TREND TEPLOTNÍCH A SRÁŽKOVÝCH PODMÍNEK V ZEMĚDĚLSKY INTENZIVNÍCH OBLASTECH Trend of temperature and precipitation conditions in agricultural intensive regions Středová H. 1,2, Středa T. 1,2, Mužíková B. 1,2 1 Český hydrometeorologický ústav, pobočka Brno 2 Mendelova univerzita v Brně Abstrakt V posledních desetiletích dochází k nárůstu počtu teplotních a srážkových extrémů s negativními vlivy na stabilitu rostlinné produkce. Klimatické scénáře predikují pokračování trendu růstu extrémních teplot a změny distribuce srážek během roku. Pro dvě zájmové lokality (Olomoucko a Žarošicko) byla provedena dlouhodobá analýza teplotních a srážkových podmínek. Analyzováno bylo období - a scénářová období - a -. Hodnocení teplotních poměrů je založeno na velikosti směrodatné odchylky od normálu. Hodnocení srážkových poměrů je založeno na rozdělení datového souboru na percentily. Analýza vykazuje nárůst zejména teplotních extrémů v posledních dekádách a v rámci scénáře. Klíčová slova: teplota vzduchu; srážky; extrémy; klimatické scénáře Abstract In recent decades an increase of temperature and precipitation extremes with negative effects on crop production is registered. Climate scenarios predict the continued trend of extreme temperatures occurrence and changes in rainfall distribution during the year. A long-term analysis of temperature and precipitation conditions was carried out for two areas (Olomouc and Žarošicko). The period - and the scenario periods - and - were analyzed. Evaluation of temperature conditions is based on comparison of the standard deviations and normal average. Precipitation evaluation is based on percentiles. The analysis shows an increase of temperature extremes occurrence especially in recent decades and frame of scenario period. Key words: air temperature, precipitation, extremes, climatic scenarios Úvod Nejvýznamnější negativní důsledky extrémních klimatických událostí jsou spojeny s výskytem extrémních srážek a s projevy teplotních extrémů. Odhady budoucího vývoje klimatu vycházejí z aplikace emisních scénářů, které popisují různé stupně socioekonomického vývoje. Atmosférické koncentrace CO 2 se mohou podle různých emisních scénářů v horizontu konce 21. století zvýšit v rozpětí 540 až 970 ppm; vztaženo ke koncentraci z roku 1750 (280 ppm) to představuje zvýšení o 90 až 250 %. Podle 4. hodnotící zprávy IPCC (2007) se za posledních sto letech globální teplota zvýšila v průměru o 0,74 C. Obecně platí, že globální denní maximální a minimální hodnoty teploty vzduchu (Tmin a Tmax) se zvyšují, přičemž zvyšování Tmin je třikrát rychlejší (Kejna et al., 2009). Negativní důsledky možných klimatických změn jsou spojené spíše se změnami variability a výskytu extrémních jevů, než se změnami průměrných teplotních charakteristik. Nárůst extrémních klimatických jevů je předpokládán i do budoucna. Při společném výzkumu dlouhodobých změn klimatických extrémů několika evropských zemí bylo zjištěno, že změny v Tmax a Tmin kopírují dobře zdokumentovaný trend změn průměrné teploty. Studie potvrdila, že důsledkem rychlejšího růstu Tmin než Tmax poklesla v průběhu tohoto století 590
