VODNE KOLIČINE V SREDINI 21. STOLETJA KAJ LAHKO V SLOVENIJI PRIČAKUJEMO GLEDE NA KLIMATSKE MODELE

Transcription

1 dr. Lidija GLOBEVNIK * dr. Blaž KURNIK** Neven VERDNIK* Luka SNOJ* Gašper ŠUBELJ* VODNE KOLIČINE V SREDINI 21. STOLETJA KAJ LAHKO V SLOVENIJI PRIČAKUJEMO GLEDE NA KLIMATSKE MODELE Povzetek: Predstavljeni so rezultati analize dosedanjih sprememb temperatur v Sloveniji in Evropi ter klimatski modeli za izračune možnih sprememb temperatur in padavin do leta Analize trendov do leta 2012 kažejo na povečanje temperatur v Sloveniji za povprečno 0.25 C na dekado, kar pomeni 1.3 C od leta Glede na pričakovane emisije toplogrednih plinov in aerosolov v zraku na globalni ravni, lahko pričakujemo vsaj tolikšno povečevanje temperatur tudi v naslednjih dekadah. Na območju Slovenije lahko pričakujemo zmanjšanje letnih količin padavin in s tem manjšo vodno bilanco oziroma vodne zaloge. Letno povprečno odtekla voda v obdobju se pri sedanji ravni emitiranja toplogrednih plinov in aerosolov v zrak lahko zmanjša za polovico glede na povprečje Abstract: The paper presents results of the analysis of current changes in temperatures in Slovenia and Europe, and describes climate models for projection changes in temperatures and precipitation by Trend analysis for 2012 show an increase in temperatures in Slovenia on average 0,25 C per decade which means around 1.3 C since Depending on the expected emissions of greenhouse gases and aerosols into the atmosphere on a global scale, we can expect at least the same increase in temperature in the coming decades. Together with precipitation decrease also an increase in soil water deficit has been noted. Moreover during 21st century an increase in soil deficit in Slovenia has been also projected. An Average annual runoff for the period , when the current level of emitting greenhouse gases and aerosols in the air can be reduced by half compared to the average 1960 to UVOD Razporejenost morskih in zračnih temperatur ter vsebnost ogljikovega dioksida in drugih plinov in delcev v atmosferi so poleg dolgo in kratko valovnega sevanja, zemljine rotacije in s tem gibanja morskih tokov in zračnih mas, glavni dejavniki oblikovanja podnebja. Razviti so matematični modeli klimatskih procesov, ki z upoštevanjem fizikalnih zakonitosti napovedujejo tudi razvoj vremena za nekaj dni vnaprej. Z njimi se lahko simulira tudi klimo v prihodnosti glede na različne predpostavke. Na primer, predvidimo lahko kako se bo spreminjalo kratkovalovno in dolgovalovno sevanje na površju Zemlje (in s tem zračna temperatura) v prihodnjih 50 ali 100 letih glede na vsebnost toplogrednih plinov (ogljikov dioksid - CO 2, metan - CH 4, dušikovi oksidi N x O, ozon O 3 ) in aerosolov (mikroskopsko lebdeči delci ali kapljice v ozračju; najpomembnejši so sulfati). Toplogredni plini in aerosoli namreč nasprotno od prevladujočih plinov v ozračju (dušik - N 2, kisik - O 2 in argon - Ar), ki prepuščajo kratkovalovno sončno sevanje in dolgovalovno sevanje površja, absorbirajo del dolgovalovnega sevanja površja in sevajo v dolgovalovnem spektru. Pri tem del energije seva nazaj proti površju. Površje tako prejme več energije kot bi jo le zaradi sevanja Sonca, čemur pravimo učinek tople grede (Kajfež-Bogataj in ostali, 2011). Z večjimi emisijami toplogrednih plinov se zmanjšuje prepustnost ozračja za sevanje površja, kar dviguje temperature površja. To pa vpliva tudi na druge podnebne spremenljivke. * Dr. Lidija GLOBEVNIK, univ. dipl. inž. gradb., TC VODE, Zore Majcnove 8, 1000 Ljubljana **Dr. kand. Blaž KURNIK, univ.dipl. inž. fiz., European Environment Agency (EEA), Kongens Nytorv 6, 1050 Copenhagen K Denmark, *Neven VERDNIK, dipl. ing. gradb. (UN), *Luka SNOJ, univ. dipl. geog., *Gašper ŠUBELJ, univ. dipl. geog., TC VODE, Zore Majcnove 8, 1000 Ljubljana

