Non-stationary of the air temperature course over Europe – change of the thermal regime in Europe in 1987–1989 and its causes

The study discusses changes in the average annual air temperature over Europe in the years 1931–2020. The results of the research show that in 1987–1989, there was a sudden change in the thermal regime over Europe and a discontinuity appeared in the course of this climatic element. In the years 1931–1988, despite the high inter-annual variability, the temperature trend was zero. A positive, statistically significant, temperature trend appeared after 1988. The entire warming in Europe, which can be estimated at ~2.3 deg, occurred after 1988. The discontinuity in the course was caused by an abrupt change in macro-circulation conditions in the Atlantic-Eurasian circulation sector, which manifests itself as a fundamental change in the frequency of the macrotypes of the mid-tropospheric circulation (500 hPa) according to the Wangengejm-Girs classification, causing an equally fundamental change in the weather structure. The change in macro-circulation conditions was forced by a change in the thermal state of the North Atlantic – a sharp increase in the intensity of oceanic heat transport to the north. The analysis showed that the annual variability of temperature over Europe was mainly influenced by natural processes, the variability of which explains ~65% of its variance. Radiative forcing, which is a function of anthropogenic increase in CO2 concentration in the atmosphere, explains only 7–8% of the variability of the average annual temperature over Europe, being a secondary or tertiary factor in shaping its changes.

Keywords: Europe, annual temperature, regime change, warming, macro-circulation conditions, N Atlantic

Zarys treści: W pracy omówiono zmiany średniej rocznej temperatury powietrza nad Europą w latach 1931–2020. Wyniki badań wykazują, że w latach 1987–1989 nastąpiła nad Europą nagła zmiana reżimu termicznego i w przebiegu tego elementu klimatycznego pojawiła się nieciągłość. W latach 1931–1988, mimo dużej zmienności międzyrocznej, trend temperatury był zerowy. Dodatni, statystycznie istotny, trend temperatury pojawił się po roku 1988. Całe ocieplenie Europy, które może być szacowane na ~2,3 deg, nastąpiło po roku 1988. Przyczyną wystąpienia nieciągłości w przebiegu była radykalna zmiana warunków makrocyrkulacyjnych w atlantycko-eurazjatyckim sektorze cyrkulacyjnym, która przejawia się jako zasadnicza zmiana frekwencji makrotypów cyrkulacji środkowotroposferycznej (500 hPa) według klasyfikacji Wangengejma-Girsa, powodująca równie zasadniczą zmianę struktury pogód. Zmiana warunków makrocyrkulacyjnych została wymuszona przez zmianę stanu termicznego Atlantyku Północnego – gwałtowny wzrost intensywności oceanicznego transportu ciepła na północ. Analiza wykazała, że zmienność temperatury rocznej nad Europą nastąpiła głównie pod wpływem działania procesów naturalnych, które objaśniają ~65% jej wariancji. Wymuszenie radiacyjne, będące funkcją antropogenicznego wzrostu koncentracji CO2 w atmosferze, objaśnia zaledwie 7–8% zmienności średniej rocznej temperatury nad Europą, stanowiąc w kształtowaniu jej zmian czynnik drugo- lub trzeciorzędny.

Hot and warm extremes in Europe’s changing climate: definitions, causes, trends, impacts

Hot or warm extremes are days with exceptionally high air temperatures in a given place and/or season. They may have significant impacts on human health and life, the natural environment, and the economy. The global rise in near-surface air temperatures translates into increases in the frequency, intensity, and duration of such events, which contributes to the intensive development of research on them. This review aims to summarize the state of knowledge of hot and warm extremes in Europe, with a special focus on their definitions, physical drivers and impacts, long-term variability and trends. The study demonstrates that research on temperature extremes is making remarkable progress, but there are still issues to be explored to understand these complex events.

