Keď neprší, ale leje

Atmosférické zrážky sú v dôsledku globálneho otepľovania stále extrémnejšie

V posledných rokoch sme mali len veľmi málo príležitostí vychutnať si pokojný a mierny dážď, ktorý by nás dokázal príjemne schladiť po teplom jarnom alebo horúcom letnom dni. Naopak, čoraz častejšie sme vo svojom okolí konfrontovaní s nebezpečenstvom extrémnych zrážok, ktoré prichádzajú nielen náhle, ale vypadávajú v priebehu relatívne krátkeho času aj v stále väčšom množstve. Tento trend však nie je ani zďaleka len otázkou "vášho" subjektívneho pocitu. Tak v Európe, ako aj v iných častiach sveta registrujeme v posledných asi dvoch desaťročiach pozoruhodný nárast výskytu mimoriadne vysokých úhrnov zrážok, a to dokonca aj v oblastiach, kde priemerné ročné či sezónne úhrny klesajú. 

Obr. 1: Mimoriadne vysoké úhrny zrážok v oblasti Vrátnej doliny (Malá Fatra) v dňoch 20. a 21. júla 2014 viedli k vzniku veľmi vážnej lokálnej ("bleskovej") povodne (Zdroj) - podľa odhadov SHMÚ mohlo 21. júla v popoludňajších hodinách spadnúť v hrebeňových polohách Malej Fatry aj viac ako 90 mm zrážok (Zdroj)

Platnosť uvedených zákonitostí a trendov sme, žiaľ, mali možnosť v priebehu tohto leta okúsiť aj my, Stredoeurópania (najnovšie aj obyvatelia východnej časti USA). Slovensko má za sebou mesiac (júl 2014), ktorý sa vyznačoval častým výskytom búrok. To by nebolo až také zvláštne, búrky k letu patria. Čo však bolo určite zvláštne, boli mimoriadne vysoké hodinové a denné úhrny zrážok, ktoré sme pri búrkach zaznamenali. Nestáva sa totiž každé leto, aby boli zrážky počas búrok takto výdatné, najmä ak sa vyskytnú niekoľko dní po sebe. Výsledkom jednej takejto extrémnej zrážkovej situácie boli aj katastrofálne zosuvy a lokálne povodne vo Vrátnej doline a Terchovej v pondelok, 21. júla 2014 (Obr. 1). V priebehu necelých dvoch hodín mohlo v hrebeňových polohách Malej Fatry spadnúť podľa odhadov aj viac ako 90 mm vody (treba však pripomenúť, že dramatická situácia vznikla aj v dôsledku vysokej nasýtenosti povodia zrážkami z predošlého dňa, kedy v oblasti spadlo približne 60-70 mm vody). V tak exponovanom teréne bol následný sled udalostí takmer nevyhnutný. Ďalšími dobrými príkladmi extrémnosti tohtoročných letných zrážok sú aj výdatné dažde, ktoré v priebehu júla a začiatkom augusta spôsobili lokálne zatopenie Bratislavy (Obr. 2) či Brna.

Obr. 2: Zaplavená Drieňová ulica v Bratislave 3. augusta 2014 (Zdroj)

Nedávna situácia však nebola atypická len na Slovensku, ale aj v celom rade ďalších krajín strednej a západnej Európy (Maďarsko, Rakúsko, Nemecko, Česká republika), kde meteorológovia zaznamenali veľmi pozoruhodné denné úhrny. Za všetky možno spomenúť napr. extrémny dážď z Műnsteru v západnom Nemecku, kde 28. júla počas jednej búrky v priebehu jedinej hodiny napršalo takmer 164 mm (164 litrov na meter štvorcový - za celý deň tam pritom napršalo takmer 293 mm). Ide o mimoriadne vysoké úhrny, ktoré sa v danej oblasti vyskytujú len približne raz za 100-200 rokov. Podobných príkladov by sme z posledných rokov mohli nájsť, a to nielen v Európe, viac ako dosť.

