Az éghajlatváltozás hatása a Balaton átlagos évi vízmérlegére

Átírás

1 Az éghajlatváltozás hatása a Balaton átlagos évi vízmérlegére Nováky Béla A különféle emberi tevékenységek következtében az ipari forradalmat követően megnőtt az üvegházgázok légköri koncentrációja, az elmúlt év alatt a Föld globális légköri hőmérséklete 0,6 C-kal emelkedett. Az üvegházgázok kibocsátása, és ezzel együtt a globális hőmérséklet várhatóan tovább növekszik a jövőben (IPCC 2001), ami a globális és regionális éghajlat változásához vezet. Hazánkban várható, hogy a hőmérséklet valamennyi évszakban emelkedik, a csapadék a téli időszakban nő, a nyári időszakban csökken, összességében az éghajlatunk mediterránosodása lehetséges (Mika 1999). Az éghajlat változása hatással van a hidrológiai adottságokra. A tanulmány azt vizsgálja, hogy adott éghajlati forgatókönyvekből kiindulva, a lehetséges éghajlatváltozás milyen hatással lehet Magyarország és Közép-Európa legnagyobb tavának, a Balaton átlagos évi vízmérlegére. 1. A Balaton és jelenlegi vízmérlege A Balaton az ország nyugati felében, a Dunántúlon helyezkedik el. Átlagos vízfelülete 600 km 2, átlagos vízmélysége 3,3 m. A tó vízgyűjtője 5775 km 2, amelynek 45%-át a Zala folyó vízgyűjtője teszi ki, 55 %-án további 30 állandó és 20 időszakos vízfolyás osztozik. A Balaton vízgyűjtője a tó felületének 8,65-szorosa. A tóból egyetlen vízfolyás távozik, a Siócsatorna. Természetes körülmények között a tó vízszintje erősen ingadozott. Az ingadozás mérséklése érdekében a Sió-csatornán zsilipet építettek, aminek segítségével a tóból távozó vízmennyiség szabályozható. A szabályozás célja a tó vízszintjének adott értékek közti tartása oly módon, hogy a nyári üdülési idényben az ingadozás mértéke lehetőleg ne haladja meg a 30 cm-es tartományt. A tó vízháztartása jelenleg tehát mesterséges. A tó vízbevételét a tófelületre hulló csapadék (P) és a vízgyűjtő hozzáfolyása (R i ) adja, míg vízkiadását a tófelületi párolgás (E) és a Sió-csatornán történő vízeresztés (R o ). Az évi csapadék és a hozzáfolyás a 20. században csökkenő tendenciát mutat. A tó vízbevételének és a tófelületi párolgásnak W = P + R i E (1) különbsége a természetes vízkészlet-változás, szintén csökkenő tendenciát mutatott, egészen 2003-ig (1.ábra). A természetes vízkészlet-változás értékei a harmadik évezred első éveiben negatívok voltak, aminek következményeként a Balaton vízszintje számottevően csökkent, jóllehet a Sió zsilipje zárva volt (Varga 2005). A Balaton átlagos évi vízmérlege az időszakban a következők szerint alakult. Az átlagos évi csapadék 612 mm volt, a vízgyűjtőről érkező átlagos évi hozzáfolyás 103 mm, ami a tó vízfelületére átszámítva 891 mm-nek felel meg, így a tó teljes vízbevétele 1503 mm. Az átlagos évi tófelületi párolgás 889 mm, a Sió-csatornán leeresztett vízmennyiség 614 mm volt. A tó hozzáfolyása megközelítően biztosította a tófelületi párolgást, a tófelületre hulló csapadék a leeresztést. A Balaton teljes vízbevételének 60%-a párolgással, 40%-a kifolyással távozott.

