DOKTORSKÁ DIZERTAČNÍ PRÁCE. Vláhová bilance zemědělské krajiny

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav aplikované a krajinné ekologie DOKTORSKÁ DIZERTAČNÍ PRÁCE Vláhová bilance zemědělské krajiny textová část RNDr. Mojmír Kohut školitel Prof. Ing. František Toman, CSc. školitel specialista RNDr. Ing. Jaroslav Rožnovský, CSc. Brno 27

2 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Poděkování Chtěl bych touto cestou poděkovat svému školiteli prof. Ing. Františku Tomanovi, CSc., vedoucímu Ústavu krajinné a aplikované ekologie Agronomické fakulty Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity (MZLU) Brno, za jeho podporu a péči, kterou mi věnoval při zpracování doktorské dizertační práce. Dále děkuji svému školiteli specialistovi RNDr. Ing. Jaroslavu Rožnovskému, CSc., řediteli ČHMÚ, pobočky Brno, za veškerou péči, cenné připomínky a v neposlední řadě za vytvoření velmi příznivých podmínek na pracovišti a umožnění věnovat se této jistě velmi zajímavé problematice v praxi. Moje poděkování rovněž patří ČHMÚ, který mi umožnil využít klimatická data z oficiální databáze ČHMÚ CLIDATA systému ORACLE. Můj dík patří rovněž pracovníkům ČHMÚ, pobočky Brno Mgr. Petru Štěpánkovi, Ph.D., vedoucímu OMK, za poskytnutí kompletních řad denních srážkových úhrnů vybraných klimatologických stanic ČR z období , a RNDr. Filipu Chuchmovi, odbornému pracovníkovi OAF, za vydatnou pomoc při tvorbě mapových příloh dlouhodobých vláhových bilancí na území ČR. Poděkování rovněž patří dalším nejmenovaným pracovníkům ČHMÚ, s kterými jsem problematiku vláhových bilancí či výpočtů evapotranspirace mohl konzultovat a diskutovat. Doktorská dizertační práce svým tématem navazuje na řešení a naplňování projektů SF/74/2/3 Atlas podnebí Česka a regionalizace výstupů klimatických modelů nelineárními metodami, 1D/1/5/5 Vývoj metod predikce stavů sucha a povodňových situací na základě infiltračních a retenčních vlastností půdního pokryvu ČR a QF31 Posouzení nárůstu klimatického sucha v zemědělství a zmírňování jeho důsledků závlahami. Brno, 15. listopadu 27 RNDr. Mojmír Kohut 2

3 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Summary The work you are about to read is devoted to the question of moisture balance in the area of Czech Republic in period of In particular it elaborates one of the possible calculating procedures or ways to solve this matter in landscape environment in term of place as well as time, on the simultaneous presumption of using large number of climate data from single meteorological elements, needed for all applied calculations. Rating of long-time term moisture ratios in the area of Czech Republic was done for 155 selected climatic stations of CHMI (Czech Hydrometeorological Institute) based on comparison of two major components of water circle in landscape environment, meaning rainfall and exhalation, which is represented by evapotranspiration of grass growth. For complete analysis the certified and recommended method of calculation with combinatory Penman-Monteith s equation was used in modified form according to MORECS ( The Meteorological Office for Rainfall and Evaporation Calculating System ) and AVISO ( Agrometeorological calculating and informative scheme ) models. In the introduction, the complex analysis of daily climatologic data of the major meteorological elements (air temperature, air moisture, sunshine, wind speed and rainfall) was done. This consisted in data assembly, eventual completion, verification or homogenization. Source of all climate data was the official climatological database CHMI CLIDATA of the database system ORACLE. All missing data were complemented with unified way of regression analysis method. Great attention was paid to detailed analysis and practical verification of calculating algorithms of evapotranspiration of grass growth according to both MORECS and AVISO models mentioned above. The complete calculation of evapotranspiration of grass growth in several modifications in period of in daily basis was realized in Microsoft Excel for listed number of selected climatic stations. The whole system was programmed as open with possibilities of continuous improvements of final results with algorithm modifications, eventually complementation or modification of other climate data. The rating of long-time term moisture ratios itself in the area of Czech Republic in the years was done: In term of areal: For the whole area of CR with distinction to height zoning (to 2 m above sea level, 21-3 m above sea level, 31-4 m above sea level, 41-5 m above sea level, 51-6 m abover sea level, 61-7 m above sea level, 71-8 m above sea level and over 8 m above sea level). These selected areas of CR (South Moravia, Middle Moravia, Polabí and Poohří) are significant agricultural areas of the Republic. In term of time: For selected time periods (an year, vegetation and non-vegetation period; all year seasons: spring, summer, autumn and winter and periods that characterized transient run of moisture conditions since the beginning of the year, meaning time periods as per 3/1, 6/1, 9/1 and 12/1). 3

4 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Before concrete elaboration of moisture ratios of ČR, the analysis of dependence of average long-time term data of moisture balance of grass growth on above sea level was done. In the next phase, the essential statistic analysis of calculated sums of moisture balance of grass growth was done in term of long-time average as well as single month data in period under consideration of years In addition to selected characteristics of describing statistics, the analysis contains kvantils documentating the lay of sums of moisture balance in single files, and bordering value of intervals of single files for statistically standard appearance of given magnitude. Importance of this work is to form rating with the use of these data concerning moisture balance of the grass growth: According to average long-time sums of pre-determined time periods in years with regard to height zoning of CR, According to concrete sums of pre-determined time periods in years with regard to height zoning of CR, According to average long-time monthly sums during the year with regard to height zoning of ČR, or selected areas of CR. Map details gives vivid and transparent image about space appearance of long-time moisture balance of grass growth on the area of CR in years The work is supplemented with review of czech and foreign literature. Key words: MORECS, AVISO, FAO, Penman-Monteith, evapotranspiration, moisture balance, water balance, soil moisture deficit, data processing 4

5 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Obsah 1. Úvod, cíl práce str Literární přehled, stav problematiky u nás a ve světě str Vláhová bilance v krajině str Evapotranspirace str Metodika řešení problematiky vláhové bilance v krajině str Obecný úvod, vymezení řešené problematiky str Navržená metodika řešení problematiky vláhové bilance v krajině.. str Evapotranspirace, podrobná analýza ztrátového člena v rovnici vláhové bilance str Referenční evapotranspirace hypotetického povrchu, obecné poznámky str Referenční evapotranspirace hypotetického povrchu, základní rovnice a její odvození str Úprava aerodynamické rezistence (odporu) r a str Úprava povrchové rezistence (odporu) plodiny r s str Dokončení úpravy základního vztahu str Podrobná analýza výpočetních algoritmů str Potenciální evapotranspirace standardního travního porostu, obecné poznámky str Evapotranspirace travního porostu, Penman-Monteithova rovnice v modelech MORECS a AVISO a jejich specifika..... str Model MORECS str Model AVISO str Modely MORECS a AVISO, analýza jednotlivých složek radiace Penman-Monteithovy rovnice str Modely MORECS a AVISO, analýza odporových charakteristik Penman-Monteithovy rovnice str Modely MORECS a AVISO, analýza zbývajících charakteristik Penman-Monteithovy rovnice str Závěrečné poznámky před vlastními výpočty evapotranspirace a vláhových bilancí travního porostu str Vstupní data a jejich podrobná analýza str Teplota vzduchu str Tlak vodní páry str Sluneční svit str Rychlost větru str Srážky str Dosažené výsledky a jejich interpretace str Vláhová bilance travního porostu na území ČR podle výškových pásem za období str Základní statistická analýza úhrnů vláhové bilance travního porostu.. str Dlouhodobá vláhová bilance travního porostu na území ČR ve zvolených časových obdobích v závislosti na výškových pásmech.. str Průběh vláhové bilance travního porostu na území ČR ve zvolených 5

