Az éghajlatváltozás hatása a Balaton átlagos évi vízmérlegére Nováky Béla A különféle emberi tevékenységek következtében az ipari forradalmat követően megnőtt az üvegházgázok légköri koncentrációja, az elmúlt 100-150 év alatt a Föld globális légköri hőmérséklete 0,6 °C-kal emelkedett. Az üvegházgázok kibocsátása, és ezzel együtt a globális hőmérséklet várhatóan tovább növekszik a jövőben (IPCC 2001), ami a globális és regionális éghajlat változásához vezet. Hazánkban várható, hogy a hőmérséklet valamennyi évszakban emelkedik, a csapadék a téli időszakban nő, a nyári időszakban csökken, összességében az éghajlatunk mediterránosodása lehetséges (Mika 1999). Az éghajlat változása hatással van a hidrológiai adottságokra. A tanulmány azt vizsgálja, hogy adott éghajlati forgatókönyvekből kiindulva, a lehetséges éghajlatváltozás milyen hatással lehet Magyarország és Közép-Európa legnagyobb tavának, a Balaton átlagos évi vízmérlegére. 1. A Balaton és jelenlegi vízmérlege A Balaton az ország nyugati felében, a Dunántúlon helyezkedik el. Átlagos vízfelülete 600 km2, átlagos vízmélysége 3,3 m. A tó vízgyűjtője 5775 km2, amelynek 45%-át a Zala folyó vízgyűjtője teszi ki, 55 %-án további 30 állandó és 20 időszakos vízfolyás osztozik. A Balaton vízgyűjtője a tó felületének 8,65-szorosa. A tóból egyetlen vízfolyás távozik, a Siócsatorna. Természetes körülmények között a tó vízszintje erősen ingadozott. Az ingadozás mérséklése érdekében a Sió-csatornán zsilipet építettek, aminek segítségével a tóból távozó vízmennyiség szabályozható. A szabályozás célja a tó vízszintjének adott értékek közti tartása oly módon, hogy a nyári üdülési idényben az ingadozás mértéke lehetőleg ne haladja meg a 30 cm-es tartományt. A tó vízháztartása jelenleg tehát mesterséges. A tó vízbevételét a tófelületre hulló csapadék (P) és a vízgyűjtő hozzáfolyása (Ri) adja, míg vízkiadását a tófelületi párolgás (E) és a Sió-csatornán történő vízeresztés (Ro). Az évi csapadék és a hozzáfolyás a 20. században csökkenő tendenciát mutat. A tó vízbevételének és a tófelületi párolgásnak ∆W = P + Ri – E
(1)
különbsége a természetes vízkészlet-változás, szintén csökkenő tendenciát mutatott, egészen 2003-ig (1 .ábra). A természetes vízkészlet-változás értékei a harmadik évezred első éveiben negatívok voltak, aminek következményeként a Balaton vízszintje számottevően csökkent, jóllehet a Sió zsilipje zárva volt (Varga 2005). A Balaton átlagos évi vízmérlege az 1961-1990 időszakban a következők szerint alakult. Az átlagos évi csapadék 612 mm volt, a vízgyűjtőről érkező átlagos évi hozzáfolyás 103 mm, ami a tó vízfelületére átszámítva 891 mm-nek felel meg, így a tó teljes vízbevétele 1503 mm. Az átlagos évi tófelületi párolgás 889 mm, a Sió-csatornán leeresztett vízmennyiség 614 mm volt. A tó hozzáfolyása megközelítően biztosította a tófelületi párolgást, a tófelületre hulló csapadék a leeresztést. A Balaton teljes vízbevételének 60%-a párolgással, 40%-a kifolyással távozott.