2 1. ábra A természetes vízkészlet-változás (Varga 2003) Valamely tó vízháztartását legátfogóbban a vízháztartási jelleggörbék írják le. A vízháztartási jelleggörbék azt fejezik ki, miként változ(ná)nak a vízmérleg (vízmennyiségben kifejezett) elemei a tófelület feltételezett változásával (Szesztay 1959). Nyilvánvaló, hogy a tófelület feltételezett csökkenésével a tó felületére hulló csapadék és onnan elpárolgó vízmennyiség is csökken, ezzel szemben a hozzáfolyás a vízgyűjtőről nő. A vízháztartási jelleggörbékről leolvasható az a tófelület, amelynél a párolgás egyenlő a teljes vízbevétellel, azaz a teljes vízbevételt a párolgás tartja egyensúlyban és ezért a tóból nincs kifolyás. Ez a tófelület az egyensúlyi tófelület. A Balaton időszakra számított egyensúlyi tófelülete 1500 km 2, ami 2,5-szerese a tényleges tófelületnek. Az egyensúlyi tófelület maga is éghajlatfüggő, az évekre számított értéke 1730 km 2 (Szesztay 1959), míg a viszonylagosan száraz időszakra 1300 km 2 (2. ábra) (Nováky 2005). Rövidebb időszakokra az egyensúlyi tófelület megközelítheti a vízszabályozással lényegében rögzített tényleges tófelületet. Ilyen, néhány éven keresztül tartó állapot a múltban is előfordult, ilyenkor a tó kifolyása erősen lecsökkent vagy megszűnt, csökkent a tó vízcseréje, és átmenetileg romlott a tó vízminősége. 2 ábra A Balaton vízháztartási jelleggörbéi 2. Az éghajlatváltozás hatásvizsgálatának módszere 2.1 Az éghajlati forgatókönyvek

3 Az éghajlati hatásvizsgálatok az éghajlati forgatókönyvekből indulnak ki. Sokféle éghajlati forgatókönyv létezik attól függően, hogy az éghajlat modellezése a társadalmigazdasági fejlődés milyen pályájával, és azokhoz kapcsolódva az üvegházgázok milyen kibocsátási forgatókönyvével (SRES-forgatókönyv, SRES emissziós szcenárió) számol, továbbá milyen éghajlati modellt (GCM-modell) használ. A globális éghajlati forgatókönyvek értékelésére Ruosteenoja et al. (2003) összehasonlították a négy lehetséges SRES forgatókönyvből (A1, A2, B1, B2) kiinduló, a hét legfejlettebb éghajlati modellel (CCR/NIES, CGCM2, CSIRO Mk2, ECHAM4/OPYC3, GFDL R30, HadCM3 és NCAR DOE PCM) készített 28 globális éghajlati forgatókönyv eredményeit három időtávlatra. A globális éghajlati forgatókönyvek a világot 32 régióra osztják fel. Európát két régióra osztották, Észak- és Dél-Európára, a szélességi kör mentén (1. táblázat). Dél-Európa magában foglalja a teljes mediterrán térséget, és Afrika északi partjait. 