Modelování vlivu klimatických změn na hydrologický režim v České republice

Transkript

1 Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M., v.v.i. Modelování vlivu klimatických změn na hydrologický režim v České republice Ladislav Kašpárek Scénáře klimatické změny jsou používány podle doporučení Mezinárodního panelu pro klimatickou změnu (IPCC). Značná nejistota scénářů klimatické změny je dána: velkým rozmezím odhadů možného vývoje emisí 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 modelovat dostatečně věrně. 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 (), pro časovou úroveň 7-2, 2, scénáře emisí SRES A2 a SRES B2 v gridech x km Regionální variabilita dle modelu HIRHAM Scénář HIRHAM jeví vliv orografie. V nížinách nastává v létě větší oteplení než v hornatých oblastech, v zimě se spíš íše e naopak nížiny n méněm oteplují než hory. Srážky v létě klesají výrazněji v nížinách než v hornatých oblastech. V zimě se srážky v nížinách zvyšuj ují více než na horách.

2 Regionální variabilita dle modelu RCAO Scénář RCAO vliv orografie v měřítku ČR nevyjadřuje. Gradienty změn klimatických charakteristik podle modelu RCAO probíhají ve směrech sever-jih a západ- východ. Změna teploty v létě narůstá od severu k jihu. V zimě narůstá změna teploty od západu k východu. 2 Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (7-2) Teplota vzduchu - měsíční průměry na povodí Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (7-2) Srážky průměrné měsíční výšky na povodí původní stav klimatu scénář emisí A2 9 původní stav klimatu scénář emisí A2 Průměrná měsíční teplota (st.c) scénář emisí B2 Největší zvýšení teploty v letních měsících Průměrná měsíční výška srážek (mm) scénář emisí B2 3 - XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X Zvětšení srážek prosinec-březen, pokles srážek červenec-září XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X Postup hydrologických výpočtů:. Pozorované řady srážek, teplot a vlhkostí vzduchu se upraví o změny udávané scénáři. 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. Hydrologické. modelování model BILAN modeluje základní hydrologické procesy probíhající v povodí Teplota Relativní Srážky vzduchu vlhkost vzduchu t t h p Typ Potenciální režimu evapotranspirace Vstupní řady ZIMA TÁNÍ SNĚHU LÉTO Bilance Bilance Zásoba povrchu povodí ve sněhu povrchu povodí [ Dgw ] sw [Dgm ] inf inf Bilance Zásoba Bilance (povrch půdy v půdě povodí, půda) [ Spa ] ss [ Spa, Alf ] perc perc Rozdělení mezi hypodermický odtok a doplnění zásoby podzemní vody [ Wic, Mec,Soc] rc Bilance Zásoba podpodzemní vody zemní vody gs [ Grd ] bf I dr Celkový odtok

3 Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (7-2) 2) Průměrné měsíční výšky odtoku Povodí Labe po Děčín, regionální scénáře RCAO (7-2) 2) Minimální měsíční výšky odtoku 3 7 původní stav klimatu 2 původní stav klimatu 6 scénář emisí A2 Průměrná měsíční výška odtoku (mm) scénář emisí A2 scénář emisí B2 Minimální měsíční výška odtoku (mm) scénář emisí B2 XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X Klimatická změna postihne (postihuje) nejdříve povodí s malými úhrny srážek Dopad na zdroje podzemní vody: Studie povodí horní Metuje po Teplice nad Metují horní část polické křídové struktury Blšanka Holedeč (37 km 2 ) červenec 7 Průměrné roční výšky: srážky 762 mm odtok 37 mm základní odtok 24 mm. Změny zásob a odtoku podzemní vody v podmínkách klimatické změny v povodí horní Metuje Horní část teplické křídové pánve - hydrogeologická struktura s významnými zásobami podzemní vody Modelování : BILAN model hydrologické bilance, připravp ipraví vstupní infiltraci do podzmních vod pro Modflow (Modular three-dimensional finite-difference groundwater flow model developed by the United States Geological Survey) (%) srážka odtok základní odtok interflow přímý odtok potenciální evapotranspirace výpar zásoba podzemní vody Výsledky modelování modelem BILAN -relativnízměny průměrných ročních charakteristik hydrologické bilance mezi údaji pro stávající klima a scénář ECHAM (globální scénář)-časová úroveň