2 Vsebnost teh plinov v zraku je odvisna od različnih dejavnikov, na njih pa vplivajo tako naravni kot človeški dejavniki. Dejstvo je, da analiza gibanja temperature v zadnjih desetletjih letih kaže na trend višanja in da je trend pozitivno koreliran tudi z večanjem vsebnosti toplogrednih plinov in aerosolov v zraku. Slika 1 prikazuje spremembo temperatur in padavin v obdobju V obdobju 50ih let se je povprečna temperatura na dekado dvignila za 0.25 C, torej od leta 1960 za okoli 1.3 C. To je več od globalnega povrečja, vendar na ravni Evropskega povrečja. Med letoma 1990 in 2010 je namreč stopnja rasti povprečne globalne temperature že blizu 0.2 C na desetletje, vendar se hitrost dviga v zadnjih letih znižuje (EEA, 2012). Slika 1: Trend sprememb temperature na dekado v Evropi med 1960 in 2010 (vir: EEA. CSI 012). Predvsem v južni in jugovzhodni Evropi se je skupaj s temperaturami povečal tudi vodnobilančni primanjkljaj v kmetijskih tleh. Največji dvig je zabeležen v zahodnem Sredozemlju (Slika 2) in južnem delu Balkanskega polotoka, na primer na porečju reke Vardar (Slik 3). To kaže, da dvig temperature skupaj s pomanjkanjem padavin vpliva na zaloge vode v tleh in s tem na kmetijsko in hidrološko sušo (Kurnik, 2013c). Slika 2: Trend v vodnobilanćnem primankljaju v kmetijskih tleh v Evropi. Rdeča barva prikazuje povečanje primankljaja, zelena pa zmanjšanje. Območja z značilnimi trendi so prikazana s črtami.

3 Slika 3: Trend vodnobilančnega deficita v vegetacijski sezoni za celotno porečje Vardarja. 2 MODELIRANJE KLIMATSKIH DEJAVNIKOV V letu 1992 je skupina znanstvenikov pri IPCC (Intergovernmental Panel for Climate Change/ Medvladni panel o podnebnih spremembah) izdelala šest scenarijev izpustov toplogrednih plinov in aerosolov glede na različen demografski in ekonomski razvoj. Poimenovali so jih IS92a-f scenariji (od IS92a do IS92f). V IS92a se je predvidela zmerna rast prebivalstva in visoka gospodarska rast ter visoka razpoložljivost fosilnih goriv (in postopno odpravo jedrske energije). Po IS92c scenariju se emisije CO 2 znižajo pod nivo leta 1990, prebivalstvo raste do sredine 21. stoletja, gospodarska rast je nizka, oskrba s fosilnimi gorivi pa je omejena. Kasneje so bile izdelane štiri nove družine scenarijev velikosti izpustov glede na različno dinamiko večanja prebivalstva, tehnološkega razvoja, razvoja gospodarstva ter varovanja okolja. To so družine A1, A2, B1 in B2, opisane v nadaljevanju. Treba je omeniti tudi novo generacijo scenarijev delno uporabljenih za peto poročilo Medvladnega panela o podnebnih sprembah, t.i. Representative Concentration Pathways (RCPs) (van Vuuren, 2011), ki pa v tem prispevku se niso bili uporabljeni. Scenariji emisij iz poročila IPCC (2000) so pojasnjeni v spodnjem tekstu. A1: Scenarij predvideva zelo hitro gospodarsko rast, hitro rast svetovne populacije do sredine 21. stoletja, ki nato upada ter hitro uvajanje novih in učinkovitejših tehnologij. Svet je močno globalno povezan. Scenariji družine A1 se razvijejo v tri skupine, ki opisujejo alternativne smeri tehnoloških sprememb v energetskem sistemu. Vse tri skupine A1 imajo tehnološki poudarek: so fosilno intenzivne (A1FI ), so brez fosilnih energetskih virov (A1T) oziroma imajo vse vire (A1B), ki so uravnoteženi. A2: Scenarij predvideva zelo heterogen svet. Osnovna tema je samostojnost in ohranjanje lokalne identitete. Prebivalstvo nenehno narašča, gospodarski razvoj je regionalno usmerjen. Gospodarska rast in tehnološke spremembe so bolj razdrobljene in počasnejše. B1: Scenarij predvideva usklajen svet s počasno rastjo prebivalstva, vendar s hitrimi spremembami v gospodarskih strukturah v smeri storitvenega gospodarstva in informacij, z zmanjšanjem porabe materiala in uvajanje okolju prijaznih in učinkovitih tehnologij. Poudarek je na globalnih rešitvah za gospodarsko, socialno in okoljsko trajnost, vendar brez dodatnih klimatskih pobud. B2: Scenarij predvideva svet, v katerem je poudarek na lokalnih rešitvah za gospodarsko, socialno in okoljsko trajnost. To je svet z nenehno naraščajočim svetovnim prebivalstvom po stopnji, nižji od A2, srednje gospodarske razvitosti in z manj hitrimi in bolj raznolikimi tehnološkimi spremembami kot v A1 in B1 scenarijih ter z učinkovitim varstvom okolja in socialne pravičnosti. IPCC je izdelal poročilo, v katerem navaja rezultate izračunanega naraščanja temperatur zemeljskega površja glede na različne količine izpuščenih toplogrednih plinov in aerosolov. Pri izračunih so se uporabili globalni klimatski modeli, ki so umerjeni na do sedaj merjene fizikalne klimatske dejavnike. Slika 3 prikazuje predvidene emisije do leta 2011 za zgoraj opisane scenarijev, slika 4 pa izračunane temperature za različne scenarije. Po vseh scenarijih se torej predvideva, da se bodo temperature zviševale. Na območju Slovenije se bodo recimo ob uresničenju scenarija A1B v obdobju glede na obdobje v

