ZMENY A ZMENA KLÍMY, SCENÁRE KLIMATICKEJ ZMENY

Doc. RNDr. Milan LAPIN, CSc. [1]
Katedra meteorológie a klimatológie, FMFI UK, Bratislava
lapin@fmph.uniba.sk [2], www.dmc.fmph.uniba.sk [3]

ČO ROZUMIEME POD POJMAMI ZMENY A ZMENA KLÍMY

Nielen v médiách ale aj na odborných podujatiach sa v súčasnosti až príliš často hovorí o klimatických zmenách a o globálnom otepľovaní. Na počudovanie, najčastejšie sú tieto problémy prezentované laikmi, prípadne odborníkmi z iných oblastí, ktorí klimatológiu, ale ani meteorológiu alebo fyziku atmosféry, nikdy systematicky neštudovali. To je dôvod prečo vo veľkej väčšine pri takýchto diskusiách zostáva bokom, a bez detailnejšej analýzy, samotná podstata procesov klimatických zmien alebo zmien a premenlivosti klímy. Je treba ale pripustiť, že otázky súvisiace s klimatickými zmenami sa dostávajú do centra pozornosti, najmä v obdobiach s výskytom rôznych anomálii počasia v porovnaní s dlhodobými priemermi. Vzhľadom na to, že laická (niekedy aj odborná) verejnosť nemá prehľad o dostupných dlhodobých klimatických priemeroch alebo o charakteristikách variability klímy, za veľké anomálie sa niekedy považujú prípady počasia s pomerne častým priemerným výskytom (častejšie ako raz za 10 rokov). Niekedy sa navyše miešajú dohromady klimatické zmeny s časovým horizontom niekoľko desiatok tisíc rokov s klimatickými zmenami (lepšie povedané s premenlivosťou klímy) v časovom horizonte niekoľkých rokov, prípadne desiatok rokov. Úlohou profesionálnych klimatológov je rozširovanie takých informácií o zmenách a premenlivosti klímy, ktoré majú predovšetkým seriózny štatistický základ a sú správne klimatologicky (fyzikálne) interpretované. Úplne na začiatku sa budeme venovať niektorým základným pojmom, predovšetkým v súvislosti so zmenami a premenlivosťou klímy v závislosti od času. Premenlivosť klimatických prvkov môže mať aj priestorovú závislosť, vtedy však nehovoríme o zmenách a premenlivosti klímy. Zmeny a premenlivosť klímy môžeme vo všeobecnosti definovať takto (Lapin a Tomlain, 2001):

• Zmeny klímy (klimatické zmeny) - tento termín sa v minulosti používal pre všetky zmeny súvisiace s klímou; v súčasnosti podľa IPCC (Medzivládny panel pre klimatickú zmenu) takto nazývajú prevažne už len zmeny klímy prirodzeného charakteru, teda najmä zmeny v minulých geologických dobách Zeme (milióny až stovky miliónov rokov), ľadové doby (desaťtisíce až milióny rokov), sekulárne zmeny (stovky rokov), niekedy aj nízkofrekvenčné kolísanie klímy (desiatky rokov).
• Premenlivosť klímy - klimatické pomery charakterizujeme stredovými, rozptylovými, trendovými a cyklickými charakteristikami - rozptylové charakteristiky reprezentujú premenlivosť klímy (smerodajná odchýlka, kvantily (ak hovoríme o jednom kvantile ide o stredovú charakteristiku), intersekvenčná premenlivosť…). Premenlivosť klímy môžeme podobne charakterizovať aj pre dlhšie časové obdobia ako jeden rok, ako aj pri použití rôzne dlhých časových období pre hodnoty vstupných údajov spracovania (10 minút, hodina, deň, dekáda, sezóna, rok, 5 rokov, 10 rokov, 30 rokov a iné).
• Kolísanie klímy - prirodzené kolísanie klimatických charakteristík je dané predovšetkým solárnou klímou (ročný chod, 11-ročný cyklus…), iné cykly súvisia s cykličnosťou niektorých klimatotvorných procesov (napr. 2-ročný cyklus QBO (vyjadrený aj zmenami prúdenia v stratosfére), ďalej ENSO, el Niňo, NAO, AO), okrem ročného chodu sú všetky vyjadrené veľmi slabo, cyklus ľadových dôb má na severnej pologuli periódu okolo 100 000 až 120 000 rokov, za nízkofrekvenčné cykly sa považuje kolísanie s periódou dlhšou ako 11 rokov. Všetky dlhšie cykly sa iba obtiažne dajú identifikovať v súboroch pozorovaných alebo meraných údajov. Trend je niekedy iba časťou nejakého cyklu.

Pod pojmom "zmena klímy" (klimatická zmena) rozumieme iba tie zmeny v klimatických pomeroch, ktoré súvisia s antropogénne podmieneným rastom skleníkového efektu atmosféry od začiatku priemyselnej revolúcie (asi od 1750 r. n.l.), ak ich vieme odlíšiť od zmien prirodzených. Od konca poslednej doby ľadovej (pred 12 tis. r.) sa menila do roku 1750 koncentrácia skleníkových plynov v atmosfére iba nepatrne, odvtedy sa zrýchľuje prírastok všetkých skleníkových plynov v atmosfére okrem vodnej pary (H₂O iba nepatrne rastie). Úplne novými skleníkovými plynmi sú freóny a halóny (iba po roku 1930), v roku 2002 bola koncentrácia CO₂ o 33,5% a metánu o 159% vyššia ako pred rokom 1750 (pri CO₂ až o 20% vyššia ako v roku 1950). Čiastočne to môžeme vidieť aj z obr. 1.

