Nowe typowe lata meteorologiczne dla Polski

W artykule przedstawiono wyniki prac związanych z wyznaczeniem nowych typowych lat meteorologicznych dla Polski, obliczonych na podstawie dostępnych danych meteorologicznych ze stacji synoptycznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej oraz modeli powtórnej analizy wstecznej bazy danych ERA5 systemu Copernicus obejmujących lata 2001–2020.

Wyznaczone w 2004 roku typowe lata meteorologiczne na potrzeby wprowadzanego wówczas w Polsce systemu świadectw charakterystyki energetycznej opracowane zostały na podstawie danych meteorologicznych IMGW obejmujących lata 1971–2000. Ich opis można znaleźć w literaturze [1, 2, 3]. Dane źródłowe zawierały kilka podstawowych trzygodzinnych parametrów meteorologicznych oraz wartości natężenia promieniowania słonecznego modelowane za pomocą nieopisanego modelu matematycznego.

Dane te poddawane były krytyce, zwracano w szczególności uwagę na niewystępowanie w nich wartości temperatury powietrza zewnętrznego zbliżonej do wartości obliczeniowej oraz bardzo nietypowe wartości i rozkłady natężenia promieniowania słonecznego. Obserwowalne zmiany klimatu obszaru Polski oraz powszechny dostęp do danych meteorologicznych i klimatycznych wywołały potrzebę opracowania nowych typowych lat meteorologicznych, używanych w symulacjach energetycznych budynków, analizach energetycznych i metodykach wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej budynków.

Wprowadzenie

Typowe lata meteorologiczne to zbiór parametrów meteorologicznych reprezentujących przeciętny klimat dostępnych dla poszczególnych stacji meteorologicznych (najlepiej z okresem pomiarowym równym jednej godzinie) na rozpatrywanym obszarze geograficznym. Dane te wykorzystywane są głównie do obliczeń energetycznych w budownictwie w celu wyznaczania średniego, przeciętnego dla wielolecia, zapotrzebowania na energię do ogrzewania lub chłodzenia budynków oraz nawilżania i osuszania powietrza wentylacyjnego.

Informacje dotyczące typowych lat meteorologicznych są danymi wejściowymi dla wszystkich systemów symulacji energetycznych w budownictwie, powszechnie wykorzystywane są również w fizyce budowli. Typowe lata meteorologiczne opracowuje się, w zależności od metody, na podstawie co najmniej 10-letnich ciągów pomiarów meteorologicznych, z preferencją ciągów 20- lub 30-letnich.

Typowy rok meteorologiczny to, w zależności od metody jego wyznaczania, roczny ciąg danych meteorologicznych dla wybranego roku kalendarzowego, który został uznany za najbardziej typowy w wieloleciu, albo, co częstsze, szereg danych meteorologicznych z dwunastu miesięcy pochodzących z różnych lat kalendarzowych analizowanego wielolecia, które na podstawie metody wyboru uznane zostały za najbardziej reprezentatywne. Zatem szereg ten obejmuje wybrane parametry meteorologiczne oraz dane wyznaczone na ich podstawie dla stycznia, lutego, marca itd. do grudnia, przy czym każdy z wybranych z wielolecia miesięcy może pochodzić z innego roku kalendarzowego.

Ponieważ typowe lata meteorologiczne obejmują najbardziej przeciętne, typowe przebiegi parametrów klimatu dla poszczególnych miesięcy, w większości przypadków nie zawierają one ekstremalnych wartości parametrów meteorologicznych występujących w długich okresach czasu w danej lokalizacji geograficznej.

Projekt TLM2000 – nowe typowe lata meteorologiczne

Opisane w artykule nowe typowe lata meteorologiczne dla Polski – TLM2000 – obejmujące lata kalendarzowe 2001–2020 obliczono na podstawie danych meteorologicznych i klimatycznych pochodzących z dwóch źródeł:

• dane pomiarowo-obserwacyjne Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW) [4],
• dane klimatyczne ERA5 europejskiego centrum Copernicus – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (­ECMWF) [5].

