CSAPADÉKINDEXEK VÁRHATÓ TRENDJEI KÖZÉP-KELET- EURÓPÁBAN AZ ENSEMBLES SZIMULÁCIÓK KORRIGÁLT NAPI CSAPADÉKÖSSZEGEI ALAPJÁN PROJECTED TRENDS OF PRECIPITATION INDICES IN CENTRAL/EASTERN EUROPE USING BIAS-CORRECTED DAILY PRECIPITATION OF THE ENSEMBLES SIMULATIONS Kis Anna 1, Pongrácz Rita 1 1 Eötvös Loránd Tudományegyetem, Meteorológiai Tanszék, kisanna@nimbus.elte.hu Abstract Climate change does not only mean higher temperature values, but more frequent and more intense extreme weather events as well. In this study precipitation tendencies and extreme precipitation are analysed for Central/Eastern Europe (43.625 50.625 N; 13.875 26.375 E), for 1951 2100. We used daily outputs of 11 regional climate model simulations from the ENSEMBLES project with 25 km horizontal resolution for the A1B emission scenario. In order to eliminate the systematic errors of the model simulations, a percentile-based bias-correction method was applied; for which the E-OBS database (1951 2000) served as reference. After the correction precipitation-related indices and the 10-year return period of daily precipitation were calculated for nine subregions in the selected domain. Our results suggest that in winter and autumn more precipitation days and more extreme precipitation are likely to occur, mainly in the northern regions, while in summer drier conditions are estimated, especially in the southern parts of the selected domain. Precipitation intensity is projected to increase in all seasons. Kulcsszavak: csapadékindexek, visszatérési idő, extrém csapadéktevékenység, hibakorrekció, éghajlatváltozás, regionális klímamodellek Keywords: precipitation-related indices, return period, extreme precipitation, biascorrection, climate change, regional climate models Bevezetés A Föld éghajlata állandóan változik természetes folyamatok hatására, ám a XX. század közepe óta eddig nem tapasztalt gyorsasággal növekszik a globális átlaghőmérséklet amelyért nagyrészt az antropogén tevékenység felelős. Az éghajlatváltozás azonban nem csupán magasabb hőmérsékleti értékekkel jár: napjainkban egyre gyakoribbá válnak a szélsőséges időjárási események (heves záporok, zivatarok, tartós aszályok, hőhullámok) is (IPCC 2011), amelyek számos környezeti-, gazdasági-, természeti- és egészségügyi kárt okozhatnak. Annak érdekében, hogy az elkövetkező évtizedekben megfelelő alkalmazkodási stratégiákat dolgozhassunk ki, rendkívül fontos, hogy minél pontosabban becsüljük a jövőben várható trendeket. Dolgozatunkban a csapadékot vizsgáljuk, amelynek túlzott hiánya vagy többlete jelentős károkat okozhat aszályok, árvizek, belvizek formájában. Kutatásunk során a
napi csapadék visszatérési idejét, valamint csapadékindexeket elemzünk az 1951 2100 időszakra vonatkozóan a Kárpát-medence régiójára fókuszálva. Felhasznált adatok és alkalmazott módszerek A csapadéktendenciák elemzéséhez 11, az ENSEMBLES projekt (van der Linden és Mitchell 2009) keretében előállított regionális klímaszimuláció napi csapadékmezőit használtuk fel. Nyolc regionális klímamodell (RCM; ALADIN, CLM, HadRM3Q, HIRHAM, RACMO, RCA3, RegCM, REMO) szerepel vizsgálatunkban. Ezek közül két RCM-et több globális modellel (GCM) is meghajtottak, így valójában 11 szimuláció állt rendelkezésünkre. A modellek egységesen 25 km-es horizontális rácsfelbontással rendelkeznek és a közepesnek tekinthető A1B szcenáriót (Nakicenovic és Swart 2000) alkalmazzák. A kezdeti- és peremfeltételeket három különböző GCM szolgáltatta: a német ECHAM, a brit HadCM és a francia ARPEGE. 