Obr. 1. Koncentrácia hlavných skleníkových plynov v atmosfére od roku 900 do 2000 (podľa IPCC, 2001,
ppmv je v cm3.m-3, ppbv je v mm3.m-3, CH4 je metán, CO2 oxid uhličitý, N2O oxid dusný).

Názory na možné príčiny klimatických zmien sa vyvíjali historicky na viacerých úrovniach. Bolo predložených viacero hypotéz, z ktorých žiadna nie je všeobecne uznávaná ako jedine správna. Môžeme ich rozdeliť do niekoľkých skupín:

• Hypotézy založené na postulovaných faktoroch, teda na faktoroch, ktorých pôsobenie sa predpokladá ale nedokazuje (kolísanie a zmeny solárnej (slnečnej) konštanty - malo zrejme určitý vplyv najmä v predkambriálnom období (pred 615 mil r.) a mohli to ovplyvniť aj zmeny koncentrácie medziplanetárnej hmoty; kolísanie slnečnej aktivity - má pravidelné 11-ročné cykly a viaceré nízkofrekvenčné cykly, no ich korelácia s klimatickými prvkami je pomerne málo signifikantná; terestriálne príčiny - napríklad intenzívna vulkanická činnosť môže znamenať spúšťací mechanizmus výrazného ochladenia kvôli zníženiu priepustnosti atmosféry pre slnečnú radiáciu; inými terestriálnymi príčinami môžu byť zmeny parametrov rotácie Zeme, pohyby zemskej kôry, drift (posun) kontinentov a zmeny prítoku geotermálnej energie k povrchu Zeme).
• Hypotézy založené na analýze reálne existujúcich faktorov. Astronomická hypotéza vychádza zo zmien orbitálnych parametrov Zeme a najviac ju prepracoval Milankovič (zmena sklonu zemskej osi k rovine ekliptiky od 22°04 do 24°34 s periódou 41 000 rokov; zmena dĺžky perihélia, t. j. uhlovej vzdialenosti od bodu jarnej rovnodennosti s periódou okolo 21 000 rokov; zmena excentricity zemskej orbity v rozsahu 0,0007 až 0,0658 s periódou asi 100 000 rokov); spoločným pôsobením týchto faktorov môže dôjsť k výskytu zložitých fluktuácií klímy na rôznych častiach Zeme a dá sa tak čiastočne vysvetliť aj vznik a kolísanie ľadových dôb. Orografická hypotéza sa zakladá predovšetkým na tektonických pohyboch zemskej kôry; teplé obdobia sú charakteristické málo členitým reliéfom a chladné obdobia nasledujú po vydvihnutí pevniny, teda so vznikom vysokých a rozsiahlych pohorí (zaľadnenia vždy začínali na vysokých pohoriach vo vyšších zemepisných šírkach, kde bol dostatok zrážok v chladnej časti roka; výnimkou bolo predkambriálne zaľadnenie, keď bol väčší sklon zemskej osi k rovine ekliptiky a zaľadnenia mohli vzniknúť aj na horách v blízkosti rovníka); zmeny orografie podmorského dna môžu značne ovplyvniť charakter morského prúdenia, ktoré má v klimatickom systéme Zeme mimoriadny význam (hlbokomorské prúdenie značne prispieva k distribúcii energie na Zemi, pretože ovplyvňuje aj charakter povrchových morských prúdov, v niektorých prípadoch došlo evidentne k relatívne náhlej zmene hlbokomorského prúdenia).
• Hypotézy založené na štúdiu reálne prebiehajúcich procesov s uvažovaním spätných väzieb. Existuje teória samovoľného rastu ľadovcov, podľa ktorej stačí malé ochladenie vo vysokých zemepisných šírkach na to, aby začalo zaľadnenie samovoľne narastať (prejaví sa jeho vlastný ochladzujúci účinok a výrazná zmena albeda v čase vysokej polohy Slnka; ak by prekročilo zaľadnenie určitú plochu Zeme (asi viac ako tretinu), došlo by pravdepodobne k postupnému pokrytiu celej Zeme ľadovcami; dôležité je však to, že na vznik zaľadnenia je potrebný dostatok atmosférických zrážok v tuhom skupenstve); regulujúca funkcia svetového oceánu vo vysokých zemepisných šírkach dominantne určuje prostredníctvom povrchových a hlbokomorských prúdov distribúciu tepla od tropických oblastí k vysokým šírkam; zmeny koncentrácie CO2 v atmosfére (ale aj zmeny iných skleníkových plynov) viedli už v minulosti k zmenám skleníkového efektu atmosféry (náhle zníženie koncentrácie CO2 v predkambriálnom období), a tým aj k zmenám globálneho priemeru teploty vzduchu v prízemnej vrstve atmosféry (od posledného glaciálu bola však koncentrácia CO2 v atmosfére stále okolo 275 ppm, po roku 1750 začala najprv mierne a neskôr rýchle rásť; predpokladá sa, že efektívny účinok všetkých skleníkových plynov (s výnimkou H2O - vodná para predstavuje v súčasnosti asi 2/3 celkového skleníkového efektu atmosféry) sa do roku 2075 zdvojnásobí v porovnaní so stavom okolo roku 1750, tým dôjde k rastu priemernej globálnej teploty vzduchu v prízemnej vrstve atmosféry asi o 2,5 °C (rast aerosólov môže uvedený rast teploty vzduchu znížiť asi o 0,5 °C, teda na 2 °C v globálnom priemere, existujú ale aj mierne odlišné teplotné scenáre).