6 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny časových obdobích v závislosti na výškových pásmech str Dlouhodobá měsíční vláhová bilance travního porostu na území ČR v závislosti na výškových pásmech str Vláhová bilance travního porostu ve vybraných oblastech. na území ČR za období str Základní statistická analýza úhrnů vláhové bilance travního porostu.. str Dlouhodobá vláhová bilance travního porostu ve vybraných oblastech na území ČR a ve zvolených časových obdobích str Průběh vláhové bilance travního porostu ve vybraných oblastech na území ČR a ve zvolených časových obdobích str Dlouhodobá měsíční vláhová bilance travního porostu ve vybraných oblastech na území ČR str Mapová znázornění vláhové bilance travního porostu na území ČR ve zvolených časových obdobích str Závěr ečná zhodnocení provedených prací str Literatura str Seznam tabelárních, grafických a mapových příloh str Tabelární přílohy str Grafické přílohy str Mapové přílohy str

7 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny 1. ÚVOD, CÍL PRÁCE Doktorská dizertační práce na téma Vláhová bilance zemědělské krajiny byla vypracována v rámci distančního doktorského studia na Agronomické fakultě Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně (studijní obor Aplikovaná a krajinná ekologie v doktorském studijním programu Ekologie a ochrana prostředí 16 1 V ). Problematika vláhových bilancí a s tím velmi úzce souvisejících projevů sucha je v současné době velmi aktuální nejen v zahraničí, ale i u nás. Vláhovou bilanci je možno ve zjednodušeném pohledu intrepretovat jako charakteristiku, pomocí níž jsou vhodně vyjadřovány vláhové poměry krajiny. Dizertační práce je příspěvkem k obecnému řešení vláhových bilancí na území ČR. Neřeší tedy z komplexního pohledu vodní (hydrologickou) bilanci, která je těžištěm zájmu hlavně hydrologů a kterou si lze v tomto slova smyslu jednoduše představit jako vzájemný vztah mezi třemi základními složkami oběhu vody v krajinném prostředí, a to srážkami (hlavní příjmová složka) na straně jedné a odtokem a výparem (evapotranspirací, evaporací) jako hlavními ztrátovými složkami na straně druhé. Zjišťuje se porovnáváním atmosférických srážek a přítoku s odtokem, výparem a akumulací vody. Termín vláha má v meteorologii neurčitý pojem a ve vztahu k zemědělství se často může hovořit o nadbytku či nedostatku vláhy, který má úzký vztah k závlahám a zavlažování (Meteorologický slovník výkladový a terminologický, 1993). Vláhovou bilancí se v předkládané práci rozumí vzájemný vztah, lépe řečeno rozdíl mezi srážkami a (potenciální) evapotranspirací, a to z hlediska prostorového i časového. Takto pojatou vláhovou bilanci lze také v širším slova smyslu označit za vláhovou (vodní) bilanci klimatickou. Takto vymezená vláhová bilance tedy sleduje pouze vývoj rozdílů mezi množstvím srážek a (potenciální) evapotranspirací za určité časové období a nemá proto žádný vztah ke konkrétním zemědělským plodinám. V podstatě má charakterizovat časoprostorové změny, ke kterým dochází ve vláhovém režimu v krajině. Při zpracování bylo využito mých mnohaletých zkušeností, které jsem v průběhu praxe získal v daném oboru na Českém hydrometeorologickém ústavu (ČHMÚ), pobočce Brno v oddělení operativních informací (OPIN) a dále v oddělení agrometeorologie a fenologie (OAF). Hlavními cíli předložené dizertační práce bylo: vymezení problematiky vláhových bilancí a možné způsoby řešení v zemědělské krajině, resp. na území ČR, volba vhodné metodiky, zvláště volba vhodného algoritmu pro výpočet ztrátového člena vláhové bilance, kterým je výpar (evapotranspirace), plošné zpracování vláhových bilancí na území ČR z pohledu dlouhodobých podmínek v období a za pomocí maximálně možného množství dostupných informací ve formě klimatických dat meteorologických prvků; s výše uvedeným souvisí vytvoření kompletní databáze vstupních denních dat meteorologických prvků pro prostorovou a časovou kvantifikaci vláhových bilancí za zvolené období , prostorová a časová analýza dosažených výsledků a jejich vhodné zpracování včetně interpretací v textové, grafické a mapové podobě. 7

8 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Vzhledem ke složitosti zpracovávané problematiky je dizertační práce rozdělena do dvou částí. Základ tvoří textová část, avšak nedílnou součástí je samostatná příloha, skládající se z tabelárních, obrazových (grafických) a mapových podkladů, které velmi podrobně doplňují jeden z možných způsobů řešení problematiky vláhových bilancí v krajinném prostředí na území ČR. Rozdělení dizertační práce jsem zvolil hlavně z důvodu objemnosti zpracování (samostatná příloha obsahuje více než 7 dílčích tabulek, více než 21 grafů a 24 map). Závěrem se velmi omlouvám za poněkud větší rozsah dizertační práce. Toto bylo způsobeno jednak složitostí problematiky, jednak 25ti letou praxí v daném oboru na ČHMÚ, pobočce Brno a s tím související snahou uvést v komplexním pohledu i některé další podrobnosti či skutečnosti, které jen zdánlivě nesouvisí s řešenou problematikou vláhových bilancí na území ČR. I tak dizertační práce z důvodů prostorových nemohla postihnout všechny dosažené výsledky. Objemnost práce byla také hlavním důvodem, proč jsem oddělil vlastní text od příloh, obsahujících všechny tabulky, obrázky (grafy) a mapy. Kompletní znění dizertační doktorské práce včetně příloh je rovněž k dispozici na samostatném CD v prostředí Adobe Reader CE (formát PDF, text a přílohy jsou vzhledem k objemnosti samostatně). U některých tabulek nemusí vizuálně souhlasit některé typy a šířky čar při srovnání s původní tištěnou verzí práce, která byla zpracována v prostředí Microsoft Word. Tento drobný nedostatek může při prohlížení dizertační práce působit poněkud rušivě, nicméně případný tisk z formátu PDF proběhne správně a naprosto bez problémů, stejně tak je bezproblémové zobrazení dokumentu PDF při jeho zvětšení. 8

