Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., v.v.i.
Scénáře klimatické změny jsou používány podle doporučení Mezinárodního panelu pro klimatickou změnu (IPCC).
Modelování vlivu klimatických změn na hydrologický režim v České republice
Značná nejistota scénářů klimatické změny je dána: velkým rozmezím odhadů možného vývoje emisí
Ladislav Kašpárek
skleníkových plynů, nejistotou podílu vlivu jejich nárůstu na globálním oteplování v porovnání s přirozeným kolísáním klimatu.
Pro modelování vlivu změn klimatu na hydrologický režim jsou nejpodstatnější scénáře: změn teploty vzduchu změn úhrnů srážek, změn vlhkosti vzduchu. Používají se zejména přepočtené na roční chod změn v měsíčním kroku. Výchozí reálné teplotní poměry modely vystihují poměrně dobře, srážkové poměry, na kterých vodní zdroje závisí nejvíce, se zatím nedaří
V současné době jsou používány regionální scénáře klimatické změny HIRHAM a RCAO Zpracovala Matematicko – fyzikální fakulta UK, katedra meteorologie a ochrany prostředí, podle výsledků projektu Evropské komise PRUDENCE (2005), pro časovou úroveň 20712071-2100, scénáře emisí SRES A2 a SRES B2 v gridech 50x 50 km
modelovat dostatečně věrně.
Regionální variabilita dle modelu HIRHAM
Scénář HIRHAM jeví jeví vliv orografie. V nížiná inách nastá nastává v létě větší oteplení oteplení než než v hornatých oblastech, v zimě se spíš e naopak ní spíše nížiny mé méně oteplují oteplují než než hory. Srá Srážky v létě klesají klesají výrazně výrazněji v nížiná inách než než v hornatých oblastech. V zimě se srá srážky v nížiná inách zvyš zvyšují ují více než než na horá horách.
1
Regionální variabilita dle modelu RCAO
Scénář RCAO vliv orografie v měřítku ČR nevyjadřuje. Gradienty změn klimatických charakteristik podle modelu RCAO probíhají ve směrech seversever-jih a západzápadvýchod. Změna teploty v létě narůstá od severu k jihu. V zimě narůstá změna teploty od západu k východu.
Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (2071(20712100) Teplota vzduchu - měsíční průměry na povodí
Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (2071(20712100) Srážky – průměrné měsíční výšky na povodí
100
25
původní stav klimatu
pův odní stav klimatu
90
20
scénář emisí A2 Prům ěrná m ěsíční výška srážek (m m )
Průměrná měsíční teplota (st.C)
scénář emisí A2 scénář emisí B2 15
10
5
Největší zvýšení teploty v letních měsících
0
80 scénář emisí B2 70
60
50
40
30
Zvětšení srážek prosinec-březen,
-5 XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
I
II
III
IV
2. Na základě pozorovaných (neupravených) řad se optimalizací stanoví parametry hydrologického modelu povodí. 3. Za použití těchto parametrů se modelem provede výpočet složek hydrologické bilance pro scénáři upravené vstupní řady. 4. Porovnání výchozího stavu a předpovídaného stavu.
V
VI
Teplota vzduchu
Postup hydrologických výpočtů: 1. Pozorované řady srážek, teplot a vlhkostí vzduchu se upraví o změny udávané scénáři.