SKLENÍKOVÝ EFEKT ATMOSFÉRY - ENERGETICKÁ BILANCIA ZEME

Ak hovoríme o skleníkovom efekte atmosféry Zeme a o jeho zosilňovaní nemôžeme obísť ani problém jeho historického vývoja a historický vývoj chemizmu atmosféry tiež. Okrem toho si musíme bližšie všimnúť aj fyzikálny mechanizmus pôsobenia radiačne aktívnych plynov v atmosfére spolu s inými procesmi ovplyvňujúcimi radiačnú bilanciu krátkovlnného a dlhovlnného žiarenia v atmosfére Zeme. Pod pojmom skleníkový efekt atmosféry rozumieme sumu dôsledkov radiačne aktívnych plynov v atmosfére, ktoré absorbujú tepelné vyžarovanie Zeme, zohrievajú tú časť atmosféry kde sa nachádzajú a spätným vyžarovaním atmosféry udržujú určitú bilanciu dlhovlnného žiarenia Zeme. V dolnej časti troposféry a na zemskom povrchu sa tak pri existujúcom skleníkovom efekte atmosféry dlhodobo stabilizuje na Zemi ako celku určitá priemerná teplota (globálna teplota prízemnej atmosféry).

Obr. 2

Na obr. 2 vidíme schematicky celkovú energetickú bilanciu atmosféry Zeme. Hustota toku prichádzajúceho (prevažne krátkovlnného/viditeľného žiarenia) je 342 W.m^-2, od Zeme ako celku sa odrazí z toho 107 W.m^-2 (planetárne albedo od atmosféry, aerosólov, oblakov a zemského povrchu je teda 30%), v atmosfére sa z prichádzajúceho žiarenia pohltí 67 W.m^-2 (výsledkom je malé ohriatie atmosféry), na zemský povrch príde ako bilancia krátkovlnného žiarenia 168 W.m^-2, ktoré sa použije na ohriatie zemského povrchu, na výpar (78 W.m^-2) a na turbulentný tok tepla do atmosféry (24 W.m^-2), zemský povrch pri priemernej teplote vzduchu asi 15 °C emituje/vyžaruje dlhovlnné žiarenie s priemernou hustotou toku 390 W.m^-2, z čoho 40 W.m^-2 opustí atmosféru cez tzv. atmosférické okno absorpcie vodnou parou (8,5-12,5 m), zvyšok sa veľkou väčšinou pohltí v atmosfére a použije sa na jej ohriatie. Absorpciu dlhovlnného (tepelného) žiarenia v atmosfére zabezpečujú predovšetkým tzv. radiačne aktívne (skleníkové) plyny, oblačnosť a niektoré aerosóly, pričom na vodnú paru pripadá z toho až okolo 65% a na CO₂ asi 25%. Kým CO₂ je v atmosfére rozložené vcelku rovnomerne, vodná para je sústredená prevažne v teplých oblastiach Zeme a v dolnej časti troposféry (do výšky 2 km, pričom do výšky 1,5 km je až 50% z celkovej vodnej pary). Atmosféra Zeme vyžaruje smerom k zemskému povrchu dlhovlnné žiarenie s hustotou toku v priemere 324 W.m^-2 a smerom do medziplanetárneho priestoru spolu s oblačnosťou 195 W.m^-2. Zem ako celok teda opúšťa tiež 342 W.m^-2, lenže z toho je 30% albedo krátkovlnného žiarenia a 70% dlhovlnné vyžarovanie Zeme ako celku. Tento pomer je dlhodobo veľmi stabilný a narušuje ho len epizodicky zmenené albedo Zeme (po sopečných výbuchoch) a dlhodobo zmenený rozsah zaľadnenia a zmenená rozloha oceánov. Určitú úlohu tu hrá aj málo sa meniaca celková plocha, rozloženie a hustota oblačnosti (IPCC, 2001). Rastúci skleníkový efekt atmosféry je spôsobený zvyšovaním koncentrácie skleníkových plynov (GHGs) v atmosfére, predovšetkým CO₂. To spôsobí zmenu bilancie dlhovlnného žiarenia - atmosféra viac absorbuje a aj sa viac ohreje, atmosféra tým aj viac spätne vyžaruje smerom k zemskému povrchu, zemský povrch sa viac zohrieva a aj viac vyžaruje. Výsledkom je stabilizácia vyššej teploty v prízemnej vrstve atmosféry, no celkové žiarenie Zeme zostáva nezmenené (30% krátkovlnné albedo a 70% dlhovlnné vyžarovanie, spolu 342 W.m^-2. Určité zmeny do tejto schémy môže priniesť rast koncentrácie niektorých aerosólov v atmosfére, ktoré zvýšia celkové albedo krátkovlnného žiarenia Zeme a zmena rozsahu a kvality oblačnosti. S rastom teploty prízemnej vrstvy atmosféry vzrastie aj množstvo vodnej pary v atmosfére a pravdepodobne aj priestorové rozloženie a hustota oblačnosti. Tieto negatívne spätné väzby ešte nie sú dokonale preskúmané, no s určitosťou sa predpokladá, že by nemali v najbližších storočiach otočiť globálne oteplenie na globálne ochladenie. Najnovšie modelové výpočty naznačujú, že do konca 21. storočia by globálny efekt negatívnej spätnej väzby mohol znamenať redukciu globálneho oteplenia z dôvodu rastu koncentrácie GHGs o 20%, regionálne do 50%. V minulých geologických dobách prebiehali zložité, ale veľmi pomalé, zmeny chemického zloženia a skleníkového efektu atmosféry. Najzávažnejšie boli rozdiely v ranných štádiách vývoja Zeme, teda pred 3 miliardami rokov, keď bolo časom v atmosfére aj viac ako 90% CO₂ a na ostatné plyny pripadalo teda menej ako 10%. Za posledných 65 mil. rokov (keď bolo v podstate dnešné rozloženie kontinentov na Zemi) určovali zmeny klímy pravdepodobne iba tri závažné klimatotvorné faktory - kolísanie sklonu zemskej osi k rovine ekliptiky (od 22°04 do 24°34), kolísanie slnečnej konštanty a zmeny koncentrácie GHGs v atmosfére (v obdobiach glaciálov bolo o 10 až 30% menej CO₂ a metánu (CH₄) ako v holocéne do roku 1750). Podstatu problému rastu koncentrácie CO2 v atmosfére môžeme zhrnúť do troch faktov - do atmosféry sa dostáva z fosílnych palív uhlík, ktorý bol biosféricky viazaný pred desiatkami miliónov rokov, oceán a terajšia biosféra nie sú schopné viazať z emitovaného množstva CO₂ z atmosféry viac ako polovicu, ale aj tak je priemerné zotrvanie CO₂ v atmosfére okolo 120 rokov, teda až po tomto čase sa definitívne opäť uloží ako fosílny uhlík do sedimentov Zeme. Teraz sa emituje z fosílnych palív a z iných neprirodzených (antropogénne podmienených) zdrojov do atmosféry asi 9 miliárd ton uhlíka o 100 rokov to môže byť 20 až 30 miliárd ton (extrémny modelový odhad je až 37 miliárd ton). Ďalší vývoj emisie uhlíka do atmosféry nad prirodzenú úroveň závisí od mnohých faktorov, pričom dominantné bude zrejme správanie sa ľudstva ako celku pri získavaní a využívaní energie, pri doprave a v priemysle. Nie je celkom isté ani to aký bude o 100 rokov počet obyvateľov na Zemi a aké bude dominujúce ekologické alebo environmentálne povedomie. Je takmer isté, že rozhodujúce budú postoje veľkých a priemyselne rozvinutých krajín, predovšetkým USA.