1. táblázat Éghajlati forgatókönyvek (Ruosteenoja et al nyomán) Hőmérséklet változása, C Csapadék változása, % D-F M-M J-A S-N D-F M-M J-A S-N Észak-Európa ,5-2, (-5) - 8 (-4) (-10) , (-21) Dél-Európa (-8) - 6 (-10) - 7 (-25) - 26 (-10) , ,5-5,5 1,5 4,5 (-16) - 8 (-15) - 0 (-42) - 20 (-30) , ,5 8 (-16) -12 (-31) - 5 (-60) - 22 (-32) - 0 D-F - december-február, M-M március-május, J-A június-augusztus, S-N szeptember-november Európára valamennyi éghajlati forgatókönyv a hőmérséklet emelkedését jelzi előre minden évszakban, csapadék tekintetében a legtöbb forgatókönyv a téli időszakban növekedést, más évszakokban csökkenést jelez előre. Az előre jelzett változások mértékében az egyes éghajlati forgatókönyvek között jelentős eltérések vannak, a csapadék esetében gyakran még a változás előjelét tekintve is (1. táblázat). A bizonytalanság az időtávlat növekedésével növekszik. Dél-Európára például a június-augusztus hónapokra az éghajlati forgatókönyvek az egyes időtávlatra 1-3 C, 1,5-5,5 C, illetve 2-9 C határok között jelzik előre a hőmérséklet emelkedését, az időszak csapadéka 2025-re egyes forgatókönyvek szerint 25%-kal csökken, más forgatókönyv szerint ugyanilyen mértékben nő. A Balaton vízmérlegének éghajlati hatásvizsgálatában az A2 és B2 SRES forgatókönyvből kiinduló HadCM3 éghajlati modellel készült globális éghajlati forgatókönyvet használtuk fel. Rövidebb időtávlatra, 2025-re felhasználtuk az ECHAM4 éghajlati modellel készült éghajlati forgatókönyvet is (2. táblázat). Az átlagos évi változásokat az egyes évszakokra előre jelzett változások átlagaként számítottuk. A hőmérsékletnek és a csapadéknak a HadCM3 és ECHAM4 éghajlati modellekkel 2025-re készített előrejelzéseivel jól egyeznek az Országos Meteorológiai Szolgálat által a globális melegedés alacsonyabb fokozatára készített hazai előrejelzései, amelyek az évi középhőmérséklet 1-2 C növekedésével, és az évi csapadék 10%-os csökkenésével számolnak (Bartholy et al. 2005). A globális melegedés magasabb fokozatában jelentős eltérések mutatkoznak a csapadék hazai előrejelzései, illetve a HadCM3 és ECHAM4 éghajlati modellekkel készített előrejelzések között: az utóbbiak csökkenést, a hazai éghajlati forgatókönyvek 30%-ig terjedő növekedést jeleznek előre (Bartholy et al. 2005).

4 2.táblázat A Balaton vízmérlegének hatásvizsgálatához felhasznált éghajlatváltozási forgatókönyvek Éghajlati SRES modell D-F M-M J-A S-N D-F M-M J-A S-N D-F M-M J-A S-N Hőmérséklet változása, C HadCM3 A B ECHAM4 A B Csapadékváltozás, % HadCM3 A B ECHAM4 A2 A B2 B D-F - december-február, M-M március-május, J-A június-augusztus, S-N szeptember-november 2.2 Az éghajlati hatásvizsgálat módszere Az éghajlati hatásvizsgálatban a vízmérleg elemeket mind a jelen, mind a jövő éghajlatára ugyanolyan módszerrel állítottuk elő. A tófelületre hulló csapadékot a jelenlegi éghajlatra az időszak észlelt értékei alapján számítottuk, a jövőbeli éghajlatra elfogadtuk az éghajlati forgatókönyvekben előre jelzett értékeket. A tófelületi (potenciális) párolgást a múltbeli észlelési adatok alapján szerkesztett E w = 191T 0.66, (2) empirikus képlettel (Nováky 1994) számoltuk mind a jelenlegi, mind a jövő éghajlatra. A (2) képletben T az átlagos évi középhőmérséklet, E w a számított tófelületi párolgás. A képlet