Dane synoptyczne ze światowych stacji meteorologicznych, w tym położonych na terytorium Polski, dostępne są również w serwisie internetowym Narodowej Administracji Oceanicznej i Meteorologicznej USA – NOAA [6]. Nie były one jednak używane w obliczeniach, gdyż za priorytetowe uznano dane pochodzące z IMGW.

Dane pomiarowo-obserwacyjne IMGW

Baza danych pomiarowo-obserwacyjnych IMGW w dziale danych meteorologicznych zawiera trzy zbiory – dane ze stacji synoptycznych (synop), klimatologicznych (klimat) i opadowych (opad) dla różnych przedziałów czasowych: miesięczne, dobowe i terminowe. Do obliczeń TLM2000 wykorzystano bazę terminowych danych synoptycznych. Na stronie internetowej IMGW opisano te zbiory oraz dostępność danych dla poszczególnych stacji w kolejnych latach kalendarzowych, począwszy od 1960 r.

Analiza danych ze stacji synoptycznych IMGW umożliwiła opracowanie nowych typowych lat meteorologicznych (TLM2000) dla 56 lokalizacji w Polsce na podstawie informacji z lat 2001–2020. Dane obserwacyjno-pomiarowe IMGW zapisane zostały w plikach w formacie CSV znajdujących się na stronie internetowej IMGW. Dostępne są w katalogach z podziałem na dane aktynometryczne, hydrologiczne i meteorologiczne. W katalogu danych meteorologicznych znajdują się dane dobowe, miesięczne oraz terminowe. Dane dobowe i miesięczne zawierają uśrednione wartości dobowe i uśrednione wartości miesięczne parametrów meteorologicznych. Do wyznaczenia TLM2000 wykorzystano dane zawarte w katalogu danych terminowych bazy synoptycznej zawierającej 107 parametrów dla każdego terminu obserwacji. Baza danych synoptycznych IMGW nie zawiera informacji dotyczących natężenia promieniowania słonecznego oraz promieniowania długofalowego nieboskłonu niezbędnych do wyznaczenia typowych lat meteorologicznych.

Bazy danych dostępne na stronie internetowej IMGW zawierają pomiary natężenia promieniowania słonecznego i promieniowania długofalowego nieboskłonu dla stacji aktynometrycznych rozlokowanych na terenie Polski, których lokalizacja nie pokrywa się jednak z lokalizacją stacji synoptycznych. Dodatkowo dane te nie są długookresowe i nie pokrywają się z danymi synoptycznymi przyjętymi do wyznaczenia TLM2000.

Dane klimatyczne ERA5

Ze względu na ograniczenia czasowe i przestrzenne dotyczące danych aktynometrycznych w bazie danych obserwacyjno-pomiarowych IMGW, do obliczeń TLM2000 wykorzystano pochodzące z bazy ERA5 informacje dotyczące natężenia promieniowania słonecznego całkowitego i bezpośredniego na powierzchnię poziomą na poziomie gruntu, bezpośredniego dla powierzchni normalnej do kierunku padania promieniowania na poziomie gruntu oraz natężenia promieniowania długofalowego atmosfery na powierzchnię poziomą na poziomie gruntu. Dane godzinowe dotyczące tych wartości dla wszystkich opisanych powyżej stacji synoptycznych IMGW uzyskano na podstawie kwerend dla wszystkich stacji synoptycznych Polski wysłanych do systemu ERA5 europejskiego centrum danych środowiskowych i klimatycznych Copernicus [6] (https://www.copernicus.eu/en). To jedna z kilkudziesięciu baz danych meteorologicznych i klimatycznych dostępnych w tym serwisie.

Baza ERA5 umożliwia uzyskanie danych godzinowych parametrów meteorologicznych na pojedynczych poziomach nad powierzchnią Ziemi od roku 1959 do chwili obecnej. ERA5 to system powtórnej analizy wstecznej (ang. reanalysis) danych Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF) piątej generacji, obejmujący informacje dotyczące globalnego klimatu i pogody w ciągu ostatnich czterech–siedmiu dekad. Aktualnie w systemie ECMWF dostępne są dane od 1950 r. Powtórna analiza wsteczna łączy dane modelowe z obserwacjami z całego świata w globalnie kompletny i spójny zestaw danych, korzystając z modeli matematycznych, ogólnych praw fizyki, fizyki atmosfery i meteorologii. System ERA5 stosuje zasadę asymilacji danych, wykorzystywaną przez centra numerycznych prognoz pogody.

