J. Hydrol. Hydromech., 52, 2004, 2, 108 114 PROJEV KLIMATICKÉ ANOMÁLIE 1992 1996 V ODTOKOVÝCH POMĚRECH NA POVODÍ LIZ MILOSLAV ŠÍR 1), MIROSLAV TESAŘ 1), ĽUBOMÍR LICHNER 2), OLDŘICH SYROVÁTKA 3) 1) Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, Pod Paťankou 5, 166 12 Praha 6, Česká republika; mailto: msir@mereni.cz; tesarihas@iol.cz 2) Ústav hydrológie SAV, Račianska 75, 831 02 Bratislava, Slovenská republika; mailto: lichner@uh.savba.sk 3) Pedagogické centrum, Hlinsko 49, 370 82 České Budějovice, Česká republika; mailto: syrovatka@pedcentrum.cz V článku je popsaný srážko-odtokový vztah v experimentálním povodí Liz, které se nachází na Šumavě v České republice. Úplně zalesněné povodí, pokryté dospělým smrkovým lesem, má plochu 0,99 km 2, průměrný průtok 0,01 m 3 s -1, odtokový koeficient 0,38, průměrnou roční teplotu vzduchu 6,30 ºC, průměrný sklon 17 %, délku povodí 1,45 km, délku vodních toků 1,43 km, nadmořskou výšku 828 1074 m n. m., srážkový úhrn 851 mm rok -1 a odtokovou výšku 324 mm rok -1. Pro hydrologický cyklus na povodí je charakteristické, že poměry veličin globální radiace/suma teplot v úhrnech za vegetační období 1983 2000 jsou meziročně prakticky neměnné, i když jednotlivé sezónní úhrny se meziročně mění velice podstatně. Obdobně je prakticky meziročně neměnný poměr sezónního úhrnu srážek a odtoku z povodí v letech 1983 1991 a 1997 1999. V letech 1992 1996 se objevuje anomální chod klimatu. Na dvojité součtové čáře sezónního úhrnu srážek a odtoku je patrná výchylka. Ve vegetačních sezónách 1992 až 1996 je narušen jinak ustálený poměr srážek a odtoku. Počínaje sezónou 1997 se vrací poměr obou veličin k hodnotě, jaké nabýval před rokem 1992. Příčinou anomálie hydrologického cyklu v letech 1992 až 1996 na experimentálním povodí musela být výrazná externí příčina, nejspíše výbuch sopky Mount Pinatubo na Filipínách dne 15. 6. 1991. KLÍČOVÁ SLOVA: hydrologický cyklus, srážky, odtoky. Miloslav Šír, Miroslav Tesař, Ľubomír Lichner, Oldřich Syrovátka: MANIFESTATION OF THE 1992 1996 CLIMATE ANOMALY IN DISCHARGE RELATIONS OF THE LIZ CATCHMENT. J. Hydrol. Hydromech., 52, 2004, 2; 11 Refs., 7 Figs, 1 Tab. Hydrologic cycle in the Liz catchment is described with an anomaly in the vegetation seasons 1992 1996. Experimental catchment Liz is located in the Šumava Mts. in the Czech Republic. The fully forested watershed is covered by mature spruce forest, and its basic characteristics are as follows: drainage area 0.99 km 2, mean discharge 0.01m 3 s -1, runoff coefficient 0.38, mean annual air temperature 6.30 ºC, average slope 17 %, basin length 1.45 km, water course length 1.43 km, elevation 828 1074 m a.s.l., precipitation sum 851 mm year -1, and runoff depth 324 mm year -1. Air temperature, precipitation, global radiation, and discharge in the closing profile are measured in the catchment. It is characteristic for hydrologic cycle in the catchment that the share of seasonal sums of both the global radiation and temperature was nearly constant in 1983 2000. However, the seasonal sums of both the global radiation and temperature were changed considerably in 1983 2000. Similarly, the share of seasonal sums of both the rainfall and runoff was nearly constant in 1983 991 and 1997 1999. An anomalous course of climate was registered in 1992 1996, manifested by a deviation on the double mass curve of the seasonal sums of rainfall and runoff. Stabilised elsewhere, the ratio of rainfall and runoff is changed during the vegetation seasons 1992 1996. Starting from the 1997 season, this ratio has obtained the value held before 1992. The reason of the 1992 1996 anomaly of hydrologic cycle in the experimental catchment had to be significant external phenomenon, most likely explosion of the Mount Pinatubo volcano in Philippines on June 15, 1991. KEY WORDS: Hydrologic Cycle, Precipitation, Runoff. 108
