dosavadní srovnávání ukazují, že obě satelitní skupiny dat mají do určité míry odlišný vztah k hlavním pozemním databázím. Zatímco data TOMS lépe souhlasí s měřeními Dobsonovými spektrofotometry, data DOAS naopak souhlasí více s měřením Brewerovými přístroji [21]. Tento závěr potvrdilo i srovnání řad z Hradce Králové [11]. Z uvedených poznatků vycházeli autoři tohoto příspěvku při porovnání asimilované řady s družicovými soubory. Srovnání bylo provedeno pomocí rozdílů denních průměrů X ASIM a přeletových (měření nad stanicí) hodnot X SAT, které byly získány platformami TOMS (sjednocené měření Nimbus7, Meteor3, Earth Probe, SBUV) za období 1978 2004 [22] a přístrojem OMI, zpracovanými algoritmem DOAS, 2005 2010 (server TEMIS, http://www.temis.nl.html). Výsledky srovnání jsou znázorněny na obr. 9. Z grafu je zřejmé, že vůči sjednocené databázi X TOMS se asimilovaná Obr. 9 Rozdíly mezi denními průměry celkového ozonu z pozemní asimilované řady X ASIM a družicovými přeletovými měřeními z databází X TOMS a X DOAS, Hradec Králové, 1978 2010. Fig. 9. Differences between daily averages of the ground assimilated X ASIM and the satellite overpsas X TOMS and X DOAS total ozone observations, Hradec Králové, 1978 2010. řada liší v průměru o 1,4 %, což je stále ještě na úrovni přístrojové přesnosti pozemních měření. Podstatné je potvrzení lepší shody s databází X DOAS (0,4 %), kterou bylo možné očekávat vzhledem k navázání asimilované řady X ASIM na úroveň měření Brewerovými spektrofotometry. Na obr. 9 je znázorněna spojnice 30denních klouzavých průměrů rozdílů (do značné míry ekvivalentní křivce průměrných měsíčních diferencí), která ukazuje na jejich odlišnou roční periodicitu v některých časových úsecích celého období 1978 2010. Tyto úseky odpovídají obdobím nasazení jednotlivých družicových přístrojů, a dokumentují tak jejich vzájemné odlišnosti zejména v projevu kosinového efektu. 5. ZÁVĚR Asimilací Dobson Brewer měření z Hradce Králové byla získána technická řada celkového ozonu umožňující studium dlouhodobých změn ozonové vrstvy nad územím ČR (střední Evropy), ve které je v maximální míře potlačen vliv rozdílů mezi měřicími přístroji. Výpočty byly provedeny metodou navrženou odborníky ETH Curych, která bude patrně přijata jako obecně používaná v rámci programu GAW. Asimilaci předcházelo vytvoření kompletních řad stratosférických teplot na vybraných standardních tlakových hladinách za období 1961 2010. Teplota na hladině 20 hpa byla vybrána jako nejlépe charakterizující efektivní teplotu ozonové vrstvy ve dnech, kdy nebyla k dispozici z ozonosondážních měření. Tyto řady byly použity nejen pro potřeby asimilace celkového ozonu, ale budou důležitými výchozími datovými soubory pro následné studium vazeb mezi změnami ozonové vrstvy a termických podmínek stratosféry v další etapě projektu. Porovnání asimilované řady X ASIM s výchozími daty naměřenými ozonovými spektrofotometry X D a X B ukázalo, že asimilace odstranila podstatné přístrojově podmíněné rozdíly v zimních a počátečních jarních měsících. V ostatních částech roku tyto rozdíly nebyly statisticky významné. Předběžné vyhodnocení trendů celkového ozonu ve vztahu k přirozené obnově ozonové vrstvy ukázalo na podstatný gradient růstu v měsících leden duben (1992 2010) při použití řady X ASIM místo dosud používané řady X D. V letních měsících bylo zjištěno zeslabení ozonové vrstvy, které je ekvivalentní zimnímu období, ale bez známek obnovy. Příčiny letního úbytku celkového ozonu budou dále studované ve vazbě na mož- Meteorologické Zprávy, 64, 2011 77

né změny klimatu stratosféry ve středních šířkách evropského regionu [23]. Porovnání pozemní řady X ASIM s přeletovými měřeními celkového ozonu získanými pro lokalitu Hradce Králové z několika družicových databází potvrdilo lepší shodu s daty typu X DOAS než s hodnotami X TOMS. I přes výraznou roční periodicitu (především vlivem vlastností družicových spektrometrů) srovnání potvrdilo časovou stabilitu vztahu pozemní řady s oběma typy družicových dat během celého srovnávacího období 1978 2010. Vzhledem k uvedeným závěrům lze konstatovat, že asimilovaná řada X ASIM představuje velmi kvalitní výchozí datový soubor pro podrobnou analýzu změn ozonové vrstvy nad územím ČR v průběhu posledních 50 let. Poděkování Příspěvek byl vypracován díky podpoře Grantové agentury České republiky pro řešení projektu č. P209/10/0058 Dlouhodobé změny ozonové vrstvy nad územím České republiky Acknowledgements The authors wish to thank to Ronald van der A, the Royal Netherlands Meteorological Institute, for providing them with the ozone effective temperatures derived at KNMI and to Vitali Fioletov, the Environment Canada, for creation of the merged TOMS satellite data set for Hradec Králové. Literatura [1] ACHRER, J. JANOUCH, M. SKŘIVÁNKOVÁ, P. VANÍČEK, K. a kol., 2007. Ochrana ozonové vrstvy v České republice 20 let od podepsání Montrealského protokolu. Publikace MŽP ČR, ISBN: 978-80-7212-471- 8. [2] VANÍČEK, K., 2001. Solární a ozonová observatoř Hradec Králové 1951 2001. Praha: ČHMÚ. 38 s. [Česká a anglická verze.] ISBN 80-85813-83-1. [3] DOBSON, G. M. B., 1957. Observers handbook for the ozone spectrophotometer. In: Annals of the International Geophysical Year, V, Part 1, p. 46 89, Pergamon Press. [4] Operations Handbook Ozone Observations with a Dobson Spectrophotometer Revised 2008 (WMO TD No. 1469), p. 91, WMO. [5] VANÍČEK, K., 2003. Calibration History of the Dobson 074 and Brewer 098 ozone spectrophotometers. Prague: CHMI. ISBN 80-86690-08-3. [6] KERR, J. B. ASBRIDGE, I. A. EVANS, W. F. J., 1988. Intercomparison of total ozone measured by the Brewer and Dobson Spectrophotometers at Toronto. Journal of Geophysical Research, vol. 93, p. 11 129 11 140. [7] KOEHLER, U., 1995. Homogenization and re-evaluation of the long-term ozone series at the Meteorological Observatory Hohenpeissenberg. The Final Report of the DWD - Project K/U 31, Hohenpeissenberg, DWD. [8] STAEHELIN, J. RENAUD, A. BADER, J. MCPETERS, R. VIATTE, P. et al., 1998. Total ozone series at Arosa, Switzerland: Homogenization and data comparison. Journal of Geophysical Research, vol. 103, p. 5827 5841. [9] VANÍČEK, K. DUBROVSKÝ, M. STANĚK, M., 2003. Evaluation of Dobson and Brewer total ozone observations from Hradec Králové, Czech Republic, 1961 2002. Prague: CHMI. ISBN 80-86690-10-5. [10] STAEHELIN, J. EVANS, R. D. KERR, J. B. VANICEK, K., 2003. Comparison of total ozone measurements of Dobson and Brewer spectrophotometers and recommended transfer functions. Geneva: GAW/WMO Report. No. 149. [11] VANICEK, K., 2006. Differences between ground Dobson, Brewer and satellite TOMS-8 and GOME-WFDOAS total ozone observations at Hradec Kralove, Czech. