Platforma wspomagania decyzji operacyjnych zależnych od stanu atmosfery (PROZA).

Opis projektu

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, lata 2007-2013, Priorytet 1 Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.3 Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe, Poddziałanie 1.3.1 Projekty rozwojowe, zgodnie z Umową UDA-POIG.01.03.01-00-140/08-00.

Cele projektu

Projekt „Platforma wspomagania decyzji operacyjnych zależnych od stanu atmosfery” (PROZA) powstał w odpowiedzi na realne zapotrzebowanie podmiotów gospodarczych. Jest ono wynikiem istotnego wpływu warunków pogodowych na funkcjonowanie wielu dziedzin gospodarki, w tym na lasy i leśnictwo. W projekcie skoncentrowano się na kilku wybranych dziedzinach: energetyce, leśnictwie, sadownictwie i gospodarce morskiej. Podjęte badania mają na celu ograniczenie ryzyka podejmowanych decyzji gospodarczych poprzez uwzględnienie warunków atmosferycznych, określanych z kilkudniowym wyprzedzeniem za pomocą numerycznych prognoz pogody.

Cele szczegółowe projektu PROZA obejmują ulepszenie systemu prognozowania pogody, wzrost wykorzystywania tych prognoz przez podmioty gospodarcze w codziennej działalności, podniesienie konkurencyjności polskich ośrodków badawczych oraz wspieranie współpracy jednostek naukowych z przedsiębiorstwami.

Charakterystyka projektu

Warunki pogodowe w Polsce podlegają częstym i silnym fluktuacjom w różnych skalach czasowych (kilku dni lub między latami). Prognozy klimatologiczne wskazują, że przy obserwowanym ociepleniem klimatu szybkość i amplituda zmian pogody w Polsce będzie rosnąć, z tendencją do coraz częstszego występowania zjawisk ekstremalnych (susze, powodzie, tornada itp.). Takie zmiany klimatu będą niekorzystnie wpływać na zależne od pogody działy gospodarki, takie jak leśnictwo, rolnictwo, energetyka i transport. Z drugiej strony rozwój numerycznych metod prognozowania pogody, pozwala na przewidywanie stanu atmosfery w skali kilkudniowej z ciągle wzrastającą dokładnością. Rozwój mocy obliczeniowej komputerów i rozwój modeli prognostycznych sprawił, że wykonywanie precyzyjnych, zlokalizowanych prognoz pogody z rozdzielczością kilometrową jest zadaniem wykonywalnym operacyjnie na sprzęcie dostępnym w ośrodkach obliczeniowych średniej wielkości. Rozwój technologii sieciowych ułatwił dostarczanie prognoz zainteresowanym podmiotom. Rozwój elektroniki sprawił, że praktyczne stało się zainstalowanie stosunkowo zaawansowanych stacji meteorologicznych u każdego odbiorcy prognoz. Dzięki temu możliwe stało się budowanie zindywidualizowanych systemów prognostycznych, korygowanych o charakterystyczny lokalny błąd prognozy do przewidywania lokalnego przebiegu zjawisk meteorologicznych.

W związku z obserwowanym ociepleniem klimatu rośnie ilość gwałtownych anomalnych zjawisk pogodowych. Celem projektu jest opracowanie rozwiązań, które z jednej strony w znaczący sposób zminimalizują ryzyko strat w gospodarce wynikających z warunków pogodowych (rolnictwo, leśnictwo, transport morski), a z drugiej pozwolą na planowanie i optymalizację kosztów związanych z pogodą (energetyka, rolnictwo, gospodarka morska).

Realizacja projektu pozwoli na zredukowanie strat w leśnictwie o ok. 5-10%.