szerkesztéséhez 65 év észlelt hőmérsékleti értékeit és a tó vízfelületi párolgásának Meyer-képlettel számított értékeit használtuk fel. Az éghajlati hatásvizsgálatban az átlagos évi középhőmérsékletet a jelen éghajlatára az időszak észlelt értékeiből számítottuk, a jövő éghajlatára elfogadtuk az éghajlati forgatókönyvekben előre jelzett értékeket. A vízgyűjtő lefolyását (a tóhoz való hozzáfolyást) mind a jelen éghajlatra (3. ábra), mind a jövő éghajlatára számítottuk egy egyszerű felépítésű térben osztott éghajlat-lefolyás modellel. A lefolyás modellezése során a Balaton vízgyűjtőjét 144 cellára (grid) osztottuk. Az átlagos évi csapadék és évi középhőmérséklet térképeinek digitalizálásával számítottuk az átlagos évi középhőmérséklet (T grid ) és csapadék (P grid ) cellánkénti értékeit az időszakra. Az átlagos évi lefolyás cellánkénti értékeit az R grid = P grid exp[-λe w, grid /P grid ], (3) empirikus összefüggéssel számítottuk. A képletben E w, grid a (2) empirikus képlettel számolt potenciális párolgás, λ - modellparaméter, amelyet az időszak észlelt lefolyás értékei alapján arányosítottunk be. A λ arányosításához (kalibrálásához) felhasznált lefolyás értékek a Zala három vízhozam-mérő állomásának (Zalabér, Zalaegerszeg, Zalaapáti) lefolyás értékei voltak. A λ paraméter értéke 1,55-re adódott. A három vízhozam-mérő állomáson az átlagos évi lefolyás időszakban észlelt értékei 117, 113 és 118 mm, míg a modellezett értékek 122, 151 és 114 mm voltak. A lefolyás számított és észlelt értékei

5 közötti eltérés a legmegbízhatóbbnak tekinthető Zalaapáti állomásra 3%. A teljes vízgyűjtő lefolyás modellezett értéke a cellánkénti lefolyás valamennyi cellára számított értékének területi átlagaként számítható. Jelenlegi éghajlati állapot ( ) Lefolyás, mm ábra A modellezett átlagos évi lefolyás a Balaton vízgyűjtőjében (jelenlegi éghajlat, ) Az éghajlati hatásvizsgálatban feltételeztük, hogy az átlagos évi középhőmérséklet és csapadék változása valamennyi cellára azonos lesz és egyenlő az éghajlati forgatókönyvben előre jelzett értékekkel, továbbá feltételeztük a (2) és (3) empirikus képletek, valamint a λ paraméter stabilitását. Az éghajlati hatásvizsgálatban használt (3) egyenlet az eredeti R = Pexp[-r/LP] (4) Budiko féle képlet módosított változata. Az eredeti Budiko-képletben r a sugárzási egyenleg, L a párolgás rejtett hője, r/l az elméletileg lehetséges párolgás, r/lp az ariditási tényező. Az elméletileg lehetséges párolgást a (3) módosított Budiko-képletben a vízfelületi párolgás értékével jellemeztük. A Budiko-képlet az átlagos évi lefolyás számítására és térképezésére egyik leggyakrabban használt képlet (Rees et al. 1997). Az átlagos évi hőmérséklet, csapadék és lefolyás modellezett értékeit felhasználva a Balaton vízmérlegét és vízháztartási jelleggörbéit előállítottuk a választott éghajlati forgatókönyvekre.