SCENÁRE KLIMATICKEJ ZMENY DO ROKU 2100

Z predchádzajúceho textu je zrejmé, že zosilňujúci skleníkový efekt atmosféry bude veľmi pravdepodobne viesť ku globálnemu otepleniu a k zmene ďalších charakteristík klímy na Zemi, teda k "zmene klímy". Za najzávažnejší dôsledok tohto vývoja sa považuje zmena všeobecnej cirkulácie atmosféry a oceánov s posunom frontálnych zón a klimatických pásiem na jednej strane a veľká rýchlosť klimatickej zmeny prevyšujúca všetky doterajšie zmeny klímy najmenej 10-násobne na strane druhej. Keďže sú stále ešte závažné neistoty v uvedených zmenách, nie sme schopní pripraviť prognózu budúceho vývoja klímy ale iba viac-menej pravdepodobný vývoj v tvare alternatívnych scenárov. Alternatívne (krajné hodnoty najpravdepodobnejších prípadov) scenáre sa pripravujú aj preto, lebo nevieme s dostatočnou presnosťou predpovedať ani počet obyvateľov na Zemi a ani budúcu spotrebu fosílnych palív a emisiu skleníkových plynov do atmosféry. Konvenčne pripravované klimatické scenáre nepredpokladajú náhlu (skokovú) zmenu globálnej a ani regionálnej klímy na Zemi do roku 2100. K takýmto poznatkom dospeli vedci na základe matematického modelovania klimatického systému Zeme, pričom boli do modelov zahrnuté všetky rozhodujúce fyzikálne a chemické procesy v atmosfére a oceánoch Zeme, fyzikálne procesy spojené s kryosférou, biosférou a litosférou, ak majú pre zmenu klímy nejaký význam. V súčasnosti existuje celý rad modelov od jednoduchých, ktoré simulujú len určitý proces v atmosfére až po zložité modely, ktoré simulujú množstvo procesov prebiehajúcich v celom klimatickom systéme. Súhrnné poznatky o modelovaní klimatického systému prinášajú napr.: Schneider a Dickinson, 1974; Trenberth, 1992; Robinson, 2001 a i. Niektoré informácie z tejto problematiky spracoval Melo, 2003. Atmosferické zložky klimatických modelov boli v podstate prevzaté z numerických predpovedných modelov počasia. Klimatické modely však, okrem modelu atmosféry, zahrňujú aj ďalšie zložky klimatického systému, ako sú oceány, pevninský povrch, ľadovce a snehové polia a biosféra. Pokusy matematicky modelovať atmosféru Zeme a jej odozvu na prípadné vnútorné alebo vonkajšie zmenené podmienky sú staré najmenej jedno storočie. Jedným z prvých matematických "modelov" klimatickej zmeny bol Arrheniusov povrchový energeticko-bilančný model v roku 1896, ktorým vyvodzuje možné 2 °C oteplenie pri zdvojnásobení CO₂ v atmosfére (Trenberth, 1992). Výraznejší pokrok pri matematickom modelovaní atmosféry bol dosiahnutý až s rozvojom výpočtovej techniky. V 50. rokoch boli vypracované numerické riešenia zjednodušených verzií atmosferických pohybových rovníc v Geofyzikálnom laboratóriu dynamiky tekutín (GFDL) na Princetonskej univerzite (New Jersey, USA). Kým v tomto období bol hlavný záujem sústredený na modelovanie atmosféry (fyziku atmosféry), od 70. rokov sa pozornosť postupne sústreďuje na celý klimatický systém. V prvej polovici 70. rokov sa do modelov dostáva pevninský povrch a hydrológia. Koncom 70. sa už berie do úvahy aj pôsobenie najvyššej povrchovej vrstvy oceánu a kryosféry. V tejto dobe sa oceán podobal pevnému zemskému povrchu s neobmedzenou zásobou vody na výpar, pritom sa nebrala do úvahy jeho tepelná kapacita, ani oceánske prúdenie. V nasledujúcich rokoch sa oceán zdokonaľuje v podobe 50-100 m hlbokej premiešavajúcej vrstvy. V polovici 80. rokov sa do popredia dostáva definovanie úlohy oblakov v klimatickom