Klasyfikacja termiczna miesiąca

Jak z pewnością wiecie, od dłuższego czasu prezentuję tu mapy podsumowujące dany miesiąc w Polsce pod względem termicznym. Niestety jak to zwykle bywa, dla większości nie jest do końca jasne, co konkretna wartość odchylenia od średniej z danego okresu wieloletniego oznacza i jak ją rozumieć. Zresztą nie dziwne, bowiem sprawa nie jest taka oczywista, jakby się mogło wydawać.

Światowa Organizacja Meteorologiczna zaleca używanie okresu bazowego 1961-1990, jako odniesienia do oceny anomalii danego miesiąca. Okres ten będzie zmieniony w 2021 r. na 1991-2020. Dla wielu z nas sam okres 1961-1990 jest już dość archaiczny, a postępujące ocieplenie klimatu, spowodowało, że często wartość odchylenia danego miesiąca nie jest spójna z naszym subiektywnym odczuciem. Bardzo ładnie to widać chociażby po subiektywnym odczuciu tego, jakie było lato. Lipiec, który w latach 1961-1990 był „w normie”, obecnie uznany będzie jako chłodny. Większość przyzwyczaiła się bowiem do ciepłych lat, jakie pojawiły się głównie w ostatniej dekadzie. Ostatnio taka rzecz miała miejsce w 2011 r., kiedy lipiec na znacznym obszarze kraju zbliżył się do średniej z lat 1961-1990 i rzecz jasna został przez wielu okrzyknięty skrajnie chłodnym, chociaż pod względem średniej temperatury tylko w województwie lubuskim był nieco (o 0.1°C) poniżej średniej z wspomnianego okresu referencyjnego.

Wiele osób stosuje również te same kryteria dla oceny różnych miesięcy, np. 2°C poniżej średniej = bardzo zimny. Jest to poważny błąd, ponieważ ocena danego miesiąca powinna opierać się o statystykę właśnie tego miesiąca, a nie z góry ustalone przedziały. Dla przykładu – wspomniane odchylenie o -2°C w przypadku lipca jest rzeczywiście istotne i lipiec taki należy scharakteryzować jako bardzo zimy, dlatego że w historii było stosunkowo mało lipców z takim odchyleniem. Inaczej jest jednak w styczniu, kiedy udział odchyleń <= -2°C jest tu znacznie większy – czyli, że stycznie z odchyleniem <= -2°C zdarzają się o wiele częściej, niż ma to miejsce w przypadku lipca. Reasumując – odchylenie = -2°C dla lipca oznacza, że jest on bardzo chłodny, a dla stycznia jedynie że jest chłodny.

Poradzić sobie z tym problemem można np. standaryzując odchylenia, tak jak proponuje to H. Lorenc (2000) [2], czyli dzieląc bezwzględne odchylenie temperatury przez odchylenie standardowe danego miesiąca. Ponieważ odchylenie standardowe stycznia jest o wiele większe, niż lipca, w ten sposób odchylenie standaryzowane będzie dla niego niższe, niż w przypadku lipca dla tej samej wartości bezwzględnej. Takie odchylenie standaryzowane jest ogólnie przyjęte i używane przez wiele osób. Nie jest jednak doskonałe.

Wiele problemów związanych z klasyfikacją termiczną miesięcy (czy też dowolnych okresów, np. dekad, czy pór roku) poruszyli B. Czernecki i M. Miętus (2011) [1]. Sporym problemem wynikającym z stosowania metody Lorenc jest fakt, ze w wielu przypadkach otrzymujemy „puste klasy”, tj. brakuje np. styczni ekstremalnie ciepłych, podobnie rzecz się ma z ekstremalnie chłodnymi lipcami. Co więcej, nawet styczeń rekordowo ciepły w okresie ostatnich 200 lat może nie być zaklasyfikowany, jako miesiąc ekstremalnie ciepły, co samo w sobie jest kuriozalne. Dzieje się tak wtedy, kiedy rozkład anomalii jest dość różny od rozkładu normalnego – najzimniejsze stycznie charakteryzowały się odchyleniami o 10-11°C poniżej średniej z wielolecia, ale najcieplejsze miały odchylenia zaledwie +6°C. W przypadku temperatury średniej rocznej w wielu miejscach brakuje lat nie tylko ekstremalnie ciepłych, ale i anomalnie ciepłych.

