Nawalne opady deszczu oraz często towarzyszące im powodzie są coraz mocniej wpisywane w rzeczywistość coraz bardziej ocieplającego się świata. Wzrost temperatury powietrza oznacza wzrost pary wodnej, czyli wilgoci w atmosferze. Zaburzenia wielu cyrkulacji atmosferyczno-oceanicznych oraz oscylacji atmosferyczno-oceanicznych, a także wielu innych zjawisk atmosferycznych, oceanicznych i atmosferyczno-oceanicznych, w tym cyklonów, jeszcze bardziej nasilają powstawanie tychże bardzo niebezpiecznych ekstremów pogodowych, których intensywność i częstość niestety będzie wzrastać wraz z dalszym ocieplaniem się klimatu.
—–
W dniach 12-15 lipca 2021 roku na obszarze północnych Niemiec w Nadrenii Północnej-Westfalii i w Nadrenii-Palatynacie wzdłuż rzek Ahr i Erft oraz wzdłuż rzeki Mozy na terenie Belgii i Luksemburgu doszło do tragicznych zdarzeń pogodowych. Przez ten okresu czasu region ten nawiedziły ekstremalne opady deszczu doprowadzając do błyskawicznych powodzi, które spowodowały zalanie przez uregulowane rzeki wielu terenów odlesionych i silnie zurbanizowanych. Podczas tej tragedii zginęło 184 mieszkańców Niemiec i 38 mieszkańców Belgii.
Fot.1. Strona główna > Ekstremalne opady deszczu > Obfite opady deszczu, które doprowadziły do poważnych powodzi w Europie Zachodniej, bardziej prawdopodobnych z powodu zmian klimatycznych (zdjęcie z serwisu World Weather Attribution).
Ponadto została uszkodzona infrastruktura, min. drogi, w tym autostrady, linie kolejowe, mosty, a także pola uprawne.
Przyczyną tego pechowego zdarzenia dla mieszkańców tego regionu Europy Zachodniej było odcięcie systemu niskiego ciśnienia „Bernd” od wiatrów zachodnich. Dlatego też, gdy tenże niż usadowił się na dłużej w tymże regionie, to przez kilka dni trwające bardzo intensywne opady deszczu doprowadziły do równie intensywnych powodzi.
Rys.1. Po lewej stronie – opady skumulowane w ciągu dwóch dni (48h akumulacja 13 lipca 00:00 UTC – 15 lipca 2021, 00:00 UTC). Po prawej stronie – Opady skumulowane w ciągu 24 godzin dla każdego dnia, w którym wystąpiły ekstremalne opady (zdjęcie z World Weather Attribution).
Naukowcy z Niemiec, Belgii, Holandii, Szwajcarii, Francji, Luksemburga, USA i Wielkiej Brytanii, współtworzący World Weather Attribution (WWA), którzy zbadali to zdarzenie pogodowe, nie mają już żadnych wątpliwości, że te ekstremalne zjawiska pogodowe mają i będą mieć miejsce w coraz cieplejszym świecie.
Na podstawie lipcowej tragedii mieszkańców Europy Zachodniej, Frank Kreienkamp, z Niemieckiej Służby Pogodowej (DWD – Deutscher Wetterdienst) oraz Regionalnego Biura Klimatycznego w Poczdamie w Niemczech, i jego współpracownicy, jak min. dr Friederike Otto z Instytutu Zmian Środowiska na Uniwersytecie w Oksfordzie oraz prof. Geert Jan van Oldenborgh z Królewskiego Holenderskiego Instytutu Meteorologicznego w de Bilt, na łamach WWA 1 i później w swojej pracy naukowej 2, wyciągnęli następujące wnioski:
- Poważne powodzie były spowodowane bardzo intensywnymi opadami deszczu przez okres 1-2 dni, wilgotnymi warunkami jeszcze przed zdarzeniem oraz lokalnymi czynnikami hydrologicznymi. Chociaż odpływy rzeczne i poziomy wody są elementami fizycznymi najbardziej bezpośrednio powiązanymi ze skutkami zdarzenia, nasza ocena koncentruje się na głównym czynniku meteorologicznym, jakim są obfite opady deszczu. Wynika to z faktu, że niektóre systemy monitoringu hydrologicznego uległy zniszczeniu podczas powodzi, a dane o wystarczająco wysokiej jakości i ilości nie są obecnie dostępne.