1. ábra A természetes vízkészlet-változás (Varga 2003)
Valamely tó vízháztartását legátfogóbban a vízháztartási jelleggörbék írják le. A vízháztartási jelleggörbék azt fejezik ki, miként változ(ná)nak a vízmérleg (vízmennyiségben kifejezett) elemei a tófelület feltételezett változásával (Szesztay 1959). Nyilvánvaló, hogy a tófelület feltételezett csökkenésével a tó felületére hulló csapadék és onnan elpárolgó vízmennyiség is csökken, ezzel szemben a hozzáfolyás a vízgyűjtőről nő. A vízháztartási jelleggörbékről leolvasható az a tófelület, amelynél a párolgás egyenlő a teljes vízbevétellel, azaz a teljes vízbevételt a párolgás tartja egyensúlyban és ezért a tóból nincs kifolyás. Ez a tófelület az egyensúlyi tófelület. A Balaton 1961-1990 időszakra számított egyensúlyi tófelülete 1500 km2, ami 2,5-szerese a tényleges tófelületnek. Az egyensúlyi tófelület maga is éghajlatfüggő, az 1921-1958 évekre számított értéke 1730 km2 (Szesztay 1959), míg a viszonylagosan száraz 1921-2000 időszakra 1300 km2 (2. ábra) (Nováky 2005). Rövidebb időszakokra az egyensúlyi tófelület megközelítheti a vízszabályozással lényegében rögzített tényleges tófelületet. Ilyen, néhány éven keresztül tartó állapot a múltban is előfordult, ilyenkor a tó kifolyása erősen lecsökkent vagy megszűnt, csökkent a tó vízcseréje, és átmenetileg romlott a tó vízminősége.
2 ábra A Balaton vízháztartási jelleggörbéi 2. Az éghajlatváltozás hatásvizsgálatának módszere 2.1 Az éghajlati forgatókönyvek
Az éghajlati hatásvizsgálatok az éghajlati forgatókönyvekből indulnak ki. Sokféle éghajlati forgatókönyv létezik attól függően, hogy az éghajlat modellezése a társadalmigazdasági fejlődés milyen pályájával, és azokhoz kapcsolódva az üvegházgázok milyen kibocsátási forgatókönyvével (SRES-forgatókönyv, SRES emissziós szcenárió) számol, továbbá milyen éghajlati modellt (GCM-modell) használ. A globális éghajlati forgatókönyvek értékelésére Ruosteenoja et al. (2003) összehasonlították a négy lehetséges SRES forgatókönyvből (A1, A2, B1, B2) kiinduló, a hét legfejlettebb éghajlati modellel (CCR/NIES, CGCM2, CSIRO Mk2, ECHAM4/OPYC3, GFDL R30, HadCM3 és NCAR DOE PCM) készített 28 globális éghajlati forgatókönyv eredményeit három időtávlatra. A globális éghajlati forgatókönyvek a világot 32 régióra osztják fel. Európát két régióra osztották, Észak- és Dél-Európára, a 47°30’ szélességi kör mentén (1. táblázat). Dél-Európa magában foglalja a teljes mediterrán térséget, és Afrika északi partjait.
2020-39 2040-69 2070-99 2020-39 2040-69 2070-99
1. táblázat Éghajlati forgatókönyvek (Ruosteenoja et al. 2003 nyomán) Hőmérséklet változása, °C Csapadék változása, % D-F M-M J-A S-N D-F M-M J-A Észak-Európa 1-4 1 – 3 0,5 - 2,5 1–3 2 - 23 0 - 16 (-5) - 8 2-8 1–7 1-4 1.5 – 6 2 - 42 0 - 28 (-10) - 14 2 - 14 2 - 11 1,5 - 6 2–9 5 - 60 5 - 50 (-21) - 16 Dél-Európa 1-2 1–2 1-3 1–2 (-8) - 6 (-10) - 7 (-25) - 26 1 - 4,5 1 – 4 1,5 - 5,5 1,5 – 4,5 (-16) - 8 (-15) - 0 (-42) - 20 1 – 8 1,5 - 7 2-9 1,5 – 8 (-16) -12 (-31) - 5 (-60) - 22
S-N (-4) - 13 0 -16 0 – 20 (-10) - 2 (-30) - 9 (-32) - 0
