Povodně a extrémní srážkové úhrny v ČR a jejich časová proměnlivost Floods and extreme precipitation events in the Czech Republic and their temporal variability Kyselý Jan (1), Kakos Vilibald (1), Pokorná Lucie (1) (1) Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, ČR Abstract Long-term variability of floods and heavy precipitation events is studied using series of peak discharges on the Vltava river in Prague and the Elbe river in Dìèín, and series of precipitation measurements at gauge stations in the Czech Republic. There are two distinct sorts of floods, the winter floods (linked to a combination of melting snow cover and a large-scale liquid precipitation, and occurring in winter hydrological half-year) and summer floods (caused by a heavy precipitation in summer hydrological halfyear and April). The trend in winter floods shows a conspicuous decline since the end of the 19th century, particularly in the Vltava river, while there is no clear trend in the frequency of summer floods over the same period. The differences between long-term variability of floods on the Vltava and Elbe rivers may reflect changes in winter precipitation and snow accumulation characteristics between northern and southern parts of Bohemia during the 20th century. A long-term decrease (increase) in the frequency of heavy 3-day precipitation events in winter (summer) hydrological half-year is observed since the first half of the 19th century in Prague. It suggests that the decline in the winter flood occurrence is not only due to a warming trend and lower snow accumulation, but the decrease in the frequency of intense rainfall which supports melting of snow and contributes to high river discharges plays a role as well. There is no clear trend in extreme precipitation events in the Czech Republic during the past 40 years. Key words: floods - extreme precipitation amounts - long-term variability - Czech Republic 1. Úvod Dlouhodobá proměnlivost výskytu povodní a klimatických extrémů obecně významně ovlivňuje lidskou společnost. Povodně přitom patří mezi jevy nejničivější, o čemž svědčí i obrovské materiální ztráty při rozsáhlých záplavách na území Čech v srpnu 2002 (ČHMÚ, 2003); větším ztrátám na lidských životech bylo zabráněno jen připraveností složek civilní ochrany a dobrou organizací evakuačních a záchranných prací. Je přitom dobře známo, že tato velká povodeň nastala po období relativního klidu trvajícího bezmála půlstoletí, kdy četnost především zimních povodní na Vltavě v Praze byla velmi malá. Tyto změny v povodňovém režimu byly někdy mylně přisuzovány jen vlivu vybudované vltavské kaskády; ta však je schopna rozsah velkých vod pouze zmírnit a s rostoucí velikostí povodně relativní snížení kulminačního průtoku klesá (Kašpárek a Bušek, 1990). V souvislosti s globálním oteplováním se často připomíná pravděpodobný scénář zesílení hydrologického cyklu a zvýšení četnosti povodní, ve střední Evropě především letních. Cílem tohoto příspěvku je analyzovat dlouhodobou proměnlivost povodní na Vltavě a na Labi za období 1851-2002 ve vztahu k trendům v četnosti a intenzitě srážkových extrémů.