systéme. Koncom 80. a začiatkom 90. rokov nastal výrazný posun pri modelovaní oceánskej časti klimatického systému, kedy sa podarilo vypracovať prvé samostatné modely oceánskej cirkulácie (so zahrnutím aj vplyvu hlbinných vôd oceánu a ich tokov). Vzájomným prepojením modelu atmosféry a oceánu vzniká nová generácia klimatických modelov, a to prepojené oceánsko-atmosférické modely. V polovici 90-tych rokov sa začína v modeloch experimentovať aj s vplyvom pôsobenia aerosólov a ich radiačných účinkov v systéme a do modelov sa dostáva aj biosféra (vegetácia). V súčasnosti prebieha vo viacerých modelových centrách rozpracovávanie globálneho uhlíkového cyklu a atmosférickej chémie. Postupne s tým, ako sa podrobnejšie prepracovávali a zdokonaľovali jednotlivé modely, zlepšovalo sa ich horizontálne rozlíšenie (hustejšia sieť gridových bodov) a rástol aj počet vertikálnych hladín (v atmosférickej i oceánskej časti modelu), pokrok zaznamenala i parametrizácia. Novšie modely majú k dispozícií väčší počet klimatických charakteristík a viaceré tieto charakteristiky prechádzajú na kratší časový krok (z ročných a mesačných na denné hodnoty). V posledných rokoch vznikli vo viacerých centrách aj regionálne modely pre rôzne oblasti sveta. Tieto modely vychádzajú z počiatočných podmienok priamo z globálnych modelov (Melo, 2003).

Pojem fyzikálnej konzistentnosti (plausibility) je kľúčovým problémom scenárov viacerých klimatických prvkov z jedného miesta pripravovaných modernými metódami, najmä ak ide o scenáre časových radov denných alebo mesačných údajov. Všetky ostatné scenáre považujeme iba za inkrementálne, teda za akúsi kombináciu vhodných prírastkov (úbytkov) priemerov jednotlivých premenných v porovnaní s priemermi premenných v kontrolnom/referenčnom rade (väčšinou s 1951-1980, tzv. baseline scenario). Pri novej generácii výstupov modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry (GCMs) fyzikálna konzistentnosť vyplýva z použitých fyzikálnych rovníc v modeloch a z matematických metód výpočtov. V priebehu regionálnej modifikácie výstupov GCMs môže (ale nemusí) dôjsť k porušeniu uvedených vzťahov. Výstupy GCMs nereprezentujú reálne sa vyskytujúcu klímu v bode. S určitosťou môžeme predpokladať, že reprezentujú územné priemery premenných v priestore uzlových bodov, teda na ploche asi 60-100 tisíc km², čiže až na dvojnásobku plochy Slovenska. Navyše ide o priestor so značne zhladenou orografiou bez reálne sa vyskytujúcich regionálnych a lokálnych náveterných a záveterných efektov (Alpy majú v GCMs najviac 1000 m n.m. a tvoria s Karpatami jedno ploché pohorie v strednej Európe, pričom Panónska kotlina väčšinou chýba). Ak máme pri modifikácii výstupov GCMs získať scenáre ako časové rady reprezentujúce jednotlivé stanice, tak musíme predovšetkým nájsť vzťah medzi časovými radmi územných priemerov a časovými radmi na jednotlivých staniciach. Ako sa dalo očakávať, je tento problém najzaujímavejší v prípade mesačných úhrnov zrážok (veľká premenlivosť ročného chodu a priestorovej distribúcie, Lapin et al., 2000 a 2001) a nemá praktický zmysel sa ním zaoberať v prípade mesačných priemerov teploty vzduchu (korelačný koeficient meraných mesačných priemerov medzi stanicami je r 0,9, čiže časové rady na rôznych staniciach sa veľmi podobajú). Horšia je situácia pri posudzovaní priestorovej variability iných prvkov, kde nemáme dostatok podkladov na výpočet územných priemerov pre jednotlivé mesiace.