9 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny 2. LITERÁRNÍ PŘEHLED, STAV PROBLEMATIKY U NÁS A VE SVĚTĚ K problematice vláhových bilancí v krajině existuje celá řada publikací nejen u nás, ale i v zahraničí. Kapitola 2 by neměla být vyčerpávajícím výčtem jednotlivých prací. Spíše je zaměřena na vybrané zdroje, z nichž pomocí některých postupně vznikala tato doktorská práce. Vzhledem k mé 25ti leté praxi v oboru se zaměřím nejen na současné, resp. téměř současné publikace, ale v práci se také stručně zmíním o vybraných činnostech, souvisejících se zadáním dizertační práce, které v rámci ČHMÚ byly aktuální a měly své opodstatnění ještě před rokem Literární přehled je logicky věnován z velké části především problematice vláhových bilancí. S touto otázkou však velmi úzce souvisí evapotranspirace, kterou společně se srážkami lze považovat za hlavní členy vláhové bilance v krajině. Ve druhé části této kapitoly se proto alespoň stručně zmíním o vybraných výpočetních postupech pro určení evapotranspirace a současně se zaměřím na některé základní publikace, pojednávající obecně o evapotranspiraci, případně evaporaci, a o metodách výpočtů. O srážkách jako jednom ze základních meteorologických prvků v současné době existuje velké množství publikací, článků a studií, a proto se srážkami v předkládané práci zabývat nebudu. Závěrem je nutno zdůraznit, že pojmy vláhová bilance a evapotranspirace spolu velmi úzce souvisí. Proto je velmi obtížné od sebe oddělit publikace či studie, které by řešily pouze jednu z obou zmíněných problematik. 2.1 Vláhová bilance v krajině Podle Meteorologického slovníku výkladového a terminologického (1993) je vláha v meteorologii neurčitým pojmem, jímž se zpravidla rozumí vlhkostní poměry v půdě. Ve vztahu k zemědělství se často hovoří o jejím nadbytku nebo nedostatku. Běžně se používá přídavné jméno, např. ve spojení vláhová bilance. Jak bylo uvedeno úvodem, dizertační práce se věnuje problematice vláhové bilance, kterou zjednodušeně lze chápat jako prostý rozdíl srážek a evapotranspirace bez podrobné analýzy vlhkostních poměrů svrchního půdního horizontu. V tomto smyslu lze hovořit o jakési klimatické vláhové bilanci. Podstatně více prací u nás a v zahraničí však existuje na modelové řešení vodní bilance, při které se specifikují taktéž vlhkostní poměry v půdě, zvláště v jejich svrchních horizontech, a současně se řeší otázka odtoku povrchového, podpovrchového (hypodermického) či podzemního. Takto pojatá bilance je ve středu zájmu hlavně hydrologů. Je možno však říci, že vláhovou bilanci ve smyslu vzájemného srovnání srážek a evapotranspirace řeší řada různých modelů, které se zabývají evapotranspirací (údaje o evapotranspiraci mají např. na výstupu) a u kterých jsou navíc základním bilančním prvkem srážky. Vzhledem ke skutečnosti, že evapotranspiraci lze počítat více způsoby, otázka vláhové bilance není jednoznačná. Jednu z prvních prací, týkající se výpočtu vláhové bilance v krajinném prostředí, publikoval Thornthwaite (Thornthwaite, 1948; Gregor, 1948), který navrhl postup pro posuzování sucha a vlhka a dále vyhodnocení vlhkostních poměrů dané oblasti na základě výpočtu indexu vlhka. Jeho metoda dosáhla velkého rozšíření, neboť vstupními daty vedle tabulkových hodnot byly pouze základní meteorologické prvky (měsíční průměrná teplota 9

10 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny vzduchu a měsíční úhrny srážek). Thornthwaiteův způsob výpočtu bilance byl např. použit pro charakteristiku severovýchodní části USA (DeGaetano, Eggleston, Knapp, 1994) a způsob výpočtu srovnáván s jinými postupy. Obdobný význam má index zavlažení podle Končeka, který v našich geografických šířkách výstižně analyzuje vlhkostní poměry (Nosek, 1972). Vstupními údaji jsou vedle teploty vzduchu a srážek data o rychlosti větru v odpoledním termínu pozorování. Končekův index zavlažení byl mimo jiné použit pro charakteristiku vláhových oblastí v Atlase podnebí Československé republiky. Vláhovými podmínkami na území bývalé ČSSR se velmi podrobně zabývali Kurpelová, Coufal, Čulík (1975). Vláhové podmínky krajiny souvisejí s komplexem meteorologických prvků, který představuje vztah mezi příjmem vláhy v podobě srážek a výdejem tepelné energie na výpar. Při dostatečných teplotních podmínkách především vláha určuje možnost pěstování hospodářských kultur v dané oblasti (Kurpelová, Coufal, Čulík, 1975). Pro plošnou analýzu vláhových podmínek na našem území autoři mimo jiné aplikovali hydrotermický koeficient podle Seljaninova (HTK), představující poměr srážek k desetině teplotní sumy za dané období, a klimatický ukazatel zavlažení (K), který je určen jako rozdíl potenciální evapotranspirace a srážek za příslušné období. Údaje potenciální evapotranspirace vyčíslil pro území ČSSR Tomlain (1964, 1965). Řada kratších článků a doporučení byla publikována Beckerem, Sevrukem, Lapinem (1993, eds.). V rámci vodní bilance je z několika rozdílných pohledů řešen ztrátový člen, tj. evapotranspirace. Problematika vláhových bilancí má svoji dlouholetou tradici na ČHMÚ, a to hlavně na agrometeorologických pracovištích OBA ( Oddělení biometeorologických aplikací ) v Praze a na OAF ( Oddělení agrometeorologie a fenologie ) na pobočce Brno. Prvním pravidelným a průběžným zpracováním tohoto typu byla v letech minulého století Papadakisova metoda početně-grafického hodnocení vláhové bilance půd ČR na základě pravidelných týdenních výpočtů (Matějka, 1972). Podkladem pro plošné analýzy v týdenním cyklu byly vybrané meteorologické prvky (maximální a minimální teploty vzduchu a srážky). Podle těchto vstupních údajů se na vybraných klimatologických stanicích vyhodnotila potenciální evapotranspirace a v dalších krocích zásoba, případně nadbytek či nedostatek vody v mm, a to na základě poměru mezi srážkami a potenciální evapotranspirací. Jako základní povrch se pro jednoduchost bral standardní travní porost. S dalším rozvojem výpočetní techniky došlo k vývoji nových metod bilančních výpočtů, které se staly na ČHMÚ základem modelu BASET ( Bilance Atmosférických Srážek a EvapoTranspirace ), který je v provozu po četných inovacích i v současné době (Vitoslavský, Pýcha, Valter, Kott, 1989; Kott, Valter, 27). Těžištěm modelu je vhodná empirická metoda ke stanovení vláhové bilance, která se počítá pomocí základních meteorologických prvků. V současné době se odhad vlhkosti půdy provádí na principu bilance atmosférických srážek a evapotranspirace. Průběžné bilancování probíhá v rámci půdní vrstvy, konkrétizované laboratorně určenými půdně-fyzikálními parametry. Podobný přístup je provozně uplatňován také v USA (Jin Huang, Dool van den, Georgakakos, 1996). Další pravidelná zpracování byla prováděna od poloviny 7. let minulého století na ČHMÚ, pobočce Brno a souvisela s rutinním provozem závlahového dispečinku AMS ( AGROMETSERVIS ). Vláhová bilance nejen travního porostu, ale taktéž jednotlivých zemědělských plodin se počítala pro územní celky (kraje) ČSSR jako prostý rozdíl mezi srážkami a potenciální evapotranspirací, počítanou modifikovaným postupem Penman, případně Penman-Úlehla v týdenním cyklu vždy za období středa až úterý (Úlehla, 1982). 1