2. Data a. Extrémní průtoky v Praze na Vltavě a v Děčíně na Labi Průtoky ve vrcholech povodňových vln dosahující alespoň hodnoty 2leté vody (Q2=1090 m3/s v Praze, Q2=1830 m3/s v Děčíně; kol., 1996) na Vltavě v Praze a na Labi v Děčíně byly k dispozici za období 18512002. Základním zdrojem údajů byl Novotný (1963) a Databanka kulminačních průtoků ČHMÚ. V případě nesouhlasu mezi těmito dvěma zdroji nebo existence nejistých údajů byly sporné případy dohledány v archivu ČHMÚ v Brozanech nebo i kontrolovány podle průběhu počasí předcházejícího povodni v PrazeKlementinu. Podstatná část kontroly byla provedena též srovnáním údajů o průtoku v Praze a v Děčíně, zejména pokud jde o čas kulminace (průměrná postupová doba povodňové vlny mezi Prahou a Děčínem je necelých 24 hodin) a hodnoty kulminačních průtoků (podíl Qk-Děčín / Qk-Praha se pohybuje v rozmezí 1 až 2, s výjimkou některých letních povodní, kdy může být <1). V konečném souboru dat tak byly některé případy z Novotného (1963) i z Databanky ČHMÚ vypuštěny nebo opraveny (např. chybné datum), jiné přidány; vyřazeny byly rovněž všechny případy kulminačních průtoků, pokud byl časový interval mezi sousedními kulminacemi kratší než 12 dní. U případů po roce 1954 včetně bylo uvažováno ovlivnění průtoků vltavskou kaskádou podle Kašpárka a Buška (1990), po roce 1990 byl odhad proveden ve spolupráci s pracovníky dispečinku Povodí Vltavy a ČHMÚ. Použité řady by proto neměly být vybudováním přehrad na Vltavě, které vedlo po roce 1954 ke snížení pozorovaných průtoků, ovlivněny. Poloha vodočetné stanice v Praze se sice v průběhu let (v souvislosti s úpravami na toku, zejména budováním jezů) několikrát měnila, na povodňové průtoky by však tyto změny neměly mít významnější vliv. Obě vzniklé, pro území Čech zatím nejdelší řady kulminačních průtoků (1851-2002) lze tedy pokládat za do značné míry homogenní. Přehled základních charakteristik průtokových řad je uveden v tab. 1. Tab. 1: N-leté průtoky na Vltavě v Praze a na Labi v Děčíně (podle kol., 1996). QN značí N-letý průtok. tok
stanice
Vltava Labe
Praha Děčín
průměr 3 [m /s] 148 309
Q1 3 [m /s] 765 1400
Q2 3 [m /s] 1090 1830
Q5 3 [m /s] 1600 2430
Q10 3 [m /s] 2030 2890
Q20 3 [m /s] 2490 3380
Q50 3 [m /s] 3150 4030
Q100 3 [m /s] 3700 4540
b. Srážkoměrné údaje Využity byly denní úhrny srážek v síti několika desítek stanic v ČR, dostupné za období 1961-2000, a měření v Praze-Klementinu od května roku 1804, v nichž chybí pouze měsíce leden 1806 a říjen 1908; pro bližší popis dat viz Kyselý a Pokorná (2003). 3. Výsledky a. Typy povodní Na obou tocích se vyskytují dva zřetelně odlišné typy povodní, zimní (Z) a letní (L) (tab. 2). Pro zimní povodně, vyvolané kombinací velkoplošných srážek ve formě deště a tání sněhu, případně ledovými jevy na tocích, jsou charakteristické výrazné kladné odchylky teploty od normálu ve dnech D-3 až D-1 před kulminací a převládající zonální proudění (od jihozápadu až severozápadu) se sérií postupujících cyklón s jednotlivými frontálními systémy, jejichž středy procházejí obvykle severně od území ČR (Kakos, 1983; Kyselý et al., 2003). Letní povodně charakterizují intenzivní dlouhotrvající srážky zasahující velké území, místy zesílené orografickými efekty, popř. i bouřkovými přívalovými dešti, a obvykle výrazné záporné odchylky teploty od normálu; typické cirkulační podmínky jsou níže nebo brázda nad střední Evropou a situace se severní nebo východní složkou, zpravidla se jedná o pomalu postupující teplotně asymetrickou