4 povprečju zvišale za 0.7 C (slika 5). Večji dvigi temperatur pa se bodo zgodili v državah Jugovzhodne Evrope in v Grčiji. Slika 3: Antropogene emisije CO 2, CH 4, N 2 O in SO 2 (žveplovega dioksida) za scenarije A1B, A2, B1 in B2, A1FI in A1T. Za primerjavo je prikazan tudi scenarij IS92a. (slika iz poročila IPCC, 2000). Slika 4: Časovne spremembe temperature površja za različne klimatske scenarije. 3 MODELIRANJE VODNE BILANCE Na Evropski agenciji za okolje (EEA) je bil za potrebe računanja vodne bilance v tleh izdelan fizikalni računski model za izračun vodne bilance tal swbewa (Kurnik in ostali, 2013). Zasnovan je tako, da izračuna prostorsko distribucijo vodnega volumna v zemljini v izbranem časovnem obdobju. Za oceno dostopne količine vode v zemlji model uporablja priporočila svetovne organizacije za hrano in kmetijstvo (FAO-Food and Agriculture Organisation). Model računa vlažnost tal z dodajanjem in odvzemanjem vhodnih parametrov vodnih virov v zemlji, ki so izraženi z vodnimi stolpci [mm]. Shematski prikaz podaja slika 6. Vhodni podatki za modeliranje: Dnevni podatki meteoroloških postaj: dnevne temperature; relativna vlažnost; hitrost vetra; zračni pritisk (na gladini morja); podatki sončnega obsevanja. Kjer podatki niso dosegljivi, se uporabi interpolirane vrednosti. Podatki rabe tal pridobljeni s pomočjo pokrovnosti tal EEA-Corine Land Cover 2006 (CLC2006) in koeficienta rastlin na podlagi vegetacijskih indeksov, ki jih priporoča FAO. Hidrološke lastnosti tal iz katere so določeni stopnja zasičenosti z vodo in točka venenja so pridobljene na podlagi evropske karte prsti. Izračunani parametri: Za časovno enoto enega dneva in pri ustreznih podatkih o padavinah in drugih meteoroloških parametrih se po metodi Penman-Monteith izračuna dejanska ETP, z upoštevanjem infiltracije (poljsko