Obr. 3: Satelitné merania potvrdzujú, že rast obsahu vodnej pary už nie je len záležitosťou prízemných vrstiev atmosféry, ale týka sa aj hornej troposféry - jeho hlavnou príčinou je ľuďmi podmienená klimatická zmena (Zdroj)

Ako je možné, že sme v poslednej dobe svedkami takto častého výskytu extrémnych zrážok a má s tým dočinenia teplejšia atmosféra či dokonca oceány? Celkom určite áno, a túto skutočnosť potvrdzuje aj stále väčší počet publikovaných odborných analýz. Napríklad, v posledných dvoch až troch dekádach registrujeme najmä v mimotropických oblastiach častejší výskyt extrémnych zrážok. Rastie nielen frekvencia ich výskytu, ale zvyšujú sa aj absolútne rekordy maximálnych denných či hodinových úhrnov. (S výnimkou monzúnovej oblasti Ázie a oblastí s častým výskytom tropických cyklón, extrémy zrážok v tropickom pásme nezaznamenali žiadne zásadné zmeny – je to aj preto, že z týchto oblasti väčšinou chýbajú kvalitnejšie údaje.) Od polovice 20. storočia sa pritom intenzita krátkodobých zrážok zvýšila sa severnej pologuli o až 7 %, čo je už veľmi podstatný nárast. Okrem toho, dnes už vieme napríklad aj to, že s rastúcou teplotou atmosféry sa zvyšuje intenzita zrážok konvektívneho pôvodu rýchlejšie ako je tomu pri plošne rozsiahlejších stratiformných zrážkach (Berg et al., 2013).

Hlavnou príčinou tohto nie veľmi vítaného trendu je stále vyšší obsah vodnej pary v zemskej atmosfére, ktorý rastie ako následok zvyšovanie priemernej globálnej teploty atmosféry a povrchu oceánov. Tento fakt pritom potvrdzujú nielen pozemné či satelitné merania (najnovšie je to štúdia publikovaná v americkom časopise PNAS, Obr. 3), ale konzistentný je aj s fyzikálnou teóriou, popisujúcou dynamické procesy spojené s tokmi vlhkosti v atmosfére. Teória je v tomto prípade až napodiv jednoduchá: teplejšia atmosféra, vyššia teplota povrchu oceánov a pevnín vedú nielen k vyššiemu výparu vody z ich povrchu, ale aj k schopnosti samotnej atmosféry zadržiavať väčšie množstvo vodnej pary. (Jednoduchá fyzikálna úvaha nad Clausius-Clapeyronovou rovnicou nás privedie k empiricky dokázateľnému predpokladu, podľa ktorého oteplenie o každý 1°C vedie k nárastu obsahu vodnej pary v atmosfére až o 7 %, čo zvyšuje nielen pravdepodobnosť výskytu extrémne vysokých úhrnov zrážok, ale prispieva aj k intenzívnejším procesom tvorby a vypadávania zrážok - tento poznatok vyplýva z exponenciálnej závislosti medzi teplotou vzduchu a parciálneho tlaku vodnej pary v stave nasýtenia (Obr. 4). Vlhšia atmosféra je nositeľom väčšieho množstva latentnej energie, ktorá sa uvoľňuje pri skvapalňovaní vodnej pary. Konečným výsledkom môžu byť silnejšie a deštruktívnejšie búrky či hurikány.) 

Obr. 4: Závislosť parciálneho tlaku vodnej pary (e*[hPa]), absolútnej vlhkosti vzduchu (a*[g/m3]) a mernej vlhkosti vzduchu (s*[g/kg]) od teploty vzduchu (T*[°C]) v stave nasýtenia a čiara 50%.e* zná­zor­ňujúca relatívnu vlhkosť vzduchu U = 50%; šípky znázorňujú veľkosť sýtostného doplnku v hPa ako rozdiel D = e* - 0,5 e* (všetko je pre celkový tlak vzduchu okolo 1000 hPa). Zdroj: Milan Lapin)

Obr. 5: Pozorované zmeny (% za desaťročie) podielu vysokých denných úhrnov zrážok (nad 95. percentilom) na celkovom ročnom úhrne v období 1951-2003 (Zdroj: Trenberth et al., 2007) 

Preto, ak nad pevninami nastanú vhodné poveternostné podmienky, môže v konkrétnych prípadoch spadnúť v priemere o 20 až 50 % viac zrážok, než tomu bolo napríklad pred 50 rokmi. A nielen to. Ešte väčším problémom je rastúca intenzita zrážok, čo sa prejavuje v tom, že zrážky sú jednoducho prudšie (za jednotku času naprší viac vody, pritom katastrofálny môže byť už dážď s intenzitou 2-3 mm/minútu). Tento trend je dominantný predovšetkým v miernych a polárnych šírkach severnej pologule, kde je rast teploty najrýchlejší. Nakoniec, súvis medzi vyššou teplotou oceánov a extrémnejšími zrážkami potvrdzuje aj úplne nová štúdia v časopise Geophysical Research Letters („The robust dynamical contribution to precipitation extremes in idealized warming simulations across model resolutions“). 