pokles srážek červenec-září
20 VII
t
Typ režimu
X
Srážky
h
p
Potenciální evapotranspirace
Vstupní řady
ZIMA
modeluje základní hydrologické procesy probíhající v povodí
IX
Relativní vlhkost vzduchu
t
Hydrologické modelování . – model BILAN
VIII
Bilance povrchu povodí [ Dgw ]
TÁNÍ SNĚHU
Zásoba ve sněhu sw
inf
LÉTO
Bilance povrchu povodí [Dgm ] inf
Bilance půdy [ Spa ]
Zásoba v půdě ss
perc
Bilance (povrch povodí, půda) [ Spa, Alf ] perc
Rozdělení mezi hypodermický odtok a doplnění zásoby podzemní vody [ Wic, Mec,Soc] rc Bilance podzemní vody [ Grd ] bf
Zásoba podzemní vody gs I
dr
Celkový odtok
2
Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (2071(2071-2100) Průměrné měsíční výšky odtoku
Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (2071(2071-2100) Minimální měsíční výšky odtoku
30
7 pův odní stav klimatu 6
původní stav klimatu
20
Minimální měsíční výška odtoku (mm)
scénář emisí A2 scénář emisí B2
15
10
scénář emisí A2 scénář emisí B2
5
4
3
2
5
1
0 XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
0
X
XI
Klimatická změna postihne (postihuje) nejdříve povodí s malými úhrny srážek
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
Dopad na zdroje podzemní vody: Studie povodí horní Metuje po Teplice nad Metují – horní část polické křídové struktury
Průměrné roční výšky: srážky 762 mm odtok 370 mm základní odtok 245 mm. mm.
Blšanka Holedeč (375 km2) červenec 2007
Změny zásob a odtoku podzemní vody v podmínkách klimatické změny v povodí horní Metuje
40.0
30.0
Horní část teplické křídové pánve - hydrogeologická struktura s významnými zásobami podzemní vody
20.0
10.0
(%)
Průměrná měsíční výška odtoku (mm)
25
zásoba podzemní vody
výpar
potenciální evapotranspirace
přímý odtok
interflow
-30.0
základní odtok
Modflow (Modular threethree-dimensional finitefinite-difference groundwater flow model developed by the United States Geological Survey)
-20.0
odtok
BILAN – model hydrologické hydrologické bilance, př připraví ipraví vstupní vstupní infiltraci do podzmní podzmních vod pro
0.0
-10.0
srážka
Modelování :
-40.0
Výsledky modelování modelem BILAN - relativní změny průměrných ročních charakteristik hydrologické bilance mezi údaji pro stávající klima a scénář ECHAM (globální scénář)-časová úroveň 2050
3
při klimatické změně (C)
0.9
bez klimatické změny ( A)
0.8 0.7
0.6 0.5 0.4
0.3 0.2 0.1
1.11.03
31.10.04
31.10.02
31.10 .01
1.11. 99
1.11.98
3 1.10.00
1.1 1.95
31.1 0.97
31.10.96
1.11.94
31.10.93
1.11.91
1.11. 90
31.10. 92
1.11.87
3 1.10.89
31.1 0.88
1.11 .86
31.10.8 5
1.11.83
1. 11.82
31.10.84
1.11. 79
31.10 .81
3 1.10.80
1.11.78
31.1 0.77
1.1 1.75
1.11.74
31.10.76
0 1. 11.73
m odelová drenáž p.v. p o prof il MII (m 3.s -1)
Povodí Metuje po Teplice n.M.
V důsledku klimatické změny hydraulickým modelem vypočítány poklesy hladiny podzemní podzemní vody v rozmezí rozmezí 0 – 10 m Prů Průměrná rná hodnota poklesu hladiny podzemní podzemní vody vychá vychází cca 6 m Odtok podzemní vody by v minimech poklesl až na úroveň součtu stávajících odběrů cca 100l/s V obdobích hydrologického sucha by tedy mohla metuje pod Teplicemi vysychat
Výsledek modelování modelem Modflow - porovnání základního odtoku ve vodoměrné stanici v Teplicích nad Metují v podmínkách bez klimatické změny a v podmínkách klimatické změny
Změny povodňového režimu Zimní povodně se zvětšují nebo se objevují i nové, a to na úkor povodní jarních. Jarní povodně se zmenšují a posunují směrem k zimě. Letní povodně se téměř nemění, jen ojediněle se zmenšují. Podzimní povodně se zmenšují pouze v některých letech, v závislosti na tom, jak suché bylo jim předcházející období. Pokles podzimních povodní se objevuje u povodí s menšími dlouhodobými úhrny srážek.