4 modelová drenáž p.v. po profil MII (m 3.s - ) Povodí Metuje po Teplice n.m. při klimatické změně (C) bez klimatické změny ( A) V důsledku klimatické změny hydraulickým modelem vypočítány poklesy hladiny podzemní vody v rozmezí m Průměrn rná hodnota poklesu hladiny podzemní vody vychází cca 6 m Odtok podzemní vody by v minimech poklesl až na úroveň součtu stávajících odběrů cca l/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. Výskyt několika velkých regionálních povodní v ČR v poslední 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 let. Zpracoval Libor Elleder,, ČHMÚ Kolísání četnosti výskytu extrémních povodní Existuje souvislostí mezi specifiky pohybu Slunce kolem těžiště sluneční soustavy a obdobími minim sluneční aktivity (Charvátová). Úplný solární cyklus je 79 let z čehož prvních 3 let je období chaotického pohybu, posledních let je období pravidelného pohybu - spojeného s teplejším a méně rozkolísaným klimatem. V povodí Vltavy se naprostá většina extrémních povodní vyskytla v prvních 3-letých částech slunečního cyklu, jen velmi málo v částech -letých. Posledním takovým příznivým obdobím by bylo 97-9, současný zvýšený výskyt extrémních povodní odpovídá tomu, že se nacházíme v 3-leté části cyklu, s častějším výskytem geofyzikálních extrémních jevů.

5 3-letá frekvence výskytu povodní v průběhu pravidelných 79-letých slunečních cyklů. 4 3 Počátky jednotlivých cyklů Počet let od počátku cyklu 2 4 Jak se projevuje probíhající změna klimatu na povodí Labe? Analýza trendů pozorovaných a modelovaných veličin hydrologické bilance povodí Labe po Děčín 9 8 Teplota v Čechách významně kolísala až do poloviny 9. století, pak podstatně méně, posledních let vzestup o st.c klima se mění Povodí Labe po Děčín 8-4, směrodatné odchylky srážek a odtoků (desetileté klouzavé průměry) Průměrná roční teplota na povodí Labe srážky teploty Klouzavý průměr za let 9 Průměrná roční teplota (st.c) Odchylka (%) - - Odchylky teplot a srážek byly v minulosti vždy opačné, po roce 99 se obě veličiny poprvé současně zvětšují Měsíční řada z období 97-4 : Teplota se zvýšila o,6 až st. C Měsíční řada z období 97-4 : srážky rostou po roce 998 teplota ( st. C) XI.7 XI.72 XI.74 XI.76 Klouzavý průměr/ (Teplota ) XI.78 XI.8 XI.82 XI.84 XI.86 XI.88 XI.9 XI.92 XI.94 XI.96 XI.98 XI. XI.2 výška srážek (mm/měsíc) XI.7 XI.72 Klouzavý prům ěr/ (výška srážek) XI.74 XI.76 XI.78 XI.8 XI.82 XI.84 XI.86 XI.88 XI.9 XI.92 XI.94 XI.96 XI.98 XI. XI.2