6 3. Eredmények A Balaton vízmérlegének és az egyensúlyi tófelületnek az éghajlati forgatókönyveknek megfelelő új éghajlatra előre jelzett értékeit a 3. táblázatban összegeztük. 3. táblázat Az éghajlatváltozás hatása a Balaton vízmérlegére és az egyensúlyi vízfelületre Időtáv SRES GCM P tó R vgy R tó P tó +R tó E tó R ki R ki /E tó F egy A2 HadCM ECHAM B2 HadCM ECHAM A2 HadCM B2 HadCM A2 HadCM B2 HadCM P tó a tóra hulló csapadék (mm), R vgy és R tó hozzáfolyása a vízgyűjtőről és a tófelületre átszámítva (mm), E tó a tófelület párolgása, R ki a tóból való kifolyás (vízeresztés), (mm), F egy egyensúlyi vízfelület, km 2 Rövidebb időtávra, 2025-re az éghajlati hatásvizsgálatot minden éghajlati forgatókönyvre elkészítettük. Az éghajlati hatásvizsgálat szerint az átlagos évi középhőmérséklet 1,3-2,0 C-os növekedése a vízfelületi párolgás 8-12%-os növekedéséhez vezet, míg a tófelületére hulló átlagos évi csapadék várhatóan 3-8%-kal csökken. A párolgás növekedése és a csapadék csökkenése a vízgyűjtő lefolyásának csökkenéséhez vezet. A lefolyás csökkenésének mértéke az A2 SRES forgatókönyvből kiindulva mind a HadCM3, mind az ECHAM4 éghajlati modellel, továbbá a B2 SRES forgatókönyvből kiindulva az ECHAM4 éghajlati modellel előre jelzett éghajlatváltozás esetén közel azonos, 27-29%. A B2 SRES forgatókönyvből kiindulva a HadCM3 éghajlati modellel előre jelzett éghajlatváltozás esetén a lefolyás csökkenése ugyanakkor 41% (4. ábra). B2 SRES, HadCM3, 2025 B2 SRES, HadCM3, 2050 Lefolyás, mm ábra A Balaton vízgyűjtő modellezett átlagos lefolyása a B2 SRES-forgatókönyv esetén A tó kifolyása az éghajlati forgatókönyvek többségénél a jelenlegi 38-44%-ára csökken, de a legkedvezőtlenebb éghajlati forgatókönyv esetén a jelenleginek 13%-ára. A teljes vízbevétel 78-80%-a távozik párolgással, a legkedvezőtlenebb esetben a 92%-a,

7 szemben a mai 60%-os aránnyal. A tó egyensúlyi felülete a jelenlegihez képest lecsökken jellemzően 950 km 2 körüli értékre, ami mintegy 1,5-szerese a tényleges tófelületnek. A tó vízcseréje számottevően csökkenhet, ami negatív hatással lehet a tó vízminőségére. Hosszabb időtávlatra a számításokat csak a HadCM3 éghajlati modellel készített éghajlati forgatókönyvekre végeztük el, mindkét SRES forgatókönyvre. A 2050-es időtávlatra végzett éghajlati hatásvizsgálat a két SRES forgatókönyvre hasonló eredményeket ad, a tó párolgása 17%-kal növekszik, a tóra hulló csapadék 10-13%-kal, a tó vízgyűjtőjéről érkező lefolyás 51-54%-kal csökken (4. ábra). A csökkenő lefolyás, azaz a tó hozzáfolyása nem lesz elegendő, hogy egyensúlyozza a tó felületének megnövekvő párolgását, ezért a tó egyensúlyi vízfelülete számottevően, 12-22%-kal csökken, a Balaton zárt, lefolyástalan tó lesz. A 2075-re még kedvezőtlenebbül alakulhat a tó vízháztartása. A B2 forgatókönyvből kiindulva a csapadék (következésképpen a vízgyűjtő lefolyás) növekedése jelezhető előre a 2050-eshez képest. A csapadék növekedés aligha ellensúlyozhatja a tófelület megnövekvő párolgását, ezért az egyensúlyi vízfelület tovább csökkenhet és a jelenlegi 56%-át teheti ki. Még nagyobb változás lehetséges az A2 forgatókönyv esetén. Az átlagos évi középhőmérséklet 5 C növekedése a tó párolgását 30%-kal is növelheti, és ez a csapadék 28%-os csökkenésével együtt a Balaton egyensúlyi vízfelületének jelentős csökkenéséhez vezet. Az új egyensúlyi vízfelület 120 km 2, a jelenlegi alig 20%-a lehet (5. ábra). A tó lefolyástalan zárt tóvá alakulhat, amelynek jelenlegi vízszintje mesterséges beavatkozás nélkül nem tartható Egyensúlyi tófelület, km