denní amplituda teploty v severní a střední Evropě. Také výskyt mrazů zaznamenává klesající trend (Heino et al., 1999). Rostoucí teploty a změny v rozložení srážek mají výrazný dopad na různá odvětví lidské činnosti, včetně zemědělství. Jedním z velmi nežádoucích projevů klimatických extrémů je výskyt suchých období, který často koresponduje s obdobím nedostatku srážek a horkým počasím. Pongrácz et al. (2006) analyzovali vybrané zemědělské teplotní a srážkové indexy a jejich změny v druhé polovině 20. století. Výsledky ukázaly, že regionální intenzita a četnost extrémních srážek se zvýšila, zatímco celkově srážek ubylo a klima stalo se sušší. Také v ČR budou vyšší teploty vzduchu spojené s intenzivnějším výparem a větším kolísáním srážek pravděpodobně v následujících letech přinášet častější problémy s nedostatkem vláhy. Vzhledem k orografii České republiky je převážná část území závislá na sycení půdního profilu pouze atmosférickými srážkami. Typickou vlastností srážek na území ČR je velká časová i místní proměnlivost s velkou závislostí na nadmořské výšce a expozici. Výskyty sucha jsou tak významnou charakteristikou podnebí ČR. Nedostatek půdní vláhy je předpokládán v hlavním vegetačním období (přibližně 200 dní), kdy srážkový úhrn nepřekročí 340 mm. Údaj přibližně vyplývá z vláhových nároků hlavních plodin, daných transpiračním koeficientem. Dopad sucha na výnos závisí na termínu, délce trvání stresu a dalších faktorech. Kohut, Rožnovský, Chuchma (2010) provedli podrobnou analýzu vývoje vláhových podmínek v ČR pro období -2000. Zhodnocení bylo provedeno na základě modelově vypočítaných dlouhodobých hodnot zásoby využitelné půdní vody vyjádřených jako % využitelné vodní kapacity (VVK rozdíl mezi polní vodní kapacitou a bodem vadnutí) daného půdního druhu. Z výsledků analýzy vyplynulo, že v průběhu období docházelo ke zhoršování vláhové situace, navíc poslední desetiletí 1991-2000 se z hlediska vláhových podmínek obecně jevilo jako nejméně příznivé. Pro nejnižší polohy do cca 300 m n. m. jsou charakteristické dlouhodobé hodnoty pod 45 % VVK, pro střední polohy do 600 m n. m. jsou typické dlouhodobé hodnoty do 60 % VVK. Obdobně Středa, Kohut, Rožnovský (2010) pomocí modelu AVISO vypočetli zásobu využitelné vody ve vegetačním období ječmene jarního (91. až 180. den roku) v letech - 2007 na pokusných stanicích Ústředního kontrolního a zkušebního ústavu zemědělského. Proložením výpočtů trendovou přímkou stanovili vývoj zásoby využitelné vody, definované jako % VVK. Průměrná sezónní hodnota % VVK za období -2007 se pohybuje od 40 % (Žatec) do 77 % (Pusté Jakartice a Trutnov), respektive 85 % (stanice Stachy v současnosti již nevyužívaná k pokusům). U 20 z 21 hodnocených stanic byl u dlouhodobého trendu zjištěn pokles zásoby využitelné vody. Porovnávat aktuální počasí s normálem nebo dlouhodobým průměrem lze různými způsoby. Pro charakteristiky, které nabývají kladné i záporné hodnoty (což platí např. pro teploty), je možno počítat odchylku od normálu nebo dlouhodobého průměru. Pro charakteristiky, které nabývají pouze nezáporné hodnoty (což je případ srážkových úhrnů), lze použít výpočet procenta normálu (nebo dlouhodobého průměru). Pro oba typy klimatických charakteristik je vhodné kvalitativní hodnocení, kdy jsou vytvořeny kategorie, do kterých jsou jednotlivé hodnoty zařazovány. Jednotlivé kategorie extremity mohou být stanoveny dle hodnot percentilů (např. 1, 5, 10, 90, 95 a 99 %) teoretického rozdělení dané klimatologické charakteristiky. Volba kritických hodnot však vždy odpovídá zvolenému teoretickému rozdělení, takže získané výsledky se při použití různých typů rozdělení mohou lišit (Brázdil, Štěpánek 2000). Metodika Pro hodnocení byla využita databáze denních resp. měsíčních teplot vzduchu a srážkových úhrnů, která vznikla na brněnské pobočce Českého hydrometeorologického ústavu ČHMÚ, 591