cyklónu z oblasti Středozemního moře převážně k severovýchodu (Kakos, 1983; Kyselý et al., 2003). Na dolních tocích Vltavy a Labe se prakticky nevyskytují letní povodně, jejichž hlavní příčinou by byly přívalové srážky z konvektivní oblačnosti zasahující malou část povodí; výjimku činí jen květnová povodeň z roku 1872. Zatímco zimní povodně jsou omezeny na období listopad až březen, letní se vyskytují od dubna do října. Několik málo případů v březnu a první půli dubna nebylo možné podle teplotních kritérií ani povětrnostní situace jednoznačně zařadit do jednoho z typů Z nebo L a jsou proto hodnoceny ve shodě s prací Kakose (1983) jako neurčité. V obou vodoměrných profilech převládají zimní povodně; v Praze tvoří 55% všech alespoň dvouletých povodní, v Děčíně 62%. S rostoucí velikostí povodně se však jejich relativní zastoupení snižuje, jak o tom svědčí poslední sloupec tab. 2 zachycující četnost výskytu povodňových typů mezi 10 největšími povodněmi. Tab. 2: Četnosti a charakteristiky jednotlivých typů povodní v Praze na Vltavě a v Děčíně na Labi v období 1851-2000. Průměrná teplota a srážky jsou určeny podle Prahy-Klementina. a. Praha typ povodně
počet případů
Z L N
48 30 9
prům. teplota ve dnech D-3 až D-1 - odchylka od normálu [°C] 4.4 -3.2 -1.1
prům. úhrn srážek četnost výskytu četnost výskytu ve dnech D-3 až mezi 20 největšími mezi 10 největšími D-1 [mm] povodněmi povodněmi
prům. teplota ve dnech D-3 až D-1 - odchylka od normálu [°C] 4.4 -3.7 -1.2
prům. úhrn srážek četnost výskytu četnost výskytu ve dnech D-3 až mezi 20 největšími mezi 10 největšími D-1 [mm] povodněmi povodněmi
9.7 36.4 7.6
8 9 3
3 6 1
b. Děčín typ povodně
počet případů
Z L N
45 21 7
8.6 30.3 2.3
11 6 3
4 4 2
b. Časová proměnlivost výskytu povodní typu Z a L Dlouhodobé změny v četnosti povodní typu Z a L zachycuje obr. 1. Zejména v Praze je patrný výrazný pokles četností povodní typu Z od poloviny 19. století; v Děčíně (Kakos, 1996) tento pokles není zdaleka tak nápadný. Sestupný trend nepochybně souvisí se zimním oteplováním a omezenými zásobami sněhu, který buď padá v menším množství, nebo též postupně odtává a nedochází tak často k jeho akumulaci. Rozdíl mezi Prahou a Děčínem však může upozorňovat na poněkud odlišné změny charakteru zimního období zhruba v severní části Čech ve srovnání s jižními až středními Čechami (povodí Vltavy); změny v akumulaci sněhu a četnostech výrazných oblev byly pravděpodobně méně výrazné v severních oblastech Čech (s dominantními pohořími Krkonoš, Jizerských, Orlických a Krušných hor), spadající do povodí Labe, než v jižních a středních Čechách (Šumava, Český les, Novohradské hory, část Českomoravské vrchoviny), nacházejících se v povodí Vltavy. Svou roli může hrát rovněž větší výšková pestrost povodí Vltavy, kde jsou rovnoměrněji zastoupena jednotlivá výšková patra; pokud se nevyskytují mimořádně tuhé a na sníh bohaté zimy s dlouhotrvajícími mrazy a akumulací sněhu i v nižších polohách, je v povodí Vltavy větší pravděpodobnost postupného odtávání sněhu (v závislosti na nadmořské výšce). Růst zimních teplot se
podle této hypotézy projevil ve vztahu k možnosti akumulace sněhu silněji v povodí Vltavy a četnost povodní na jejím dolním toku se tak snížila více ve srovnání se situací na Labi. Rovněž změny v četnostech povodní typy L vykazují (po relativně klidném období třetí čtvrtiny 19. století) v Praze i Děčíně mírně sestupnou tendenci. Výrazné maximum v četnosti letních povodní nastalo na konci 19. století; v Praze koincidovalo i s maximem v četnosti zimních povodní. V rozmezí let 1886-1900 se zde vyskytlo celkem 22 alespoň dvouletých povodní, zatímco např. v celé druhé polovině 20. století jen 14. V průběhu 20. století však není patrný žádný trend ve výskytu letních povodní, jejich četnost byla dokonce v Praze i Děčíně kolem roku 1980 ve 20. století nejvyšší. Pokles povodňové aktivity je tak dán výhradně snížením četností zimních povodní, a to zejména na Vltavě. Pokles ve výskytu povodní v Praze na Vltavě dále dokládá obr. 2, v němž je zachycena proměnlivost výskytu kulminačních průtoků ≥ Q2 a ≥ Q10 bez ohledu na jejich příčinu. I v Děčíně je tento dlouhodobý trend nápadný, není však zdaleka tak výrazný. To může rovněž naznačovat změněné srážkové poměry severní části Čech ve srovnání s jižními.