ERA5 dostarcza godzinowe wartości modelowanych dla dużej liczby parametrów atmosferycznych, zafalowania oceanów i parametrów powierzchni lądów. System wyznacza estymaty niepewności przez próbkowanie podstawowego zespołu danych obserwacyjnych dziesięciu parametrów w odstępach trzygodzinnych. ERA5 umożliwia uzyskanie danych meteorologicznych i klimatycznych dla wielu parametrów na podstawie estymat geoprzestrzennych dla dowolnej godziny w okresie od 1959 r. do chwili obecnej. Zestaw danych dostępnych w serwisie internetowym jest podzbiorem pełnego zestawu danych ERA5 w rozdzielczości natywnej. System ten spełnia wymagania większości typowych zastosowań analiz danych atmosferycznych, powierzchni oceanów i lądów. Dane ERA5 zostały dopasowane do regularnej siatki 0,25 stopnia szerokości i długości geograficznej dla powtórnej analizy wstecznej parametrów i 0,5 stopnia szerokości i długości geograficznej dla oszacowania ich niepewności (odpowiednio 0,5 i 1 stopień dla falowania oceanów).

W celu wyznaczenia TLM2000 z bazy ERA5 wygenerowano godzinowe dane dotyczące natężenia promieniowania słonecznego i promieniowania długofalowego nieboskłonu dla lokalizacji wszystkich 67 stacji synoptycznych Polski w okresie 2001–2020. Dane te zostały przekonwertowane do formatu CSV i zawierają znacznik czasu UTC, współrzędne geograficzne, wysokość nad poziomem morza, całkowite natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą, bezpośrednie natężenie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą oraz natężenie promieniowania długofalowego nieboskłonu na powierzchni Ziemi. Dodatkowo na podstawie danych pochodzących z systemu ERA5 obliczono natężenie promieniowania rozproszonego na powierzchnię poziomą w [W/m²] oraz natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego na powierzchnię normalną do kierunku padania promieniowania.

Może Cię zainteresuje: Dobra stolarka budowlana

Rodzaje typowych lat meteorologicznych TLM2000 oraz formaty ich zapisu

Rodzaje danych

Istnieje wiele rodzajów zbiorów danych określanych jako typowe lata meteorologiczne. W projekcie TLM2000 wyznaczono zbiory danych do obliczeń energetycznych w budownictwie, które uznawane są za najbardziej użyteczne, na podstawie procedur opisanych w:

• raporcie technicznym National Renewable Energy Laboratory NREL/TP-581-43156 z maja 2008 r. opisującym zbiory danych typowych lat meteorologicznych TMY3 [7, 8], określane w dalszej części jako pliki TMY;
• normie PN-EN ISO 15927-4 Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe budynków. Obliczanie i prezentacja danych klimatycznych. Część 4: Dane godzinowe do oceny rocznego zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia [9], określane w dalszej części jako dane ISO;
• dokumentacji ASHRAE i programu Blast symulacji energetycznych budynków, nazywane typowym rokiem referencyjnym (ang. Test Reference Year) [10, 11], określane w dalszej części jako dane TRY.

Dodatkowo ze względu na spójność z danymi typowych lat meteorologicznych wyznaczonych w 2004 r. stworzono autorskie zbiory danych klimatycznych służące do obliczeń energetycznych budynków w postaci:

• danych meteorologicznych z najcieplejszym latem – zbiór obejmujący dane od 1 stycznia do 31 grudnia jednego roku kalendarzowego z analizowanego okresu, określane dalej jako dane roku odniesienia HSY (ang. Hot Summer Year);
• danych meteorologicznych z najzimniejszą zimą – zbiór służący do obliczeń zapotrzebowania na energię dla ciągłego okresu zimy, obejmujący dane od 1 lipca do 30 czerwca następnego roku kalendarzowego, zawierający najzimniejszy pełny sezon grzewczy z analizowanego okresu, określone dalej jako dane roku odniesienia CWY (ang. Cold Winter Year).