Projev klimatické anomálie 1992 1996 v odtokových poměrech na povodí Liz 1. Úvod Hydrologický cyklus pevnin je mnoha vazbami navzájem spjatým oběhem tepla a vody mezi půdou, rostlinami a atmosférou (Eagelson, 1978; Wood, 2003). Výsledkem mnohaletého měření srážek a odtoků v povodích v mírném klimatu s neměnnými přírodními podmínkami je poznatek, že poměr ročních úhrnů odtoku z povodí a srážek na povodí dopadlých (odtokový koeficient) je téměř konstantní, nezávisle na chodu počasí během roku (Chlebek, Jařabáč, 1988, 1994; Jařabáč, Chlebek, 1989). V jiném vyjádření to znamená, že dvojitá součtová čára odtoků a srážek je v průběhu mnoha let přímkou. Pomocí této součtové čáry se testuje neměnnost přírodních podmínek. Změní-li dvojitá součtová čára tvar, hledá se v roce, kdy se změna projevila, příčina změny odtokového koeficientu. Vyloučíme-li nehomogenitu měření, např. v důsledku obměny měřící techniky nebo metodiky, stavební zásahy v povodí (včetně odvodnění) a změny obhospodařování, přicházejí v úvahu jen dvě možné příčiny: změna porostů nebo změna klimatu. Náš příspěvek popisuje anomálii v hydrologických poměrech na malém zalesněném povodí na Šumavě. Pro ní je charakteristické, že dochází ke změnám jinak dlouhodobě ustáleného poměru srážek a odtoků ve vegetační sezóně. Vzhledem k tomu, že v povodí nebyly shledány žádné změny oproti minulosti, je zřejmé, že změna srážkoodtokového vztahu musela být vyvolána vůči povodí externí příčinou klimatickou výchylkou. Obdobné výsledky jsou prezentovány v práci (Holko et al., 2003) pro povodí Jaloveckého potoka v Západních Tatrách a pro několik rakouských povodí. Článek je opravenou a revidovanou verzí práce (Eliáš et al., 2002). V pracích (Eliáš et al., 2002; Šír et al., 2003) je publikován chybný obrázek, který je zde podán správně (obr. 3). 2. Experimentální povodí Experimentální povodí Liz je součástí jižní části Vimperské vrchoviny, která přechází do horského pásma Šumavy. Povodí je zalesněné, porost povodí patří do kyselé smrkové bučiny 6k6, genetický půdní představitel je oligotrofní hnědá lesní půda, poloha: 13º 40 30 východní délky, 49º 03 50 severní šířky, výška povodí 828 až 1074 m n. m. s průměrnou výškou 941,5 m n. m. Charakteristiky povodí podává tab. 1. V uzávěrovém profilu povodí se kontinuálně měří hladina na měrném přepadu, srážky a teplota vzduchu ve výšce 200 cm. Globální radiace se měří v blízké meteorologické stanici Churáňov. T a b u l k a 1. Charakteristiky povodí Liz. T a b l e 1. The Liz catchment characteristics. Plocha povodí [km 2 ] Drainage area [km 2 ] Průměrný průtok [m 3 s -1 ] Mean discharge [m 3 s -1 ] Odtokový koeficient [ ] Runoff coefficient [ ] Průměrná roční teplota vzduchu [ºC] Mean annual air temperature [ºC] Průměrný sklon [%] Average slope [%] Délka povodí (km) Basin length [km] Délka vodních toků [km] Channels length [km] Nadmořská výška [m n. m.] Elevation [m a. s. l.] Srážkový úhrn [mm rok -1 ] Precipitation sum [mm year -1 ] Odtoková výška [mm rok -1 ] Runoff depth [mm year -1 ] 3. Klimatická anomálie 1992 1996 0,99 0.99 0,01 (1976 1997) 0.01 (1976 1997) 0,38 (1976 1997) 0.38 (1976 1997) 6,30 (1976 1997) 6.30 (1976 1997) 17 1,45 1.45 1,43 1.43 828 1074 851 (1976 1997) 324 (1976 1997) Pro hydrologický cyklus na experimentálním povodí Liz je charakteristické, že poměry veličin globální radiace/suma teplot v úhrnech za vegetační období 1983 2000 jsou meziročně prakticky neměnné. Dvojitá součtová čára sezónních sum obou veličin je totiž přímka (obr. 1), i když jednotlivé sezónní úhrny se meziročně mění velice podstatně (obr. 2). Obdobně je prakticky meziročně neměnný poměr sezónního úhrnu srážek a odtoku z povodí v letech 1983 1991 a 1997 1999 (obr. 3, 4). V letech 1992 1996 se objevuje anomální chod klimatu. Na dvojité součtové čáře sezónního úhrnu srážek a odtoku (obr. 3) je patrná výchylka. Ve vegetačních sezónách 1992 a 1996 je narušen jinak