Praha
0.7
0.7
zimní povodně letní povodně
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
četnost výskytu / rok
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1991
1971
1951
1931
1911
1891
1851
1991
1971
1951
1931
1911
1891
1871
0 1851
0
Děčín
0.6
1871
četnost výskytu / rok
0.8
Obr. 1: Dlouhodobé změny v četnostech alespoň 2letých zimních a letních povodní v Praze a Děčíně.
0.2 1991
1971
1951
1931
1911
1891
1871
1851
0
1991
0.4
1971
0.6
1951
0.8
1931
1
1911
1.2
Děčín
1891
10leté povodně
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
1871
2leté povodně
Praha
1.4
1851
četnost výskytu / rok
1.6
četnost výskytu / rok
Znázorněny jsou 11leté klouzavé průměry.
Obr. 2: Dlouhodobé změny v četnostech alespoň 2letých a alespoň 10letých povodní v Praze a Děčíně. Znázorněny jsou 11leté klouzavé průměry. c. Časová proměnlivost vysokých srážkových úhrnů v Praze-Klementinu Dlouhodobé změny v četnosti srážkově intenzivních situací podle údajů z pražského Klementina jsou zachyceny na obr. 3. Zvlášť je uvažováno zimní a letní hydrologické pololetí; jako hranice pro extrémní
3denní srážkový úhrn byla zvolena hodnota 25 mm v zimě a 50 mm v létě, v dlouhodobém průměru se oba tyto případy vyskytují právě jednou v příslušném hydrologickém půlroku. Přestože je reprezentativnost srážkoměrné řady z jedné lokality omezená, jsou některé dlouhodobé změny pravděpodobně společné pro rozsáhlé území. Z dlouhodobého hlediska je velmi nápadná změna v rozložení výskytu srážkových extrémů v průběhu roku; v letním pololetí je trend od poloviny 19. století až do 80. let 20. století rostoucí, v zimním probíhaly opačné změny. Tyto protichůdné tendence vedou k tomu, že zatímco ve 30. letech 19. století připadal na 3 zimní srážkové extrémy 1 letní, v 80. letech 20. století byl tento poměr přesně opačný. Zaměříme-li se však na posledních 40 let, je trend v zimě spíše rostoucí a v létě mírně klesající. Souvislost s dlouhodobým kolísáním výskytu povodní je nápadnější v zimním pololetí, kdy dochází od poloviny 19. století k poklesu četnosti povodní i srážkových extrémů; zimní povodně jsou sice do značné míry vyvolány táním sněhu a nemusí tak mít bezprostřední vazbu na vybrané případy vysokých srážek, intenzivní srážky v podobě deště však přispívají jak k tání sněhu, tak i k samotnému zvýšení průtoků. V létě je nápadná shoda zvýšení četnosti povodní i srážkových extrémů kolem roku 1980.