Formaty danych

Należy dodatkowo rozróżnić rodzaje typowych lat meteorologicznych lub specyficznych danych klimatycznych od formatu ich zapisu w plikach komputerowych. Rodzaje typowych lat meteorologicznych lub specyficznych zbiorów danych klimatycznych zależą jedynie od procedur ich wyznaczania, natomiast wyznaczone za pomocą tych procedur dane mogą zostać zapisane w najróżniejszych formatach zrozumiałych dla systemów symulacji energetycznych. Przykładowo pliki wyznaczone według procedur TMY, ISO lub TRY mogą być zapisane w postaci plików danych klimatycznych z rozszerzeniem EPW dla systemu EnergyPlus lub DesignBuilder. Te same dane mogą zostać zakodowane w plikach z rozszerzeniem TM2, które są wczytywane przez system TRNSYS, lub w plikach z rozszerzeniem CLM zrozumiałych dla programu ESPr.

W projekcie TLM2000 przyjęto, że opisane powyżej pięć rodzajów danych – TMY, ISO, TRY, HSY i CWY – zostanie zapisanych w następujących formatach:

• TXT – plik danych rozdzielanych spacjami (ułożone w kolumnach wg przyjętego formatu dane meteorologiczne i klimatyczne),
• CSV – plik danych rozdzielanych przecinkami lub średnikami (ułożone w kolumnach wg przyjętego formatu dane meteorologiczne i klimatyczne),
• XLSX – plik skoroszytu danych Excel (ułożone w kolumnach wg przyjętego formatu dane meteorologiczne i klimatyczne w postaci arkusza),
• TM2 – ściśle opisany przez NREL format danych w postaci tekstowej, wykorzystywany obecnie przez program TRNSYS,
• EPW – format danych tekstowych ściśle opisany w dokumentacji programu symulacji energetycznych budynków EnergyPlus,
• CLM – format danych meteorologicznych i klimatycznych wykorzystywanych przez program symulacji energetycznych ESP-r.

Procedury wyboru danych meteorologicznych i klimatycznych dla miesięcy lub lat kalendarzowych do stworzenia typowych lat meteorologicznych różnego rodzaju (TMY, ISO, TRY, HSY i CWY) zostały opisane w literaturze [12].

Do powszechnego używania w systemach symulacji energetycznej budynków, analizach energetycznych oraz systemach świadectw charakterystyki energetycznej budynków rekomenduje się dane TMY. Typowe lata meteorologiczne rodzaju TMY wyznaczane są na podstawie metody powszechnie używanej na świecie, wykorzystującej największą spośród wszystkich metod liczbę parametrów meteorologicznych do określenia typowych miesięcy. Dane rodzaju TMY w formacie plików EPW udostępniane są wraz z programem symulacji energetycznych EnergyPlus dla ponad 2000 lokalizacji na całym świecie, w tym dla Polski, ale wyznaczone są dla lat wcześniejszych niż 2001–2020.

Dostęp do danych projektu TLM2000

Nowe typowe lata meteorologiczne projektu TLM2000 znaleźć można pod adresem https://fizyka-budowli.pl [14]. Na stronie dostępne jest pięć opisanych powyżej rodzajów danych, zapisanych w sześciu różnych formatach dla 59 stacji meteorologicznych obszaru Polski. To łącznie 2825 plików o objętości ok. 4,6 GB. Dane dostępne są po zalogowaniu. Strona jest obecnie w budowie i jej wygląd i funkcjonalność mogą w przyszłości ulec zmianie.

Podsumowanie

Typowe lata meteorologiczne odgrywają kluczową rolę w analizach energetycznych budynków. Wykorzystywane są powszechnie w auditingu energetycznym, metodykach wyznaczania świadectw charakterystyki energetycznej budynków oraz projektowaniu budynków i ich instalacji wewnętrznych. Szczególną rolę odgrywają w projektowaniu instalacji grzewczych i chłodniczych budynków, dla których źródłem energii są pompy ciepła. Analogicznie poprawne projektowanie złożonych systemów i instalacji wytwarzania energii na miejscu z wykorzystaniem systemów fotowoltaicznych czy układów trigeneracji energii również wymaga całorocznych analiz energetycznych, do przeprowadzenia których niezbędne są dane nt. typowych lat meteorologicznych dla danej lokalizacji.