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, 6, p. 5839 5865. [12] KERR, J. B., 2002. New methodology for deriving total ozone and other atmospheric variables from Brewer spectrophotometer direct sun spectra. Journal of Geophysical Research, vol. 107, 4731, doi: 1029/2001JD001227. [13] SCARNATO, B. STAEHELIN, J. STÜBI, R. SCHILL, H., 2010. Long-term total ozone observations at Arosa (Switzerland) with Dobson and Brewer instruments (1988 2007). Journal of Geophysical Research, vol. 115, D13306, doi: 10.1029/2009JD011908. [14] BERNHARD, G. EVANS, R. D. LABOW, G. J. OLTMANS, S. J., 2005. Bias in Dobson total ozone measurements at high latitudes due to approximations in calculations of ozone absorption coefficients and air mass. Journal of Geophysical Research, vol. 110, D10305, doi:10.1029/2004jd005559. [15] A. R. van der. Private communication. [16] ESKES, H. J. A. R. J. van der, BRINKSMA, E. J. VEEFKIND, J. P. HAAN de, J. F. VALKS, P. J. M., 2005. Retrieval and validation of ozone columns derived from measurements of Sciamachy on Envisat. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, vol. 5, p. 4429 4475. [17] BASS, A. M. PAUR, R. J., 1985. The ultraviolet crosssections of ozone. In: Atmospheric Ozone: Proceedings of the Quadrennial Ozone Symposium. Ed. C.S. Zerefos and A. Ghazi, p. 606 616. D. Reidel, Norwell, Mass. [18] SCARNATO, B. STAEHELIN, J. PETER, T. GROEBNER, J. STUEBI, R. SCHILL, H. A., 2009. Temperature and slant path effects in Dobson and Brewer total ozone measurements. Journal of Geophysical Research, vol. 114, D24303, doi:10.1029/2009jd012349. [19] McPETERS, R. D. LABOW, G. J., 1996. An assessment of the accuracy of 14.5 years of Nimbus 7 TOMS Version 7 ozone data by comparison with the Dobson Network. Geophysical Research Letters, vol. 23, p. 3695 3698. [20] COLDEWEY-EGBERS, M. WEBER, M. LAMSAL, L. N. BEEK de R. BUCHWITZ, M. BURROWS, J. P., 2005. Total ozone retrieval from GOME UV spectral data using the weighting function DOAS approach. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, vol. 5, p. 5015 5025. [21] WEBER, M. LAMSAL, L. N. COLDEWEY-EGBERS, M. BRAMSTEDT, K. BURROWS, J. P., 2005. Poleto-pole validation of GOME WFDOAS total ozone with ground-based data. Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, vol. 5, p. 1341 1355. [22] FIOLETOV, V. E. LABOW, G. EVANS, R. HARE, E. W. KÖHLER, U. et al., 2008. The performance of the ground-based total ozone network assessed using satellite data. Journal of Geophysical Research Atmospheres, vol. 113, D143 13, doi:10.1029/2008jd009809. [23] HARRIS N. R. P. ANDERSEN, S. B. BRUNNER, D. DHOMSE, S. GODIN-BEEKMAN, S. et al., 2008. Ozone trends at northern mid- and high latitudes a European perspective. Annales Geophysicae, vol. 26, p. 1207 1220. Lektor (Reviewer) doc. RNDr. T. Halenka, CSc. 78 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

VÝPOČTY KONCENTRACÍ PŘÍZEMNÍHO OZONU NA ÚZEMÍ ČR POMOCÍ MODELU CAMX S PŘIHLÉDNUTÍM KE VLIVU BIOGENNÍCH TĚKAVÝCH ORGANICKÝCH LÁTEK Kateřina Zemánková, Jan Bednář, Josef Brechler, Peter Huszár, Matematicko-fyzikální fakulta UK, Katedra meteorologie a ochrany prostředí, V Holešovičkách 2, 180 00 Praha 8, kmop@mff.cuni.cz Calculations of surface ozone concentrations on the territory of the Czech Republic by means of the CAMx model considering the effect of biogenic emissions of volatile organic compounds. The contribution is connected with an earlier paper dedicated to estimations of biogenic volatile organic compounds production in Europe. Model outputs for the fields of surface ozone concentrations on the territory of the Czech Republic are presented in relation to meteorological conditions (solar radiation and air temperature). These model outputs are compared with surface ozone measurements in the Czech Republic and effects of biogenic volatile organic compounds on ozone production are discussed. KLÍČOVÁ SLOVA: modelování přízemního ozonu emise biogenní organické látky těkavé ozon přízemní podmínky meteorologické Česká republika KEY WORDS: surface ozone modelling biogenic emissions of volatile organic compounds surface ozone meteorological conditions Czech Republic 1. ÚVOD Tento příspěvek volně navazuje na článek [1], v němž byly publikovány výsledky bilančních odhadů produkce biogenních těkavých organických látek (BVOC) v evropské oblasti, s podrobnějším zacílením na území ČR. Předkládaný článek využívá těchto výsledků při modelových výpočtech koncentrací přízemního ozonu, přičemž se soustřeďuje na oblast ČR s tím, že publikace obdobných výsledků pro širší oblast kontinentálního evropského měřítka bude výstupem navazujících prací. K modelování vzniku přízemního ozonu byl zde využit model CAMx ve verzi 5.10, o němž podáváme stručnou informaci dále. Pokud jde o cíle, jichž by mělo být předkládanou publikací bezprostředně dosaženo, lze je shrnout do následujících dvou bodů: 1. Zhodnotit a ověřit, jak realistické a přesné výsledky ohledně modelování koncentrací přízemního ozonu, jejich časového vývoje a vztahů k meteorologickým podmínkám model CAMx poskytuje, a to především se zřetelem ke geografické oblasti ČR. 2. Dokumentovat vliv přírodních emisí BVOC při modelování vzniku přízemního ozonu. Obr. 1 Oblasti modelových řešení modelu CAMx. Fig. 1. CAMx model domains. 2. MODEL CAMx STRUČNÁ CHARAKTERISTIKA Zde použitý model CAMx (Comprehensive Air quality Model with extensions) lze charakterizovat jako numerický eulerovský model zahrnující prostorový rozptyl a velmi široké spektrum chemických a fotochemických reakcí, což umožňuje realizovat výpočty prostorového rozložení a časového vývoje koncentrací pro značný počet pasivních i chemicky reaktivních atmosférických příměsí plynné i aerosolové povahy. Pokud jde o témata dnes zvláště aktuální v oblasti ochrany čistoty ovzduší a z hlediska vazeb k širším meteorologickým a klimatickým faktorům, možno tento model využít nejen v záležitostech vztahujících se k ozonu, ale i např. k částicovým frakcím PM 10 a PM 2,5, těžkým kovům, organickým polutantům atd. Model CAMx možno aplikovat ve značném rozsahu prostorových měřítek, a to od měřítek kontinentálních až po měřítka odpovídající dílčím okrskům větších měst a jejich případných aglomerací. Do modelových úvah zahrnuje advekci příměsí i jejich vertikální transport, horizontální a vertikální turbulentní difuzi, chemické reakce včetně obsáhlé fotochemie, různé formy emisí jednotlivých znečišťujících příměsí a jejich suchou i mokrou depozici. Model je založen na řešení soustavy rovnic difuze pro jednotlivé uvažované příměsi spolu s rovnicí kontinuity v třídimenzionální prostorové síti. Souběžně se řeší diferenciální rovnice pro jednotlivé zahrnuté chemické (fotochemické) reakce. Uživatel modelu přitom může volit různé varianty schémat chemických procesů, a to buď podle dané nabídky nebo si takové schéma může modifikovat sám dle svých individuálních požadavků. V modelu jsou též zahrnuty i heterogenní chemické reakce, např. v souvislosti se vznikem aerosolových frakcí z původně plynných příměsí. Model CAMx byl vyvinut společností ENVIRON a je Meteorologické Zprávy, 64, 2011 79