1. ábra: A megfigyelt adatsor, a nyers és a korrigált szimulációk empirikus eloszlásfüggvényei, 1951 2000 (RACMO modell januári szimulációja alapján, 47,625 N; 19,125 E) Figure 1. Empirical distribution functions of the observed data, the raw and the biascorrected simulations, 1951 2000 (based on RACMO simulation for January at grid cell 47,625 N; 19,125 E) Mivel az éghajlat egy rendkívül összetett rendszer, az RCM-szimulációk outputjai gyakran eltérnek a mérésektől: Magyarországon nyáron felül-, a többi évszakban pedig alulbecslés tapasztalható (Pongrácz et al. 2011). Annak érdekében, hogy ezeket az eltéréseket kiküszöböljük, elsőként hibakorrekciót (Formayer és Haas 2009) végeztünk el a modellekből kapott éghajlati mezősorokon. Referenciaként az állomási mérések felhasználásával készült E-OBS adatbázis (Haylock et al. 2008) szolgált (1951 2000). Mivel
két adathalmaz statisztikai szempontból közel egyezőnek tekinthető, ha eloszlásuk megegyezik, a modelloutputok eloszlásfüggvényét az E-OBS eloszlásfüggvényéhez igazítottuk (1. ábra). Az igazítás ún. multiplikatív korrekciós faktorok alkalmazásával történt havonta, rácspontonként és modellenként. A korrekció elvégzése után a modelleredmények által kirajzolt eloszlásfüggvény már az E-OBS eloszlásfüggvényéhez illeszkedik. Eredmények A hibakorrekció elvégzése után kiszámítottuk a napi csapadék 10 éves visszatérési idejét és a csapadékindexek várható változását a 2021 2050 és a 2071 2100 időszakokra, Közép-Kelet-Európa (43,625 50,625 N; 13,875 26,375 E) térségére. A szárazságra három indexet (DD: száraz napok száma; MDS: egymást követő száraz napok átlagos száma; CDD: egymást követő száraz napok maximális száma), és a csapadék intenzitására vonatkozóan is három indexet (RX1 és RX5: egy, illetve öt nap alatt lehullott maximális csapadékmennyiség; SDII: csapadékos napokon lehullott átlagos csapadékmennyiség) vizsgáltunk. Ezeken kívül további négy, egy-egy küszöbérték meghaladásával kapcsolatos indexet: RR1, RR5, RR10 és RR20 (az 1, 5, 10 és 20 mm-nél nagyobb csapadékú napok száma), valamint a napi csapadék 90., 95. és 99. percentilisét (R90p, R95p, R99p) is meghatároztuk. A 2. ábrán mutatjuk be a csapadékindexek XXI. század végére becsült változásait a teljes vizsgált területre vonatkozóan. A szimulációk szerint a jövőben szárazabb nyarakra számíthatunk majd: a DD 14%-kal, az MDS 38%-kal, a CDD 42%-kal fog átlagosan növekedni térségünkben. Az átmeneti évszakokban szintén szárazabb éghajlati viszonyok valószínűsíthetők (CDD esetén 10 11%-os növekedés), míg télen a teljes terület átlagát tekintve nem várható jelentős módosulás. Az RR1 és az RR5 értékei a tél kivételével minden évszakban csökkenni fognak. Az extrém csapadéktevékenység azonban (RR10, RR20, R90p, R95p, R99p) várhatóan növekedni fog, elsősorban télen és ősszel (RR10 átlagos növekedése télen 61%), míg nyáron, a délebbi területeken csökkenés valószínűsíthető (az átlagos csökkenés a teljes területen 25%). Tehát a XXI. század végére intenzívebb csapadéktevékenység várható, hiszen kevesebb napon nagyobb mennyiségű csapadék fog egyszerre lehullani. Ezt alátámasztja az SDII várható változása is: minden évszakban növekedés becsülhető, akárcsak az RX1 értékeiben. Az RX5 szintén növekedni fog, csupán nyáron valószínűsíthető csökkenés. A változások térbeli szerkezetét tekintve arra a megállapításra juthatunk, hogy a vizsgált terület északi régióiban az éghajlat nedvesebbé, míg délen szárazabbá fog válni a modellszimulációk szerint.