Ďalším zo závažných problémov je výber vhodného referenčného obdobia pozorovaných údajov, ktoré umožňuje porovnávať modelovú klímu (scenáre) a kontrolnú klímu. V čase riešenia projektov Národného klimatického programu SR sme za referenčné obdobie považovali 30-ročné obdobie 1951-1980. Toto obdobie malo niekoľko výhod (nepatrný časový trend skoro všetkých prvkov, dlhodobé priemery a variabilitu blízku dlhšiemu obdobiu 1901-1990). Občas je nevyhnutné použiť iné referenčné obdobia klimatických prvkov, pretože nie sú k dispozícii experimentálne údaje z dohodnutých období. Vtedy sa relatívne hodnoty scenárov prepočítavajú na nové referenčné obdobie pomocou kvocientov (úhrny zrážok) alebo rozdielov (priemery teploty vzduchu) obidvoch referenčných období. Klíma našej oblasti sa vyznačuje určitým stupňom nestacionarity aj z prirodzených príčin a je riskantné siahať po kratších časových radoch, kalibračných a referenčných obdobiach ako 30 rokov. Niektoré odchýlky a neregulárnosti časových radov 20- a 30-ročných kĺzavých priemerov dosiahli v období 1901-2000 väčšie hodnoty ako predstavujú odchýlky vyplývajúce zo scenárov pre obdobie 2001-2090 (obr. 3). Týka sa to predovšetkým obdobia 1971-1993, ktoré bolo na časti územia Slovenska také suché, že to nemá obdobu za 225 rokov meteorologických meraní v Strednej Európe (Lapin et al., 2001).

Výstupy modelov používané najnovšie na Slovensku (atmosféricko-oceánické prepojené GCMs Kanadského strediska pre klimatické modelovanie a analýzu CCCM 1997, CCCM 2000 a Goddardovho ústavu pre vesmírne štúdie pri NASA GISS 1998) poskytujú časové rady údajov pre viacero klimatických a hydrologických prvkov (47 pre CCCM a 59 pre GISS). Z nich sme na regionálnu interpretáciu a na detailnejšiu analýzu na Slovensku doteraz využili iba 11. Ako sme už spomínali, všetky údaje vo výstupoch predstavujú územný priemer okolo uzlového bodu štvorcovej siete z plochy najmenej 60 tisíc km². Vzdialenosť uzlových bodov je okolo 300 km, priemerná nadmorská výška 561 m pri CCCM a 364 m pri GISS. Pri akejkoľvek regionálnej modifikácii sa časová variabilita jednotlivých prvkov zmenšuje v závislosti od počtu uzlových bodov (čím sa berie do úvahy viac uzlových bodov, tým je variabilita interpolovaného časového radu menšia, my sme použili 4 uzlové body). Z modelu CCCM 2000 sme analyzovali časové rady v rokoch 1900-2100 (mesačné charakteristiky po rokoch) a prvky: priemery teploty vzduchu, úhrny zrážok, hustotu toku globálneho žiarenia, mernú vlhkosť vzduchu, územný výpar, vlhkosť pôdy, smerodajnú odchýlku denných priemerov teploty vzduchu, tlak vzduchu a rýchlosť vetra. Z modelu GISS 1998 (1990-2099, mesačné charakteristiky po desaťročiach a ročné po rokoch) to boli prvky: priemery teploty vzduchu, úhrny zrážok, hustotu toku globálneho žiarenia, mernú vlhkosť vzduchu, územný výpar, vlhkosť pôdy, smerodajnú odchýlku denných priemerov teploty vzduchu, oblačnosť, variačný koeficient denných úhrnov zrážok, rýchlosť vetra a tlak vzduchu. Výsledky uvedených simulácií a modifikácií pre územie Slovenska sú k dispozícii u autora alebo v citovanej literatúre (Lapin, et al., 2000, 2001).