Kolísání četnosti výskytu extrémních povodní Výskyt několika velkých regionálních povodní v ČR v poslední době době nemusí souviset se změnou klimatu
Pro Vltavu v Praze byly z historických pramenů rekonstruovány z posledního tisíciletí povodně, o kterých lze usuzovat, že jejich maximální průtok odpovídal době opakování více než 50 let. Zpracoval Libor Elleder, Elleder, ČHMÚ
Existuje souvislostí mezi specifiky pohybu Slunce kolem těžiště sluneční soustavy a obdobími minim sluneční aktivity (Charvátová). Úplný solární cyklus je 179 let z čehož prvních 130 let je období chaotického pohybu, posledních 50 let je období pravidelného pohybu - spojeného s teplejším a méně rozkolísaným klimatem. V povodí Vltavy se naprostá většina extrémních povodní vyskytla v prvních 130-letých částech slunečního cyklu, jen velmi málo v částech 50-letých. Posledním takovým příznivým obdobím by bylo 1907-1955, současný zvýšený výskyt extrémních povodní odpovídá tomu, že se nacházíme v 130-leté části cyklu, s častějším výskytem geofyzikálních extrémních jevů.
4
30-letá frekvence výskytu povodní v průběhu pravidelných 179-letých slunečních cyklů 7
170
1956
0
od
po
čá tk
uc yk
1784
1272
40
2002
1432
1273
lu
30
1799
1118
1655
1342
1367 1359
130
let
5
2 1420 1 1370
et
20
3 1598 1598 1598
140
Po č
10
6
1777 4
150
Jak se projevuje probíhající změna klimatu na povodí Labe ?
0
Počátky jednotlivých cyklů
160
.
50
1501
1890
Analýza trendů pozorovaných a modelovaných veličin hydrologické bilance povodí Labe po Děčín
1675
120
60
1845 1862
110
70 100
80 90
Povodí Labe po Děčín 1851-2004, směrodatné odchylky srážek a odtoků (desetileté klouzavé průměry)
Teplota v Čechách významně kolísala až do poloviny 19. století, pak podstatně méně, posledních 20 let vzestup o 1 st.C – klima se mění 20
Průměrná roční teplota na povodí Labe
11
srážky
teploty
Klouzavý průměr za 10 let
10
10
O d c h y lk a (% )
8
0
-10
7
Odchylky teplot a srážek byly v minulosti vždy opačné, po roce 1990 se obě veličiny poprvé současně zvětšují
6
-20 5
Rok
2001
1991
1981
1971
1961
1951
Měsíční řada z období 1971-2004 : srážky rostou po roce 1998
8.4
60
Klouzavý průměr/120 (Teplota )
8
1941
Rok
Měsíční řada z období 1971-2004 : Teplota se zvýšila o 0,6 až 1 st. C
8.2
1931
1921
1911
1901
1891
1881
1871
1851
1997
1987
1977
1967
1957
1947
1937
1927
1917
1907
1897
1887
1877
1867
1857
1847
1837
1827
1817
1807
1797
1787
1777
1861
-30 4
Klouzavý prům ěr/120 (výška srážek)
58 výška srážek (mm/měsíc)
7.8 7.6 7.4 7.2 7 6.8
56
54
52
6.6
.0 0
.9 8
.9 6
.0 2 XI
XI
XI
.9 4 XI
XI
.9 2 XI
.9 0 XI
.8 8 XI
.8 4
.8 2
.8 6 XI
XI
XI
.8 0 XI
.7 8 XI
.7 6 XI
.7 4
.7 2 XI
XI
XI
.7 0
2 XI .0
0 XI .0
8 XI .9
4
2
0
6 XI .9
XI .9
XI .9
XI .9
8 XI .8
6 XI .8
2
0
4 XI .8
XI .8
XI .8
8 XI .7
6
4 XI .7
2
50 XI .7
XI .7
0
6.4 XI .7
teplota ( st. C)
Průměrná roční teplota (st.C)
9
5
Územní výpar se zvětšuje méně, než potenciální evapotranspirace
Mění se ročního chod srážek – v zimě více, na jaře méně 60 55
80
1960-1981
1982-2003
50 45
60
40
(mm/měsíc)
70
50 40
35
Klouzavý průměr/120 (Potenciální evapotranspirace)
30
Klouzavý průměr/120 (Územní výpar) Klouzavý průměr/120 (Srážky)
25
30
Klouzavý průměr/120 (Odtok)
20 15
říjen
2003
2001
2000
1999
1997
1996
1995
1993
1992
1991
1989
1988
1987
1985
1984
1983
1981
1980
1979
1977
1976
1975