2. ábra: A vizsgált csapadékindexek 2071 2100 időszakra várható átlagos évszakos változása a teljes vizsgált területen (referencia időszak: 1961 1990) Figure 2. Estimated average seasonal changes of the selected precipitation indices for 2071 2100 in the entire domain (reference period: 1961 1990) Az RR5 (R nap 5 mm) és az RX5 (R max,5nap ) várható változását részletesebben is bemutatjuk két évszakra (tél és nyár) vonatkozóan (rendre a 3. és a 4. ábrán). A 11 hibakorrigált szimuláció szerint a XXI. század végére egyértelműen markánsabb változások várhatók, mint a század közepére. 3. ábra: Kompozit térkép az RR5 index télen és nyáron várható relatív változásáról (%) 2021 2050-re és 2071 2100-ra a 11 RCM-szimuláció meghajtó GCM-enként súlyozott átlaga alapján (referencia időszak: 1961 1990) Figure 3. Composite maps of the projected changes (%) of RR5 in summer and winter, for 2021 2050 and 2071 2100 based on driving GCM-weighted 11 RCM-simulations (reference period: 1961 1990)
Az 5 mm-nél nagyobb csapadékú napok száma télen várhatóan több lesz térségünkben (2021 2050-re átlagosan 9%-kal, 2071 2100-ra átlagosan 24%-kal), elsősorban az északi régiókban, Magyarországon és Románia középső részén (3. ábra). Nyáron azonban jelentősebb csökkenés valószínűsíthető az RR5 értékeiben (a becsült átlagos változás a teljes területen 2021 2050-re 9%, 2071 2100-ra 28%). Ebben az évszakban jól megfigyelhető az ÉNy-DK tengely menti gradiens: a várható átlagos változás a század végére DK-Csehországban, Magyarországon és Romániában rendre 15%, 28% és 36%. Az öt nap alatt lehullott maximális csapadékmennyiség is hasonló szerkezetű változásokat mutat (4. ábra), mint az RR5 várható változására vonatkozó térképek. Télen növekedést becsülnek a modellek (a XXI. század végére átlagosan 18%-ot), amely várhatóan a legnagyobb (20 30%) mértékű hazánk északi részén, Románia középső területein és DNy-Ukrajnában lesz. Nyáron a közelebbi jövőben K-Ausztriában, Szlovákiában, Románia keleti felén, valamint DNy-Ukrajnában is az RX5 növekedése várható, ám 2071 2100-ra már csökkenő tendencia dominál a teljes vizsgált területen (átlagosan 9%), Csehország és Ukrajna egyes részeit kivéve. 4. ábra: Kompozit térkép az RX5 index télen és nyáron várható relatív változásáról (%) 2021 2050-re és 2071 2100-ra a 11 RCM-szimuláció meghajtó GCM-enként súlyozott becslései alapján (referencia időszak: 1961 1990) Figure 4. Composite maps of the projected changes (%) of RX5 in summer and winter, for 2021 2050 and 2071 2100 based on driving GCM-weighted 11 RCM-simulations (reference period: 1961 1990)
A 2. ábrán láthattuk, hogy a csapadék intenzitására utaló indexek várhatóan minden évszakban növekedni fognak. Az RX5 értékeiben azonban nyáron csökkenés valószínűsíthető, hiszen a csapadéktevékenység ebben az évszakban elsősorban konvektív eseményekhez kötődik, amelyek jellemzően rövid életűek, nem maradnak fenn több napon keresztül. Összefoglalás Különböző csapadékindexeket vizsgáltunk az 1951 2100 időszakra, Közép-Kelet-Európa térségére vonatkozóan. A szimulációk mérésektől vett eltérésének mérséklése érdekében elsőként percentilis-alapú hibakorrekciót hajtottunk végre a nyers modelloutputokon. Eredményeink szerint hazánkban és a környező országokban a XXI. század végén gyakoribb lesz az extrém csapadéktevékenység, elsősorban télen és ősszel az északi régiókban. A jövőben nyáron szárazabb éghajlati viszonyok valószínűsíthetők, amely a vizsgált terület déli részén lesz a legjelentősebb a modellbecslések szerint. A csapadék intenzitása várhatóan minden évszakban növekedni fog. Köszönetnyilvánítás. Kutatásainkat támogatta az OTKA K-78125 számú pályázata, valamint a FuturICT.hu TÁMOP 4.2.2.C-11/1/KONV-2012-0013 kutatási pályázat. A felhasznált RCM-szimulációkat az ENSEMBLES projekt (http:// ensembles-eu.metoffice.com, 505539) keretében állították elő, melyet az EU FP6 program támogatott. Az E-OBS adatbázis alapját képező állomási adatokat az ECA&D projekt (http://eca.knmi.nl) bocsátotta rendelkezésre. Irodalom Formayer, H., Haas, P. 2009: Correction of RegCM3 model output data using a rank matching approach applied on various meteorological parameters. In: Deliverable D3.2 RCM output localization methods (BOKU-contribution, FP 6 CECILIA project) 11p. Haylock, M.R., Hofstra, N., Klein Tank, A.M.G., Klok, E.J., Jones, P.D., New, M. 2008: A European daily highresolution gridded data set of surface temperature and precipitation for 1950 2006. J. Geophys. Res., 113, 12p. D20119, doi:10.1029/2008jd010201. IPCC 2011: Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation. A Special Report of Working Groups I and II of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (Field, C.B., Barros, V., Stocker, T.F., Dahe, Q., Dokken, D.J., Plattner, G-K., Ebi, K.L., Allen, S.K., Mastandrea, M.D., Tignor, M., Mach, K.J., Midgley, P.M. eds.), Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. 582p. van der Linden, P., Mitchell, J.F.B. 2009: Summary of research and results from the ENSEMBLES project. Met Office Hadley Centre,