11 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Algoritmus výpočtů navíc obsahoval jednoduchou prognózu vláhové bilance do konce týdne, tj. na období středa až neděle. Při předpovědích vláhové bilance se vycházelo z předpokladu zachování vývojového trendu meteorologických prvků ve druhé polovině týdne a současně se brala v úvahu prognóza základních meteorologických prvků (teplota vzduchu a srážky). Na konci každého týdne se dosažené výsledky vláhové bilance pravidelně korigovaly a upřesňovaly srovnáním předpovězených hodnot s hodnotami zpětně vypočítanými. Všechna vyhodnocení vláhové bilance byla prováděna na malé výpočetní technice (8 bitové mikropočítače) a algoritmy výpočtů byly na ČHMÚ součástí řešení několika podnikových a tématických úkolů. Vláhová bilance se v té době řešila jako vláhová potřeba vybraných zemědělských plodin včetně standardních povrchů (holá půda, travní porost) na území jednotlivých krajů ČSSR (Úlehla, Vitoslavský, Kohut, 1987). Vláhovou bilancí na území ČR z dlouhodobého pohledu zhodnotil Kott (1992). Jeho práce, která vyšla v edici Sborník prací ČHMÚ, je založena na základní bilanční rovnici, kde vedle srážek a evapotranspirace se rámcově berou v úvahu taktéž zásoba vody v půdě a jednotlivé složky odtoku (povrchový a podzemní). Vychází z původní Thornthwaiteovy koncepce, avšak potenciální evapotranspirace se počítá podle Papadakise. Kott podle údajů 75 agrometeorologických stanic na území naší republiky z dlouhodobého hlediska zhodnotil období v týdenních intervalech. Vedle podrobného popisu použitých algoritmů jeho práce obsahuje řadu tabelárních a grafických příloh včetně přehledných map. Nástupcem systému AGROMETSERVIS se na začátku 9. let minulého století stal na ČHMÚ, pobočce Brno nový agrometeorologický model AVISO ( Agrometeorologická Výpočetní a Informační SOustava ), jehož základem byla koncepce anglického modelu MORECS ( The Meteorological Office Rainfall and Evaporation Calculation System ). Podrobný popis vývoje modelu včetně postupů výpočtů vláhových bilancí a půdního vláhového deficitu uvádí Thompson, Barrie, Ayles, (1981); Gardner (1981); Gardner, Field (1983); Winkler (1991); Hough, Palmer, Weir, Lee, Barrie (1997); Hough, Jones (1997). Tyto modely budou zmíněny podrobněji s ohledem na algoritmy výpočtů, z nichž některé po kompletní revizi včetně dílčího přeprogramování byly použity při výpočtech předkládaných výsledků vláhové bilance travního porostu. Některé níže uvedené aspekty modelu AVISO jsou rozpracovány společně s problematikou vstupních datových sestav (Kohut, 1992; Kohut, 1993) a s problematikou určování vláhové bilance aktuálního a kritického deficitu vybraných zemědělských plodin včetně standardního travního porostu (Kohut, Vitoslavský, 1999; Vitoslavský, Kohut, 1999). Podstatná část obou modelů se vedle problematiky evapotranspirace (potenciální, aktuální) různých druhů vypařujících povrchů zabývá otázkami vláhové bilance v krajině včetně operativních a režimových výpočtů obsahu vody ve svrchní části půdního horizontu. Konkrétními výstupy je celá řada charakteristik, které souvisejí s problematikou vláhové bilance v krajině. K nim patří např.: výpočet množství půdní vláhy, které chybí do retenční vodní kapacity půdy (polní vodní kapacity) daného výpočetního místa, vyjádřené v mm nebo v % využitelné vodní kapacity. V podstatě se jedná o aktuální vláhový deficit v mm. jednoduchá bilance mezi srážkami a evapotranspirací, přičemž evapotranspiraci lze uvažovat v potenciálních nebo podle vlhkostních poměrů v půdě v aktuálních hodnotách. Z hlediska fyzikálního je důležité, jakou metodu modely používají pro výpočet vláhového deficitu, resp. nedostatku půdní vláhy. Jedná se o zjednodušený dvouvrstevný 11

12 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny model pohybu vody v půdě s jejím konstantním čerpáním v celém aktivním profilu, kterým se rozumí profil do hloubky aktivního prokořenění. Základním výchozím předpokladem je skutečnost, že dostupná voda se drží ve dvou tzv. zásobnících označených X a Y, které v každém okamžiku obsahují zásobu x a y půdní vláhy. Oba zásobníky jsou vzájemně od sebe odděleny bodem snížené dostupnosti (lentokapilárním bodem). Všechna voda x v prvém, tj. svrchním zásobníku X je volně dostupná (je čerpána bez limitování půdními podmínkami), zatímco voda y v druhém, tj. spodním zásobníku Y, se se snižováním množství y čerpá stále obtížněji (výdej vody je omezován a evapotranspirace klesá pod svoji potenciální hodnotu). Celková (tj. maximální) zásoba dostupné vody je ze 4 % obsažena ve svrchním zásobníku X, z 6 % ve spodním zásobníku Y. Maximální množství vody je v obou zásobnících určeno využitelnou vodní kapacitou půdy, která je buď nastavena na konstantní hodnoty 7 mm, 12 mm a 17 mm na 1 m půdního profilu, nebo je přesněji specifikována na základě hydropedologických průzkumů. Využitelná vodní kapacita půdy přitom představuje rozdíl mezi retenční vodní kapacitou (polní vodní kapacitou) a bodem vadnutí. V zemědělské praxi se používá pro stanovení a bilancování ta část půdní vody, kterou dostaneme jako rozdíl momentální (aktuální) vlhkosti půdy a vlhkosti jejího bodu vadnutí. Pro hydrologické účely se naopak používá rozdíl retenční vodní kapacity (polní vodní kapacity) a momentální (aktuální) vlhkosti půdy, který charakterizuje, kolik mm vody půdní profil při následném výskytu srážek je schopen ještě zadržet. Voda se čerpá z půdy až do okamžiku úplného vyčerpání zásoby x svrchního zásobníku X. Po jeho odčerpání začíná odčerpávání množství y spodního zásobníku Y. Logicky se předpokládá, že srážky nejdříve doplňují zásobu x svrchního zásobníku X, zásoba y spodního zásobníku Y se obnovuje až když je zásobník X plně dosycen srážkovou vodou. Na základě množství půdní vody v obou zásobnících, resp. na poměru množství x a y v obou zásobnících se určuje povrchový odpor plodiny, jehož správné definování je rozhodující pro uspokojivé výsledky určení deficitu půdní vláhy. Model rozlišuje husté plodiny s plným zápojem, které úplně nebo téměř úplně zachycují dopadající sluneční radiaci (povrchový odpor zůstává konstantní za předpokladu čerpání prvních 4 % z dostupné půdní vody, naopak výrazně vzrůstá, jestliže je všechna dostupná voda vyčerpána), od plodin s neúplným zápojem (zejména v období časného růstu), kdy je třeba počítat i s příspěvkem evaporace z půdy mezi rostlinami. Pokud se rozdíl mezi srážkami a evapotranspirací (evaporací) přičte k deficitu půdní vláhy z minulého dne, získá se současný (aktuální) deficit půdní vláhy, resp. deficit půdní vláhy aktuálního dne. O srážkách se předpokládá, že velmi rychle naplní nejdříve zásobník X a potom zásobník Y. V případě, že oba zásobníky jsou maximálně naplněny, půda je nasycena na polní vodní kapacitu. Všechna přebytečná srážková voda se potom považuje za hydrologicky účinné (efektivní) srážky. Na tomto místě je nutno zdůraznit, že model je koncipován především pro analýzu nedostatku půdní vláhy. Pro jednoduchost se v jednotlivých dnech neuvažuje s podpovrchovým (hypodermickým) ani podzemním odtokem. Jak bylo uvedeno výše, v našich podmínkách se vláhovou bilancí dlouhodobě zabývají pracovníci ČHMÚ na pracovištích OBA Praha a OAF Brno, což přímo souvisí s řešením agrometeorologické problematiky v praxi. Kohut, Rožnovský (24) zhodnotili na vybraných místech ČR potenciální vláhovou bilanci za roky 2-23 s využitím výstupů modelu AVISO. Stejný model byl použit při analýze vláhové bilance a jejího stručného popisu (Kohut, 23) a zejména při aplikaci modelu AVISO při stanovení potřeby doporučované závlahy u vybraných zemědělských plodin (Středa, Kohut, 24, 12