Keywords: heat waves, warm spells, air temperature, atmospheric circulation, climate change

Zarys treści: Ekstrema ciepła to dni z wyjątkowo wysoką temperaturą powietrza w danym miejscu i/lub porze roku. Często wiążą się one z negatywnymi konsekwencjami dla zdrowia i życia człowieka, a także środowiska przyrodniczego, rolnictwa i gospodarki. Globalnemu ociepleniu klimatu towarzyszy wzrost częstości ekstremów ciepła, co przyczynia się do intensywnego rozwoju badań na ich temat. W tym opracowaniu podjęto próbę podsumowania stanu wiedzy na temat ekstremów ciepła w Europie, ze szczególnym uwzględnieniem metod ichidentyfikacji, rozpoznania ich przyczyn i następstw oraz oceny ich zmienności wieloletniej i trendów. Zestawienie wyboru prac na temat tych złożonych zdarzeń może pomóc w zidentyfikowaniu zagadnień, które wciąż wymagają zgłębienia i wyjaśnienia, tym samym stanowiąc wstęp do dalszych rozważań.

Characteristics of the growing season in the Experimental Forests of the Warsaw University of Life Sciences in Rogów in the years 1951–2020

The growing season length indices derived from air temperature are frequently used in climate monitoring applications as well as to predict the response of forest ecosystems to climate change. The indicator most widely used in the studies of forest ecosystems is the length of the thermal growing season (temp ≥5°C), less commonly the parameters of the forest growing season (temp ≥10°C). However, only a few studies used long-term series of temperature measurements in the forest. In this article, we determined the temporal changes in the parameters of the thermal (TGS) and forest (FGS) growing season in the Experimental Forests of the Warsaw University of Life Sciences in Rogów (51o40’N, 19o55’E, h = 194 m MSL) in the years 1951–2020. The analysis is based on the dataset (daily mean air temperature) obtained from a meteorological station located near the forest complex and from a forest under-canopy station located in a more than 120-year-old fresh mixed forest. The results show a significant extension of the growing season in 1951–2020, the TGS lasted on average 2.8 days/10 years, and the FGS 2.4 days/10 years. The extension of the TGS and FGS was a consequence of both its earlier start and later end. The start of the TGS was characterized by a statistically significant negative trend (1.3 days/10 years), and most changes were characteristic for the last three decades (4.4 days/10 years). The last 30 years were also characterized by a statistically significant trend towards the later end of the TGS. The TGS in 1991–2020 was longer than in 1951–1980 and 1971–2000 by 9 days, while in 1981–2010 by 5 days. Changes in the length of the TGS resulted primarily from its earlier beginning: in the multi-year period 1991–2020, the TGS started 7 days earlier than in 1951–1980. In the case of the FGS, these changes were weaker, although there was a statistically significant negative trend in the start dates and a positive trend in the FGS length. The FGS started almost a month later than the TGS (average on April 28) and ended 4 weeks earlier (average on October 5) and lasted 160 days. TGS in the forest was shorter than outside the forest by 3 days, and FGS by 1 day. The acceleration of the beginning of TGS during the last three decades was faster than the beginning of the frost-free period, indicating a possible increase in vegetation exposure to spring frost. This may pose a threat to the development of plants in the first phase of vegetation.

Keywords: thermal growing season, forest growing season, forest climate, spring frost