- Obserwowane wielkości opadów w rzekach Ahr i Erft oraz w belgijskiej części zlewni Mozy znacznie pobiły historycznie obserwowane rekordy opadów. W regionach tej wielkości solidne oszacowanie wartości zwrotów oraz wykrywanie i przypisywanie trendów jest trudne, a zatem przesuwa granice tego, do czego zaprojektowano obecne metody atrybucji zdarzeń ekstremalnych.
- Dlatego rozszerzyliśmy analizę o ocenę wpływu zmian klimatu na podobne rodzaje zdarzeń, które mogą wystąpić w dowolnym miejscu Europy Zachodniej w dużym regionie między północnymi Alpami a Holandią. Odkryliśmy, że w obecnym klimacie dla danej lokalizacji w tym większym regionie możemy spodziewać się średnio jednego takiego zdarzenia co 400 lat. Oznacza to również, że spodziewamy się, że takie zdarzenia będą miały miejsce częściej niż raz na 400 lat w większym regionie Europy Zachodniej.
- Zmiana klimatu zwiększyła intensywność maksymalnych jednodniowych opadów deszczu w sezonie letnim w tym dużym regionie o około 3-19% w porównaniu z globalnym klimatem chłodniejszym o 1,2°C niż obecnie. Wzrost jest podobny w przypadku wydarzenia dwudniowego.
- Prawdopodobieństwo wystąpienia takiego zdarzenia dzisiaj w porównaniu z klimatem chłodniejszym o 1,2°C wzrosło o współczynnik od 1,2 do 9 w przypadku jednodniowego zdarzenia w dużym regionie. Wzrost jest ponownie podobny w przypadku wydarzenia dwudniowego.
- Liczby te opierają się na ocenie obejmującej obserwacje, regionalne modele klimatyczne i modele klimatyczne o bardzo wysokiej rozdzielczości, które bezpośrednio symulują konwekcję. Zmiany intensywności i prawdopodobieństwa są większe w ocenie opartej na obserwacji w porównaniu ze wszystkimi modelami.
- W klimacie cieplejszym o 2°C niż w czasach przedindustrialnych modele sugerują, że intensywność jednodniowego zdarzenia wzrośnie o dalsze 0,8-6%, a prawdopodobieństwo o współczynnik 1,2-1,4. Wzrost jest ponownie podobny w przypadku wydarzenia dwudniowego.
- Powodzie z lipca 2021 r. spowodowały ekstremalne skutki, w tym ponad dwieście zgonów. Biorąc pod uwagę rzadkość tego zdarzenia, jest oczywiste, że jest to bardzo ekstremalne zdarzenie, które prawdopodobnie spowoduje negatywne skutki. Jednak szczególnie biorąc pod uwagę, że takie wydarzenia będą występować częściej w przyszłości, zbadanie, w jaki sposób można zmniejszyć podatność i narażenie, staje się kluczowe dla ograniczenia przyszłych skutków.
———-
Gunnar Myhre z Centrum Międzynarodowych Badań Klimatu CICERO w Oslo, wraz ze swoim zespołem badawczym, zauważył, że obecnie w ocieplonym świecie za mało bierze się pod uwagę badanie częstości opadów atmosferycznych, a więcej uwagi skupia się na ich intensywności, co zostało już dokładnie przeanalizowane w V Raporcie Oceny IPCC. Podobnie słabo został przebadany łączny wpływ, zarówno intensywności, jak i częstotliwości opadów atmosferycznych 3.
Jak naukowcy zauważają w symulacjach komputerowych za pomocą modeli klimatycznych, całkowite opady pod względem zmian intensywności prawie podwajają się na stopień ocieplenia, ale przeważnie mają na to wpływ zmiany częstotliwości.
Ostatnie analizy, wynikające z obserwacji opadów nad Europą i Ameryką Północną, pokazują znaczny wzrost częstotliwości opadów atmosferycznych. Np. na Wyspach Brytyjskich, na południu Europy czy też w delcie Missisippi, w Nowej Anglii.
Aby oszacować wielkość intensywności i częstotliwości opadów, naukowcy użyli do obliczeń parametru funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF – probability density function) opadów odpowiadających referencyjnej temperaturze powietrza na powierzchni (linia fioletowa), w porównaniu z funkcją o wyższej temperaturze powietrza na powierzchni (linia pomarańczowa), przedstawioną na poniższym rysunku.