Metodika regionálnej interpretácie výstupov GCMs do konkrétnych staníc má dve úrovne. Ak potrebujeme zistiť iba zmenu dlhodobých priemerov, tak sa nemusíme príliš zaoberať porovnávaním charakteristík časových radov výstupov GCMs a pozorovanej klímy v referenčnom období. Ak chceme ale skonštruovať scenáre ako časové rady ročných, mesačných, prípadne aj denných údajov, tak takéto porovnávanie musíme urobiť detailne. Najdôležitejšou charakteristikou odchýlok výstupov GCMs a pozorovanej klímy v referenčnou období je rozdiel alebo kvocient priemerov za celé referenčné obdobie (napríklad 1951-1980 alebo 1901-1990; nie je dobré zahŕňať do referenčného obdobia roky po 1990, lebo sú už pravdepodobne ovplyvnené klimatickou zmenou). Druhou dôležitou charakteristikou je rozdiel alebo kvocient smerodajných odchýlok alebo variačných koeficientov prvkov uvažovaného radu (variabilita ročných, mesačných, denných hodnôt). Predpokladáme, že ak časový rad modelového výstupu z referenčného obdobia modifikujeme podľa rozdielov priemerov a rozptylu, tak rovnaký postup môžeme použiť aj v modelovom období scenárov, napríklad v období 2001-2090. V publikáciách Lapin et al. (2000 a 2001) uvádzame základné scenáre teploty vzduchu, úhrnov zrážok a ďalších prvkov v 50-ročných časových horizontoch so stredom v rokoch 2010, 2030 a 2075 v porovnaní s obdobím 1951-1980, pričom ich platnosť je najlepšia pre stred Slovenska.

ĎALŠIE MOŽNOSTI KONŠTRUKCIE SCENÁROV

Scenáre klimatickej zmeny by mali spĺňať niekoľko predpokladov, medzi ktorými nesmú chýbať predovšetkým tieto: scenáre musia reprezentovať budúcu klímu vybraných lokalít čo najvernejšie a musia byť okrem toho aj alternatívne. Tieto predpoklady sa dajú splniť tak, že výstupy GCMs testujeme v referenčnom období na podobnosť s ročným chodom, priemermi, trendom, variabilitou, extrémami a p. Alternatívnosť zabezpečujeme tak, že spomedzi emisných scenárov a fyzikálnych interpretácií klimatotvorných procesov zahrnutých v modeloch vyberieme najmenej dva s krajnými prijateľnými (splniteľnými) parametrami. Ide napríklad o rast koncentrácie CO₂ o 0,5% a 1% ročne, o zahrnutie aerosólov so zápornou a kladnou spätnou väzbou aspoň v dvoch úrovniach, o parametrizáciu vplyvu oblačnosti a zmien morského polárneho zaľadnenia aspoň v dvoch úrovniach atď.
Scenáre klimatickej zmeny môžeme konštruovať ako relatívne alebo absolútne hodnoty. Pod pojmom relatívna hodnota rozumieme odchýlku alebo kvocient v porovnaní s modelovými výstupmi z referenčného obdobia (nie meranými hodnotami). Absolútne hodnoty scenárov sa konštruujú na základe použitia relatívnych scenárov a časových radov (dlhodobých priemerov) z dohodnutých referenčných období. Tak sa dajú pripraviť napríklad scenáre: pre 30- a 50-ročné časové horizonty 2010, 2030 a 2075, scenáre podľa 3 metód konštrukcie časových radov - modifikáciou radov meraných údajov, modifikáciou radov modelových údajov, stochastickým generátorom počasia, scenáre extrémov (podľa parametrov zabezpečenia) - hlavne X-denných úhrnov zrážok. Pri CCCM 1997 a 2000 sme použili referenčné obdobie 1901-1990, na iné obdobia sa potom scenáre prepočítavali na základe porovnania meraných údajov v dvoch zvolených obdobiach. Pri GISS 1998 sa porovnávajú časové rady so stavom koncentrácie CO₂ v roku 1989 a s rastúcou koncentráciou CO₂ o 1% od roku 1990. Model GISS 1998 obsahuje implicitne teda referenčnú klímu z obdobia zhruba 1980-1999. Modely CCCM 1997, 2000 a GISS 1998 môžeme považovať za alternatívne GCMs scenáre pre Slovensko.

ZÁVERY

V tomto príspevku nie je dostatok priestoru na prezentovanie konkrétnych scenárov klimatickej zmeny vhodných pre Slovensko. V našich početných publikáciách sa môžu záujemcovia dozvedieť všetky podrobnosti (viď zoznam literatúry). Nezaoberali sme sa tu ani málo pravdepodobnými (ale možnými) scenármi náhlych zmien klímy (napríklad vplyvom rýchleho termo-halinného kolapsu morskej cirkulácie). Ďalšie informácie sú uvedené v 3. správe IPCC (2001). Záverom je ešte treba uviesť, že scenáre časových radov je možné robiť pre jednotlivé stanice, ak sú k dispozícii aspoň 20-ročné časové rady meraní. Modifikácia scenárov ako časových radov sa robí tzv. štatistickým downscaling-om. Scenáre pre časové horizonty do stredu SR sa dajú použiť aj bez ďalšej modifikácie iba pre klimatické prvky s malou priestorovou variabilitou mesačných údajov, teda okrem úhrnov zrážok, výparu, vlhkosti pôdy a niektorých ďalších. V rokoch 2004 až 2006 sa pokúsime pripraviť pre vybrané stanice komplex scenárov (10 - 15 prvkov). Je zrejmé, že uvedené scenáre môžu nájsť široké uplatnenie v rôznych socio-ekonomických odvetviach. Na obr. 3 uvádzame zaujímavý klimatický extrém z roku 2003.