Oddělení meteorologie a klimatologie. Na základě emisního scénáře A1B (představuje svět s velmi rychlým růstem ekonomiky a rozvojem nových technologií. Populace poroste do roku, pak pomalu klesá. Předpokládány jsou velké kulturní a sociálními interakcemi mezi různými částmi světa, spotřeba fosilních paliv a jiných zdrojů je v rovnováze) bylo pro celé území ČR je modelováno 789 gridových bodů. Před vlastní analýzou budoucího klimatu byla modelová data opravena podle výsledků validací prováděných na základě porovnání modelových výstupů a technických řad staniční sítě (přepočítaných do 10km gridové sítě). Porovnání bylo provedeno pro období - pro každý gridový bod samostatně. Korekce scénařových dat (- a -) potom proběhla podle metody Déquého. Tato metoda je založena na opravě daného meteorologického prvku porovnáním jednotlivých percentilů dvou datových souborů (více o metodě in: Déqué, 2007). Po této korekci jsou výstupy modelu plně kompatibilní se staničními (naměřenými) daty. Vytváření gridů a zpracování veškerých dat včetně analýzy budoucího klimatu bylo prováděno softwarem ProClimDB pro zpracování klimatických dat (Štěpánek, 2007). Pro vlastní analýzu byly zvoleny zemědělsky intenzivně využívané oblasti s vysokým zorněním Olomoucko a Žarošicko. Při naplnění emisních scénářů lze v těchto oblastech očekávat výrazné negativní dopady na rostlinnou produkci. Pro každou oblast byl vybrán reprezentativní gridový bod. Olomoucko se rozkládá na pomezí tří velkých jednotek - nížinné oblasti Západních Vněkarpatských sníženin v okolí řeky Moravy (Hornomoravský úval od SZ k JV), severních výběžků Brněnské vrchoviny (Drahanská vrchovina na JZ) a Jesenické podsoustavy (na SZ jako Zábřežská vrchovina a na SV jako Nízký Jeseník). Centrem regionu protéká řeka Morava a odvodňuje skoro celé území, pouze SZ okraj regionu odvodňuje řeka Odra. Podle agroklimatické rajonizace (Kurpelová, Coufal, Čulík, ) patří Olomouc do makrooblasti teplé, oblasti převážně teplé, podoblasti mírně suché a okrsku poměrně mírné zimy. Žarošicko se nachází v Jihomoravském kraji, okrese Hodonín. Obec leží v kotlině na úpatí Ždánického lesa mezi Slavkovem a Kyjovem. Podle agroklimatické rajonizace (Kurpelová, Coufal, Čulík, ) patří Žarošice do makrooblasti teplé, oblasti dostatečně teplé, podoblasti převážně suché a okrsku poměrně mírné zimy. Hodnocení extremity teploty vzduchu je založeno na stanovení odchylky od normálu. Pro normálové období - byly pro měsíce leden až prosinec určeny normálové (průměrné) měsíční teploty a jejich směrodatné odchylky. Následně byl určen rozdíl průměrné měsíční teploty pro konkrétní měsíc (např. leden ) a normálové měsíční teploty pro daný měsíc (leden.). Podle násobku směrodatné odchylky obsažené v tomto rozdílu byly vyčleněny uvedené kategorie. Pokud absolutní hodnota odchylky průměrné měsíční teploty od normálové byla menší než směrodatná odchylka, byl tento měsíc hodnocen jako teplotně normální. Měsíce s odchylkou průměrné teploty vyšší než jednonásobek směrodatné odchylky byly hodnoceny jako teplotně nadnormální, vyšší než 1,5násobek jako silně nadnormální a vyšší než dvojnásobek jako mimořádně nadnormální. Měsíce s průměrnou teplotou nižší než jednonásobek směrodatné odchylky byly posouzeny jako teplotně podnormální, nižší než 1,5násobek jako silně podnormální a nižší než dvojnásobek jako mimořádně podnormální (Obr. 1). Hodnocení extremity srážek je založeno na porovnání s hodnotami percentilů. Na základě denních srážkových úhrnů byly spočteny měsíční úhrny srážek, které tvoří základ hodnocení. Pro normálové období - byly pak pro měsíce leden až prosinec určeny hranice intervalů jednotlivých kategorií. Metoda předpokládá, že srážková data mají gama rozdělení - srážkové řady mohou být dobře popsány pomocí tohoto asymetrického rozdělení (pro každou měsíční řadu a stanici). Jednotlivé hodnoty technických datových řad (měsíční úhrny pro období -, - a -) jsou porovnávány se získaným 2., 10., 25., 75., 90. a 98. percentilem. Srážkové úhrny nižší než 2. percentil jsou hodnoceny jako srážkově 592