6 Mění se ročního chod srážek v zimě více, na jaře méně Územní výpar se zvětšuje méně, než potenciální evapotranspirace 6 9 Průměrná výška srážek (mm/měsíc) listopad prosinec leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen (mm/měsíc) Klouzavý průměr/ (Potenciální evapotranspirace) Klouzavý průměr/ (Územní výpar) Klouzavý průměr/ (Srážky) Klouzavý průměr/ (Odtok) Srážky, výpar (mm/měsíc) Územní výpar je limitován převážně srážkami Klouzavý průměr/2 (Potenciální evapotranspirace) Klouzavý průměr/2 (Územní výpar) Klouzavý průměr/2 (Srážky) výška odtoku (m m /m ě síc) Měsíční řady z období 97-4 : odtok se zvětšuje méně, než odpovídá vzestupu srážek srážky 6 odtok XI.7 XI.7 XI.8 XI.8 XI.9 XI.9 XI. v ý ška srážek ( m m /m ě síc) 2 XI.7 XI.7 XI.8 XI.8 XI.9 XI.9 XI. Rozdíl mezi srážkami a odtokem se zvětšuje Jak se mění výpar z vodní hladiny: Výsledky statistické analýzy padesátileté řady pozorování výparu ve stanici Hlasivo 6 Rozdíl srážky-odtok (mm/měsíc) Klouzavý prům ě r/2 (Rozdíl srážek a odtoku) Klouzavý prům ě r/ (Rozdíl srážek a odtoku) Výparoměry Class-A, GGI, v pozadí srovnávací výparoměr a meteorologické přístroje

7 Od poloviny osmdesátých let (983) dochází k statisticky významnému zvyšování výparu z vodní hladiny v důsledku zvyšování teploty vzduchu mm/day. Jak se projevuje probíhající změna klimatu na teplotách vody? Trend line Time series plot Trend occurred: year= Year Test vzniku trendu pro časovou řadu průměrných sezónních hodnot výparu za období 97 až 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 98- Vztah mezi teplotou vzduchu a teplotou vody v oblasti kladných teplot t vzduchu je téměř lineární 3 Vztah mezi teplotou vzduchu a teplotou vody pro záporné teploty vzduchu lze vyjádřit exponenciální funkcí 4. 2 y =.3x R 2 = Teplota vody (st.c) y =.9x x R 2 =.923 Teplota vody (st.c) y = e.3382x R 2 = Teplota vzduchu (st.c) Teplota vzduchu (st.c) Teplota vody (při kladných teplotách vzduchu) je ovlivněna velikostí průtoku při menším průtoku je voda teplejší Největší vzestup teplot vody je v období květen až srpen.7.6 Teplota vody 4 Odchylka odhadu teploty vody (st.c) y = -.6Ln(x) R 2 =.37 Gradient změny teploty v čase Teplota vzduchu - průměr na povodí Odtoková výška (mm/měsíc) -.3 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Měsíc

8 Vzestup teploty vzduchu v srpnu je o více než 2 st.c, vzestup teploty vody je obdobný Teplota (st.c) VODA VZDUCH 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. 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 Jak zmírnit dopad klimatické změny? Děkuji za pozornost Obnova retenční schopnosti krajiny-přispěje ke zlepšení vodního režimu krajiny a kvality vody, minimální průtoky však nezvětší Efektivnější využití stávajících nádrží a vodohospodářských soustav, transport vody do suchých oblastí Ve výhledu výstavba nových nádrží (rezervovat pro ně vhodná území) Ekonomické nástroje vedoucí k šetření s vodou a menšímu 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 (988) uvažoval: Lokality výhledových vodních nádrží, 2 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

9 Postup Použitá data: pozorované řady srážek, odtoků, teplot vzduchu a relativních vlhkostí vzduchu - měsíční řady z 32 povodí (pro povodí Labe od r.932, pro povodí Moravy a Odry 97-99) Použité prostředky: scénář klimatické změny EC2H pro rok model hydrologické bilance BILAN program EXDEV pro výpočet nedostatkových objemů odtok (mm) Jizera - Předměřice (plocha povodí 28 km 2 ) odtok - výchozí stav odtok - rok práh Q7% Výzkumný ústav vodohospodářský T.G.M. největší rozdíl 4 mm*28 km 2 * 3 = 6 mil. m 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: 34 mil. m 3 Chybějící objem vody: 684 mil. m 3