Obr. 2 Porovnání časového průběhu denních průměrných přízemních teplot (K) a denních průměrných toků globálního slunečního záření (W.m -2 ) podle modelu WRF s pozorováním na stanicích Kuchařovice, Mikulov-Sedlec a Kocelovice během dnů po začátku období 1. 4. 14. 5. 2007. Fig. 2. Comparison of surface air temperature (K) and global solar radiation (W.m -2 ) from WRF model with observations from stations Kuchařovice, Mikulov-Sedlec and Kocelovice for the time period 1. 4. 14. 5. 2007. 80 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Obr. 3 Porovnání časového průběhu denních průměrných přízemních teplot (K) a denních průměrných toků globálního slunečního záření (W.m -2 ) podle modelu WRF s pozorováním na stanicích Svratouch, Košetice, Lom během dnů po začátku období 1. 4. 14. 5. 2007. Fig. 3. Comparison of surface air temperature (K) and global solar radiation (W.m -2 ) from WRF model with observations from stations Svratouch, Košetice, Lom for the time period 1. 4. 14. 5. 2007. Meteorologické Zprávy, 64, 2011 81

Obr. 4 Relativní rozdíly (%) mezi průměrnými denními koncentracemi přízemního ozonu zjištěnými na základě měření a pomocí modelu CAMx na uvedených stanicích v ČR za období 1. 4. 14. 5. 2007. Fig. 4. Relative differences (%) of surface ozone daily concentrations averaged over the period 1. 4. 14. 5. 2007 between measurements at meteorological stations (Czech Republic) and CAMx model simulations. okolí), zatímco oblast D3 se prakticky omezuje na území ČR. Zde se však budeme věnovat oblasti České republiky, tj. bude nás zajímat především D3. Pro informaci čtenáře obecně uveďme, že pokud jde o horizontální prostorové rozlišení při numerické integraci modelu, používají se pro D1 čtverce 27 27 km, v D2 čtverce 9 9 km a v D1 čtverce 3 3 km. Pokud jde o vertikální rozlišení, model obsahuje 16 hladin, výška modelové atmosféry je cca 14 km, tloušťka nejnižší modelové vrstvy cca 60 m. Ke stanovení okrajových podmínek pro vnitřní oblast slouží modelový výpočet na k ní přilehlé vnější oblasti. Na vnější hranici oblasti D1 se jako okrajová podmínka předpokládala koncentrace ozonu 40 mikrogramů v metru krychlovém. Vertikální transport ozonu nebyl předmětem této ozonové studie. Obr. 5 Relativní rozdíly (%) mezi maximálními denními koncentracemi přízemního ozonu zjištěnými na základě měření a pomocí modelu CAMx na uvedených stanicích v ČR za období 1. 4. 14. 5. 2007. Fig. 5. The same as Fig. 4 but for maximal daily concentrations of surface ozone. dnes veřejně dostupný na domovské stránce této společnosti [2]. Podrobnější popis modelu lze nalézt v [3]. 3. MODELOVÉ EXPERIMENTY 3.1 Prostorové oblasti modelových řešení. V tomto příspěvku jsou prezentovány výsledky, které navazují na dizertační práci [4] a vztahují se k modelovým výpočtům vzniku koncentrací přízemního ozonu při dvou scénářích emisí BVOC (viz dále). Obecně se právě zmiňované modelové studie týkají tří geografických oblastí, o nichž si lze učinit názornou představu z obr. 1 a jež jsou označeny jako D1, D2 a D3. Oblast D1 zahrnuje v plném rozsahu střední Evropu, západní Evropu a velkou část Středomoří, oblast D2 obsahuje podstatný výsek střední Evropy (ČR a její 3.2 Uvažovaná modelová období Čtenář nalezne v tomto článku výsledky modelových výpočtů vztahujících se ke dvěma obdobím: 1) období 1. 4. 14. 5. 2007, jež bylo vybráno jako jarní epizoda se zvýšenými koncentracemi přízemního ozonu v celoevropském měřítku, 2) 1. 7. 30. 8. 2010 jako příklad souvislého kalendářového období meteorologicky vrcholného léta. 1. 1. 4. 14. 5. 2007 Šlo o nadprůměrně teplé a slunečné období s výraznou převahou dnů s anticyklonálními podmínkami. Z Měsíčního přehledu počasí vydávaného ČHMÚ lze citovat: Během první dekády (dubna) zasahoval do střední Evropy od severozápadu výběžek vyššího tlaku vzduchu. Po jeho severním okraji postupovaly k jihovýchodu frontální systémy. Do počasí u nás však zasahovaly většinou pouze okrajově. Po většinu druhé dekády (dubna) se uplatňoval vliv tlakové výše, jejíž střed se přesunul ze Severního nad Baltské moře a následně nad východní Evropu. Později se rozšířil výběžek vyššího tlaku vzduchu za studenou frontou od západu. V průběhu třetí dekády (dubna) bylo počasí u nás ovlivňováno většinou oblastí vysokého tlaku vzduchu, která se přesunula přes střední Evropu k východu... Na většině území Evropy šlo o duben teplotně nadnormální, v oblasti středozápadní Evropy až mimořádně nadnormální... V ČR šlo o duben teplotně silně nadnormální, při průměrné měsíční teplotě 10,6 C byla odchylka 3,1 C nad normálem. Nejteplejší 82 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Obr. 6 Denní koncentrace přízemního ozonu během období 1. 4. 14. 5. 2007 dle měření a pro tři verze modelových simulací na modelu CAMx na stanici Kuchařovice. Měření červená linie, BC, výpočetní verze bez zahrnutí BVOC fialová linie, scénář BVOC dle EXP0 modrá linie, scénář BVOC dle EXP1 zelená linie. Fig. 6. Daily surface ozone concentrations during the period 1. 4. 14. 5. 2007 at station Kuchařovice compared to three versions of CAMx model simulations. Obr. 7 Totéž jako na obr. 6. ale pro stanici Mikulov-Sedlec. Fig. 7. The same as Fig. 6 but for station Mikulov-Sedlec. Obr. 8 Totéž jako na obr. 6, ale pro stanici Košetice. Fig. 8. The same as Fig. 6 but for station Košetice. Obr. 9 Totéž jako na obr. 6, ale pro stanici Svratouch. Fig. 9. The same as Fig. 6 but for station Svratouch. Obr. 10 Totéž jako na obr. 6, ale pro stanici Souš. Fig. 10. The same as Fig. 6 but for station Souš. Obr. 11 Totéž jako na obr. 6, ale pro stanici Žatec. Fig. 11. The same as Fig. 6 but for station Žatec. Meteorologické Zprávy, 64, 2011 83

Obr. 12 Poloha vybraných stanic z území ČR. Fig. 12. Selected meteorological stations from the Czech Republic. byla druhá dekáda... Srážkově byl duben na území ČR mimořádně podnormální s průměrným srážkovým úhrnem 6 mm (pouze 14 % normálu)... Zpočátku (května) počasí nad západní a střední Evropou ovlivňovala oblast vyššího tlaku vzduchu a frontální systémy zasahovaly pouze sever a jih evropského kontinentu. Během druhé pentády (května) se nad Severním mořem prohloubila tlaková níže islandského původu a vytvořily se tak ideální podmínky pro západní cyklonální situaci... Teplotně byl květen téměř v celé Evropě nadnormální s odchylkou 1 ž 3 st. nad normálem. V ČR byl květen teplotně nadnormální... Srážkově byl květen v ČR normální. Po dlouhém suchém (a slunečném) období se od 4. 5. začaly na našem území objevovat srážky... 2. 1. 7. 30. 8. 2010 Období lze u nás charakterizovat jako nijak mimořádné léto se střídavou atmosférickou cirkulací a tomu odpovídajícím počasím. Podmínky nejvíce příznivé pro fotochemické reakce související s produkcí přízemního ozonu se vyskytovaly zejména v první polovině a v půli července. Z Měsíčních přehledů počasí možno citovat: Obr. 14 Porovnání denních koncentrací (relativní rozdíly) přízemního ozonu dle měření a dle tří modelových simulací modelem CAMx na stanicích ČR. Totéž jako na obr. 4, ale pro letní období 1. 