Zaujímavým problémom je ale aj to, že úhrnné a „plošné“ globálne zrážky nerastú nakoniec tak rýchlo, ako by sme očakávali v súvislosti s rastom obsahu vodnej pary v atmosfére. Tento fakt má jeden dosť zásadný dôsledok pre globálny hydrologický cyklus. Doposiaľ vlhké oblasti sa stávajú ešte vlhšími, a naopak suché ešte suchšími. V oblasti miernych šírok sa to prejavuje napríklad aj v tom, že rastie podiel extrémne vysokých zrážok na ročnom úhrne (Obr. 5).    

Obr. 6: (mapka) Projekcie očakávaných priestorových zmien intenzity zrážok pre koniec tohto storočia (stav v období 2080-2099 je porovnaný so stavom v rokoch 1980-1999) - významný nárast extrémnosti zrážok možno očakávať hlavne na kontinentoch severnej pologule, vrátane strednej a severnej Európy  (Zdroj: Meehl et al., 2007b) 

    

A neplatí to len pre severnú pologuľu, ale aj pre strednú Európu a Slovensko. Žiaľ, s podobnými situáciami budeme musieť počítať aj v ďalších rokoch a desaťročiach. Tak ako sa bude postupne zvyšovať priemerná teplota planéty, porastú aj extrémne zrážky, či už búrkového (konvektívneho) alebo iného pôvodu. Ak nechceme ignorovať fyzikálne zákony, musíme byť pripravení na to, že proces globálneho otepľovania ďalej povedie k nárastu množstva, ako aj k zmene časovej a priestorovej distribúcie atmosférických zrážok, čo sa s veľkou pravdepodobnosťou prejaví najmä pri extrémnych zrážkach (Obr. 6).

Genéza extrémnych zrážok

Prívalové zrážky sú v teplejšej časti roka takmer výlučne spojené s rozvojom intenzívnych konvektívnych búrok, s ktorými sa v tomto období stretávame pomerne často aj na našom území. Bývajú hlavnou príčinou vzniku lokálnych prívalových povodní, pre ktoré sa tiež zvykne používať oveľa populárnejší názov „bleskové povodne“. Ten vznikol nie príliš vhodným prekladom anglického výrazu „flash floods“. 

Pre konvektívne búrky sú typické výstupné pohyby teplého a vlhkého vzduchu, ktorý sa následne v dôsledku svojej expanzie spojenej s poklesom tlaku ochladzuje a vlhkosť sa transformuje sa na zrážkovú vodu. Takmer všetka vodná para, ktorá vstupuje do výstupného prúdu konvektívnej búrky, skondenzuje, avšak iba časť z tohto množstva dopadá na zemský povrch vo forme dažďa. Výsledné množstvo zrážok na zemskom povrchu ovplyvňuje tzv. zrážková účinnosť. Tá vyjadruje, aký podiel množstva vodnej pary vstupujúceho do búrkového oblaku je transformovaný na zrážky dopadajúce na zemský povrch. Zrážková účinnosť izolovaných búrok býva väčšinou len okolo 20 %. Treba si však uvedomiť, že niektoré typy búrok, ako napríklad supercely (supercelárne búrky), dokážu vyvolať silné prívalové zrážky aj pri nízkej zrážkovej účinnosti. 

Všeobecne platí, že najvyššie úhrny zrážok sa vyskytujú tam, kde je najvyššia intenzita, a súčasne najdlhšie trvanie zrážok. Intenzita dažďa, najčastejšie vyjadrená množstvom spadnutej zrážkovej vody (napr. v mm) za určitý čas (napr. za 15 minút), závisí najmä od dynamiky procesov tvorby zrážkových častíc, ako aj rýchlosti výstupných pohybov vzduchu. Vysoké intenzity krátkodobých dažďov možno očakávať vo všetkých základných typoch konvektívnych búrok (napr. multicelárne, supercelárne,...), ako aj pri ich väčších variantoch, tzv. mezosynoptických konvektívnych systémoch, ktorých zrážkové polia dosahujú až 100 km v priemere, či dokonca viac. Dĺžku trvania intenzívnych zrážok v určitom mieste určuje predovšetkým rýchlosť a smer pohybu búrkového systému. Je preto úplne prirodzené, že najvyššie úhrny zrážok je možné registrovať v prípade pomaly sa pohybujúcich, resp. kvázistacionárnych búrkových systémov. V extrémnych prípadoch môže nastať situácia, kedy danú lokalitu zasiahne celá séria za sebou postupujúcich búrok. Celkový úhrn zrážok môže vtedy dosiahnuť aj hodnoty vysoko nad 100 mm (100 litrov na m²) za 24 hodín. Potom už závisí najmä od času, v priebehu ktorého takto veľké zrážky na konkrétnom mieste spadli. Čím je tento časový úsek kratší, tým sú následky prívalových zrážok závažnejšie, a rastie tak pravdepodobnosť vzniku prívalových povodní. 