1973
1971
10 1972
září
srpen
červenec
červen
květen
duben
březen
prosinec
leden
únor
20 listopad
Průměrná výška srážek (mm/měsíc)
90
Rok
Měsíční řady z období 1971-2004 : odtok se zvětšuje méně, než odpovídá vzestupu srážek
80
Klouzavý průměr/12 (Potenciální evapotranspirace)
75
Klouzavý průměr/12 (Územní výpar)
70
Klouzavý průměr/12 (Srážky)
srážky 60
odtok 20
65
58
v ý š k a s r á ž e k (m m /m ě s íc )
19
60
56
18
55
17
50
v ý š k a o d t o k u ( m m /m ě s íc )
Srážky, výpar (m m /m ěsíc)
Územní výpar je limitován převážně srážkami
54
16
45
15 52
14
40
13
35
50
12
Rok
2002
2001
1999
1998
1997
1996
1994
1993
1992
1991
1989
1988
1987
1986
1984
1983
1982
1981
1979
1978
1977
1976
1974
1973
1972
1971
30
XI.70
XI.75
XI.80
XI.85
XI.90
XI.95
XI.00
11 10 XI.70
XI.75
XI.80
XI.85
XI.90
XI.95
XI.00
Jak se mění výpar z vodní hladiny: Výsledky statistické analýzy padesátileté řady pozorování výparu ve stanici Hlasivo
Rozdíl mezi srážkami a odtokem se zvětšuje
55
Klouzavý prům ě r/12 (Rozdíl s ráže k a odtok u)
50
Klouzavý prům ě r/120 (Rozdíl s ráže k a odtok u)
45 40 35 30 25
Rok
2003
2001
2000
1999
1997
1996
1995
1993
1992
1991
1989
1988
1987
1985
1984
1983
1981
1980
1979
1977
1976
1975
1973
1972
20 1971
Rozdíl srážky-odtok (mm/měsíc)
60
Výparoměry Class-A, GGI, v pozadí srovnávací výparoměr a meteorologické přístroje
6
Od poloviny osmdesátých let (1983) dochází k statisticky významnému zvyšování výparu z vodní hladiny v důsledku zvyšování teploty vzduchu
.
Jak se projevuje probíhající změna klimatu na teplotách vody ?
mm/day
Trend line Time series plot Trend occurred: year=1983 1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
Analýza řad měsíčních průměrných teplot vody Labe v Brandýse n.L. ve vztahu k průměrným teplotám vzduchu na povodí a velikosti průtoku, data z období 19581958-2005
2005 Year
Test vzniku trendu pro časovou řadu průměrných sezónních hodnot výparu za období 1957 až 2005
Vztah mezi teplotou vzduchu a teplotou vody v oblasti kladných teplot teplot vzduchu je téměř lineární
Vztah mezi teplotou vzduchu a teplotou vody pro záporné teploty vzduchu lze vyjádřit exponenciální funkcí
30
5
4.5
25
4
y = 1.013x + 2.2223 R2 = 0.9503
3.5
Teplota vody (st.C)
Teplota vody (st.C)
20
15 y = 0.0095x2 + 0.8296x + 2.7841 R2 = 0.9523
3 0.3382x
y = 2.9834e 2 R = 0.5217
2.5
2
1.5
10 1
0.5
5
0 -10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
Teplota vzduchu (st.C)
0 0
5
10
15
20
25
Teplota vzduchu (st.C)
Největší vzestup teplot vody je v období květen až srpen
Teplota vody (při kladných teplotách vzduchu) je ovlivněna velikostí velikostí průtoku – při menším průtoku je voda teplejší 0.07
5 0.06
Teplota vody
0.05
Teplota vzduchu - průměr na povodí
4
Odchylka odhadu teploty vody (st.C)
3
Gradient změny teploty v čase
y = -1.1611Ln(x) + 3.0679 2 R = 0.1307
2 1 0 -1 -2
0.04
0.03
0.02
0.01
0
-0.01
-3
-0.02
-4 -5
-0.03
0
10
20
30
40
50
Odtoková výška (mm/měsíc)
60
70
80
90
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Měsíc
7
Vzestup teploty vzduchu v srpnu je o více než 2 st.C, vzestup teploty vody je obdobný 24 23 22 VODA 21
V ročním průměru se . teplota vody zvětšuje úměrně k teplotě vzduchu, zvýšení teplot v letních měsících je větší, v srpnu více než dvojnásobné . Při malých průtocích se samozřejmě voda prohřívá více.