Obr. 3. Priemery teploty vzduchu a trend vyjadrený 11- a 30-ročnými kĺzavými priemermi za sezóny
máj až august 1871-2003 v Hurbanove (po roku 1990 vidíme výraznú zmenu režimu tejto klimatickej charakteristiky).

Poďakovanie: Tento príspevok vznikol na základe viacerých publikovaných prác autora. Výsledky projektov VEGA č. 1/8255/01 (Grantová agentúra SR) a APVT-51-006502 boli tiež využité pri príprave tohoto príspevku. Autor ďakuje za spoluprácu aj spoluautorom citovaných príspevkov a SHMÚ za poskytnutie údajov.

LITERATÚRA

• Damborská, I., Gaál, L., Lapin, M., Melo, M. (2002): Scenarios of Sea Level and Upper Air Pressure Fields in the Euro-Atlantic Area until 2100, Acta Meteorol. Univ. Comen., XXXI (2002), 31-65,
• IPCC (2001): Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Houghton, J. T., Ding, Y., Griggs, D. J., Noguer, M., van der Linden, P. J., Xiaosu, D. (eds.). Cambridge Univ. Press, UK, 944 pp.
• Lapin, M., Nieplová, E., Faško, P. (1995): Regionálne scenáre zmien teploty vzduchu a zrážok na Slovensku. In: Národný klimatický program SR. MŽP SR, SHMÚ, Bratislava, 3, 17-57.
• Lapin, M., Damborská, I., Melo, M. (1999): Modifikované GCMs scenáre časových radov teploty vzduchu a zrážok pre Slovensko. In: Atmosféra 21.storočia, organizmy a ekosystémy, Bioklim. prac. dni, Zvolen, 207-214
• Lapin, M., Melo, M., Damborská, I., Gera, M, Faško, P. (2000): Nové scenáre klimatickej zmeny pre Slovensko na báze výstupov prepojených modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry. In.: Národný klimatický program SR, 8, MŽP SR, SHMÚ, Bratislava 2000, 5-34.
• Lapin, M., Damborská, I., Melo, M. (2001): Scenáre súborov viacerých vzájomne fyzikálne konzistentných klimatických prvkov. In.: NKP SR, 11, SHMÚ a MŽP SR, Bratislava, 5-30.
• Lapin, M., Tomlain, J. (2001): Všeobecná a regionálna klimatológia. Vydavateľstvo UK, Bratislava, 184 s.
• Lapin, M., Damborská, I., Melo, M. (2001): Downscaling of GCM outputs for precipitation time series in Slovakia. Meteorologický časopis, IV, No. 3, SHMÚ, Bratislava, 29-40.
• Lapin, M., Hlavčová, K., Petrovič, P. (2003): Vplyv klimatickej zmeny na hydrologické procesy. In.: Zborník z konferencie: Hydrológia na prahu 21. storočia, Smolenice, 5-7.5.2003, ÚH SAV, CD ISBN 80-89139-00-0.
• Lapin, M., Hlavčová, K., Petrovič, P. (2003): Vplyv klimatickej zmeny na hydrologické procesy. Acta Hydrologica Slovaca, Vol. IV, No. 2, 2003, 211-221.
• Lapin, M. (2003): Naša budúca klíma podľa scenárov klimatickej zmeny. Biometeorológia v systéme pôdohospodárskych vied, Publikácia z odborného seminára k svetovému meteorologickému dňu (23. III.) a životnému jubileu Prof. Ing. Františka Špánika, CSc. Štúdia XX, Vol. XVI, 14-26, IBSN 80-8069-266-1.
• Lapin, M., Damborská, I., Gaál, L., Melo, M. (2003): Possible Precipitation Regime Change in Slovakia due to Air Pressure and Circulation Changes in the Euro-Atlantic Area until 2100, Contributions to Geophysics and Geodesy, Vol. 33, No. 3, 2003, 161-190.
• Melo, M. (1996): Klimatické scenáre. In: NKP SR, 4, MŽP SR, SHMÚ, Bratislava, 5-21.
• Melo, M. (2003): Klimatické modely a ich využitie pre odhad klimatických zmien na území Slovenska. Kandidátska dizertačná práca. FMFI UK, Bratislava, 155 s.
• Minďáš, J., Škvarenina, J., Ďurský, J., Lapin, M. a i. (2003): Lesy Slovenska a globálne klimatické zmeny. (Minďáš a Škvarenina eds.) EFRA Zvolen, LVÚ Zvolen, 129 s.
• Robinson, W. A. (2001): Modeling Dynamic System. Springer-Verlag, New York, 210 pp.
• Schneider, S. H., Dickinson, R. E. (1974): Climate modeling. Rev. Geophys. Space Phys., 12, 447-493.
• Tomlain, J. (1999): Expected climate change impacts on changes of potential and actual evapotranspiration on the territory of Slovakia. Acta Meteorol. Univ. Comen., XXVIII, 21-26.
• renberth, K. E. (ed) (1992): Climate System Modeling. Cambridge University Press, 788 pp.