Jedným z najlepších príkladov takejto povodne na Slovensku bola situácia z 20. júla 1998, kedy horné povodie Malej Svinky v priestore pohoria Bachureň zasiahla mimoriadne intenzívna prietrž mračien. V priebehu necelej hodiny tu spadlo až 100 mm zrážok, čo vyvolalo prívalovú vlnu vysokú až 4 m. Najtragickejšie bola postihnutá obec Jarovnice, kde vodný živel so sebou strhol a usmrtil až 50 ľudí.

Pre vznik regionálne rozsiahlejších povodní majú veľký význam najmä poveternostné situácie spojené s vývojom a postupom „letných“ cyklón. Tie sa nad strednou Európou vytvárajú v dôsledku prieniku studeného vzduchu vo vyšších vrstvách atmosféry. Štruktúra týchto rozsiahlych, špirálovito zatočených oblačných systémov je veľmi zložitá a ich aktivita závisí najmä od kontrastu vzduchových hmôt oddeľujúcich frontálne rozhrania, na ktorých sa tieto tlakové níže vytvárajú. Nebezpečný potenciál majú tlakové níže v priestore strednej Európy v lete preto, že pri dostatočne vysokej teplote vzduchu býva obsah vodnej pary v atmosfére niekoľkonásobne vyšší ako v zime, a pri kondenzačných procesoch sa uvoľňuje „skryté“ skupenské teplo, ktoré energetický potenciál tlakovej níže ešte viac podporuje. Preto sa môže stať, že životnosť týchto tlakových útvarov je pomerne dlhá aj uprostred európskeho kontinentu a v určitých špecifických situáciách ju môže predlžovať prúdenie veľmi teplých a vlhkých vzduchových hmôt z oblasti východného Stredomoria alebo Čierneho mora, ktoré bývajú pri týchto poveternostných situáciách na prednej strane tlakových níží. Tento stav v niektorých prípadoch spôsobuje regeneráciu zanikajúcich tlakových níži. To môže v priestore, ktorý predtým zasiahli, spôsobiť opäť výdatné zrážky. V prostredí presýtenom predchádzajúcimi zrážkami to môže nakoniec spôsobiť až povodne veľkého priestorového rozsahu. 

V niektorých exponovanejších regiónoch môže pri takýchto situáciách napršať za 3 až 5 dní aj viac ako 400 mm zrážok. Príkladom sú povodne v strednej Európe z júla 1997 a augusta 2002, či situácia v máji a júni 2010 na Slovensku (Pecho et al., 2010). Z predchádzajúcej histórie je známy aj príklad mimoriadnych veľkopriestorových zrážok a povodne na severovýchodnom Slovensku na konci júna v roku 1958. Podobná, ale priestorovo podstatne menej rozsiahla bola povodeň na severnej strane Tatier na konci júla 2008, kedy na niektorých miestach spadlo za dva dni takmer 200 mm vody. V podmienkach Slovenska začínajú mať negatívny dopad už denné úhrny zrážok, ktoré dosahujú viac ako 50 mm, pričom pomerne často je príčinou povodní až séria takýchto dní, ktorých počet môže dosiahnuť 2 až 3, prípadne aj viac. Niekedy sa takáto séria môže v krátkom čase aj zopakovať. Takéto zrážky a následné povodne sa na Slovensku vyskytli v októbri 1974.