Teplota (st.C)
20 19
Při pokračujícím oteplování vzduchu bude letní oteplování vody v řekách společně s poklesem průtoků jedním ze závažných důsledků s dopady na kvalitu vody, užívání vod i na vodní ekosystémy.
18 17 16
VZDUCH
15
20 02
20 04
19 98
20 00
19 94
19 96
19 90
19 92
19 86
19 88
19 80
19 82
19 84
19 76
19 78
19 72
19 74
19 70
19 66
19 68
19 62
19 64
19 58
19 60
14
Rok
Jak zmírnit dopad klimatické změny ?
Děkuji za pozornost
Obnova retenční schopnosti krajinykrajiny-přispěje ke zlepšení vodního režimu krajiny a kvality vody, minimální průtoky však nezvětší Efektivnější využití stávajících nádrží a vodohospodářských soustav, soustav, transport vody do suchých oblastí Ve výhledu výstavba nových nádrží (rezervovat pro ně vhodná území) území) Ekonomické nástroje vedoucí k šetření s vodou a menšímu znečišťování znečišťování vody (už probíhá – velký prostor už nezbývá) Výstavba čistíren a účinnější čistění odpadních vod Rekonstrukce kanalizačních sítí k zamezení pronikání balastních vod a únikům znečištěných vod
Dopady na kvalitu povrchových vod Předpokládané klimatické změny ovlivní kvalitu vody velmi nepříznivě Zmenšení celkového odtoku znamená větší koncentrace znečišťujících látek ve vodě. Nejvážnější situace při malých průtocích nastane na drobných tocích, do kterých odtékají splaškové vody. Se stoupající teplotou klesá obsah kyslíku. Zvýšení teploty vody vede také ke zrychlení pochodů produkce a rozkladu organické hmoty. Při rozkladných pochodech se zvyšuje spotřeba kyslíku. Větší rozvoj fytoplanktonu (řas a sinic) komplikuje vodárenské i rekreační využití vody.
Možnosti kompenzace dopadu klimatické změny pomocí vodních nádrží Směrný vodohospodářský plán ČSR (1988) uvažoval: Lokality výhledových vodních nádrží, 210 je dosud územně hájených. Cíl studie: odhad celkového objemu nádrží ve zvolených povodích, který řádově odpovídá potřebě kompenzovat pokles odtoku vlivem klimatické změny (pod zvolenou mezní hodnotou) a jeho regionální zhodnocení
8
Jizera - Předměřice (plocha povodí 2158 km2)
140
Použité prostředky:
40
scénář klimatické změny EC2H pro rok 2050
20
229
217
205
193
181
169
157
145
133
121
97
109
85
73
0 61
program EXDEV pro výpočet nedostatkových objemů
1
model hydrologické bilance BILAN
3
60
49
1971-1990)
116 mil. m
80
37
relativních vlhkostí vzduchu - měsíční řady z 32 povodí (pro povodí Labe od r.1932, pro povodí Moravy a Odry
25
pozorované řady srážek, odtoků, teplot vzduchu a
největší rozdíl 54 mm*2158 km2*103 =
100 odtok (mm)
Použitá data:
Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M.
odtok - výchozí stav odtok - rok 2050 práh Q70%
120
13
Postup
měsíc
Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M.
Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M.
Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M.
Závěr: V povodí Labe objemy plánovaných nádrží řádově odpovídají chybějícím objemům vody předpokládaným v podmínkách klimatické změny. Objem plánovaných nádrží: 3540 mil. m3 Chybějící objem vody: 6584 mil. m3
9