13 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Práce je doplněna řadou ilustračních příkladů. Problematika vláhových bilancí obecně travního porostu byla velmi podrobně rozpracována ve spojitosti s hodnocením sucha, které se na většině území ČR projevilo během vegetačního období 23 (Tolasz, Rožnovský, Valter, Kohut, Kott, 24; Matejka, Rožnovský, Hurtalová, Kohut, 24). Existují podrobné studie, zabývající se srovnáním modelově vypočítaných hodnot půdního vláhového deficitu různými modely a jejich srovnáním s údaji naměřenými. DeGaetano, Eggleston, Knapp (1994) aplikovali anglický model MORECS ke zpracování vlhkostních podmínek severovýchodní části USA. Současně provedli validaci dosažených výsledků pro oblasti s travním porostem a listnatými stromy, přičemž dospěli k velmi uspokojivým výsledkům, kdy model výrazně zachovával trend měřených hodnot. Některé výsledky srovnání modelů MORECS a MOSES včetně aplikovaných vztahů pro výpočty vlhkostních charakteristik uvádí pro období Blyth (22). Vláhovou bilanci včetně evapotranspirace pod travním porostem modelem MORECS a s využitím Penman- Monteithovy rovnice zpracoval pro vybrané oblasti Anglie Clark (22). Výsledkem studie bylo kladné hodnocení modelu, kdy údaje měřené a vypočítané zachovávaly obdobný trend vývoje. Řadu dalších dostupných informací k anglickému modelu MORECS lze získat na Lockwood, Jones, Smith (1989) se zabývali srovnáním několika meteorologických modelů včetně MORECSu, u nichž jedním ze základních výstupů je určení půdních deficitů a obecně vláhová bilance. Srovnávací studie byla zpracována pro náhorní oblasti severní Anglie. Informace o průběžném stavu vláhové bilance během vegetačního období jsou pro území ČR pravidelně k dispozici v rámci tzv. monitoringu sucha na webových stránkách ČHMÚ ( Mapové podklady hodnotí tzv. základní vláhovou bilanci travního porostu, která ve zjednodušeném pohledu představuje prostý rozdíl mezi srážkami a celkovým výparem, tj. mezi příjmovou a výdejovou složkou oběhu vody v přírodě. Celkový výpar je zde reprezentován potenciální, tj. maximálně možnou evapotranspirací travního porostu, která je počítána modifikovaným způsobem podle Penmana-Monteitha. První z map znázorňuje v pravidelných týdenních intervalech průběžně základní vláhovou bilanci na území ČR, která je kumulována od počátku roku, druhá z map charakterizuje vláhové podmínky pouze za předcházející týden bez ohledu na vlhkostní poměry období předcházejících. Obdobný význam má další pravidelně publikovaná mapa průběžného stavu rozložení vlhkosti půdy do maximální hloubky 4 cm, vyjádřená v % využitelné vodní kapacity. Výsledné hodnoty jsou modelové a závisí na průběhu počasí, hlavně srážek a teploty vzduchu, v předcházejícím období a také na konkrétních hydrolimitech daného místa. Na webových stránkách německé povětrnostní služby ( je pravidelně vydávána pro celé území Německa mapa tzv. klimatické vodní bilance, kterou se ve zvolených časových úsecích rozumí rozdíl srážek a potenciální evapotranspirace travního porostu, počítané v německých podmínkách podle Haudeho metody. Mapy za různá časová období, a to i z předcházejících let, jsou k dispozici na uvedených webových stránkách. S problematikou bilancí souvisí také další přehledné mapy vlhkosti půdy pod travním porostem do hloubky 6 cm, vyjádřené v % využitelné vodní kapacity. Z nejnovějších publikací, zabývajících se souhrnně problematikou bilancí mezi srážkami a výparem, je nutno na prvním místě jmenovat Atlas podnebí Česka (27). Plošnému zpracování vláhových podmínek na našem území je věnována poměrně značná 13