Z histórie extrémnych zrážok na Slovensku

Dosiaľ najvyšší denný úhrn zrážok, ktorý bol kedy na Slovensku zaznamenaný, bol výsledkom lokálnej prietrže mračien dňa 12. júla 1957 v lokalite Salka (severne od Štúrova), kde za 65 minút spadlo neuveriteľných 228,5 mm vody (denný úhrn bol však ešte o 3,4 m vyšší). Táto prietrž postihla u nás pomerne malé územie, v blízkom susedstve mali zrážky oveľa menšiu výdatnosť (napr.: Kamenica n/Hr. 114,3 mm). Dramatické následky mala aj intenzívna búrka z 3. júna 1951 v Trnave, kde v priebehu necelých dvoch hodín napršala celá tretina ročného úhrnu, teda 162,8 mm vody. Pozoruhodné búrky sa vyskytli aj na západnom Slovensku v júli 1999, kedy napríklad v širšom okolí Bratislavy a Pezinka spadlo v priebehu jediného dňa vyše 150 mm vody. 

Za mimoriadny extrém možno považovať aj situáciu z 29. júna 1958, ktorá viedla ku katastrofálnej povodni v Tatrách. Extrémne zrážky spôsobila pomaly sa pohybujúca, takmer stacionárna tlaková níž, premiestňujúca sa na severovýchod, ktorá v kombinácii s horským charakterom územia viedla k tomu, že v priebehu dvoch dní (28. - 29. júna) napršalo v Západných a Vysokých Tatrách z intenzívnych lejakov viac ako 200 mm vody (na 36 zrážkomerných staniciach sme zaznamenali denný úhrn vyšší ako 100 mm). Následná povodeň spôsobila mnohomiliónové škody a z hydrologického hľadiska mala svoj význam v tom, že v tatranskej oblasti najvyššie prietoky dosiahli, a dokonca aj o niečo prekročili známe hodnoty tzv. storočnej vody.   

Zdroje

Vyhodnotenie zrážkovej situácie vo Vrátnej doline
http://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=542
Tohtoročný júl bol v znamení búrok
http://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=541

The most common fallacy in discussing extreme weather events - See more at: http://www.realclimate.org/index.php/archives/2014/03/the-most-common-fallacy-in-discussing-extreme-weather-events/#sthash.Eg9YabsT.dpufThe most common fallacy in discussing extreme weather events

The most common fallacy in discussing extreme weather events - See more at: http://www.realclimate.org/index.php/archives/2014/03/the-most-common-fallacy-in-discussing-extreme-weather-events/#sthash.Eg9YabsT.dpuf

The most common fallacy in discussing extreme weather events
http://www.realclimate.org/index.php/archives/2014/03/the-most-common-fallacy-in-discussing-extreme-weather-events/
Extrémne klimatické anomálie ako priamy dôsledok globálneho otepľovania (?)
http://climatemap.blogspot.cz/2013/03/extremne-klimaticke-anomalie-ako-priamy.html
Climate change and consequences on the ground 

http://www.realclimate.org/index.php/archives/2013/03/climate-change-and-consequences-on-the-groud/comment-page-3/

Strong increase in convective precipitation in response to higher temperatures

http://www.nature.com/ngeo/journal/v6/n3/full/ngeo1731.html

Global warming is moistening the atmosphere

http://www.theguardian.com/environment/climate-consensus-97-per-cent/2014/aug/13/global-warming-moistening-the-atmosphere 

Upper-tropospheric moistening in response to anthropogenic warming

http://www.pnas.org/content/early/2014/07/23/1409659111.abstract
Atmospheric Warming and the Amplification of Precipitation Extremes
http://www.sciencemag.org/content/321/5895/1481  
The robust dynamical contribution to precipitation extremes in idealized warming simulations across model resolutions
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL059532/abstract;jsessionid=6CD938F8AAF2CB4AE73725E269959906.f04t04
A decade of weather extremes
http://www.nature.com/nclimate/journal/v2/n7/full/nclimate1452.html
Ocean Salinities Reveal Strong Global Water Cycle Intensification During 1950 to 2000
http://www.sciencemag.org/content/336/6080/455
Higher Hydroclimatic Intensity with Global Warming
http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/2011JCLI3979.1
Changes in precipitation with climate change (Kevin Trenberth)
http://www.int-res.com/articles/cr_oa/c047p123.pdf
The global atmospheric water cycle (Lennart Bengtsson)
http://iopscience.iop.org/1748-9326/5/2/025202/pdf/1748-9326_5_2_025202.pdf
Extrémne atmosférické zrážky na jar a na začiatku leta 2010 na Slovensku
http://shmu.sk/File/ExtraFiles/KMIS/clanky_old/Pecho_et_al_2010_final.pdf