Zarys treści: Wskaźniki długości sezonu wegetacyjnego wyznaczane na podstawie temperatury powietrza są często wykorzystywane w aplikacjach do monitorowania klimatu, a także do przewidywania reakcji ekosystemów leśnych na zmiany klimatu. Najczęściej stosowanym wskaźnikiem w badaniach ekosystemów leśnych jest długość termicznego okresu wegetacyjnego (średnia dobowa temperatura >5°C), rzadziej parametry leśnego okresu wegetacyjnego (średnia dobowa temperatura >10°C). Niewiele jest jednak badań, w których analizy przeprowadzano na podstawie wieloletnich serii pomiarów temperatury powietrza w lesie. W niniejszej pracy określono czasowe zmiany parametrów sezonu wegetacyjnego termicznego (TGS) i leśnego (FGS) w Lasach Doświadczalnych SGGW w Rogowie (51o40’N, 19o55’E, h = 194 m MSL) w latach 1951–2020. Analizę oparto na zbiorze danych (średnia dobowa temperatura powietrza) uzyskanych ze stacji meteorologicznej zlokalizowanej w pobliżu kompleksu leśnego oraz z leśnej stacji podokapowej zlokalizowanej w ponad 120-letnim lesie mieszanym świeżym. Wyniki wskazują na znaczne wydłużenie sezonu wegetacyjnego w latach 1951–2020, tempo zmian TGS wynosiło 2,8 dnia/10 lat, a FGS 2,4 dnia/10 lat. Wydłużenie TGS i FGS było konsekwencją zarówno jego wcześniejszego rozpoczynania, jak i późniejszego zakończenia. Daty początku TGS charakteryzowały się istotnym statystycznie trendem ujemnym (1,3 dnia/10 lat), największe zmiany były charakterystyczne przede wszystkim dla ostatniego 30-lecia (4,4 dnia/10 lat). Ostatnie 30-lecie charakteryzowało się także istotnym statystycznie trendem dodatnim końca TGS. TGS w latach 1991–2020 był dłuższy o 9 dni w porównaniu do wielolecia 1951–1980 oraz 1971–2000, a w porównaniu do lat 1981–2010 dłuższy o 5 dni. Zmiany długości TGS wynikały przede wszystkim z coraz wcześniejszego jego początku: w wieloleciu 1991–2020 TGS rozpoczynał się średnio o 7 dni wcześniej niż w wieloleciu 1951–1980. W przypadku FGS zmiany te były słabsze, chociaż zaznaczył się istotnie statystyczny trend ujemny dat początku oraz dodatni długości FGS. FGS rozpoczynał się prawie miesiąc później niż TGS (średnio 28 kwietnia), kończył się cztery tygodnie wcześniej (średnio 5 października) i trwał 160 dni. TGS w lesie był krótszy niż poza lasem o 3 dni, natomiast FGS o 1 dzień. Przyspieszenie dat początku TGS w ciągu ostatnich trzech dekad było szybsze niż przyspieszenie dat początku okresu bezprzymrozkowego, co wskazuje na możliwy wzrost ekspozycji roślinności na przymrozki. Może to stanowić zagrożenie dla rozwoju roślin w pierwszej fazie wegetacji.

Climate change in Krakow and adaptation to it in the context of urban planning

Based on climatological data from 1901–2020 from the Research Station of the Department of Climatology of the Institute of Geography and Spatial Management of the Jagiellonian University in Krakow, the multi-year course of selected elements of Krakow climate was characterised and the role of local spatial development plans was indicated in terms of minimising the effects of the urban heat island and global warming.

Keywords: climate change, urban climate, urban heat island, adaptation to climate change, climate change mitigation, spatial planning

Zarys treści: Na podstawie danych klimatologicznych z lat 1901–2020 ze stacji naukowej Zakładu Klimatologii IGiGP UJ w Krakowie dokonano charakterystyki przebiegu wieloletniego wybranych elementów klimatu Krakowa i wskazano rolę miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego w aspekcie minimalizowania skutków miejskiej wyspy ciepła i globalnego ocieplenia.

Changes in air humidity in Łódź in the years 1966–2020 in the light of selected indicators