Jelenlegi Időtávlat A2 B2 SRES forgatókönyvek 5. ábra A Balaton egyensúlyi vízfelületének változása különböző éghajlati és SRES kibocsátási forgatókönyvek esetén 4. Megvitatás Az éghajlati hatásvizsgálat számos különböző eredetű bizonytalanságot rejt magában, ezért a bemutatott eredményeket óvatosan kell fogadnunk. A bizonytalanság növekszik az időtávlat hosszával. Bizonytalan, miként folytatódik az üvegházgázok kibocsátása a harmadik évezredben, melyik SRES forgatókönyv valósul meg. Rövid és közepes időtávon a SRES forgatókönyvből eredő bizonytalanság kisebb, hosszabb távon azonban meghatározó lehet. A bizonytalanság másik forrása az előrejelzéshez használt éghajlati modell bizonytalansága. Jelentős különbségek vannak a különböző éghajlati modellel végzett hőmérsékleti és

8 csapadék előrejelzésekben, főként a GCM-en alapuló előrejelzések és a GCM-ből hazánkra (Magyarországra) leskálázott értékek között. A bizonytalanság további forrása az éghajlatlefolyás modell bizonytalansága. Nehéz megmondani, hogy a jelen éghajlatra sikeresen alkalmazott modell hogyan viselkedik az éghajlat változása esetén, nehéz, szinte lehetetlen a modell stabilitását igazolni (verifikálni) az új éghajlatra. Mindezen bizonytalanságok csökkentése alapvető feladat a jövőben. A bizonytalanságok ellenére is mondhatjuk, hogy a Balaton térségében az éghajlat melegebbé és szárazabbá válása a jövőben a tó vízháztartási viszonyainak jelentős romlásához vezethet, ami ezért a tó különböző célú hasznosításában jelentős kihívást jelent. Irodalom Arnell, N.W., 2004: Climate change and global water resources: SRES emissions and socio-economic scenarios. Global Environmental Change. Vol. 14, No1. Bartholy, J., Mika, J., Pongrácz, R., Schlanger, V., 2005: A globális felmelegedés éghajlati sajátosságai a Kárpát-medencében. in Éghajlatváltozás a világban és Magyarországon (szerk.: Takács-Sánta András). Alinea Kiadó - Védegylet IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Sientific basis. Contribution of Working Group ( to the Third Assessment Report of the Intergovermental panel of Climate Change (Houghtoun J.T. et al.. eds.), Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, USA, 881 Mika J., 1999: A hazai vízgazdálkodási stratégia alakításánál figyelembe vett éghajlati szcenáriók. (alapozó tanulmány). A hazai vízgazdálkodás stratégiai kérdései (szerk.: Somlyódy L.). Stratégiai Kutatások a Magyar Tudományos Akadémián. Budapest Nováky, B. 1994: A Balaton természetes vízkészlet-változásának éghajlati összefüggései. A Magyar Hidrológiai Társaság VI. Országos Vándorgyűlése. Siófok, május I. kötet Nováky B., 2005: A Balaton vízpótlása és az éghajlat, in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám), Rees, H.G., Croker, K.M., Reynard, N.S. and Gustard, A (1997.: Estimation of renewable water resources in the Europian Union. In FRIEND 97, Regional Hydrology: Concepts and Models for Sustainable Water Resource Management, IAHS Publ Ruosteenoja, K., Carter, T.C., Jylha, K., Tuomenvirta, H, 2003: Future climate in world regions: an intercompariosn of model-based projections for the new IPCC emissions scenarios. The Finnish Environment, 644. Helsinki. Somlyódy L., 2005: A balatoni vízpótlás szükségessége: tenni vagy nem tenni?, in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám) Szesztay K., 1959: Tavak és tározómedencék vízháztartási jelleggörbéi. Földrajzi Értesítő, 2 Varga, Gy. 2005: A Balaton vízháztartási viszonyainak vizsgálata,, in A Balaton (szerk.: Szlávik L..). Vízügyi Közlemények (különszám), 2005.