7. 30. 8. 2010. Fig. 14. Comparisons of daily surface ozone concentrations obtained from measurements and from three CAMx model simulations (relative differences) at meteorological stations in the Czech Republic. The same as Fig. 4, but for the period 1. 7. 30. 8. 2010. Obr. 13 Totéž jako na obr. 6 11, ale pro španělskou stanici Niembro. Fig. 13. The same as Figs. 6 11, but for the Spanish station Niembro. V měsíci červenci 2010 měla cirkulace atmosféry v oblasti Atlantik Evropa převážně zonální charakter. Na počátku měsíce bylo počasí v SZ Evropě ovlivňováno tlakovou níží nad severním Atlantikem, ostatní část Evropy byla pod vlivem hřebene vysokého tlaku vzduchu, který se rozšířil od jihozápadu. Frontální systémy postupovaly přes britské ostrovy a Skandinávii. Ve druhé polovině první dekády přes střední Evropu přešla brázda nízkého tlaku vzduchu. Poté se nad severním Atlantikem prohloubila další níže a od jihozápadu se nad střední Evropou rozšířil hřeben vysokého tlaku. V polovině druhé dekády (července) přechodně střední Evropu ovlivnila další brázda nízkého tlaku a za ní se opět rozšířila oblast vyššího tlaku od jihozápadu. Frontální systémy postupovaly přes britské ostrovy a Skandinávii. Ve druhé polovině první dekády přes střední Evropu přešla brázda nízkého tlaku vzduchu. Poté se nad severním Atlantikem prohloubila další níže a od jihozápadu se nad střední Evropu rozšířil hřeben vysokého tlaku. V polovině druhé dekády (července) přechodně střední Evropu ovlivnila další brázda nízkého tlaku a za ní se opět rozšířila oblast vyššího tlaku od jihozápadu. Ve třetí dekádě (července) do střední Evropy postoupila tlaková níže, která dále postupovala nad jižní Skandinávii. Kolem ní přes střední Evropu postupovaly jednotlivé frontální systémy. Teplotně byl červenec na celém území Evropy nadnormální... Srážkové úhrny byly na většině území Evropy normální... V ČR šlo o měsíc teplotně mimořádně nadnormální... Nejteplejším obdobím měsíce (července) byla první polovina druhé dekády... Srážkově byl červenec na území ČR normální... Sluneční svit byl v ČR v červenci normální. Ve druhé polovině první dekády (srpna) se nad Balkánským poloostrovem prohloubila tlaková níže a postu- 84 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Obr. 15 Průměrný denní chod koncentrací přízemního ozonu za období 1. 7. 30. 8. 2010 dle měření a dle tří modelových simulací (BC, EXP0, EXP1) na stanici Kuchařovice. Fig. 15. Mean daily course of surface ozone concentrations in the period 1. 7. 30. 8. 2010 for measurement and for three versions of CAMx model simulations (BC, EXP0, EXP1) at meteorological station Kuchařovice. Obr. 16 Totéž jako na obr. 15, ale pro stanici Mikulov-Sedlec. Fig. 16. The same as Fig. 15 but for meteorological station Mikulov- Sedlec. Obr. 17 Totéž jako na obr. 15, ale pro stanici Košetice. Fig. 17. The same as Fig. 15 but for meteorological station Košetice. Obr. 18 Totéž jako na obr. 15, ale pro stanici Svratouch. Fig. 18. The same as Fig. 15 but for meteorological station Svratouch. povala přes východní Evropu nad jižní Skandinávii. Za ní se do oblasti střední Evropy přechodně rozšířil od jihozápadu výběžek vyššího tlaku. V polovině druhé dekády (srpna) se nad severním Středomořím prohloubila tlaková níže, která poté postupovala k severu přes střední Evropu až nad jižní Skandinávii. Poté se opět nad západní a střední Evropu rozšířila od jihozápadu oblast vysokého tlaku vzduchu. V průběhu třetí dekády (srpna) postupovaly v jihozápadním až západním proudění jednotlivé frontální systémy. Teplotně byl srpen na území západní i střední Evropy, ve Skandinávii a na Pyrenejském poloostrově většinou normální... Srážkové úhrny byly na území Evropy v průměru slabě nadnormální... V ČR šlo o měsíc teplotně normální... Srážkově byl srpen na území ČR silně nadnormální... Sluneční svit byl v ČR v srpnu slabě podnormální. Obr. 19 Totéž jako na obr. 15, ale pro stanici Souš. Fig 19. The same as Fig. 15 but for meteorological station Souš. 3.3 Operativní meteorologická data Pro realizaci modelových výpočtů koncentrací přízemního ozonu byla pro obě uvedená období využita meteorolo- Meteorologické Zprávy, 64, 2011 85

gická data získaná z modelu WRF (Weather Research and Forecasting model). Jde o mezoměřítkový numerický předpovědní model používající třídimenzionální (3DVAR) variační asimilaci dat a provozovaný u nás Ústavem informatiky AV ČR. Tomuto ústavu patří upřímné poděkování za laskavé poskytnutí příslušných datových souborů a provedení s tím spojených výpočetních operací. Právě zmíněný způsob zajištění vstupních meteorologických dat pro model CAMx byl zvolen vzhledem k existujícímu přímému operativnímu propojení modelu CAMx a WRF v uvedeném ústavu. Přirozeně možno položit otázku po věrnosti a přesnosti takto získaných meteorologických vstupních dat, která prošla při výpočtech v modelu WRF složitými operacemi. Uvádíme proto obr. 2 a 3, z nichž je zřejmý výsledek porovnání časového průběhu denních průměrů přízemní teploty vzduchu a denních průměrných toků globálního slunečního záření na šesti pozemních stanicích z území ČR v prvním z uvažovaných dvou období, tj. 1. 4. 14. 5. 2007. Červená křivka na těchto obrázcích vždy odpovídá měření na příslušné stanici, zatímco modrá křivka (pro přízemní teplotu vzduchu), nebo zelená křivka (pro toky globálního slunečního záření) se vztahují k hodnotám v bodě sítě WRF polohou nejblíže dané stanici. V případech teploty vzduchu a globálního slunečního záření jde nepochybně o meteorologické veličiny, které mají vysokou relevanci z hlediska vlivu na produkci přízemního ozonu. Z obr. 2 a 3 lze jistě učinit závěr, že srovnání mezi hodnotami vzešlými z modelu WRF a z přímých staničních měření vykazuje pozoruhodnou shodu, snad s drobnou odchylkou u přízemní teploty vzduchu ve druhé dubnové a první květnové dekádě 2007. 