Inną metodą klasyfikacji termicznej jest stosowanie przedziałów kwantylowych, co dokładnie opisują autorzy w [1]. Z grubsza oszacowanie to polega na ustaleniu, ile procent miesięcy jest chłodniejszych (cieplejszych) od zadanej wartości. Na tej podstawie ustalane są przedziały klas – dla przykładu styczeń ekstremalnie chłodny to taki,  którego odchylenie w zadanym okresie bazowym jest niższe, niż ma 5% najchłodniejszych styczni w tym okresie. Z drugiej strony, styczeń ekstremalnie ciepły to taki, którego odchylenie w zadanym okresie bazowym jest wyższe, niż ma 95% styczni w tym okresie (czyli zaledwie 5% styczni jest cieplejszych). Kwantylowa klasyfikacja termiczna przedstawia się więc jak poniżej:

Przy zastosowaniu klasyfikacji kwantylowej znika nam problem braku miesięcy ekstremalnie chłodnych, czy ekstremalnie ciepłych. Niestety ta metoda ma również swoje wady – niekiedy niektóre klasy są bardzo wąskie, szczególnie w przypadku miesięcy, czy pór roku charakteryzujących się małą zmiennością (np. jesienią).

Nie mniej jednak postanowiłem zaadaptować tą metodę u siebie, głównie po to by w rzetelny (mam nadzieję) sposób przedstawić charakterystykę termiczną danego miesiąca. Dodatkowo, ponieważ dość często dany miesiąc ma różny charakter w różnych regionach naszego kraju (np. kwiecień 2013, który był zdecydowanie chłodniejszy na północy kraju, niż na południu), postanowiłem rozszerzyć tą charakterystykę na województwa.

Szybko okazało się, że standardowe 30-letnie okresy referencyjne są za krótkie, by dobrze to przedstawić. Jak wspominałem, okres referencyjny 1961-1990 jest trochę za stary, by odpowiadał subiektywnym odczuciom, jednak jest lepszy od okresu 1981-2010 pod innym względem – w okresie 1981-2010 mieliśmy do czynienia z silnym wzrostem temperatury. Doprowadziło to do sytuacji, w której w danym szeregu wartości z tego okresu więcej jest wartości dodatnich, aniżeli ujemnych (choć ponieważ oczywiście średnia z tego szeregu wynosi dokładnie 0, oznacza to że te liczby ujemne osiągały większe wartości bezwzględne). To zaś doprowadziło do tego, że mediana w sposób znaczący jest wyższa od średniej – w konsekwencji w województwie lubuskim rok z odchyleniem lekko dodatnim (+0.04) scharakteryzowany został jako rok chłodny.

W sposób oczywisty należy tu użyć okresu referencyjnego po pierwsze dłuższego, po drugie charakteryzującego się mniejszym trendem. Postanowiłem więc rozszerzyć okres referencyjny z 1961-1990 do 1951-2010, co pozwoliło wyeliminować powyższy problem, dodatkowo nieco rozszerzyło niektóre klasy.

Przykładowa prezentacja odchylenia w rozbiciu na poszczególne województwa może wyglądać jak poniżej:

Gdzie liczbowo podano odchylenie od zadanego okresu referencyjnego (szereg odchyleń od średniej 1961-1990 przeliczany jest automatycznie na zadany nowy okres referencyjny), oraz w nawiasie podano klasę do której dany miesiąc należy. Dodatkowo, jeśli dla danego obszaru (województwa) był on rekordowy – jest to oznaczone literą w odpowiednim kolorze. Kwestią sporną może być okres, dla którego liczone są rekordy. Mniejsza powierzchnia województw prowadzi do wzrostu błędu oszacowania danej wartości, co w konsekwencji powoduje, że dane przed 1881 mogą być obarczone znacznie większą niepewnością, niż w przypadku całego kraju.

Na powyższej mapie widzimy, że na obszarze sześciu województw lipiec 2011 mógłby być scharakteryzowany jako chłodny, zaś na krańcach północno-wschodnich był to miesiąc ciepły. Taka różnica mogła zdecydowanie wpłynąć na subiektywne odczucia mieszkańców różnych województw, być może prowadzących nawet do swego rodzaju sporów odnośnie charakteru tego miesiąca.

Dość podobny obraz uzyskamy w Biuletynie Monitoringu Klimatu Polski. Różnica to fakt, że w zachodniej części kraju miesiąc scharakteryzowano jako „w normie”, co wynika z zastosowania innego okresu referencyjnego (1971-2000).

Przykładowa prezentacja serii temperatury dla danego miesiąca mogłaby wyglądać następująco:

Na koniec należy powiedzieć, że nie ma czegoś takiego, jak „jedynie słuszna klasyfikacja”. Stosując daną metodę klasyfikacji należy sobie jednak zdawać sprawę zarówno z jej zalet, jak i niedoskonałości, a przede wszystkim próbować stosować metodę najlepszą dla konkretnego przypadku.

[1] Czernecki B., Miętus M., 2011, „Porównanie stosowanych klasyfikacji termicznych na przykładzie wybranych regionów Polski”, Przegl. Geof. 56 (3-4), 201-233

[2] Lorenc H., 2000, „Termiczno-opadowa ocena klimatycznych sezonów roku w Polsce oraz tendencje czasowo–przestrzenne”. Projekt badawczy M-9, IMGW, Maszynopis.