14 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny pozornost. V kap. 4 autoři uvádí podrobnou analýzu dlouhodobé vláhové bilance (1961-2), počítané jako rozdíl mezi srážkami a referenční evapotranspirací, a to včetně analýzy předem stanovených časových období. Text je doplněn grafy a přehlednými mapovými přílohami. Ve stejné kapitole je proveden přehledný rozbor ztrátového prvku rovnice vodní bilance, tj. výparu, který zde představuje referenční evapotranspirace hypotetického povrchu, počítaná jednotnou a celosvětově uznávanou metodikou podle FAO. Na dalších místech zmíněné publikace jsou diskutovány některé postupy výpočtů, které se vztahují k problematice nedostatku srážek a sucha (srážkové indexy, Palmerovy indexy intenzity sucha, Langův dešťový faktor a index meteorologicky možného sucha). 2.2 Evapotranspirace Výpar (evaporace, evapotranspirace v případě existence rostlinného pokryvu) jako jeden ze tří základních prvků hydrologické bilance patří vzhledem k vzájemně velmi složité interakci půda x rostlina x atmosféra k nejkomplikovanějším a současně velmi obtížně stanovitelným prvkům v přírodě. V současné době nejsou k dispozici uspokojivé metody verifikace kompletního evaporačního procesu, které by se mohly realizovat v operativním měřítku. Existuje však celá řada vzorců od těch nejjednodušších až po ty nejsložitější, které jsou součástí různých matematických modelů. Kromě vlastní evaporace, případně evapotranspirace řeší také vlhkostní poměry v půdě a problematiku vláhových deficitů v půdě pod různými plodinami (porosty), resp. otázky hydrologické bilance v krajinném prostředí. V dalším textu jsou uvedeny pouze vybrané základní práce, vztahující se k této problematice. Zvláštní zřetel je věnován odborné literatuře, pojednávající o výpočtech evapotranspirace (potenciální či aktuální) metodikou Penman-Monteith, která je základem zpracování vláhových bilancí této dizertační práce. Z prostorových důvodů však nebudou uvedeny výpočetní vzorce. Jednou z nejstarších metod určení potenciálního výparu (evaporace) je metoda podle Thornthwaita (Thornthwaite, 1948; Gregor, 1948). Vstupními klimatickými údaji je pouze průměrná měsíční teplota vzduchu a v případě řešení vodní bilance jsou to také měsíční úhrny srážek. Thornthwaiteova metoda dosáhla poměrně velkého rozšíření po celém světě a i dnes je hodně využívána, neboť na vstupu má minimum meteorologických informací. Thornthwaiteův způsob výpočtu potenciální evapotranspirace byl použit např. pro vlhkostní charakteristiku severovýchodních částí USA (DeGaetano, Eggleston, Knapp, 1994) a výsledky srovnávány s jinými postupy, např. s již zmíněným modelem MORECS. Velký význam z hlediska teoretického a metodologického pro určení potenciální evapotranspirace má práce Penmana (1948). Jeho základní rovnice (Pal Arya, 21), modifikovaná do našich podmínek Úlehlou (1982), se všeobecně používala hlavně v 8. a 9. letech 2. století a stala se základem závlahového dispečinku, známého pod označením AGROMETSERVIS a provozovaného ČHMÚ, pobočkou Brno v rámci bývalé ČSSR. Vstupem do výpočetního systému byly tzv. penmanovské proměnné (teplota a vlhkost vzduchu, sluneční svit a rychlost větru). Aby se usnadnilo kvantitativní srovnávání různých veličin, příslušné charakteristiky se uváděly v ekvivalentech vodního sloupce za den. Velkou výhodou byla skutečnost, že ke zpracování nebyly třeba pomocné tabulky. Úlehla (1982) odvodil Penmanův vzorec pro naše zeměpisné šířky a zhodnotil z dlouhodobého hlediska chod potenciální evapotranspirace na vybraných místech jižní Moravy (Úlehla, 14

15 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny 1971). Z této doby jsou jistě méně známé práce, vztahující se obecně k určení výparu pomocí malé výpočetní techniky (Croley, 1979; Kohut, 1983). Řadu zcela zásadních a stěžejních prací k problematice výparu jak po stránce fyzikální, tak i geografické (zvláště v otázkách plošného rozložení výparu v ČSSR a na Slovensku) publikoval na Slovensku Tomlain (1964, 1965, 1979, 198, 1985, 199, 1991). Vychází z metodiky, propracované Budykem a Zubenokovou ještě z dob SSSR. Metoda je založena na společném řešení rovnic vodní a energetické bilance, stejně tak na experimentálním zjištění závislosti rychlosti vypařování na vlhkosti půdního pokryvu. Pokud půda obsahuje dostatek vláhy (např. v zimě při sněhové pokrývce), výpar z půdy závisí jen na vnějších klimatických faktorech a skutečný výpar je tedy roven nebo téměř roven výparu potenciálnímu, tj. výparu maximálně možnému při daných klimatických podmínkách. Při vlhkosti půdy menší než je její kritická hodnota se však výpar zmenšuje úměrně s poklesem vlhkosti půdního pokryvu. Skutečnou (aktuální) evapotranspiraci získáme přenásobením potenciální hodnoty výparu poměrným číslem, získaným jako poměr průměrné vlhkosti půdy ku její kritické vlhkosti v daném časovém horizontu. V česko-slovenských podmínkách je pravděpodobně nejlepší soubornou publikací k problematice evapotranspirace a obecně výparu práce Nováka (1995). Celá řada dílčích kapitol byla publikována v odborných periodikách, většinou ve Vodohospodárskom časopise. Těmito publikacemi se v tomto přehledu nebudu zabývat. Vedle dobře popsaných fyzikálních předpokladů procesu evaporace či evapotranspirace uvádí řešení ve formě tzv. struktury evapotranspirace, jejímiž základními prvky jsou výpar a transpirace. Novák (1995) souhrnně analyzuje různé metody výpočtů evapotranspirace, z nichž velký důraz je kladen na klasickou kombinovanou metodu podle Penmana (1948), kterou dále propracoval a rozvinul Monteith (1965, 199). V metodice výpočtu denních úhrnů evapotranspirace kombinovanou metodou podle Penmana použil algoritmus přepočtu měřené teploty vzduchu ze standardní hladiny 2 m na teplotu vypařujícího povrchu, založený na metodě postupných přiblížení podle Tomlaina (1964). Na Novákově přístupu k evapotranspiraci je založen model GLOBAL, řešící z časoprostorového hlediska otázku vlhkosti svrchních horizontů půdy do hloubky kořenové zóny a v závislosti na ní aktuální evapotranspiraci (Majerčák, Novák, 1994). Fyzikálními základy procesu výparu včetně interakcí na rozhraní půda x rostlina x atmosféra se zabývají pracovníci Geofyzikálneho ústavu SAV v Bratislavě. Publikovali řadu odborných prací převážně ve Vodohospodárskom časopise ( Journal of Hydrology and Hydrodynamics ) a v Contributions to Geophysics & Geodesy, některé ve spolupráci s pracovníky ČHMÚ, pobočky Brno (Matejka, Hurtalová, Rožnovský, Kohut, 23; Matejka, Rožnovský, Hurtalová, Kohut, 24; Matejka, Rožnovský, Kohut, Hurtalová, 24; Matejka, Rožnovský, Hurtalová, Kohut, 24). Z jejich studií je možno vybrat pouze několik, které mají užší vztah k problematice, řešené v předkládané práci. Analýzou citlivosti penmanovské rovnice na výpočet potenciální evapotranspirace se zabývali Novák, Hurtalová, Matejka (1997). Zjistili, že rozhodující proměnnou je radiační bilance, význam dalších proměnných je v pořadí teplota vzduchu, vlhkost vzduchu, rychlost větru a součinitel drsnosti, přičemž v případě vlhkosti vzduchu a drsnostního součinitele se jedná o negativní vliv. Z analýz dále vyplynulo, že základní Penman- Monteithova rovnice je velmi citlivá na radiační bilanci zvláště ve dne, kdy dosahuje vysokých hodnot, vlhkost vzduchu je důležitá v případě chladnějších období (např. v noci). Modelování složek evapotranspirace polních plodin provedli Novák, Hurtalová, Matejka (1997). Z jejich práce vyplynul závěr, že pro výpočet evapotranspirace jsou potřebné následující parametry porostu: součinitel drsnosti (potřebný pro výpočet aerodynamické 15