Problematyka leśna obejmuje w projekcie szerokie spektrum zagadnień odnoszących się do ochrony przeciwpożarowej lasów, hodowli oraz ochrony lasu. W tym celu wyodrębniono 4 niezależne tematy badawcze: „Wykorzystanie numerycznych modeli prognoz pogody do prognozowania wilgotności podłoża leśnego”, „Wykorzystanie zdalnych obserwacji satelitarnych i wyników prognoz modeli NWP do monitoringu i prognozowania zagrożenia pożarowego lasów”, „Określenie stopnia zagrożenia drzewostanów w poszczególnych regionach kraju przez czynniki abiotyczne przy użyciu modeli numerycznych prognoz pogody” oraz „Prognozowanie występowania chorób grzybowych i szkodników owadzich głównych lasotwórczych gatunków drzew oraz zmian zagrożenia lasów przez te czynniki biotyczne w związku z przewidywanym ociepleniem klimatu”.

Uzyskane w projekcie wyniki będą udostępniane wszystkim zainteresowanym podmiotom społecznym i gospodarczym przy wykorzystaniu różnych mechanizmów, zależnych od specyfiki odbiorców. W przypadku leśnictwa głównym odbiorcą będzie przedsiębiorstwo Lasy Państwowe, zarządzające większością terenów leśnych w Polsce. W szczególności dotyczy to wytycznych i zaleceń do prowadzenia gospodarki leśnej, które będą opublikowane i publicznie dostępne.

Zakres uczestnictwa IBL

Instytut Badawczy Leśnictwa w ramach projektu PROZA, odpowiada za realizację
Zadania 3 Zastosowanie wyników numerycznych prognoz pogody w leśnictwie i sadownictwie. W ramach Zadania wyodrębnione zostały 4 niezależne tematy badawcze w których bierze udział 11 pracowników naukowych z różnych Zakładów IBL.

Zadanie 3.1 Prognozowanie wilgotności podłoża leśnego
Zadanie realizowane jest przez Samodzielną Pracownię Ochrony Przeciwpożarowej Lasu.

Celem tego zadania jest opracowanie systemu umożliwiającego prognozę wilgotności podłoża leśnego i oceny stanu gruntu, co ma istotne znaczenie dla ochrony przeciwpożarowej lasu, retencji wody na obszarach leśnych, zwłaszcza po wystąpieniu nagłych, nawalnych opadów deszczu. Planowany cel osiągnięty zostanie poprzez wprowadzenie nowoczesnych schematów oddziaływania powierzchni lądu z atmosferą do modeli numerycznych prognoz pogody stosowanych w ICM oraz stworzenie systemu interpretacji wyników tych modeli pod kątem prognozowania wilgotności gruntu.
W ostatnich latach, dzięki wynikom pomiarów z nowych przyrządów umieszczonych na satelitach meteorologicznych wiedza o oddziaływaniach powierzchni lądu z atmosferą znacznie wzrosła. W modelach prognoz pogody stosowanych w ICM istnieją moduły parametryzujące proces oddziaływania podłoża z atmosferą. W modelu COAMPS stosowany jest prosty schemat wymuszania („force-restore”), w modelu UM bardziej rozbudowany schemat MOSES. Oba schematy oddziaływania lądu z atmosferą wymagają udoskonaleń umożliwiających wykorzystanie współczesnego stanu wiedzy i nowych danych o stanie lądu w skali rzędu 0.5-1 km, w tym danych o stanie powierzchni lądu pozyskiwanych operacyjnie przez satelity meteorologiczne. Modele lokalne, obejmujące obszary o wielkości przeciętnego województwa wymagają również wprowadzenia opisu procesów zachodzących w mieście. W ramach tego zadania proponujemy również opracowanie i wdrożenie metod asymilacji parametrów przyziemnych dla modeli o wysokiej rozdzielczości (w tym cogodzinnych sum opadu, wiatru i temperatury z automatycznych stacji lądowych uczestników projektu), i asymilacji satelitarnych pomiarów promieniowania słonecznego. Uzyskane dane posłużą do symulacji ewolucji wilgotności w gruncie. W oparciu o równanie bilansu energii na powierzchni gruntu i informację o stopniu pokrycia rozpatrywanego obszaru chmurami, strumienie ciepła i wilgoci uzyskane z modelu powierzchni lądu oraz takie produkty satelitarne jak promieniowanie docierające do powierzchni ziemi (krótkofalowe promieniowanie słoneczne i długofalowe promieniowanie ziemi i atmosfery) jesteśmy w stanie określić szczegóły oddziaływania podłoża z atmosferą w interesującym nas obszarze. Tego typu model oddziaływania podłoża z atmosferą może być z jednej strony cennym elementem systemu monitorującego stan gruntu, będąc z drugiej strony narzędziem zasilającym w odpowiednie dane modele hydrologiczne używane w centrach kryzysowych. Istotne gospodarczo będą zastosowania w leśnictwie do szacowania wilgotności ściółki leśnej oraz w sadownictwie do rozwoju systemu ostrzegania przed przymrozkami i do racjonalnej gospodarki nawadnianiem sadów. Rozwój modułu oddziaływania pomiędzy podłożem a atmosferą będzie miał również wpływ na model numerycznych prognoz pogody. Należy spodziewać się poprawy prognoz niebezpiecznych zjawisk atmosferycznych, między innymi prognoz ulewnych opadów, silnych wiatrów i wysokich temperatur