D-F - december-február, M-M – március-május, J-A – június-augusztus, S-N – szeptember-november
Európára valamennyi éghajlati forgatókönyv a hőmérséklet emelkedését jelzi előre minden évszakban, csapadék tekintetében a legtöbb forgatókönyv a téli időszakban növekedést, más évszakokban csökkenést jelez előre. Az előre jelzett változások mértékében az egyes éghajlati forgatókönyvek között jelentős eltérések vannak, a csapadék esetében gyakran még a változás előjelét tekintve is (1. táblázat). A bizonytalanság az időtávlat növekedésével növekszik. Dél-Európára például a június-augusztus hónapokra az éghajlati forgatókönyvek az egyes időtávlatra 1-3 °C, 1,5-5,5 °C, illetve 2-9 °C határok között jelzik előre a hőmérséklet emelkedését, az időszak csapadéka 2025-re egyes forgatókönyvek szerint 25%-kal csökken, más forgatókönyv szerint ugyanilyen mértékben nő. A Balaton vízmérlegének éghajlati hatásvizsgálatában az A2 és B2 SRES forgatókönyvből kiinduló HadCM3 éghajlati modellel készült globális éghajlati forgatókönyvet használtuk fel. Rövidebb időtávlatra, 2025-re felhasználtuk az ECHAM4 éghajlati modellel készült éghajlati forgatókönyvet is (2. táblázat). Az átlagos évi változásokat az egyes évszakokra előre jelzett változások átlagaként számítottuk. A hőmérsékletnek és a csapadéknak a HadCM3 és ECHAM4 éghajlati modellekkel 2025-re készített előrejelzéseivel jól egyeznek az Országos Meteorológiai Szolgálat által a globális melegedés alacsonyabb fokozatára készített hazai előrejelzései, amelyek az évi középhőmérséklet 1-2 °C növekedésével, és az évi csapadék 10%-os csökkenésével számolnak (Bartholy et al. 2005). A globális melegedés magasabb fokozatában jelentős eltérések mutatkoznak a csapadék hazai előrejelzései, illetve a HadCM3 és ECHAM4 éghajlati modellekkel készített előrejelzések között: az utóbbiak csökkenést, a hazai éghajlati forgatókönyvek 30%-ig terjedő növekedést jeleznek előre (Bartholy et al. 2005).
2.táblázat A Balaton vízmérlegének hatásvizsgálatához felhasznált éghajlatváltozási forgatókönyvek Éghajlati modell
HadCM3 ECHAM4 HadCM3 ECHAM4
SRES
2010-2039 D-F
M-M
A2 B2 A2 B2
1.0 1.3 2.0 2.3
1.0 1.4 1.8 1.6
A2 B2 A2 B2
+6 +4 A2 B2
-7 -4 -9 -5
J-A
2040-2069 S-N
D-F
M-M
J-A
Hőmérséklet változása, °C 2.0 1.4 2.2 2.3 4.0 2.5 1.7 2.8 2.0 3.7 2.0 1.6 2.0 1.8 Csapadékváltozás, % -14 +3 0 -3 -30 -24 -2 +4 -7 -26 -4 +2 -5 -5 +2 -4
2070-2099 S-N
D-F
M-M
J-A
S-N
2.8 2.7
3.8 2.8
4.4 3.1
7.0 5.3
5.1 3.8
-9 -3
+2 +11
-25 -10
-50 -10
-20 -11
D-F - december-február, M-M – március-május, J-A – június-augusztus, S-N – szeptember-november
2.2 Az éghajlati hatásvizsgálat módszere Az éghajlati hatásvizsgálatban a vízmérleg elemeket mind a jelen, mind a jövő éghajlatára ugyanolyan módszerrel állítottuk elő. A tófelületre hulló csapadékot a jelenlegi éghajlatra az 1961-1990 időszak észlelt értékei alapján számítottuk, a jövőbeli éghajlatra elfogadtuk az éghajlati forgatókönyvekben előre jelzett értékeket. A tófelületi (potenciális) párolgást a múltbeli észlelési adatok alapján szerkesztett Ew = 191T0.66,
(2)