mimořádně podnormální, nižší než 10. percentil silně podnormální a nižší než 25. percentil srážkově podnormální. Obdobně jsou stanoveny kategorie nad 75., 90. a 98. percentil jako srážkově nadnormální až mimořádně nadnormální (Obr. 8). Výsledky Na Žarošicku (Obr. 2 až 4) se v období - vyskytlo 7 mimořádně nadnormálním až měsíců, v druhém období už by takových měsíců mělo být 59 a v období - bylo jako teplotně mimořádně nadnormální vyhodnoceno 147 měsíců. Nejvíce teplotně nadnormálních měsíců připadá na měsíc srpen. Měsíců mimořádně podnormálních se v prvním období vyskytlo 9, v druhém období dva a ve třetím období žádný. V celém třetím normálovém období pouze dva měsíce spadají do některé z kategorií chladných měsíců (tj. teplotně podnormální až mimořádně podnormální). teplotně nadnormální teplotně silně nadnormální teplotně mimořádně nadnormální teplotně podnormální teplotně silně podnormální teplotně mimořádně podnormální Obr. 1 Legenda k hodnocení teplotní extremity (obr. 2 až 7) Obr. 2 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (vlevo) Obr. 3 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (uprostřed) Obr. 4 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (vpravo) Na lokalitě Olomoucko (obr. 5 až 7) se v období - vyskytlo 6 mimořádně nadnormálních měsíců, v druhém období už by takových měsíců mělo být 72 a v období - bylo jako teplotně mimořádně nadnormální vyhodnoceno 171 měsíců. Nejvíce teplotně nadnormálních měsíců v budoucích normálových obdobích připadá na měsíc srpen. Mimořádně podnormálních měsíců se v prvním období vyskytlo 8, v druhém období 3 a ve třetím období žádný. V celém třetím normálovém období pouze tři měsíce spadají do některé z kategorií chladných měsíců, a to dva měsíce jako teplotně podnormální a jeden silně podnormální. Žádný mimořádně podnormální měsíc nebyl v tomto období zaznamenán. 593
Obr. 5 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (vlevo) Obr. 6 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (uprostřed) Obr. 7 Teplotní extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (vpravo) srážkově nadnormální srážkově silně nadnormální srážkově mimořádně nadnormální srážkově podnormální srážkově silně podnormální srážkově mimořádně podnormální Obr. 8 Legenda k hodnocení srážkové extremity (obr. 9 až 14) Na lokalitě Žarošicko (obr. 9 až 11) se v období - vyskytlo 6 srážkově mimořádně nadnormálním měsíců, v druhém období už by takových měsíců mělo být 19 a v období - bylo jako srážkově mimořádně nadnormální vyhodnoceno 14 měsíců. Měsíců mimořádně podnormálních se v prvním období vyskytlo 11, v druhém období 20 a ve třetím období 32. Je patrný nárůst srážkově mimořádně podnormálních měsíců směrem do budoucna a také úbytek srážkově normálních měsíců, tedy nárůst jakkoli srážkově extrémních měsíců. 594