Wyznaczone nowe typowe lata meteorologiczne dla Polski – TLM2000 – umożliwiają przeprowadzenie analiz porównawczych parametrów oraz statystyk z typowymi latami meteorologicznymi wyznaczonymi w 2004 r. W artykule [13] opisano analizę porównawczą TLM1970 i TLM2000 (dane TMY) dla wybranych sześciu stacji meteorologicznych. Porównanie przebiegów temperatury termometru suchego i natężenia całkowitego promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą wykazuje różnice w wartościach tych parametrów. W odniesieniu do temperatury termometru suchego średnie i mediany dla wszystkich analizowanych stacji mają większe wartości w przypadku danych TLM2000 niż TLM1970. Takie same wnioski można wyciągnąć, analizując przebiegi dystrybuant temperatury termometru suchego dla tych stacji wyznaczone z obydwu zbiorów danych.

Przebiegi zmienności, dystrybuanty oraz sumy roczne natężenia całkowitego promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą wskazują, że do wyznaczenia tego parametru w TLM1970 użyto bardzo uproszczonego modelu matematycznego, który wykazuje tendencję do zaniżania rocznej sumy energii promieniowania słonecznego przy jednoczesnym zawyżaniu wartości chwilowych natężenia promieniowania.

Z kolei analiza porównawcza stopniodni ogrzewania i chłodzenia wskazuje, że liczba stopniodni ogrzewania dla wszystkich analizowanych stacji jest niższa w przypadku TLM2000 niż TLM1970. Liczba stopniodni chłodzenia utrzymuje się na zbliżonym poziomie w obu zbiorach danych, ale w połączeniu z zaniżoną sumą energii promieniowania słonecznego obliczenia wykonane z użyciem TLM1970 mogą prowadzić do zaniżenia zapotrzebowania na energię do chłodzenie budynków.

Literatura

1. Budzyński K., Narowski P., Czechowicz J., Przygotowanie zbiorów zagregowanych danych klimatycznych dla potrzeb obliczeń energetycznych budynków, Ministerstwo Infrastruktury, 2004.

2. Narowski P., Metody wyznaczania typowych lat meteorologicznych TMY2, WYEC2 oraz według normy EN ISO 15927-4, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” 12/2014, s. 479–485

3. Narowski P., Dane klimatyczne do obliczeń energetycznych, „Energia i Budynek” 9/2008, s. 18–24

4. Dane pomiarowo-obserwacyjne Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej, https://danepubliczne.imgw.pl/

5. Dane klimatyczne ERA5 Europejskiego Centrum Copernicus, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview

6. Globalne dane godzinowe stacji synoptycznych, National Centers for Environmental Information (NOAA), https://www.ncei.noaa.gov/

7. Marion W., Urban K., User’s Manual for TMY2s Typical Meteorological Years, National Renewable Energy Laboratory, 1995

8. Wilcox S., Marion W., Users Manual for TMY3 Data Sets, Technical Report NREL/TP-581-43156, National Renewable Energy Laboratory, 2008

9. PN-EN ISO 15927-4:2007 Cieplno-wilgotnościowe właściwości użytkowe budynków. Obliczanie i prezentacja danych klimatycznych. Część 4: Dane godzinowe do oceny rocznego zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia

10. Weather Data for Simplified Energy Calculation Methods, Volume IV, United States: WYEC Data, Pacific Northwest Laboratory, U.S. Department of Energy by Battelle Memorial Institute, 1984

11. Test Reference Year (TRY), Tape Reference Manual, TD-9706, National Climatic Center, Asheville, North Carolina, 1976

12. Narowski P., TLM2000 – typowe lata meteorologiczne dla Polski wyznaczone na podstawie danych meteorologicznych i klimatycznych z lat 2001–2020, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” 9/2022, s. 7–20, https://doi.org/10.15199/9.2022.9.1

13. Narowski P., Analiza porównawcza typowych lat meteorologicznych Polski wyznaczonych na podstawie danych źródłowych z lat 2001–2020, „Instal” 10/2022, s. 11–25, https://doi.org/10.36119/15.2022.10.2

14. „Fizyka budowli”, blog technologiczny – Piotr Narowski, serwis TLM2000, https://fizyka-budowli.pl