Rys.2. Schematyczna ilustracja funkcji gęstości prawdopodobieństwa (PDF) dobowej ilości opadów
( a ). Fioletowa linia pokazuje referencyjną PDF, a pomarańczowa linia pokazuje, jak zmienia się ona w wyższych temperaturach. Dla pewnej ilości opadów (pionowa linia przerywana) przesunięcie PDF można rozłożyć na wzrost intensywności (zilustrowany poziomą niebieską strzałką) i wzrost częstotliwości (pionowa zielona strzałka). Wzrost całkowitej sumy ekstremalnych opadów powyżej pewnego progu ilustruje zacieniowany żółty obszar, który łączy wzrost intensywności i częstotliwości. Rzeczywiste PDF dla dwóch okresów 1906-1935 i 1986-2015 dla średniej 15 stacji wodomierzy w Holandii
( b). Całkowite ekstremalne zmiany opadów z danych E-OBS między dwoma okresami 1951-1980 i 1984-2013
( c ) udział częstotliwości i intensywności w całkowitej ekstremalnej zmianie opadów
( d ) dla dobowych percentyli opadów i skalowanych według globalnej i rocznej średniej zmiany temperatury aby uzyskać jednostki %/K. 95-ty percentyl występuje średnio w ciągu 20 dni, 99-ty percentyl raz w ciągu 100 dni, 99,7-ty percentyl raz w ciągu 333 dni, 99,9-ty percentyl raz w ciągu 1000 dni, 99,95-ty percentyl raz w ciągu 2000 dni i 99,97-ty percentyl raz w ciągu 3333 dni.
Naukowcy zasugerowali, że typowym sposobem analizy zmian w ekstremalnych opadach jest dokładne śledzenie ewolucji percentyli dziennych opadów pod względem obliczenia PDF. Rysunek 1c pokazuje wzrost opadów (pomiędzy dwoma 30-letnimi okresami) w Europie dla zdarzeń ekstremalnych od 95% (występujących średnio raz na 20 dni) przez 99,9 % (występujących raz na 1000 dni) do 99,97 % (występujących średnio raz na 10 lat).
——
Małe kraje wyspiarskie na południowym Pacyfiku bardzo często doświadczają ekstremalnych zjawisk klimatycznych, w tym intensywnych opadów deszczu. Skutki zdarzeń ekstremalnych zależą również od wpływu na ludzi, zwierzęta oraz ekosystemy. Te małe kraje wyspiarskie są bardzo podatne na ekstremalne zdarzenia w porównaniu z innymi częściami świata, ponieważ są mniejsze, otoczone rozległymi obszarami oceanu i ograniczoną infrastrukturą.
Sunil Kumar Pariyar z Instytutu Geofizyki i Centrum Badań Klimatu w Bjerknes na Uniwersytecie w Bergen w Norwegii i jego współpracownicy, analizując ekstremalne opady deszczu, wzięli pod uwagę cztery czynniki klimatyczne, dzięki którym są one bardziej nasilone w ocieplonym świecie i powodujące często wiele zniszczeń wśród mieszkańców małych wysp, zarówno ludzi, jak i zwierząt i roślin 4.
Naukowcy zaliczyli do tych czynników:
- tropikalne cyklony (TC – tropical cyclone), w tym depresje tropikalne (TD – tropical depression), wśród których są monsuny
- oscylację oceaniczną Juliana-Maddena (MJO – Madden-Julian Oscillation)
- Oscylację Południowopacyficzną El Nino (ENSO – El Nino Southern Oscillation)
- fale planetarne Rossby’ego, które mogą mieć wpływ dalekosiężny na zmienności klimatyczne
Swoje wyniki badań przeprowadzili analizując charakterystykę pomiarów ekstremalnych opadów deszczu w latach 1979-2018 ze 20 stacji na południowym Pacyfiku (początkowo rozważali 33) umieszczonych wzdłuż Strefy Konwergencji Południowego Pacyfiku (SPCZ – South Pacific Convergence Zone), usytuowanych w trzech skupiskach (klastrach).
Rys.3. Lokalizacja stacji deszczomierzy wykorzystanych w niniejszym opracowaniu. Trzy skupiska stacji są oznaczone kolorami czerwonym, zielonym i niebieskim. Cieniowane kontury to klimatologia opadów (1979–2018) w mm / dzień 1 , obliczona na podstawie miesięcznego zbioru danych w siatce Globalnego Projektu Klimatologii Opadowej (GPCP – Global Precipitation Climatology Project). (W celu interpretacji odniesień do koloru w tej legendzie rysunku czytelnik jest kierowany do internetowej wersji tego artykułu.)