Obr. 9 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (vlevo) Obr. 10 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (uprostřed) Obr. 11 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Žarošicko, období - (vpravo) Na lokalitě Olomoucko (obr. 12 až 14) se v období - vyskytlo 7 mimořádně nadnormálních měsíců, v druhém období už by takových měsíců mělo být 21 a v období - bylo jako teplotně mimořádně nadnormální vyhodnoceno 12 měsíců. Mimořádně podnormálních měsíců se v prvním období vyskytlo 8, v druhém období 21 a ve třetím období 39. Srážkově mimořádně podnormálních měsíců tedy výrazně přibývá směrem do budoucna. Obr. 12 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (vlevo) Obr. 13 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (uprostřed) Obr. 14 Srážková extremita jednotlivých měsíců, Olomoucko, období - (vpravo) Závěr Na obou sledovaných lokalitách je patrný trend nárůstu měsíců hodnocených jako teplotně nadnormální. V období - připadá teplotně mimořádně nadnormálních hodnot na měsíc srpen, o období - se tato epizoda rozšiřuje prakticky na celé letní období 595
(červen až září). Do budoucnosti je zřejmý výrazný úbytek měsíců hodnocených jako teplotně podnormální. Při hodnocení srážkových poměrů se projevuje trend nárůstu podnormálních i nadnormálních měsíčních srážkových úhrnů, přičemž lze vysledovat zejména odlišnost prvního hodnoceného období (-) oproti oběma budoucím obdobím (- a -). Patrný je nárůst srážkově mimořádně podnormálních měsíců směrem do budoucna a také nárůst srážkově podnormálních měsíců zejména v druhém hodnoceném období -. Hodnocení měsíčních srážkových úhrnů ukazuje na budoucí úbytek srážkově normálních měsíců, tedy nárůst jakkoli srážkově extrémních měsíců. Dedikace Práce vznikla jako výstup projektu MŠMT ČR č. 2B06101 s názvem Optimalizace zemědělské a říční krajiny v ČR s důrazem na rozvoj biodiverzity. Použitá literatura Brázdil, R., Štěpánek, P. (2000): Hodnocení extremity řad měsíčních úhrnů srážek. Výzkumná zpráva projektu VaV/740/1/00: Výzkum dopadu klimatické změny vyvolané zesílením skleníkového efektu na Českou republiku, Brno, 20 s. Déqué, M. (2007): Frequency of precipitation and temperature extremes over France in an anthropogenic scenario: Model results and statistical correction according to observed values, Global Planet. Change, 57, pp. 16-26. Heino, R., Brázdil, R., Forland, E., Tuomenvirta, H., Alexandersson, H., Beniston, M., Pfister, C., Rebetez, M., Rosenhager, G., Rosner, S., et al.(1999): Progress in the study of climatic extremes in northern and central Europe. Climatic Change, 42, 151 181. Kejna, M., Areina, A., Maszewski, R., Przybylak, R., Uscka-Kowalowska, J., Vizi, Z.(2009): Daily minimum and maximum air temperature in Poland in the years 1951-2005. Bulletin of Geography physical geography series No 2/2009:35-56. Kohut, M., Rožnovský, J., Chuchma, F. Dlouhodobá zásoba využitelné půdní vody a její variabilita na území České republiky. In Voda v krajině, Lednice 31.5.-1.6.2010, s. 35-46. Pongrácz, R., Batholy, J. (2006): Tendency Analysis of Extreme Climate Indices with Special Emphasis on Agricultural Impacts. In Bioklimatológia a voda v krajine. Medzinárodná vedecká konferencia, 11. 14. SEPTEMBRA 2006. Strečno, ISBN 80-89186-12-2 Středa, T., Kohut, M., Rožnovský, J. Výnos ječmene setého ve vztahu k vláhové bilanci půdy. Úroda, Vědecká příloha "Aktuální poznatky v pěstování, šlechtění, ochraně rostlin a zpracování produktů". Referáty z konference ze dne 11.-12.11.2010 v Brně. VÚP a Zemědělský výzkum Troubsko. 2010. sv. 58, č. 12, s. 745-748. ISSN 0139-6013. Štěpánek, P. (2007): ProClimDB software for processing climatological datasets. CHMI, regional office Brno. http://www.climahom.eu/procdata.html Kurpelová, M., Coufal, L., Čulík, J. (): Agroklimatické podmienky ČSSR, 1. vyd. Bratislava: Příroda, 270 s. Kontaktní adresa 1. autora: Ing. Hana Středová, Ph.D., Český hydrometeorologický ústav, Kroftova 43, 616 67 Brno, hana.stredova@chmi.cz 596