zimní povodně letní povodně Z25 L50
4.5 4
2.5 2 1.5
3.5
1
četnost výskytu / rok
3
0.5
2.5
četnost výskytu / rok
5
0
2
-0.5
1.5
-1
1
-1.5
0.5 1989
1979
1969
1959
1949
1939
1929
1919
1909
1899
1889
1879
1869
1859
1849
1839
1829
1819
-2 1809
0
Obr. 3: Dlouhodobé změny počtu 3denních období ze srážkovým úhrnem >25 mm (50 mm) v zimním (letním) hydrologickém pololetí v Praze-Klementinu. Znázorněny jsou rovněž změny ve výskytu zimních a letních povodní, zobrazené hodnoty odpovídají 11letým klouzavým průměrům. d. Časová proměnlivost vysokých srážkových úhrnů v ČR od roku 1961 Výsledky analýzy výskytu extrémních 1denních až 7denních srážkových úhrnů na srážkoměrných stanicích v ČR naznačují mírný nárůst intenzit srážkových extrémů v zimě, zatímco v létě je trend blízký nule (Kyselý a Pokorná, 2003). I v zimě jsou však trendy statisticky významné pouze na několika málo stanicích a ve srovnání s výraznými změnami, probíhajícími v dlouhodobém kontextu a dokumentovanými na příkladu Prahy-Klementina, zanedbatelné. 4. Závěr
Dlouhodobá proměnlivost četnosti povodní a extrémních několikadenních srážkových událostí byla studována s využitím dlouhých řad povodňových kulminačních průtoků v Praze na Vltavě a v Děčíně na Labi (1851-2002) a řad ze srážkoměrných stanic v ČR, s důrazem na dlouhou řadu pozorování denních srážkových úhrnů v Praze-Klementinu (1804-2001). V datech se projevují dva zřetelně odlišné druhy povodní, zimní (vyvolané kombinací tání sněhové pokrývky a velkoplošných srážek ve formě deště a vyskytující se v zimním hydrologickém pololetí) a letní (způsobené intenzivními srážkami v letním hydrologickém pololetí a dubnu). V četnostech zimních povodní je pozorován zvláště nápadný pokles od konce 19. století, především na Vltavě, zatímco změny ve výskytu letních povodní jsou ve stejném období nevýrazné. Rozdíly mezi dlouhodobou proměnlivostí výskytu povodní na Vltavě a na Labi mohou odrážet změny v zimních srážkách a akumulaci sněhu mezi severními a jižními oblastmi Čech v průběhu 20. století. Dlouhodobý pokles (nárůst) četnosti intenzivních 3denních srážkových událostí v Praze v zimním (letním) hydrologickém pololetí od první poloviny 19. století naznačuje, že pokles četnosti zimních povodní nemusí odrážet pouze výrazné oteplování v zimních měsících a nižší akumulaci sněhu, ale rovněž menší výskyt extrémních srážkových úhrnů, podporujících tání sněhu a přispívajících ke zvýšeným průtokům. V posledních 40 letech jsou trendy v intenzitě srážkových extrémů nevýrazné. Klíčová slova: povodně - extrémní srážkové úhrny - dlouhodobá proměnlivost - ČR Poděkování: Autoři děkují ze podporu projektu B3042303 Grantové agentuře Akademie věd ČR a projektu 205/03/Z041 Grantové agentuře ČR. Literatura: ČHMÚ, 2003: Výroční zpráva 2002. ČHMÚ, Praha, 67 s. Kakos V., 1983: Hydrometeorologický rozbor povodní na Vltavě v Praze za období 1873 až 1982. Meteorol. zpr., 36, 171-181. Kakos V., 1996: Klimatické změny ve vztahu k povodním na Labi v Děčíně. In: Tradice a pokrok v meteorologii. Sborník referátů z konference v Radostovicích 10.-12.9.1996. ČHMÚ Praha, 226-233. Kašpárek L., Bušek M., 1990: Vliv vltavské kaskády na povodňový režim Vltavy v Praze. Vodní hospodářství, 7, 280-286. kol., 1996: Hydrologické charakteristiky vybraných vodoměrných stanic České republiky. ČHMÚ, Praha, 134 s. Kyselý J., Kakos V., Huth R., Buchtele J., 2003: Atmosférická cirkulace a povodňové situace na Vltavě. Bioklimatologické pracovné dni, 6 s. Kyselý J., Pokorná L., 2003: Proměnlivost extrémních srážkových úhrnů v ČR (v přípravě) Novotný J., 1963: Dvě století hydrologické řady průtokové na českých řekách. In: Sborník prací HMÚ v Praze, sv. 2, Praha. Kontaktní adresa: RNDr. Jan Kyselý, Ph.D., Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Boční II 1401, 141 31 Praha 4, ČR; fax: +420 272 763 745; e-mail:
[email protected]