The aim of the study is to present changes in air humidity in central Poland in the years 1966–2000 in Łódź as an example. The values of air temperature, relative humidity and atmospheric pressure from four observation terms, 00, 06, 12 and 18 UTC, were used. On this basis, the saturated vapour pressure, the current vapour pressure, and the saturation deficit were calculated. Then, the variability of these three indicators and relative humidity was examined. The variability of monthly and seasonal average values of humidity indices in four observation periods was presented, the trends in seasonal variability of humidity indices were calculated and the distribution functions of their distributions were compared in the midday period in three 15-year periods: 1966–1980, 1986–2000 and 2006–2020. It has been shown that the pressure of saturated water vapour is the highest in summer, the lowest in winter, and slightly higher in spring than in autumn at all times, except for the night. It increased significantly in the studied period as a result of the increase in air temperature. A comparison of the distributions in three 15-year periods shows a significant increase in the probability of occurrence of high values of saturation vapour pressure, even above 30hPa. The water vapour pressure in the air is highest in summer and lowest in winter, but in spring it is lower than in autumn. All trend coefficients are positive, but only less than half are statistically significant. A comparison of the distributions over three 15-year periods show a slight increase in the probability of higher values of the actual vapour pressure. The saturation deficit, as the difference between the previous two indicators, increases significantly. Its value in spring is significantly higher than in autumn. The trend is positive, especially in spring and summer, and the comparison of distributions shows that in the last 15 years the probability of high values of saturation deficit increased significantly. The course of relative humidity is the opposite of saturation deficit. In autumn, the relative humidity is definitely higher than in spring. The trend is down. To sum up, warming brings an increase in the capacity of the atmosphere for water vapour, a slight increase in the amount of water vapour in the air, but also a significant increase in saturation deficit and a decrease in relative humidity, which is particularly strong in spring in the first half of the growing season.

Keywords: water vapour pressure, saturation deficit, relative humidity, linear trend, probability distribution

Zarys treści: Celem opracowania jest ocena zmian wilgotności powietrza w środkowej Polsce w latach 1966–2000 na przykładzie Łodzi. Wykorzystano wartości temperatury powietrza, wilgotności względnej i ciśnienia atmosferycznego z czterech terminów obserwacyjnych, godzin 00, 06, 12 i 18 UTC. Na tej podstawie policzono ciśnienie pary wodnej nasyconej, aktualne ciśnienie pary wodnej i niedosyt wilgotności. Następnie zbadano zmienność tych trzech wskaźników oraz wilgotności względnej. Przedstawiono zmienność średnich miesięcznych i sezonowych wartości wskaźników wilgotności w czterech terminach obserwacyjnych, policzono trendy sezonowych wartości wskaźników wilgotności i porównano dystrybuanty ich rozkładów w terminie południowym w trzech 15-letnich okresach: 1966–1980, 1986–2000 i 2006–2020. Pokazano, że ciśnienie pary wodnej nasyconej największe jest latem, najmniejsze zimą, wiosną jest nieco wyższe niż jesienią we wszystkich terminach oprócz nocnego. Ciśnienie pary wodnej nasyconej wzrosło istotnie w badanym okresie z powodu wzrostu temperatury powietrza. Porównanie rozkładów w trzech 15-letnich okresach wskazuje na znaczny wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia wysokich wartości ciśnienia pary wodnej nasyconej, nawet powyżej 30 hPa. Ciśnienie pary wodnej w powietrzu największe jest latem, najmniejsze zimą, jednak wiosną jest niższe niż jesienią. Wszystkie współczynniki trendu są dodatnie, ale tylko mniej niż połowa jest statystycznie istotna. Porównanie rozkładów w trzech 15-letnich okresach pokazuje nieznaczny wzrost prawdopodobieństwa wystąpienia wyższych wartości ciśnienia pary wodnej. Niedosyt wilgotności jako różnica poprzednich dwóch wskaźników wzrasta wyraźnie. Jego wartość wiosną jest znacząco wyższa niż jesienią. Trendy są dodatnie, szczególnie wiosną i latem, a porównanie rozkładów wskazuje, że w ostatnim 15-leciu prawdopodobieństwo dużych wartości niedosytu wilgotności znacząco wzrosło. Przebieg wilgotności względnej jest odwrotny do niedosytu wilgotności. Jesienią wilgotność względna jest zdecydowanie wyższa niż wiosną. Trend jest spadkowy. Podsumowując, ocieplenie przynosi wzrost pojemności atmosfery na parę wodną, niewielki wzrost ilości pary wodnej w powietrzu, ale też znaczący wzrost niedosytu wilgotności i spadek wilgotności względnej, szczególnie silny wiosną w pierwszej połowie okresu wegetacyjnego.