Zadanie 3.2 Wykorzystanie zdalnych obserwacji satelitarnych do monitoringu i prognozowania zagrożenia pożarowego lasów
Zadanie realizowane jest przy współpracy Zakładu Zarządzania Zasobami Leśnymi oraz Samodzielnej Pracowni Ochrony Przeciwpożarowej Lasu.

Podstawą monitoringu dynamiki zmian pokrywy roślinnej jest zmienność odbiciowości promieniowania elektromagnetycznego w różnych zakresach fal. W wielu ośrodkach badawczych są opracowywane specjalne wskaźniki, pozwalające bez szczegółowej
znajomości technik teledetekcyjnych zdobyć przybliżoną informację o zmianach charakterystyk roślinności. Historycznie pierwszym takim wskaźnikiem był NDVI (znormalizowany, różnicowy wskaźnik roślinności). Innym wartym rozważenia wskaźnikiem jest FPAR (współczynnik określający frakcję promieniowania aktywnego w fotosyntezie). Obecnie szereg satelitów meteorologicznych dysponuje przyrządami, z których dane mogą w sposób bezpośredni lub poprzez algorytmy dostosowawcze być wykorzystane w leśnictwie, sadownictwie czy rolnictwie. I tak satelita MODIS prowadzi pomiary atmosferyczne wielu procesów fizycznych i biologicznych zachodzących na lądzie i w oceanie. Pomiary są prowadzone w 36 pasmach spektralnych, obszar podsatelitarny obejmowany przez przyrządy ma 2330 km szerokości. Landsat 7 ma pasmo panchromatyczne o rozdzielczości 15m. ASTER przekazuje wysokiej rozdzielczości obrazy powierzchni lądu, wody, lodu i chmur, a satelita MISR obrazy chmur widziane z wierzchołka atmosfery. Jego produkty zawierają też pomiary promieniowania, odbiciowości i albedo co daje informację o roślinności, typach pokrycia lądu i rodzajach gruntu.
Dane o stanie podłoża przekazywane z satelitów MODIS, ASTER, Landsat 7 i MISR mogą być wykorzystane do monitoringu stanu lasu. Na przykład do określenia wieku lasu mogą być wykorzystane dane z MODIS i MISR. Wykorzystuje się tu prawidłowość obniżania się odbiciowość podłoża wraz z wiekiem lasu. Im starszy las, tym bardziej jednolite staje się jego sklepienie, co objawia się zmianą ilości odbitej energii słonecznej. Natomiast w oparciu o dane NDVI z satelity MODIS i temperaturę powierzchni gruntu z analiz modelu numerycznych prognoz pogody można określić wskaźniki opisujące potencjalne zagrożenia pożarowe w danym rejonie. Stworzenie systemu wykorzystującego te i podobne zdalne dane meteorologiczne w sposób operacyjny jest jednym z celów tego zadania. Drugim ważnym celem jest opracowanie algorytmów umożliwiających interpretację uzyskanych danych satelitarnych i innych parametrów meteorologicznych uzyskanych z mezoskalowych modeli numerycznych prognoz pogody pozwalającą na ich zastosowanie do ostrzeżeń dla służb leśnych.