5 kapaciteto), točke venenja in zasičenosti pa razpoložljivo prostornino vode v tleh (SVV), globoko pronicanje (GP) in površinski odtok (PO). Validacija modela: Model swbewa je bil umerjen glede na podatke terenskih meritev vlažnosti tal na postajah v Evropi. Le-ti so izbrani glede na dostopnost, reprezentativnost za različne klimatske razmere na območju Evrope, ter gledee na zadostno število meritev vlažnosti tal za obravnavano območje ter časovni interval. Pri umerjanju se je primerjalo merjene in simulirane vrednosti vlažnosti zemljine za posamične reprezentativne postaje. Prav tako je bila ocenjena uspešnost modela v simulaciji sušnih dogodkov. Model je pokazal največjo natančnost v toplejšem delu leta, v vegetacijski sezoni (Kurnik in ostali, 2013). Slika 5: Napovedanee spremembe temperature po scenariju A1B za obdobje na območju Slovenijee in Jugovzhodne Evrope (vir: ENSEMBLES project). Slika 6: Shematski prikaz procesov upoštevanih z modelom swbewa.

6 Enačba 1: Spremembe vodne bilance tal Pri čemer pomeni: D globina prsti na obravnavanem območju ΔSVV sprememba vodne prostornine na obravnavanem območju v časovnem koraku t P količina dnevnih padavin na obravnavanem območju [mm/dan] ETP dejanska evapotranspiracija [mm/dan] seštevek transpiracije T in izhlapevanja E: PO površinski odtok [mm/dan] GP pronicanje vode v globino (globoko pronicanje) [mm/dan] TV točka venenja PK poljska kapaciteta Sr stopnja zasičenosti zemljine 4 PREDVIDENE SPEMEMBE V VODNI BILANCI TAL IN PRETOKOV REK PRELIMINARNI REZULTATI Z namenom proučitve procesov spreminjanja vodno bilančnih parametrov v tleh v prihodnosti glede na različne klimatske parametre sta Kurnik in Kajfež - Bogataj (2013) uporabila model swbewa. Analizirala sta možne spremembe v vode v tleh kot približek za kmetijsko sušo v Evropi za dve prihodnji obdobji, in Uporabila sta ansambel osmih klimatskih scenarijev (simulacij za prihodnost glede na različne scenarije razvoja in politike/procese izpuščanja toplogrednih plinov in aerosolov v ozračje) in analizirala trajanje in velikost kmetijske suše po vsej Evropi. Rezultati kažejo na povečanje deficita vlage v tleh glede na referenčno obdobje od 0,45 in 0,76 v obdobju in od 0,84 do 1,25 v obdobju Povečalo naj bi se tudi trajanje deficita vlage v tleh in sicer med 0,29 in 0,81 v obdobju in 0,60 in 1,13 v obdobju (Kurnik in Kajfež- Bogataj, 2013). Največje povečanje pomanjkanja vlage v tleh se bo zgodilo v jugozahodni in jugovzhodni Evropi, medtem ko ne bo velikih sprememb v osrednjem delu Evrope. Slovenija sodi v prehodno območje. Spremembe bodo torej v Sloveniji manjše kot v jugovzhodni Evropi, pa še vedno pomembne. Tako bo v severovzhodni Sloveniji letno od 50 do 100 mm vode v tleh manj glede na referenčno obdobje Prve analize mesečne bilance površinskega otoka in ponikle vode v tla pa kažejo na veliko večje spremembe v vodnem režimu razpoložljive vode v rekah. Če namreč predpostavimo, da skozi nek profil reke odteče vsa v tla ponikla in po površini odtekla voda, lahko primerjamo vodne količine na letnem in mesečnem nivoju. Z hidrološkim modelom pa lahko simuliramo celotnem hidrološki krog, tako da dobimo predstavo tudi o dnevnem gibanju pretokov in možnih spremembah hidroloških karakteristik. Za obdobje smo tako za šest rek v Sloveniji, Dragonjo, Ljubljanico, Krko, Savinjo, Ščavnico in Ledavo izračunali predvidene povprečne mesečne površinske odtoke (PO) in ponikanja (GP). Oba parametra sta simulirana z modelom swbewa, kjer se je upošteval klimatski model A1. Rezultate smo primerjali z njihovimi mesečnimi pretoki obdobja Rezultati so prikazani na grafih 1 in 2.