ustálený poměr srážek a odtoku. Počínaje sezónou 1997 se vrací poměr obou veličin k hodnotě, jaké nabýval před rokem 1992. V přechodovém grafu sezónních sum srážek a odtoků (obr. 5) lze vysledovat, že body mají tendenci hromadit se do jedné poměrně kompaktní oblasti. Nazvěme ji oblastí stability. V ní leží všechny sezóny mimo let 1992, 1995 a 1996. Stejná stabilní oblast je zřetelná v přechodovém grafu sezónních sum srážek a potenciální transpirace (obr. 6). Také v tomto přechodovém grafu leží sezóny 1992, 1995 a 1996 mimo oblast stability. Na obr. 6 je očíslovanými šipkami vyznačeno, jakou cestou se vychýlený hydrologic- 109
M. Šír, M. Tesař, Ľ. Lichner, O. Syrovátka ký cyklus (sezóny 1992 až 1996) zase vrátil do stabilní oblasti. Cesta do stabilní oblasti má oscilační charakter. Body odpovídající sezónám 1993 a 1994, ač leží ve stabilní oblasti, leží na přímce (obr. 7), která spojuje všechny vychýlené sezóny 1992 1996. Nazvěme ji oscilační osou. Na obr. 7 je také zřejmé, že sezóna 1983, přesto že leží na okraji oblasti stability, se nestala zdrojem perturbace hydrologického cyklu, neboť nevyprovokovala vybočení z oblasti stability v následujících sezónách. Jediným zdrojem perturbace hydrologického cyklu v období 1983 1999 se stala právě sezóna 1992. Obr. 1. Dvojitá součtová čára teploty vzduchu a globální radiace v sezónách 1983 2000 na povodí Liz. Fig. 1. Double mass curve of air temperature and global radiation in the Liz catchment in the seasons 1983 2000. Obr. 2. Sloupcový graf teploty vzduchu a globální radiace v sezónách 1983 2000 na povodí Liz. Fig. 2. Bar graph of air temperature and global radiation in the Liz catchment in the seasons 1983 2000. 110
Projev klimatické anomálie 1992 1996 v odtokových poměrech na povodí Liz Obr. 3. Dvojitá součtová čára srážek a odtoků v sezónách 1983 1999 na povodí Liz. Ovál vyznačuje anomální období v hydrologickém cyklu. Fig. 3. Double mass curve of precipitation and runoff in the Liz catchment in the seasons 1983 1999. The circle indicates the anomalous period in the hydrological cycle. Obr. 4. Sloupcový graf srážek a odtoků v sezónách 1983 1999 na povodí Liz. Fig. 4. Bar graph of precipitation and runoff in the Liz catchment in the seasons 1983 1999. 4. Diskuse a závěr Příčinou anomálie hydrologického cyklu v letech 1992 až 1996 na experimentálním povodí musela být výrazná externí příčina, neboť anomálie ve stejném období byla zjištěna na jiných velice vzdálených povodích v Západních Tatrách a v Rakousku (Holko et al., 2003). Nejspíše to byl výbuch sopky Mount Pinatubo na Filipínách dne 15. 6. 1991. V jeho důsledku se dostalo do atmosféry takové množství sopečných hmot, že byla ovlivněna globální cirkulace atmosféry na celé planetě po dobu následujících několika let (Hansen, 1996). Na našem území se to projevilo nebývale tuhou zimou 111
M. Šír, M. Tesař, Ľ. Lichner, O. Syrovátka Obr. 5. Přechodový graf vztahu srážek a odtoků v sezónách 1983 1999 na povodí Liz. Ovál vyznačuje oblast stability hydrologického cyklu. Fig. 5. Scatterplot of precipitation and runoff in the Liz catchment in the seasons 1983 1999. The circle indicates the anomalous period in the hydrological cycle. Obr. 6. Přechodový graf vztahu srážek a potenciální transpirace v sezónách 1983 1999 na povodí Liz. Ovál vyznačuje oblast stability hydrologického cyklu. Fig. 6. Scatterplot of precipitation and potential transpiration in the Liz catchment in the seasons 1983 1999. The circle encompasses the stable state. 1991/1992. Následující léto roku 1992 bylo zase abnormálně horké a suché. Bylo nejteplejší a nejsušší ve dvacetiletí 1983 2002 (Eliáš et al., 2002). Skutečnost, že v osmnácti sledovaných sezónách v letech 1983 1999 jen tři leží mimo stabilní oblast, svědčí o vysoké stabilitě hydrologického cyklu na experimentálním povodí. Popis mechanismů, které přiklánějí hydrologický cyklus ve vegetačním období do stabilní oblasti, není předmětem tohoto sdělení. Poukažme pouze na regulační roli transpirujících rostlin v hydrologickém cyklu a v energetické bilanci krajiny (Eagelson, 1978; Pokorný, 1997; Ripl, 1992; Wood, 2003). O tom, že citlivým prvkem hydrologického cyklu může být transpirující vegetace, svědčí také to, že v mimovegetačním období nebyla anomálie zaznamenána na povodí 112