empirikus képlettel (Nováky 1994) számoltuk mind a jelenlegi, mind a jövő éghajlatra. A (2) képletben T az átlagos évi középhőmérséklet, Ew a számított tófelületi párolgás. A képlet szerkesztéséhez 65 év észlelt hőmérsékleti értékeit és a tó vízfelületi párolgásának Meyer-képlettel számított értékeit használtuk fel. Az éghajlati hatásvizsgálatban az átlagos évi középhőmérsékletet a jelen éghajlatára az 1961-1990 időszak észlelt értékeiből számítottuk, a jövő éghajlatára elfogadtuk az éghajlati forgatókönyvekben előre jelzett értékeket. A vízgyűjtő lefolyását (a tóhoz való hozzáfolyást) mind a jelen éghajlatra (3. ábra), mind a jövő éghajlatára számítottuk egy egyszerű felépítésű térben osztott éghajlat-lefolyás modellel. A lefolyás modellezése során a Balaton vízgyűjtőjét 144 cellára (grid) osztottuk. Az átlagos évi csapadék és évi középhőmérséklet térképeinek digitalizálásával számítottuk az átlagos évi középhőmérséklet (Tgrid) és csapadék (Pgrid) cellánkénti értékeit az 1961-1990 időszakra. Az átlagos évi lefolyás cellánkénti értékeit az Rgrid = Pgridexp[-λEw, grid/Pgrid],
(3)
empirikus összefüggéssel számítottuk. A képletben Ew, grid a (2) empirikus képlettel számolt potenciális párolgás, λ - modellparaméter, amelyet az 1961-1990 időszak észlelt lefolyás értékei alapján arányosítottunk be. A λ arányosításához (kalibrálásához) felhasznált lefolyás értékek a Zala három vízhozam-mérő állomásának (Zalabér, Zalaegerszeg, Zalaapáti) lefolyás értékei voltak. A λ paraméter értéke 1,55-re adódott. A három vízhozam-mérő állomáson az átlagos évi lefolyás 1961-1990 időszakban észlelt értékei 117, 113 és 118 mm, míg a modellezett értékek 122, 151 és 114 mm voltak. A lefolyás számított és észlelt értékei
közötti eltérés a legmegbízhatóbbnak tekinthető Zalaapáti állomásra 3%. A teljes vízgyűjtő lefolyás modellezett értéke a cellánkénti lefolyás valamennyi cellára számított értékének területi átlagaként számítható. Jelenlegi éghajlati állapot (1960-1990)
Lefolyás, mm
0-25
25-50
51-75
76-100
101-125
126-
3. ábra A modellezett átlagos évi lefolyás a Balaton vízgyűjtőjében (jelenlegi éghajlat, 1961-1990)
Az éghajlati hatásvizsgálatban feltételeztük, hogy az átlagos évi középhőmérséklet és csapadék változása valamennyi cellára azonos lesz és egyenlő az éghajlati forgatókönyvben előre jelzett értékekkel, továbbá feltételeztük a (2) és (3) empirikus képletek, valamint a λ paraméter stabilitását. Az éghajlati hatásvizsgálatban használt (3) egyenlet az eredeti R = Pexp[-r/LP]
(4)
Budiko féle képlet módosított változata. Az eredeti Budiko-képletben r a sugárzási egyenleg, L a párolgás rejtett hője, r/L az elméletileg lehetséges párolgás, r/LP az ariditási tényező. Az elméletileg lehetséges párolgást a (3) módosított Budiko-képletben a vízfelületi párolgás értékével jellemeztük. A Budiko-képlet az átlagos évi lefolyás számítására és térképezésére egyik leggyakrabban használt képlet (Rees et al. 1997). Az átlagos évi hőmérséklet, csapadék és lefolyás modellezett értékeit felhasználva a Balaton vízmérlegét és vízháztartási jelleggörbéit előállítottuk a választott éghajlati forgatókönyvekre.