16 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny rezistence), albedo porostu (pomocí něho se určuje radiační bilance), index plochy listoví (používá se pro výpočet složek struktury evapotranspirace). Vztah mezi vlhkostí, vlhkostním potenciálem půdy a intenzitou vypařování studovali Novák, Matejka (2), kteří na výpočet závislostí mezi evapotranspirací a obsahem vody v půdě použili matematický model přenosu vody a energie v interaktivním systému půda x rostlina x atmosféra. Řada autorů se zabývala vzájemným srovnáním různých metod a způsobů výpočtu potenciální evapotranspirace. Litschmann, Klementová (25) srovnávali výpočetní postupy podle Papadakise, Thornthwaita, Penmana, Budyka a Zubenokové. Zajímavý je postup výpočtu podle změny sytostního doplňku, který býval v minulosti často používán jako míra výsušnosti atmosféry a také jako jeden z prostředků ke stanovení vláhové potřeby zemědělských plodin. Stejnou problematikou se zabýval Kohut (23), avšak v porovnání s předcházející studií analyzuje i další metody výpočtu evapotranspirace (Priestley-Taylor, metoda turbulentní difúze, metoda energetické bilance, Bowenova rovnice čili metoda Bowenova poměru, Penman-Monteith v modifikaci modelů MORECS a AVISO). Z obou prací vyplývá, že je velmi obtížné stanovit, která z metod výpočtu na základě empirických vzorců je nejpřesnější. Obecně se má za to, že nejvěrohodnější výsledky dává kombinovaná rovnice podle Penmana-Monteitha. Obdobná problematika byla řešena také v zahraničí. Jensen, Burman, Allen (199) se ve své souhrnné publikaci věnují různým metodám výpočtů evapotranspirace. Velmi cenné jsou zvláště pasáže, kde jsou podrobně dokumentovány výpočetní algoritmy včetně konkrétních příkladů z praxe. Z výpočetních metod jsou vedle metodiky FAO a modifikací Penmana či Penmana-Monteitha v rámci kombinovaných postupů zastoupeny další metody, např. Jensen-Heise, Priestley-Taylor, Turc (výpočetní postupy preferující radiaci), Blaney-Criddle, Hargreaves, Thornthwaite (výpočetní metody preferující teplotu vzduchu) a celá řada dalších včetně mnoha kombinací. Publikace je doplněna řadou srovnávacích grafů vypočítaných hodnot s měřenými v konkrétních podmínkách USA. Bohatá literatura existuje k problematice referenční evapotranspirace, kterou lze podle metodiky FAO počítat na základě upraveného Penman-Monteithova algoritmu. Základní problematika je vysvětlena autory Allen, Pereira, Raes, Smith (1998), kteří velmi podrobně ilustrují metody výpočtů nejen pro hypotetický povrch blízký travnímu porostu, ale také pro vybrané plodiny se zvláštním zřetelem na určení potřebného množství vody. Velmi praktické jsou zvláště pasáže, kde autoři naprosto jasně a srozumitelně pomocí schémat demonstrují algoritmy výpočtů pro případy jak kompletnosti, tak i neúplnosti vstupních klimatických dat. Autoři dále shrnují poznatky pro výpočty referenční evapotranspirace v různých časových horizontech (hodina, den, 1 dní, měsíc). Další informace k referenční evapotranspiraci publikovali Allen, Pruitt (1991); Doorenbos, Pruitt (1977); Allen, Smith, Pereira, Perrier (1994a); Allen, Smith, Pereira, Perrier (1994b); Smith, Allen, Monteith, Perrier, Pereira, Segeren (1991); Smith, Allen, Monteith, Perrier, Pereira, Segeren (1992); Verhoef, Feddes (1991) a další, v našich podmínkách např. Kohut (25). Verhoef, Feddes (1991) představují v přílohách konkrétní algoritmy výpočtů se zaměřením na analýzu jednotlivých členů kombinované Penman- Monteithovy rovnice. Problematice mapového znázornění evapotranspirace za normálové období je u nás věnována práce autorů Pivec, Brant, Moravec (26). Přitom vycházeli ze základního vztahu pro určení referenční evapotranspirace metodikou FAO (Allen, Pereira, Raes, Smith, 1998). Analýzu založili na vyhodnocení vzájemného poměru srážek a 16

17 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny referenční evapotranspirace. Takto vypočítaná charakteristika pro normálové období, ale i jednotlivá desetiletí, je plošně znázorněna na území ČR. 17

18 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny 3. METODIKA ŘEŠENÍ PROBLEMATIKY VLÁHOVÉ BILANCE V KRAJINĚ V první části této kapitoly budou nejprve vymezeny a podrobně vysvětleny základní pojmy, týkající se obecně problematiky vláhové bilance, tedy především vláhová bilance a evapotranspirace v krajinném prostředí. V závěrečné části kapitoly bude navržena konkrétní metodika řešení, která v následujících částech dizertační práce bude podrobně rozpracována pro území ČR jako celku. 3.1 Obecný úvod, vymezení řešené problematiky Pod pojmem vláhová bilance obecně a ve zjednodušeném pohledu rozumíme vzájemný rozdíl mezi atmosférickými srážkami jako základní příjmovou složkou oběhu vody v krajině a celkovým výparem (evaporací, případně evapotranspirací), který společně s odtokem (povrchovým, podzemním a podpovrchovým či hypodermickým) je základní výdejovou složkou bilance oběhu vody v přírodě. Výpočet se provede podle jednoduchého vzorce: VLBI = SRA ETP (3.1) kde: VLBI = vláhová bilance, SRA = srážky, ETP = obecně evapotranspirace, která je počítáná předem zvoleným postupem. Vláhová bilance v širším slova smyslu vyjadřuje vláhové poměry v krajině za určitý časový interval. V této práci se pro zjednodušení neberou v úvahu žádné z výše uvedených složek odtoku, stejně tak pro výpočet výparu v základní bilanční rovnici uvažujeme zjednodušení ve formě homogenního vypařujícího povrchu, který je velmi blízký standardnímu travnímu porostu. Pokud bychom nepřistoupili k těmto zjednodušením, problematika vláhových bilancí, která je v přírodních podmínkách velmi náročná a složitá, by z pohledu krajiny jako celku byla prakticky neřešitelná. Vláhovou bilanci lze obecně podle způsobu výpočtu rozdělit do několika základních skupin: Základní vláhová bilance je vzájemný rozdíl mezi srážkami a potenciální evapotranspirací standardního travního porostu (základní vláhová bilance potenciální), nebo mezi srážkami a referenční evapotranspirací hypotetického povrchu (základní vláhová bilance referenční), který je svými vlastnostmi velmi blízký standardnímu travnímu porostu. V tomto pojetí jde v podstatě o potenciální vláhovou bilanci. Výsledné hodnoty základní vláhové bilance jsou tímto způsobem nadhodnoceny. Evapotranspirace ve své potenciální podobě je prakticky shodná s maximálně možnými hodnotami výparu při optimálních vláhových podmínkách, s nimiž se v přírodním prostředí většinou nesetkáváme ve vegetačním období, resp. v teplém půlroce, ale podstatně častěji v zimním nebo v přechodných obdobích (jaro a podzim). 18