Zadanie 3.3 Określenie stopnia zagrożenia drzewostanów w poszczególnych regionach kraju przez czynniki abiotyczne
Zadanie realizowane jest przez Zakład Hodowli Lasu i Genetyki Drzew Leśnych.

Celem zadania jest określenie prawdopodobieństwa wystąpienia w lasach szkód powodowanych przez czynniki abiotyczne (wiatr, śnieg, szadź oraz współdziałanie tych czynników) na podstawie danych meteorologicznych z lat 1996-2007 oraz wyników wielkoobszarowej inwentaryzacji stanu lasu w odniesieniu do składu gatunkowego, wieku, struktury i siedliskowych typów lasu. Efektem będzie dostosowanie zasad zagospodarowania lasów na wyróżnionych obszarach do zagrożenia ze strony silnych wiatrów i obfitych opadów śniegu. Dotychczasowe wyniki badań nad zapobieganiem szkodom powodowanym w lesie przez czynniki atmosferyczne, prowadzone w IBL jak też w innych instytucjach krajowych i zagranicznych, dają podstawy do określenia cech biometrycznych drzew poszczególnych gatunków oraz parametrów struktury drzewostanu, decydujących o podatności na szkody od śniegu i wiatru. Aktualna rejonizacja zagrożeń powodowanych przez oba czynniki oparta jest na danych historycznych (do 1977 roku jeśli chodzi o wiatr i 1980 jeśli chodzi o śnieg) dotyczących występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych, jak też na doniesieniach o szkodach w lasach powodowanych przez nie do połowy lat 80-tych XX wieku. Rejonizacja ta służy do określenia obszarów na których sposoby zagospodarowania są modyfikowane pod kątem profilaktyki zabezpieczającej przed szkodami atmosferycznymi. W związku z dynamicznie zmieniającym się klimatem, a także zachodzącymi stopniowo przeobrażeniami w strukturze i składzie gatunkowym drzewostanów, wymaga ona aktualizacji. Ponadto, w zbyt małym stopniu uwzględnia ona, występujące ze znacznie mniejszą regularnością (w porównaniu do wichur jesienno-zimowych) huragany związane z konwekcyjnymi burzami letnimi.
Na podstawie wyników badań własnych oraz danych z literatury polskiej i krajów sąsiednich zostaną określone kategorie drzewostanów (gatunek, siedlisko, wiek, parametry biometryczne) charakteryzujące się podatnością na szkody od śniegu i wiatru przy określonym poziomie natężenia czynnika szkodotwórczego. Dane meteorologiczne gromadzone przez ICM od 1996 roku zostaną wykorzystane do opracowania aktualnej mapy obrazującej częstotliwość występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych (wiatr, śnieg). Na tej podstawie zostaną opracowane aktualne mapy obrazujące strefy obciążenia poszczególnych regionów przez obydwa czynniki. Dane te zostaną skonfrontowane z danymi SILP oraz wynikami wielkoobszarowej inwentaryzacji stanu lasu w części dotyczącej siedliskowego typu lasu, składu gatunkowego, cech biometrycznych drzewostanu, struktury, zwarcia i stopnia zadrzewienia. Skorelowanie ze sobą rejonów o największej częstotliwości ekstremalnych zjawisk pogodowych z występowaniem drzewostanów o składzie gatunkowym i strukturze szczególnie podatnych na masowe złamania i wywroty umożliwi aktualizację rejonizacji zagrożenia lasu od czynników abiotycznych. Przewiduje się wyróżnienie przynajmniej 3 stref zagrożeń ze strony każdego z dwóch głównych czynników (zagrożenie umiarkowane, podwyższone i wysokie). Uaktualniona rejonizacja zagrożenia lasu ze strony śniegu i wiatru będzie podstawą do opracowania zróżnicowanych zaleceń odnośnie metod odnowienia i pielęgnowania lasu w zależności od strefy zagrożenia.

Zadanie 3.4 Prognozowanie występowania chorób grzybowych i szkodników owadzich głównych lasotwórczych gatunków drzew oraz zmian zagrożenia lasów przez te czynniki w związku z przewidywanym ociepleniem klimatu
Zadanie realizowane jest przy współpracy Zakładu Zarządzania Zasobami Leśnymi oraz Zakładu Ochrony Lasu.