3. Eredmények A Balaton vízmérlegének és az egyensúlyi tófelületnek az éghajlati forgatókönyveknek megfelelő új éghajlatra előre jelzett értékeit a 3. táblázatban összegeztük. 3. táblázat Az éghajlatváltozás hatása a Balaton vízmérlegére és az egyensúlyi vízfelületre Időtáv SRES GCM Ptó Rvgy Rtó Ptó+Rtó Etó Rki Rki/Etó Fegy 1961-90 612 103 891 1503 889 614 0.69 1560 2025 A2 HadCM3 584 75 649 1233 964 269 0.28 950 ECHAM4 592 73 631 1223 991 232 0.24 900 B2 HadCM3 559 60 519 1078 998 80 0.08 710 ECHAM4 597 74 640 1237 995 242 0.24 920 2050 A2 HadCM3 533 45 389 922 1042 0 0.00 470 B2 HadCM3 549 50 433 982 1041 0 0.00 530 2075 A2 HadCM3 440 15 130 570 1157 0 0.00 120 B2 HadCM3 573 52 450 1023 1091 0 0.00 340 Ptó – a tóra hulló csapadék (mm), Rvgy és Rtó –hozzáfolyása a vízgyűjtőről és a tófelületre átszámítva (mm), Etó – a tófelület párolgása, Rki – a tóból való kifolyás (vízeresztés), (mm), Fegy –egyensúlyi vízfelület, km2
Rövidebb időtávra, 2025-re az éghajlati hatásvizsgálatot minden éghajlati forgatókönyvre elkészítettük. Az éghajlati hatásvizsgálat szerint az átlagos évi középhőmérséklet 1,3-2,0 °C-os növekedése a vízfelületi párolgás 8-12%-os növekedéséhez vezet, míg a tófelületére hulló átlagos évi csapadék várhatóan 3-8%-kal csökken. A párolgás növekedése és a csapadék csökkenése a vízgyűjtő lefolyásának csökkenéséhez vezet. A lefolyás csökkenésének mértéke az A2 SRES forgatókönyvből kiindulva mind a HadCM3, mind az ECHAM4 éghajlati modellel, továbbá a B2 SRES forgatókönyvből kiindulva az ECHAM4 éghajlati modellel előre jelzett éghajlatváltozás esetén közel azonos, 27-29%. A B2 SRES forgatókönyvből kiindulva a HadCM3 éghajlati modellel előre jelzett éghajlatváltozás esetén a lefolyás csökkenése ugyanakkor 41% (4. ábra). B2 SRES, HadCM3, 2025
Lefolyás, mm
B2 SRES, HadCM3, 2050
0-25
25-50
51-75
76-100
101-125
126-
4. ábra A Balaton vízgyűjtő modellezett átlagos lefolyása a B2 SRES-forgatókönyv esetén A tó kifolyása az éghajlati forgatókönyvek többségénél a jelenlegi 38-44%-ára csökken, de a legkedvezőtlenebb éghajlati forgatókönyv esetén a jelenleginek 13%-ára. A teljes vízbevétel 78-80%-a távozik párolgással, a legkedvezőtlenebb esetben a 92%-a,
szemben a mai 60%-os aránnyal. A tó egyensúlyi felülete a jelenlegihez képest lecsökken jellemzően 950 km2 körüli értékre, ami mintegy 1,5-szerese a tényleges tófelületnek. A tó vízcseréje számottevően csökkenhet, ami negatív hatással lehet a tó vízminőségére. Hosszabb időtávlatra a számításokat csak a HadCM3 éghajlati modellel készített éghajlati forgatókönyvekre végeztük el, mindkét SRES forgatókönyvre. A 2050-es időtávlatra végzett éghajlati hatásvizsgálat a két SRES forgatókönyvre hasonló eredményeket ad, a tó párolgása 17%-kal növekszik, a tóra hulló csapadék 10-13%-kal, a tó vízgyűjtőjéről érkező lefolyás 51-54%-kal csökken (4. ábra). A csökkenő lefolyás, azaz a tó hozzáfolyása nem lesz elegendő, hogy egyensúlyozza a tó felületének megnövekvő párolgását, ezért a tó egyensúlyi vízfelülete számottevően, 12-22%-kal csökken, a Balaton zárt, lefolyástalan tó lesz. A 2075-re még kedvezőtlenebbül alakulhat a tó vízháztartása. A B2 forgatókönyvből kiindulva a csapadék (következésképpen a vízgyűjtő lefolyás) növekedése jelezhető előre a 2050-eshez képest. A csapadék növekedés aligha ellensúlyozhatja a tófelület megnövekvő párolgását, ezért az egyensúlyi vízfelület tovább csökkenhet és a jelenlegi 56%-át teheti ki. Még nagyobb változás lehetséges az A2 forgatókönyv esetén. Az átlagos évi középhőmérséklet 5 °C növekedése a tó párolgását 30%-kal is növelheti, és ez a csapadék 28%-os csökkenésével együtt a Balaton egyensúlyi vízfelületének jelentős csökkenéséhez vezet. Az új egyensúlyi vízfelület 120 km2, a jelenlegi alig 20%-a lehet (5. ábra). A tó lefolyástalan zárt tóvá alakulhat, amelynek jelenlegi vízszintje mesterséges beavatkozás nélkül nem tartható.