19 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny U základní vláhové bilance se při výpočtu potenciální nebo referenční hodnoty evapotranspirace neberou v úvahu vlhkostní podmínky podloží, tvořené půdním horizontem. V podstatě vyjadřuje vliv klimatických podmínek na bilanci (a taktéž na výpar) při současném potlačení všech ostatních činitelů, které výpar ovlivňují (půdní vlhkost apod.). Toto je nutno mít stále na zřeteli při případném vzájemném porovnávání základní vláhové bilance jednotlivých míst či oblastí. Aktuální vláhová bilance je vzájemný rozdíl srážek a aktuální evapotranspirace standardního travního porostu. Jako vypařující povrch se pro zjednodušení opět bere standardní travní porost. Výsledné hodnoty aktuální vláhové bilance jsou do jisté míry odrazem skutečných vlhkostních poměrů v přírodních podmínkách. U aktuální vláhové bilance se při výpočtu hodnot aktuální evapotranspirace berou v úvahu vlhkostní podmínky ve svrchních vrstvách půdy. V podstatě vyjadřuje vliv klimatických podmínek na bilanci (a taktéž na výpar) při současném vlivu všech ostatních činitelů, které výpar ovlivňují (půdní vlhkost apod.). Vláhová bilance v užším slova smyslu je vzájemný rozdíl mezi srážkami a evapotranspirací travního porostu. Předkládaná dizertační práce je zcela založena právě na řešení tohoto typu vláhové bilance. Tento termín byl zaveden především s ohledem na skutečnost, že výpočet evapotranspirace jako výdejové složky podle aplikovaných modelů MORECS a AVISO, o kterých se stručně zmíním v dalším textu, se v některých rysech odlišuje od standardních metod výpočtu potenciální evapotranspirace standardního travního porostu. Jinými slovy, v tomto případě lze hovořit o modifikovaném způsobu výpočtu potenciální evapotranspirace, kdy její vypočítané hodnoty jsou nižší než potenciální a částečně se blíží hodnotám aktuálním. Jako vypařující povrch se pro zjednodušení opět bere travní porost, avšak vzhledem k variabilitě jeho vybraných charakteristik během roku již nelze hovořit o jeho standardní formě. Evapotranspiraci jako základní výdejovou složku oběhu vody v přírodním prostředí lze charakterizovat z několika pohledů: Potenciální evapotranspirace představuje celkové množství vody v mm, které se může vypařit z podloží, tj. z půdy (evaporace z půdy) a vegetačního krytu (transpirace rostlin) při současném optimálním nasycení půdního horizontu vodou a za konkrétních klimatických podmínek. V praxi to znamená, že hodnoty potenciální evapotranspirace jsou ovlivněny chodem a variabilitou základních meteorologických prvků (teplota a vlhkost vzduchu, sluneční svit, rychlost větru, zprostředkovaně srážky) a nikoliv vlhkostními poměry ve svrchních vrstvách půdy, o nichž se předpokládá, že jsou optimální a v průběhu evapotranspiračního procesu za den neměnné. Nemůže tedy dojít k případu, že klimatické podmínky signalizují maximální evapotranspiraci, avšak tato je výrazně nižší vzhledem k nedostatečnému provlhčení svrchních částí půdního horizontu. V přírodních podmínkách potenciální evapotranspirace převyšuje evapotranspiraci aktuální hlavně v teplém půlroce, resp. ve vegetačním období. Fytometrické chrakateristiky vypařujícího povrchu (u plodin např. plocha listoví, výška a efektivní výška plodiny, aerodynamická rezistence, rezistence plodiny apod.) jsou po celý kalendářní rok nastaveny na maximální, resp. optimální hodnoty. Stejné je to u dalších charakteristik, majících vliv na výpar (albedo apod.). 19

20 Dizertační práce Vláhová bilance zemědělské krajiny Výpočetní algoritmus pro určení potenciální evapotranspirace je po stránce matematické a fyzikální velmi dobře propracován. K řešení dané problematiky existuje ve světě řada složitějších i jednodušších postupů či výpočetních schémat. Předkládaná dizertační práce je založena na modifikované Penman-Monteithově kombinované rovnici v pojetí modelů MORECS a AVISO. Aktuální (též efektivní, skutečná) evapotranspirace představuje množství vody v mm, které se v reálných přírodních podmínkách vypařuje z podloží, tj. z půdy (evaporace z půdy) a vegetačního krytu. Skutečnými přírodními podmínkami se v tomto smyslu rozumí vedle konkrétních klimatických podmínek, tvořených souborem meteorologických prvků, majících vliv na výpar, rovněž skutečné vlhkostní poměry ve svrchním půdním horizontu. V praxi může však dojít i k mezním případům, kdy klimatické podmínky signalizují maximální výpar, avšak aktuální evapotranspirace je nižší vzhledem k vlhkostnímu deficitu v půdě, jinými slovy v přírodním prostředí se nedostává půdní vláhy pro výpar. Výpočetní algoritmus pro určení aktuální evapotranspirace je velmi složitý. Výpočty různých modelů je nutno většinou brát jako vysoce kvalifikovaný odhad. Složitost výpočtu aktuální evapotranspirace ještě v našich přírodních podmínkách podtrhují velmi různorodé půdní typy a půdní druhy, kdy na malých plochách se lze setkat s velmi rozdílnými fyzikálními vlastnostmi půdního pokryvu. Otázku aktuální evapotranspirace rovněž řeší oba agrometeorologické modely MORECS a AVISO (extrakční model). Aktuální evapotranspirací a tedy aktuální vláhovou bilancí se v této práci nezabývám. Referenční evapotranspirace má poněkud specifické postavení. Její hodnoty mohou být, resp. jsou velmi blízké potenciálním (Matejka, Hurtalová, 25), což logicky vyplývá z metodiky zpracování. Referenční evapotranspirací podle doporučované metodiky FAO se rozumí evapotranspirace z hypotetického vypařujícího povrchu velmi podobného standardnímu travnímu porostu, který se vyznačuje během celého roku konstantní výškou (,12 m), konstantním albedem (,23), konstantní povrchovou (plodinovou) rezistencí (odporem) (7 s.m -1 ), plným (maximálním) zápojem a optimálním zásobováním srážkovou vodou. Takto definovaná referenční evapotranspirace (Penman-Monteithův modifikovaný postup) byla např. použita pro řešení základní vláhové bilance v rámci Atlasu podnebí Česka (Atlas podnebí Česka, 27). Vzhledem k algoritmům modelů MORECS a AVISO bylo pro řešení vláhové bilance v rámci dizertační práce zvoleno jisté kompromisní řešení. Výpočet evapotranspirace travního porostu proběhl podle osvědčené a doporučované metodiky Penman-Monteith, avšak s modifikací na naše fyzicko-geografické podmínky a současně s dílčím upřesněním vybraných fytometrických i jiných charakteristik, a to na základě obecných poznatků o časoprostorových změnách v průběhu roku a navíc s přihlédnutím k teplotně-srážkovým poměrům v dané oblasti. O specifikách použitých algoritmů je pojednáno podrobněji v kap. 4.4 až 4.8. Na rozdíl od aktuální evapotranspirace se plně nepřihlíží k vlhkostním poměrům v půdě. V tomto pojetí je přesnější hovořit o evapotranspiraci travního porostu, nikoliv potenciální evapotranspiraci standardního travního porostu. Je logické, že takto získané hodnoty evapotranspirace jsou nižší než hodnoty potenciální, avšak vyšší než hodnoty aktuální. Jako vypařující povrch byl v případě evapotranspirace 2