Projev klimatické anomálie 1992 1996 v odtokových poměrech na povodí Liz Liz ani na povodí Jaloveckého potoka (Holko et al., 2003). Náš příspěvek přináší více otázek, než podává odpovědí. Nutno přiznat, že výzkum stability hydrologického cyklu v měřítku povodí a stability klimatu v planetárním měřítku je v úplném počátku. Ani po důkladném průzkumu literárních pramenů jsme nenašli žádné relevantní informace mimo článek (Holko et al., 2003), jehož vznik jsme podnítili, abychom se ujistili, že nejsme obětí experimentální chyby. Zmiňovaný článek vypracovala na nás nezávislá skupina autorů při použití dat a metodik, které jsme neovlivnili. Považujeme proto existenci popisovaného jevu za objektivně existující přírodní skutečnost. Výklady o stabilitě a oscilacích jsme přebrali z myšlenkového repertoáru soudobé biologie, neboť důvodně předpokládáme, že jsme narazili na projev regulace planetárního klimatu v důsledku životní aktivity organismů. K tomuto přesvědčení nás vede skutečnost, že anomálie se neprojevuje v zimním období, kdy životní aktivita organismů na severní polokouli je silně utlumena v důsledku nedostatečného příkonu tepla. Největší záhadou zůstává, proč se plně kompenzovala výchylka ve srážkoodtokovém vztahu, takže dvojitá součtová čára srážek a odtoků (obr. 3) pokračuje po anomálním období přesně v ose jako před ním. Kdyby se totiž jednalo o ryze fyzikální jev, dalo by se očekávat pouze to, že dvojitá součtová čára bude pokračovat rovnoběžně se směrem před výchylkou, nikoliv však v ose. Domníváme se, že je žádoucí provést podrobné analýzy srážek a odtoků v co největším rozsahu, aby bylo možné hlouběji pochopit vazby hydrologického cyklu a klimatu. V další etapě práce je nutné se zaměřit na otázku, jak byla klimatickou anomálií ovlivněna retence vody v povodí. Dále nutno analyzovat, zda se klimatická anomálie neprojevila také změnou charakteru dešťových srážek. Poděkování. Autoři děkují za podporu Grantové agentuře AV ČR (A3060001, S2060104), Ministerstvu životního prostředí ČR (VaV 610/3/00) a grantové agentuře VEGA (2/3032/23). Děkují též Ing. V. Novákovi, DrSc. za jeho podnětné připomínky a upozornění na chybu na obr. 3. Obr. 7. Oscilační osa v přechodovém grafu vztahu srážek a potenciální transpirace v sezónách 1983 1999 na povodí Liz. Ovál vyznačuje oblast stability hydrologického cyklu. Přímka značí oscilační osu. Fig. 7. Oscillation axis in the transition graph precipitation and potential transpiration in the Liz catchment in the seasons 1983 1999. The circle indicates the stable state. Straight line indicates the oscillation axis. LITERATURA EAGELSON P. S., 1978: Climate, soil, and vegetation. Wat. Resour. Res., 14, 5, 705 776. ELIÁŠ V., TESAŘ M., ŠÍR M., SYROVÁTKA O., 2002: Stabilita a extremalizace hydrologického cyklu pramenných oblastí. In: Patera A. et al. (eds.): Povodně: prognózy, vodní toky a krajina. Fakulta stavební ČVUT v Praze a Česká vědeckotechnická vodohospodářská společnost, Praha, s. 363 385. HANSEN J., 1996: A Pinatubo climate modeling investigation. In: Fiocca G. et al. (eds.): The Mount Pinatubo eruption: Effects on the atmosphere and climate. NATO ASI Series I: Global environmental change, Vol. 42, Springer Verlag, Berlin Heidelberg New York, s. 233 272. 113