3.4 Emisní data Antropogenní emise atmosférických polutantů byly přejaty z výstupů projektu MEGAPOLI (7. RP EU) [5]. Východiskem k tomu byla data z emisních inventur 2005 zpracovaná do emisní sítě v zeměpisných souřadnicích tak, že pro naši oblast odpovídala rozlišovací schopnost čtvercům přibližně 6 6 km. Z hlediska kvalitativního složení se u zmiňované databáze jedná zejména o emise oxidu siřičitého, oxidů dusíku, amoniaku, oxidu uhelnatého, nemetanických uhlovodíků a dalších složek VOC, ale jsou zahrnuty i emise aerosolové povahy (PM particulate matter). Zdroji informací pro vytvoření této emisní databáze byly příslušné národní databáze shrnované v rámci programu EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme). Chybějící data se přitom doplňují z alternativních databází evropských projektů, nebo jsou doplňována aplikací modelu RAINS (Regional Air pollution INformation and Simulation model). Pokud jde o emise BVOC, byly získány způsobem podrobně popsaným (včetně získaných výsledků) v [1]. Při zde prezentovaných modelových výpočtech bylo využito tří scénářů konstrukce emisí těkavých organických látek VOC. Výsledky odpovídající těmto scénářům jsou značeny jako BC, EXP0, a EXP1. Ve verzi BC byly mezi emise zahrnuty pouze antropogenní zdroje VOC. Verze EXP0 a EXP1 obsahovaly i BVOC. V případě EXP0 se vycházelo z databáze USGS [6] popisující rostlinný pokryv a využití půdy (land cover/land use) pomocí čtyř zobecněných kategorií listnatý les, jehličnatý les, traviny, ostatní. Emisní data pro verzi EXP1 byla stanovena na základě podrobněji sestavené databáze land cover/land use, která je členěna do 230 kategorií a lesní porosty jsou zde charakterizovány pomocí jednotlivých druhů stromů. Tato databáze je založena na datových souborech, které jsou výstupem projektu AFOLU [7]. V oblastech, kde data z tohoto projektu neexistují (mimo EU), bylo využito databáze USGS [6]. Pokud se jedná o právě zmiňované informace, lze odkázat i na předcházející článek [1], resp. dizertaci [4]. 4. MODELOVÉ VÝSLEDKY Z hlediska dvou cílů, zmíněných v úvodu tohoto příspěvku, věnujme nejprve pozornost obr. 4 a obr. 5. Oba tyto obrázky se vztahují k prvnímu ze zpracovávaných období, tj. 1. 4. 14. 5. 2007 jarní epizodě zvýšených koncentrací přízemního ozonu. Na prvním z nich jsou zakresleny rozdíly průměrné denní koncentrace přízemního ozonu za celé období tak, jak byly zjištěny pro dané místo na základě výpočtu dle modelu CAMx a na základě měření na uvedených meteorologických stanicích v rámci ČR. Modelový výpočet byl přitom proveden ve třech variantách, a to bez zahrnutí vlivu BVOC a se dvěma scénáři jejich emisí. Tyto scénáře (BC, EXP0, EXP1) již byly charakterizovány v předcházející části článku. Rozdíly (model versus měření) jsou vyjádřeny relativně (v %) tak, že modelově spočtené veličiny se odečítají od jim příslušejících výsledků měření, přičemž výsledek měření představuje 100 %. Zcela obdobně je konstruován obr. 5, jsou na něm prezentovány analogické relativně vyjádřené rozdíly, avšak vztažené nikoli k průměrným, ale k maximálním denním koncentracím přízemního ozonu za stejné období. Již letmý pohled na diskutované obr. 4 a 5 svědčí o tom, že modelové výsledky dosti systematicky podhodnocují výsledky měření v určitém rozpětí cca kolem 30 %. Zároveň je patrno, že zahrnutí emisí BVOC do modelových výpočtů toto podhodnocení systematicky, i když nijak dramaticky, snižuje, tzn. že emise BVOC se pozitivně projevují na modelových výsledcích ohledně produkce přízemního ozonu. Právě uvedené závěry kvalitativně dobře souhlasí i se zatím jen předběžnými porovnáními modelových výstupů na oblasti D1 zahrnující větší část Evropy a Středomoří. Zcela analogická srovnání provedená pro některé zahraniční evropské meteorologické stanice ukazují ve stejném jarním období obdobná podhodnocení modelových výsledků vůči měření přízemního ozonu, a to zejména v širokém, přibližně zonálním pásu táhnoucím se od zemí Beneluxu přes střední a severní Německo, Českou republiku, jižněji položené oblasti Polska na Ukrajinu až do průmyslové oblasti Donbasu. Naproti tomu zmíněné předběžné závěry nasvědčují tomu, že ve středomořské oblasti jsou v tomtéž období i samy absolutní hodnoty modelových koncentrací přízemního ozonu získané pomocí modelu CAMx v podstatně lepší shodě s měřeními. Pro podrobnější představu o vztahu modelových odhadů koncentrací přízemního ozonu dle modelu CAMx k měřeným hodnotám uvádíme dále obr. 6 11, na nichž nalézáme průběh denních koncentrací přízemního ozonu dle modelových výpočtů a dle měření na šesti pozaďových stanicích z území ČR (Kuchařovice, Mikulov-Sedlec, Košetice, Svratouch, Souš a Žatec) pro první z uvažovaných období (1. 4. 14. 5. 2007). Zeměpisná poloha těchto stanic je zřejmá z obr. 12. I zde je dobře patrné, že modelové výsledky jsou systematicky podhodnoceny ve srovnání s výsledky dle měření, přičemž zahrnutí biogenních emisí těkavých organických látek se kvalitativně pozitivně, i když málo výrazně, podílí v tomto směru na zlepšení modelových výsledků. Právě diskutované výsledky jsou však zajímavé především pro velmi dobrou shodu mezi modelem a skutečností (staničními měřeními) v relativním časovém průběhu denních koncentrací přízemního ozonu, který v zásadní míře souvisí 86 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

Obr. 20 Pole průměrných koncentrací přízemního ozonu dle modelové simulace CAMx bez zahrnutí BVOC (BC) pro území ČR a období 1. 7. 30. 8. 2010. Obr. 21 Pole průměrných koncentrací přízemního ozonu dle modelové simulace CAMx se zahrnutím BVOC ve verzi EXP0 pro území ČR a období 1. 7. 30. 8. 2010. Fig. 20. Mean surface ozone concentrations for CAMx model simulation without BVOC (version BC), territory of the Czech Republic, period 1. 7. 30. 8. 2010. Fig. 21. Mean surface ozone concentrations for CAMx model simulation with BVOC (version EXP0), territory of the Czech Republic, period 1. 7. 30. 8. 2010. Obr. 22 Pole průměrných koncentrací přízemního ozonu dle modelové simulace CAMx se zahrnutím BVOC ve verzi EXP1 pro území ČR a období 1. 7 30. 8. 2010. Obr. 23 Relativní rozdíly koncentrací zobrazených na obr. 22 a obr. 20. Fig. 22. Mean surface ozone concentrations for CAMx model simulation with BVOC (version EXP1), territory of the Czech Republic, period 1. 7. 30. 8. 2010. Obr. 24 Relativní rozdíly koncentrací zobrazených na obr. 22 a obr. 21. Fig. 24. Relative differences between concentrations presented in Fig. 22 and Fig. 21. s průběhem meteorologických podmínek. Tato shoda je z obr. 6 11 zcela evidentní a pečlivý čtenář zde může porovnávat časové průběhy modelových i měřených denních koncentrací přízemního ozonu dle obr. 6 11 s obr. 2 3, dokumentujícími časový průběh meteorologických podmínek daných průměrnými denními teplotami a průměrnými denními toky globálního slunečního záření. Jistě bude souhlasit se závěrem, že i zde nalézáme zásadní shodu. Již jsme zběžně uvedli, že předběžné výsledky modelových výpočtů na evropsko-středomořské oblasti D1 svědčí Meteorologické Zprávy, 64, 2011 Fig. 23. Relative differences between concentrations presented in Fig. 22 and Fig. 20. o tom, že ve Středomoří model CAMx vykazuje ve srovnání s měřeními přízemního ozonu poměrně dobrou shodu i pokud jde o absolutní hodnoty koncentrací. Jako alespoň ilustrační informaci v tomto směru přinášíme obr. 13, jenž je zcela analogický k obr. 6 11, ukazuje však porovnání modelových výsledků a měření přízemního ozonu pro španělskou stanici Niembro (43 26'32" N, 4 51'1" W). Je zřejmé, že výrazné modelové podhodnocování koncentrací přízemního ozonu se zde v míře srovnatelné s tím, co jsme uvedli pro území ČR, rozhodně nevyskytuje. Povšimněme si nyní vybraných výsledků vztahujících se ke druhému modelovému období představovanému kalendářově vrcholným létem 1. 7. 30. 8. 2010. Obr. 14 je protějškem k již diskutovanému obr. 4, ale ukazuje poněkud odlišné výsledky. Kladná procenta vyjadřují, stejně jako na obr. 4, skutečnost, že modelový výsledek o příslušný počet procent podhodnocuje průměrné hodnoty měřených denních koncentrací přízemního ozonu, zatímco záporná procenta vyjadřují analogické relativní nadhodnocení modelových výsledků vůči výsledkům založeným na měření. Vyskytují se zde v závislosti na jednotlivých stanicích modelová podhodnocení i nadhodnocení, přičemž mírnou převahu zřejmě mají nadhodnocení modelových výsledků vůči skutečnosti. Model v tomto období evidentně poskytuje pro stanice v ČR absolutní hodnoty průměrných denních koncentrací přízemního ozonu v daleko lepší shodě s měřením, než tomu bylo v již uvedeném jarním období. Radiačně poněkud výraznější (z hlediska výšek Slunce nad obzorem) období vrcholného léta se 87