(Sunil Kumar Pariyar i inni, 2020)
Do badań naukowcy użyli dwóch indeksów klimatycznych: wielowymiarowych dziennych indeksów MJO (RMM) w czasie rzeczywistym oraz miesięcznego indeksu Niño3.4 ENSO.
Dzienne indeksy Misji Pomiarów Opadów (RMM – Rainfall Measurements Mission) pochodzą ze strony internetowej Australian Bureau of Meteorology (http://www.bom.gov.au/climate/mjo/).
Miesięczny indeks Niño3.4 jest obliczany na podstawie miesięcznej temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) ze strony internetowej NOAA, ESRL, Physical Science Division (http://www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries/Niño34/index.html).
Dane do badań tropikalnych cyklonów (TC), naukowcy zebrali z Najlepszego archiwum danych dla zarządzania klimatem (IBTraCS – International Best Track Archive for Climate Stewardship) – zestawu danych opartego na 6-godzinnych historycznych zapisach TC z różnych źródeł i dostarczającego informacji o naturze burzy, lokalizacji centrum burzy, maksymalnych utrzymujących się wiatrach, minimalnym ciśnieniu centralnym i prędkości burzy.
Ogólnie naukowcy dają do zrozumienia, że pozatropikalne fale Rossby’ego nie mają znaczącego wpływu na ekstremalne opady deszczu na południowym Pacyfiku, jednak mogą generować niezbędne zakłócenia, które mogą przekształcić się w ekstremalne opady deszczu.
——-
Ashish Sharma z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiskowej na Uniwersytecie w Nowej Południowej Walii w Sydney, Conrad Wasko z Wydziału Inżynierii Infrastruktury na Uniwersytecie w Melbourne w Victorii oraz Dennis P. Lettenmaier z Wydziału Geografii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, w swoich badaniach doszli do wniosku, że pomimo rosnących dowodów na rosnące ekstremalne opady, odpowiednie dowody na wzrost liczby powodzi pozostaje dalej niewyjaśniony 5.
Dotychczas środowisko naukowe klimatologów stawiało tezę, że w ocieplającym się świecie, jeśli mamy do czynienia ze wzrostem opadów atmosferycznych, to musi mieć to przełożenie na wzrost powodzi. Naukowcy z Australii i Stanów Zjednoczonych jednak stwierdzili po wnikliwej analizie, że wcale tak być nie musi, a nawet w pewnych przypadkach występuje spadek powodzi pomimo wzrostu opadów. Dzieje się tak głównie, gdy nad danym regionem gleba jest bardziej sucha niż powinna. Z reguły ładunkiem do intensyfikacji powodzi podczas ekstremalnych opadów deszczu jest silnie nawilgocona gleba.
Ogólnie naukowcy, pokazując dowody na zmniejszenie się powodzi w coraz cieplejszym świecie, zaobserwowali zmniejszenie się następujących czynników:
- wilgotność gleby
- zasięg burzy
- topnienie śniegu
Rys.4. Prawdopodobieństwo natężenia przepływu wody w górnym 99 percentylu (Q 99% ) jest powiązane ze zdarzeniem opadowym w górnym 99 percentylu (P 99% ) w sąsiednich Stanach Zjednoczonych (CONUS). Deszczowa pogoda (pierwszeństwo) jest definiowana jako wilgotność gleby powyżej mediany, a sucha pogoda (pierwszeństwo) jest definiowana jako poniżej mediany. (Timothy J. Ivancic i Stephen B. Shaw, 2015).
W swojej pracy naukowej naukowcy tak piszą:
Gdy opady uzależnione są od tego, że zlewnia jest wilgotna przed rozpoczęciem wydarzenia, liczba ta wzrasta do 62% (niebieski słupek), w przeciwieństwie do zaledwie 13%, gdy warunki przed burzą są suche (różowe słupki). Oczywiście, co nie powinno dziwić hydrologów, wilgotność gleby moduluje reakcję na powódź.
Wzrost opadów jednak nie musi przekładać się na wzrost powodzi, a wysuszenie warunków wilgotnościowych gleby jeszcze bardziej zmniejsza rozmiary powodzi.