M. Šír, M. Tesař, Ľ. Lichner, O. Syrovátka HOLKO J., PARAJKA J., KOSTKA Z., 2003: Zrážkovoodtokový vzťah a zmena hydrologického cyklu v povodí. In: Šír M. et al. (eds.): Hydrologie půdy v malém povodí. Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, Praha, s. 151 155. CHLEBEK A., JAŘABÁČ M., 1988: Důsledky porostních obnov na odtok vody z beskydských experimentálních povodí. Zprávy lesnického výzkumu, 33, 4, 7 12. CHLEBEK A., JAŘABÁČ M., 1994: 40 let trvání lesnickohydrologického výzkumu v Beskydech. Vod. Hospodář., 9, 21 24. JAŘABÁČ M., CHLEBEK A., 1989: Metodické náměty k měření v experimentálních povodích. Zprávy lesnického výzkumu, 34, 1, 13 17. POKORNÝ J., 1997: Opomíjená makroenergetika krajiny. Ekologie a společnost, 7, 6, 5 7. RIPL W., 1992: Management of water cycle and energy flow for ecosystem control the Energy Transport Reaction (ETR) model. Ecological Modelling, 78, 61 76. ŠÍR M., PRAŽÁK J., TESAŘ M., LICHNER Ľ., SYROVÁT- KA O., 2003: Projev klimatické anomálie 1992 96 v odtokových poměrech na povodí Liz. In: Kostka Z. et al. (eds.): Zborník plných textov na CD z konf. Hydrológia na prahu 21. storočia vízie a realita. ÚH SAV, Bratislava, s. 468 480. WOOD R., 2003: The relative roles of climate, soil, vegetation and topography in determining seasonal and long-term catchment dynamics. Advances in Water Resources, 26, 295 309. Došlo 9. septembra 2003 Štúdia prijatá 26. februára 2004 MANIFESTATION OF THE 1992 1996 CLIMATE ANOMALY IN DISCHARGE RELATIONS OF THE LIZ CATCHMENT Miloslar Šír, Miroslav Tesař, Ľubomír Lichner, Oldřich Syrovátka Hydrologic cycle in the Liz catchment is described in this paper with the runoff coefficient anomaly in the vegetation seasons 1992 1996. Experimental catchment Liz is located in the Šumava Mts. in the Czech Republic. The fully forested watershed is covered by mature spruce forest on brown forest soil, and its basic characteristics are as follows: drainage area 0.99 km 2, mean discharge 0.01m 3 s -1, runoff coefficient 0.38, mean annual air temperature 6.30 ºC, average slope 17 %, basin length 1.45 km, water course length 1.43 km, elevation 828 1074 m a.s.l., precipitation sum 851 mm year -1, and runoff depth 324 mm year -1. Air temperature, precipitation, global radiation, and discharge in the closing profile are measured in the catchment. An anomalous course of climate was registered in 1992 1996, manifested by a deviation on the double mass curve of the seasonal sums of rainfall and runoff (Fig. 3). Stabilised elsewhere, the ratio of rainfall and runoff is changed during the vegetation seasons 1992 1996. Starting from the 1997 season, this ratio has obtained the value held before 1992. It can be seen in Fig. 5 that the points tend to accumulation in one compact area in the rainfall-runoff relationship. Except for 1992, 1995, and 1996 seasons, all the seasons lies in this compact area. The same area is well-marked in the rainfallpotential transpiration relationship (Fig. 6). The way of a return of the deviated hydrologic cycle (seasons 1992 1996) to the stable state is marked by numbered arrows in Fig. 6. The way has oscillating character. The points for the 1993 and 1994 seasons lay on a straight line (Fig. 7) which connects all the deviated seasons 1992 1996. Considering the fact that no changes were found in the catchment in comparison with the past, it is obvious that the change of rainfall-runoff relationship had to be caused by a significant external phenomenon, most likely explosion of the Mount Pinatubo volcano in Philippines on June 15, 1991. The question is why the deviation in rainfall-runoff relationship was fully compensated, i.e. why the double mass curve of the seasonal sums of rainfall and runoff (Fig. 3) continues on the straight line after anomalous seasons. Assuming clearly physical phenomenon, it should be expected that the double mass curve will continue in a parallel direction with, but not on the straight line. The authors suppose that it is necessary to perform the analyses of rainfall and runoff in more details and extent to find links between hydrologic cycle and climate. 114