1600
Egyensúlyi tófelület, km2
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Jelenlegi 2025 Időtávlat
2050 2075
A2
B2 SRES forgatókönyvek
5. ábra A Balaton egyensúlyi vízfelületének változása különböző éghajlati és SRES kibocsátási forgatókönyvek esetén 4. Megvitatás Az éghajlati hatásvizsgálat számos különböző eredetű bizonytalanságot rejt magában, ezért a bemutatott eredményeket óvatosan kell fogadnunk. A bizonytalanság növekszik az időtávlat hosszával. Bizonytalan, miként folytatódik az üvegházgázok kibocsátása a harmadik évezredben, melyik SRES forgatókönyv valósul meg. Rövid és közepes időtávon a SRES forgatókönyvből eredő bizonytalanság kisebb, hosszabb távon azonban meghatározó lehet. A bizonytalanság másik forrása az előrejelzéshez használt éghajlati modell bizonytalansága. Jelentős különbségek vannak a különböző éghajlati modellel végzett hőmérsékleti és
csapadék előrejelzésekben, főként a GCM-en alapuló előrejelzések és a GCM-ből hazánkra (Magyarországra) leskálázott értékek között. A bizonytalanság további forrása az éghajlatlefolyás modell bizonytalansága. Nehéz megmondani, hogy a jelen éghajlatra sikeresen alkalmazott modell hogyan viselkedik az éghajlat változása esetén, nehéz, szinte lehetetlen a modell stabilitását igazolni (verifikálni) az új éghajlatra. Mindezen bizonytalanságok csökkentése alapvető feladat a jövőben. A bizonytalanságok ellenére is mondhatjuk, hogy a Balaton térségében az éghajlat melegebbé és szárazabbá válása a jövőben a tó vízháztartási viszonyainak jelentős romlásához vezethet, ami ezért a tó különböző célú hasznosításában jelentős kihívást jelent. Irodalom Arnell, N.W., 2004: Climate change and global water resources: SRES emissions and socio-economic scenarios. Global Environmental Change. Vol. 14, No1. Bartholy, J., Mika, J., Pongrácz, R., Schlanger, V., 2005: A globális felmelegedés éghajlati sajátosságai a Kárpát-medencében. in Éghajlatváltozás a világban és Magyarországon (szerk.: Takács-Sánta András). Alinea Kiadó - Védegylet IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Sientific basis. Contribution of Working Group ( to the Third Assessment Report of the Intergovermental panel of Climate Change (Houghtoun J.T. et al.. eds.), Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, USA, 881 Mika J., 1999: A hazai vízgazdálkodási stratégia alakításánál figyelembe vett éghajlati szcenáriók. (alapozó tanulmány). A hazai vízgazdálkodás stratégiai kérdései (szerk.: Somlyódy L.). Stratégiai Kutatások a Magyar Tudományos Akadémián. Budapest Nováky, B. 1994: A Balaton természetes vízkészlet-változásának éghajlati összefüggései. A Magyar Hidrológiai Társaság VI. Országos Vándorgyűlése. Siófok, 1994. május 17-19. I. kötet Nováky B., 2005: A Balaton vízpótlása és az éghajlat, in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám), 2005. Rees, H.G., Croker, K.M., Reynard, N.S. and Gustard, A (1997.: Estimation of renewable water resources in the Europian Union. In FRIEND’97, Regional Hydrology: Concepts and Models for Sustainable Water Resource Management, IAHS Publ. 246. Ruosteenoja, K., Carter, T.C., Jylha, K., Tuomenvirta, H, 2003: Future climate in world regions: an intercompariosn of model-based projections for the new IPCC emissions scenarios. The Finnish Environment, 644. Helsinki. Somlyódy L., 2005: A balatoni vízpótlás szükségessége: tenni vagy nem tenni?, in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám) Szesztay K., 1959: Tavak és tározómedencék vízháztartási jelleggörbéi. Földrajzi Értesítő, 2 Varga, Gy. 2005: A Balaton vízháztartási viszonyainak vizsgálata, , in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám), 2005.