W pracy zespołu naukowego pod kierownictwem Mohita Prakasha Mohanty’ego, z Indyjskiego Instytutu Technologii na Uniwersytecie w Roorkee, adiunkta na Katedrze Rozwoju i Zarządzania Zasobami Wodnymi, została podjęta analiza wpływu opadów atmosferycznych oraz pływów morskich (fal sztormowych) na powstawanie w coraz cieplejszym świecie bardziej intensywnych i częstszych powodzi przybrzeżnych 12.
Do swoich badań naukowcy zastosowali specjalny parametr – iloraz powodzi pływowo-opadowych (TRFQ – Tide-Rainfall Flood Quotient). Określa on potencjał powodziowy w regionie przybrzeżnym wynikający z przypływów sztormowych lub opadów deszczu.
Informacje o zagrożeniu powodziowym uzyskali naukowcy, zarówno na podstawie prędkości zalewu, jak i fali, uzyskanych z kompleksowego modelu 1D-2D MIKE FLOOD z uwzględnieniem wysokiej rozdzielczości LiDAR DEM.
Następnie zestawili oni mapy zalewów i zagrożeń uzyskanych za pomocą symulacji komputerowych hydrodynamiki w modelach powodziowych, w których zaprojektowane zostały opady deszczu i przypływy sztormowe. Dalej, zaproponowali zestaw konkretnych kombinacji symulacji pływów burzowych i pluwialnych, aby określić ilościowo ich indywidualne wpływy.
Zdaniem zespołu Mohanty’ego, wyniki tych badań dostarczą rekomendacji dla długoterminowego planowania terenów zalewowych poprzez racjonalizację strategii zarządzania powodzią przybrzeżną. Ma to przynieść korzyści głównie w krajach o niskich i średnich dochodach, w których inżynieryjna inwestycja w środki ochrony przeciwpowodziowej może zapewnić jeszcze większe bezpieczeństwo pod względem redukcji szkód w infrastrukturze wybrzeży.
Naukowcy wybrali trzy geograficznie zróżnicowane podatne na powodzie regiony przybrzeżne na subkontynencie indyjskim, aby zademonstrować proponowaną koncepcję TRFQ. Kryteria wyboru tych rejonów ustalone zostały na podstawie podatności na powodzie oraz dostępności batymetrii wysokiej rozdzielczości.
– Mithi Catchment (obszar geograficzny ∼76 km 2; lokalizacja: 19° 02′ N do 19° 12′ N (szerokości geograficznej północnej) i 72° 48′ E do 72° 56′ E (długości geograficznej wschodniej) w Bombaju, Maharasztra;
– Dystrykt Jagatsinghpur (obszar geograficzny ∼1760 km 2; lokalizacja: 19° 58′ N do 20° 23′ N (szerokości geograficznej północnej) i 86° 3′ E do 86° 45′ E (długości geograficznej wschodniej) w Odisha i Greater Chennai
Corporation (GCC) ( obszar geograficzny ∼ 574 km 2; lokalizacja: od 9° 02′ N do 19° 12′ N (szerokości geograficznej północnej) i od 72° 48′ E do 72° 56′ E (długości geograficznej wschodniej) w Chennai, Tamil Nadu
(rys.5.)
Rys.5. Opis studiów przypadku: a) zlewnia rzeki Mithi w Bombaju b) Greater Chennai Corporation (GCC) w Chennai oraz c) dystrykt Jagatsinghpur w Odisha.
Mapy powyżej na każdym rysunku przedstawiają (i) powiększony widok kształtu batymetrii przybrzeżnej, która działa jako wlot dla wtargnięcia fal pływowych, oraz (ii) część długości rzeki w obszarze oznaczonym gęstym obszarem zabudowanym i ogromnymi osadami miejskimi wzdłuż biegu rzeki. Lokalizację stacji wodowskazowych zaznaczono odpowiednio różowymi kółkami, różowymi kwadratami i zielonymi kółkami.
(Mohit Prakash Mohanty i inni, 2020)
Ze względu na coraz częstsze występowanie synergiczne ekstremalnych opadów deszczu i przypływów sztormowych, iloraz powodzi pływowo-opadowych, czyli TRFQ, ułatwi planowanie i racjonalizację długoterminowych opcji zarządzania powodzią w zlewniach przybrzeżnych poprzez scharakteryzowanie dominacji powodzi opadowych/pływowych.
W przypadku długoterminowego planowania krajobrazowego i urbanistycznego naukowcy wprowadzili powyższy wskaźnik TRFQ w celu kontrolowania wysokich kosztów związanych z zarządzaniem powodzią poprzez optymalny dobór środków strukturalnych i niestrukturalnych.