7 KRKA-PODBOČJE [m3/s] KRKA-PODBOČJE [m3/s] LJUBLJANICA-MOSTE [m3/s] LJUBLJANICA-MOSTE [m3/s] SAVINJA-VELIKO ŠIRJE [m3/s] SAVINJA-VELIKO ŠIRJE [m3/s] [meseci] Graf 1: Povprečni mesečni pretoki obdobja v osrednji Sloveniji in predvidevanja za povprečni mesečni površinski odtok in ponikanje za obdobje (izračun z modelom swbewa in klimatskim modelom A1) LEDAVA- ČENTIBA [m3/s] LEDAVA- ČENTIBA [m3/s] ŠČAVNICA-PRISTAVA [m3/s] ŠČAVNICA-PRISTAVA [m3/s] [meseci] Graf 2: Povprečni mesečni pretoki obdobja v severovzhodni Sloveniji in predvidevanja za povprečni mesečni površinski odtok in ponikanje za obdobje (izračun z modelom swbewa in klimatskim modelom A1). 5 ZAKLJUČEK Z modelom swbewa so izračunane komponente vodne bilance tal, potencialni površinski odtok in količine vode, ki pronicajo v globlje plast (podzemna voda). Letno povprečno odtekla voda v obdobju se pri sedanji ravni emitiranja toplogrednih plinov in aerosolov v zrak lahko glede na povprečne pretoke v obdobja v Sloveniji zmanjša do 65%. Največje zmanjšanje se bo po predvidevanjih zgodilo v osrednji Sloveniji, najmanjše na obalnem delu primorske regije(18%). V severovzhodni Sloveniji se bodo pretoki predvidoma zmanjšali za 50%. Pričakujemo lahko pogostejše in večje hidrološke suše, večje deficite vode v tleh in manjšanje podzemnih zalog vode. V Sloveniji se ne bomo mogli več ponašati z dejstvom, da imamo vode dovolj. Treba bo oblikovati strategijo in programe omilitve hidroloških in kmetijskih suš ter misliti na prilagajanje. Ogrožena je lahko tudi današnjim meteorološkim in pedološkim razmeram prilagojena kmetijska proizvodnja ter sedanja proizvodnja električne energije iz vodne moči. Vprašljiva je tudi ustreznost načrtovanih instalacijskih kapacitet novih naprav za proizvodnjo električne energije iz vode.

8 VIRI: Climate-Adapt. EEA Report, Climate change, impacts and vulnerability in Europe No.12/2012 EEA. Core set of indicators. Data and maps. CSI IPCC SRES - Special Report on Emissions Scenarios. Nebojsa Nakicenovic and Rob Swart (Eds.) Cambridge University Press, UK. pp ( ). Kajfež Bogataj, L., Bergant K., Črepinšek Z., Cegnar T., Sušnik A. Scenariji podnebnih sprememb kot temelj za oceno ogroženosti z vremensko pogojenimi naravnimi nesrečami v prihodnosti. Kurnik,B., Louwagie, G., Erhard M., Ceglar, A., Kajfež Bogataj, L. Analysing Seasonal Differences between a Soil Water Balance Model and in Situ Soil Moisture Measurementsat Nine Locations Across Europe. Environmental Modeling & Assessment. V tisku. Julij Kurnik, B. in Kajfež Bogataj, L. Projected changes in soil water deficit in Europe. A multi model approach. Climatic Change. V tisku Kurnik, B. in Kajfež Bogataj, L, S. Horion: Analzsing soil water deficit in agriculural soil in Europe. International Journal of Climate Change, v recenziji van Vuuren D. P. and J. Edmonds and M. Kainuma and K. Riahi and A. Thomson and K. Hibbard and G. C. Hurtt and T. Kram and V. Krey and J-F. Lamarque and T. Masui and M. Meinshausen and N. Nakicenovic and S. J. Smith and S. K. Rose. The representative concentration pathways: an overview, Climatic Change. Volume 109, Issue 1-2, pp 5-31