Celem tego zadania jest określenie charakteru i stopnia zależności pomiędzy występowaniem wybranych grzybowych chorób infekcyjnych i szkodników owadzich, a warunkami pogodowymi. Funkcje zależności posłużyłyby jako model prognozy zagrożenia lasów o horyzoncie czasowym 1-2 lat i mogłyby być wykorzystywane do planowania zabiegów zwalczania w lasach szkodników owadzich i przeciwdziałania występowaniu chorób infekcyjnych. Ponadto w ramach zadania przeprowadzona zostanie próba określenia wpływu przewidywanych zmian klimatycznych na zagrożenie lasów przez wybrane choroby i szkodniki.
W badaniach uwzględnione zostaną szkodniki wtórne (jako grupa owadów najsilniej powiązana z występowaniem zjawisk atmosferycznych o charakterze klęskowym), zaś badania polegać będą na porównaniu nasilenia występowania i rozmiaru szkód powodowanych przez tę grupę owadów w latach 1996-2007 w wybranych drzewostanach uszkodzonych w różnym stopniu przez ww. zjawiska atmosferyczne. W przypadku chorób infekcyjnych w badaniach uwzględnione zostaną takie jednostki chorobowe jak: opieńkowa zgnilizna korzeni, huba korzeni, osutka sosny, zamieranie pędów sosny, skrętak sosny, mączniak dębu, stanowiące poważne fitopatologiczne zagrożenie dla głównych lasotwórczych gatunków drzew w Polsce (sosna zwyczajna, świerk pospolity, dąb szypułkowy i bezszypułkowy). Szkody przez nie powodowane rejestrowane są corocznie na powierzchni około 0,5 mln ha. Badania w tym przypadku polegać będą na określeniu matematycznych zależności pomiędzy parametrami pogodowymi, a występowaniem chorób infekcyjnych. Stwierdzenie wysokiego stopnia determinacji występowania chorób w lasach od warunków pogodowych pozwoli na dokonywanie krótkoterminowych prognoz.
Dodatkowo w ramach zadania przeprowadzona zostanie próba określenia wpływu przewidywanych zmian klimatycznych, wyrażających się wydłużaniem sezonu wegetacyjnego i wzrostem średniorocznej temperatury, na zagrożenie lasów przez wybrane choroby infekcyjne i szkodniki owadzie. Badania te polegać będą na porównaniu nasilenia występowania i rozmiaru szkód powodowanych przez choroby grzybowe oraz szkodniki owadzie w latach 1996-2007 na terenie wybranych drzewostanów, homogenicznych pod względem struktury wiekowej i gatunkowej, siedliska i sposobu zagospodarowania, położonych w gradiencie zmieniających się warunków pogodowych. Informacje o występowaniu chorób i szkodników pozyskane zostaną z programu monitoringu lasów dostarczających dane z sieci punktów obserwacyjnych oraz corocznych raportów o występowaniu w chorób i szkodników nadleśnictwach przygotowywanych przez administrację Lasów Państwowych. Do stworzenia rozkładów przestrzennych poszczególnych parametrów pogodowych oraz określenia ich wartości dla punktów monitoringu leśnego i terenu wybranych nadleśnictw wykorzystane zostaną modele numerycznych prognoz pogody ICM.

Użytkownikiem wyników uzyskanych w trakcie realizacji projektu PROZA, w tym opracowanych systemów prognozowania zagrożenia pożarowego lasów i wytycznych zagospodarowania lasów uwzględniających oddziaływanie warunków pogodowych na stabilność drzewostanów i zagrożenie ze strony szkodników owadzich i chorób infekcyjnych będą Lasy Państwowe. Przewiduje się, ze w wyniku zastosowania opracowanych rozwiązań szkody w lasach związane z występowaniem biotycznych i abiotycznych czynników sprawczych ulegną ograniczeniu o 5 do 10%.

Wykonawcy projektu

* K – koordynator, P – partner

Partnerzy