proto zdá být vhodnější z hlediska nastavení citlivých modelových poměrů pro fotochemické reakce v modelu CAMx. Je to v plné shodě s tím, co jsme již naznačili ohledně předběžných porovnání výsledků modelu CAMx v prvním období pro středoevropské poměry a pro Středomoří. Obrázek založený na zpracování maximálních koncentrací ozonu, jenž by byl analogický obr. 5, neuvádíme pro úsporu místa, neboť by z něho plynuly zcela obdobné závěry. Protějškem k obr. 6 11 jsou nyní prezentované obr. 15 19. Jde o stejné meteorologické stanice, není zahrnuta pouze stanice Žatec, na níž byla měření již zrušena. Pro právě zmíněných pět stanic a období 1. 7. 30. 8. 2010 přinášíme srovnání průměrných denních chodů koncentrací přízemního ozonu tak, jak byly stanoveny na základě modelových výpočtů (opět ve třech již popsaných scénářích pro BVOC) a staničních měření. Zřejmě můžeme i zde konstatovat, že model z kvalitativního hlediska realisticky vyhodnocuje denní změny koncentrací přízemního ozonu, přičemž modelové chody jsou vůči svým měřeným protějškům poněkud méně výrazné. Určité shlazování časového průběhu modelovaných veličin vůči realitě je však velmi častým, možno říci obvyklým rysem modelových výsledků. Celkové podhodnocení modelových výpočtů koncentrací přízemního ozonu vůči měřeným hodnotám se přitom vyskytuje pouze na stanici Svratouch. Závěrečná sada obrázků by v rámci tohoto příspěvku měla poskytnout alespoň základní informaci o modelových prostorových polích koncentrací přízemního ozonu. Série obrázků 20 22 ukazuje rozložení průměrné denní koncentrace přízemního ozonu za období 1. 7. 30. 8. 2010 na území ČR tak, jak bylo modelově spočteno pro již zmíněné scénáře emisí těkavých organických látek BC, EXP0 a EXP1. Obr. 23 a 24 posléze dokumentují relativní rozdílová pole (zvýšení) koncentrací přízemního ozonu mezi případy zahrnujícími BVOC v obou variantách a bez biogenních emisí, tj. obr. 23 pro EXP1 BC a obr. 24 pro EXP1 EXP0. Lze si tak učinit představu o citlivosti modelových výstupů na zahrnutí BVOC do příslušných fotochemických procesů. 5. ZÁVĚR Shrneme-li to, co bylo dosud řečeno v tomto příspěvku, můžeme uzavřít tak, že použitá verze modelu CAMx zřejmě v oblasti střední Evropy v prvním (jarním) období podhodnocuje koncentrace přízemního ozonu, a to ve srovnání s měřenými hodnotami v určitém rozmezí kolem cca třetiny hodnot měřených denních koncentrací. V radiačně výraznějším letním období však k tomuto podhodnocení nedochází. Relativní časový průběh ozonových koncentrací, související mj. s jejich denním chodem a obecně se vztahem k proměnným meteorologickým faktorům (zejména k příkonu globálního slunečního záření a k teplotě vzduchu), je obecně modelován velmi dobře. Uvedli jsme rovněž, že předběžné výsledky nasvědčují tomu, že v oblasti Středomoří ke zmíněnému modelovému podhodnocení absolutních hodnot koncentrací přízemního ozonu nedochází ani na jaře. Lze proto vyslovit pracovní hypotézu, jež by měla být podnětem pro navazující práce s modelem CAMx, že po stránce chemických a fotochemických reakcí je tento model dobře adjustován pro slunečné podmínky středomořské oblasti a u nás pro vrcholně letní období, zatímco v méně slunečných podmínkách (zejména z hlediska výšky Slunce nad obzorem) je pravděpodobně poněkud nadhodnocena spotřeba ozonu na transformaci NO na NO 2 vůči jeho produkci fotolýzou NO 2. Pokud jde o biogenní těkavé organické látky (BVOC) potvrzují modelové výsledky kvalitativně jednoznačně jejich pozitivní vliv na produkci přízemního ozonu. Zvýšení modelových koncentrací ozonu po zahrnutí BVOC je však jen relativně nevelké ve srovnání s koncentracemi, jež byly spočteny při bězích modelu pouze s VOC antropogenního původu. Při uvedených modelových simulacích však nedošlo nikdy k tomu, že by zahrnutí BVOC snížilo produkci přízemního ozonu. Z toho lze usoudit, že při současné úrovni emisí oxidů dusíku není u nás vyčerpán potenciál těkavých organických látek pozitivně přispívat ke zvyšování koncentrací přízemního ozonu. Poděkování Výsledky prezentované v této práci byly dosaženy s podporou grantu Grantové agentury UK č. 153707 Návrh metodiky odhadu biogenních emisí v České republice a grantu MŽP SP/1a4/107/07 Zdokonalení a zpřesnění modelování znečištění ovzduší a získání podkladů pro predikci zdravotního rizika. Poděkování patří též ČHMÚ za poskytnutá data. Literatura [1] ZEMÁNKOVÁ, K. BRECHLER, J. BEDNÁŘ, J., 2010. Modelový odhad emisí biogenních těkavých organických látek na území České republiky. Meteorologické Zprávy, roč. 63, č. 6, s. 174 180. [2] ENVIRON. Dostupné na: http://www.camx.com [3] CAMx User s guide, version 5.10, ENVIRON 2009. [4] ZEMÁNKOVÁ, K., 2010. Study of links between biogenic VOC emissions and concentration of tropospheric ozone. [Doktorská disertace.] Praha: Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta, katedra meteorologie a ochrany prostředí. 116 s. [5] GON, H. D. van der, VISSCHEDIJK, A. BRUGH, H. van der DRÖGE, R. KUENEN, J., 2009. MEGAPOLI scientific report 09-02, a base year (2005), MEGAPOLI European gridded emission inventory (1st. version). Dostupné na: http://megapoli.dmi.dk/publ/megapoli_ sr09-02.pdf [6] USGS. http://edc2.usgs.gov/glcc/euras_int.php [7] KÖBLE, R. SEUFERT, G., 2001. Novel maps for forest tree species in Europe. Dostupné na: http://afoludata.jrc. ec.europa.eu/img/tree_species_maps.pdf Poznámka: Platnost webových stránek ad [2, 6, 7] je dle doby revize rukopisu (květen 2011) Lektor (Reviewer) RNDr. J. Keder, CSc. 88 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

BISHOPŮV KRUH A DALŠÍ OPTICKÉ JEVY NA ČÁSTICÍCH VULKANICKÉHO POPELA NEBO POUŠTNÍHO PÍSKU V ATMOSFÉŘE Jan Bednář, Matematicko-fyzikální fakulta UK, Katedra meteorologie a ochrany prostředí, V Holešovičkách 2, 180 00 Praha 8, kmop@mff.cuni.cz Martin Popek, martin.brahe@o2active.cz Bishop s circle and another optical phenomena on particles of volcanic ash or desert sand in the atmosphere. Representative selection of pictures with optical atmospheric phenomena captured in 2010 with comments. KLÍČOVÁ SLOVA: jevy atmosférické optické Bishopův kruh paprsky krepuskulární korona sluneční KEY WORDS: optical atmospheric phenomena Bishop s circle Crepuscular rays corona around the Sun V posledním čísle loňského ročníku Meteorologických zpráv byl otištěn článek autorů K. Zemánkové, J. Brechlera a J. Bednáře, který obsahoval výzvu, zda někdo z našich čtenářů nepozoroval v souvislosti s dubnovým výbuchem islandské sopky Eyjafjallajokull optický jev nazývaný Bishopův kruh. Tato výzva nezůstala bez ohlasu, redakce obdržela velice pěkný snímek tohoto úkazu od pana M. Popka, a to zároveň s nabídkou dalších snímků optických atmosférických jevů souvisejících s přítomností vysokých koncentrací pevných částic v atmosféře, pocházejících i z jiných sopečných výbuchů nebo z písečných pouštních bouří. Zde přinášíme určitý reprezentativní výběr z těchto Obr. 1 Bishopův kruh vzniklý na prachu z výbuchu islandské sopky Eyjafjallajokull. 20. 4. 2010, Nýdek, ČR. Fig. 1. Bishop s circle on the dust from the eruption of the Iceland volcano Eyjafjallajokul. 20 April 2010, the village of Nýdek, Czech Republic. Obr. 3 Barevný soumrak a krepuskulární paprsky při znečištění vzduchu částicemi saharského písku. 22. 9. 2010, Nýdek, ČR. Fig. 3. Coloured nightfall and crepuscular rays at air pollution caused by particles of the Sahara sand. 22 September 2010, the town of Nýdek, Czech Republic. Obr. 4 Barevný západ Slunce související se znečištěním ovzduší částicemi pocházejícími z výbuchu islandské sopky Eyjafjallajokull. 16. 4. 2010, Radostovice, ČR. Fig. 4. Coloured sunset relating to air pollution caused by particles originated in the eruption of the Iceland volcano Eyjafjallajokull. 16 April 2010, the village of Radostovice, Czech Republic. Obr. 2 Korona kolem Slunce vzniklá na prachových částicích pocházejících z mexické pouště Chihuahuanan. 14. 1. 2010, Kuba. Fig. 2. Corona around the Sun created on dust particles originated in the Mexican desert Chihuahuanan. 14 January 2010, Cuba. snímků, na němž může laskavý čtenář spatřit několik výrazných optických úkazů. V první řadě jde o samotný, již zde zmíněný, Bishopův kruh, jenž (obr. 1) se jeví jako červenohnědý prstenec kolem Slunce s vnitřním okrajem načervenalým. Jeho vnitřní (vněj- Meteorologické Zprávy, 64, 2011 89

Obr. 5 Barevný západ Slunce, antikrepusculární paprsky, nahoře stín Země (Venušin pás) úkaz způsobený saharským pískem. 23. 8. 2010, Jaderské moře, Chorvatsko. Fig. 5. Coloured sunset, anticrepuscular rays, on top the Earth s shadow (Venus belt) phenomenon caused by the Saharan sand. 23 August 2010, Adriatic Sea, Croatia. Obr. 6 Červený odstín Měsíce při silném prachovém znečištění atmosféry, které způsobily aerosoly ze sopky Sarychev. 27. 8. 2009, Nýdek, ČR. Fig. 6. Red shade of the Moon during the heavy dust atmospheric pollution which was caused by aerosols of the Sarychev volcano. 27 August 2009, Nýdek, Czech Republic. ší) okraj mívá nejčastěji úhlový poloměr kolem 10 (20) úhlových stupňů. Tyto úhlové rozměry se zvětšují zejména při polohách slunečního disku nízko nad obzorem. Právě popsaný jev byl poprvé v literatuře prezentován na základě pozorování S. Bishopa v Honolulu r. 1883 po známém výbuchu tichomořské sopky Krakatoa. Jde o ohybový optický úkaz vznikající ohybem slunečních paprsků na konturách částic vulkanického popela rozptýlených ve vyšších hladinách atmosféry. Z dalších optických úkazů lze na zde prezentovaných fotografiích sledovat výrazně zesílené rozptýlené sluneční záření přicházející z části oblohy bezprostředně přiléhající ke slunečnímu disku. Je to důsledek skutečnosti, že u částic atmosférického aerosolu má rozptylová indikatrice pro viditelné záření (světlo) silně asymetrický tvar s výrazným dopředným lalokem, tj. s protažením ve směru původně dopadajících paprsků. Jde vlastně o jev obdobný koroně, již má čtenář pravděpodobně spíše v povědomí v souvislosti s ohybem slunečních (měsíčních) paprsků na vodních kapičkách řidších vodních oblaků, mlhy nebo kouřma. V případech ohybu a dopředného rozptylu na aerosolových částicích však nebývají pozorována zřetelnější barevná maxima a minima (soustředné barevné kroužky kolem světelného zdroje), což souvisí s rozmanitě nepravidelnými tvary prachových částic a širším spektrem jejich velikostí. Na několika fotografiích jsou dobře patrné tzv. krepuskulární paprsky, vytvářené v těchto případech při polohách slunečního disku nehluboko za obzorem stíny vrženými vzhůru velkými shluky prachových částic, nalézajícími se též za obzorem. Tyto paprsky tvoří jakoby vějíř rozvíjející se ze Slunce vzhůru a bývají někdy doprovázeny podstatně slabšími tzv. antikrepuskulárními paprsky vycházejícími z bodu na nebeské sféře protilehlého poloze Slunce. Je to důsledek určitých zrcadlících vlastností zemské atmosféry, jejichž základ spočívá již v molekulárním rozptylu světla. Čtenáře jistě upoutají i působivé červánkové jevy (tzv. barevné západy Slunce) při epizodách vysokých koncentrací sopečného popela nebo zvířeného pouštního písku v atmosféře. Na jednom snímku zachycujícím situaci po západu Slunce je dobře patrný stín Země, poeticky někdy nazývaný Venušin pás (obr. 5). V odborné literatuře se tento jev též běžně označuje jako soumrakový oblouk. Obr. 7 Barevný západ Slunce, krepusculární paprsky při znečištění atmosféry aerosoly ze sopky Sarychev. 23. 8. 2009, Nýdek, ČR. Fig. 7. Coloured sunset, crepuscular rays during atmospheric pollution by aerosols of the Sarychev volcano. 23 August 2009, Nýdek, Czech Republic. Obr. 8 Krepusculární paprsky a barevný soumrak při znečištění atmosféry aerosoly ze sopky Kasatoki. 31. 8. 2008, Nýdek, ČR. Fig. 8. Crepuscular rays and coloured twilight during the atmospheric pollution by aerosols of the Kasatoki volcano. 31 August 2008, Nýdek, Czech Republic. Obr. 9 Barevný západ Slunce, krepusculární paprsky související se znečištěním atmosféry sopkou Sarychev. 27. 8. 2009, Nýdek, ČR. Fig. 9. Coloured sunset, crepuscular rays relating to the atmospheric pollution of the Sarychev volcano. 27 August 2009, Nýdek, Czech Republic. 90 Meteorologické Zprávy, 64, 2011

PŘECHOD OD TRADIČNÍCH ALFANUMERICKÝCH KÓDŮ KE KÓDU FM 94 BUFR PRO VÝMĚNU METEOROLOGICKÝCH DAT Eva Červená, Český hydrometeorologický ústav, Na Šabatce 2050/17, 143 06 Praha 4-Komořany, cervena@chmi.cz Migration from traditional alphanumeric code forms to FM 94 BUFR for the exchange of meteorological data. The paper is aimed at providing information on the purpose and current status of implementation of the WMO project Migration to Table-driven Code Forms, in particular to FM 94 BUFR as a universal binary data format in which any measured or observed data can be efficiently represented as well as voluminous data files archived. The Plan for the Migration to Table-driven Code Forms is discussed including the updated timetable reflected in the Migration Matrix. KLÍČOVÁ SLOVA: BUFR TDCF Světová meteorologická organizace tradiční alfanumerický kód migrace k TDCF KEY WORDS: BUFR TDCF Word Meteorological Organization traditional alphanumeric code migration to TDCF 1. ÚVOD Systém kódů Světové meteorologické organizace (SMO) pro prezentaci a výměnu meteorologických dat obsahuje desítky různých tradičních alfanumerických kódů (TAC). Každý z nich byl vytvořen pro určitý typ dat a má pevnou strukturu definovanou tvarem kódu [1]. Tyto kódy nejsou schopny plnit požadavky na zařazování nových prvků, na detailní popis dat, vyšší přesnost apod. Kromě toho při zpracování dat je nutné vytvářet a udržovat řadu kódovacích a dekódovacích programů pro každou kódovou formu zvlášť. Vznikla proto potřeba vytvořit univerzální datový formát, ve kterém by bylo možné efektivně vyjádřit jakékoliv měřené nebo pozorované údaje a ve kterém je možná i výměna a archivace velkých souborů dat. Tyto požadavky splňuje binární kód FM 94 BUFR (Binary Universal Form for the Representation of meteorological data) [2]. Užití binárních formátů je však limitováno technickou úrovní meteorologické služby, a proto byl vytvořen kód FM 95 CREX (Character form for the Representation and EXchange of data) [2] jako znaková analogie binárního kódu BUFR. Pro reprezentaci dat v pravidelné síti bodů slouží binární kód FM 92 GRIB (General Regularly-distributed Information in Binary form) [2]. Kódy GRIB, BUFR a CREX jsou společně uváděny pod názvem Table Driven Code Forms (TDCF). Flexibilita TDCF je umožněna tím, že obsahují kromě vlastních dat také jejich popis. BUFR a CREX mohou vyjádřit jakékoliv měřené nebo pozorované údaje, případně další doplňující informace. BUFR a zejména GRIB jsou velmi efektivní, co se týká objemu dat. Datový soubor ve formátu BUFR vyžaduje jen asi poloviční paměť ve srovnání se stejným datovým souborem v tradičních znakových kódech [3]. Naproti tomu data v kódu CREX jsou delší než tatáž data v tradičních kódech. Předností kódu CREX je nenáročnost na komunikační prostředky a možnost přímého čtení. 2. KÓD BUFR 2.1 Tvar a pravidla kódu BUFR Tvar kódu BUFR je uveden v tab. 1. Podrobný popis jednotlivých položek v tab. 1 a pravidla kódu BUFR jsou uvedena v [2]. 2.2 Deskriptory v kódu BUFR Flexibilita a univerzálnost kódu BUFR je umožněna tím, že každá zpráva obsahuje kompletní popis uvedených dat pomocí sekvence tzv. deskriptorů. Deskriptory definují nebo popisují data, která jsou uvedena v datové sekci zprávy. Deskriptor může mít podobu deskriptoru datových prvků, replikačního deskriptoru, operátorového deskriptoru nebo sekvenčního deskriptoru [2]. Systém deskriptorů v kódech BUFR a CREX je konstruován analogickým způsobem, což umožňuje jednoduchou konverzi mezi oběma formáty [4]. Deskriptory jsou definovány v tabulkách deskriptorů (BUFR Tables [2]) a veškeré operace s daty (kódování, dekódování) se provádí na základě těchto deskriptorů. Proto BUFR patří do skupiny Table-driven Code Forms. Deskriptory datových prvků jsou definovány v BUFR Table B Classification of elements, operátorové deskriptory v BUFR Table C Data description operators a sekvenční deskriptory v BUFR Table D List of common sequences. Tabulky deskriptorů je možné podle potřeby doplňovat o další deskriptory. Pokud se objeví nový požadavek na určitá data, stačí definovat nové deskriptory pro tento druh dat a vytvořit novou datovou sekvenci deskriptorů. Potom se modifikují pouze příslušné tabulky deskriptorů, kódovací a dekódovací programy není nutné upravovat. Tab. 1 Tvar kódu BUFR. Table 1 BUFR Code Form. Obsah Sekce 0 BUFR, délka zprávy, číslo vydání kódu Sekce 1 Identifikační sekce Délka sekce, základní označení tabulek, identifikace centra a sub-centra, číslo vydání zprávy, identifikace zařazení volitelné sekce, kategorie dat a sub-kategorie dat, číslo verze tabulek a lokálních tabulek, kompletní časová identifikace zprávy Sekce 2 (Volitelná sekce) Délka sekce, obsah sekce volitelný pro lokální využití Sekce 3 Sekce deskriptorů, tj. sekce popisující data Délka sekce, počet sub-setů ve zprávě, identifikace typu dat, identifikace komprese dat, a výčet deskriptorů, které definují data v Sekci 4 Sekce 4 Datová sekce Délka sekce a binární data definovaná deskriptory v Sekci 3 Sekce 5 Konec dat 7777 Meteorologické Zprávy, 64, 2011 91

Tab. 2 Harmonogram migrace k TDCF [6]. Table 2 Timetable for Migration to TDCF [6]. Poznámky k termínům v tab. 2: Všechny termíny jsou míněny ne později než. Start of experimental exchange (Začátek experimentální výměny): data jsou k dispozici v kódu BUFR (nebo CREX), ale nikoliv operativně, tj. navíc ještě k datům v tradičních alfanumerických kódech (TAC), které jsou stále prioritní pro operativní výměnu. Start of operational exchange (Začátek operativní výměny): data v kódu BUFR (nebo CREX) jsou využívaná jen některými národními centry operativně. Výměna všech dat v tradičních kódech však pokračuje (paralelní výměna dat). Migration complete (Migrace kompletní): Výměna dat v kódu BUFR (nebo CREX) se stává standardní procedurou SMO. Paralelní výměna dat v TAC a TDCF může pokračovat, ale produkce dat v tradičních kódech může být kdykoliv ukončena po relevantním předběžném oznámení. Parallel distribution of TAC and BUFR stopped (Paralelní výměna dat v TAC a BUFR ukončena): Paralelní výměna dat v TAC a BUFR bude ukončena. Pro archivaci dat a v případě národních center, pro které výměna dat v kódu BUFR (nebo CREX) bude stále ještě problémem, data v TAC mohou být použita jen pro výměnu mezi dvěma národními službami. 2.3 Radiosondážní data v kódu BUFR Efektivnost přechodu ke kódu BUFR lze ukázat na příkladu radiosondážních dat. Výměna těchto dat v tradičním kódu FM 35 TEMP se realizuje pomocí čtyřech bulletinů, tj. částí A, B, C a D, které obsahují pouze standardní nebo význačné hladiny. Reprezentace těchto dat v kódu BUFR umožňuje zařadit celé radiosondážní měření do jediné zprávy, přičemž každá hladina obsahuje kompletní údaje, tj. hodnoty tlaku, geopotenciální výšky, teploty, teploty rosného bodu, směru a rychlosti větru jsou k dispozici ve všech hladinách, což neplatí pro význačné hladiny v kódu TEMP. Měřené údaje v každé hladině jsou ještě navíc doplněny časovou a prostorovou identifikací, která je nezbytná pro 4-D asimilaci dat (kód TEMP není schopen popsat snos sondy ani přesný čas měření jednotlivých dat). Kromě toho je ještě možné zařadit data s vysokým vertikálním rozlišením, např. radiosondážní data v kódu BUFR z observatoře Praha-Libuš obsahují nejen všechny požadované standardní a význačné hladiny, ale také data s vertikálním rozlišením 5 vteřin v jediném bulletinu IUSD01 OKPR. 3. MIGRAČNÍ PLÁN SMO 3.1 Harmonogram pro přechod od tradičních kódů ke kódu BUFR V rámci činnosti Komise pro základní systémy (CBS) byl vypracován Migrační plán SMO (Plan for the Migration to Table- Obr. 1 Konverze TAC <=> TDCF mezi zónou A a zónou B [8]. Fig. 1. Conversion TAC <=> TDCF between a zone A and a zone B [8]. 92 Meteorologické Zprávy, 64, 2011