1. Fejezet Hosszútávú regionális éghajlati előrejelzések alkalmazása a Balaton vízminőségi és vízháztartási modellezésében Az Európai Uniónak egy többéves, széleskörű összefogással végrehajtott projektje vizsgálta az éghajlatváltozásnak a tavakra gyakorolt hatását. A Climate and Lake Impacts in Europe (CLIME) elnevezésű projekt keretében, hosszútávú előrejelzések tükrében vizsgálták, hogy milyen hidrológiai, vízminőségi és biológiai következmények várhatóak Európa nagyobb tavain, tóvidékein. Minthogy a Balaton egyike volt a vizsgált tavaknak, adott volt a lehetőség a CLIME projekt keretében megszülető kutatási eredmények, illetve előrejelzések közvetlen hasznosítására. A tó vízminőségét meghatározó folyamatok modellezése több évtizedes múltra tekinthet vissza. A különböző tudományos műhelyek által kifejlesztett modellek egyike a japán szakértők közreműködésével elkészített BHTWaQe modellrendszer, amely alkalmas a tó hidrodinamikai, termodinamikai és vízminőségi jelenségeit két dimenzióban, a teljes vízfelületre kiterjedően egyszerre megragadni. A modell elvileg alkalmas arra, hogy segítségével feltételezett éghajlatváltozási szcenáriók következményeit vizsgálni lehessen. Minthogy a modell forráskódjával a Balatoni Integrációs és Fejlesztési Ügynökség rendelkezik, annak lehetőség is fennállt, hogy a modellt gyakorlatilag is alkalmassá lehessen tenni előrejelzett éghajlati helyzetek hatásainak szimulációjára. A következőkben számbavesszük a CLIME projekt eredményeit, azok felhasználhatóságát, ezt követően a BHTWaQe modell lehetőségeit az éghajlati változások leképezésében, végül a jelen fejezet hátralévő része az elvégzett éghajlatváltozási számításokat és ezzel összefügésben a CLIME-ból átvett információkat ismerteti. 1.1 A CLIME projekt Az Európai Unió által kezdeményezett Climate and Lake Impacts in Europe (CLIME) elnevezésű kutatási projekt célja olyan módszerek és modellek kifejlesztése, amelyek segítséget nyújtanak tavak és vízgyűjtőik vízgazdálkodásának, vízminőségvédelmének alakításához, figyelembe véve a jövőbeni klimatikus körülményeket is. Az 1980-as években indult projekt-sorozat utolsó fázisa 2003-ban kezdődött és 2005 decemberében fejeződött be. A projekt vezető intézménye a Svéd Meteorológiai és Hidrológiai Intézet (SMHI - Swedish Meteorological and Hydrological Institute), magyar résztvevői pedig a Veszprémi Egyetem és a Budapesti Műszaki Egyetem voltak. A projekt négy tematikus programba sorolt 10 munkacsomag köré szerveződött, ezek az alábbiak voltak: Regionális éghajlati hatások - Regionális éghajlat modellek; - Időjárás generátorok. 1-1
Integrált tó- és vízgyűjtőmodellek - Foszfát és nitrát; - Oldott szerves szén; - Fitoplankton. Regionális válaszok - Monitoring; - Hosszú távú változások; - Regionális koherencia. Hatáselemzés - Társadalmi-gazdasági hatások; - Döntéstámogatási rendszerek; - Információ terjesztés. A felsoroltak közül ezen a helyen elsősorban az első tematikus program, a regionális hatások modellezésének kérdései tarthatnak igényt részletesebb ismertetésre. 1.1.1 Regionális éghajlati hatások modellezése Az éghajlatváltozás legfontosabb hatótényezői, mint például az üvegház-hatást elősegítő széndioxid emisszió, elsősorban a globális légköri folyamatok módosításával fejtik ki hatásukat. Éppen ezért a klímaváltozás lokális szintű előrejelzése általában a globális jelenségekből indul ki és abból vezeti le a regionális szinten várható éghajlati következményeket. A CLIME projektben követett gondolatmenet a következő volt: - a globális és a helyi éghajlati, meteorológiai, hidrológiai vízminőségi, stb. folyamatok összefüggésének statisztikai vizsgálata; - a regionális koherencia vizsgálata; - globális éghajlati szcenáriók kiválasztása; - globális éghajlati modellek eredményeinek adaptálása a teljes vizsgált területre; - regionális éghajlati szcenáriók leszármaztatása a globális modellek eredményeiből. Globális és regionális éghajlati összefügések Az éghajlat, illetve egyes rendkívüli meteorológiai események tavakra gyakorolt hatásmechanizmusának (a projekt szóhasználatában: climatic forcing) elemzéséhez a CLIME projekt keretében jelentős erőfeszítéseket tettek a globális és a helyi jelenségek statisztikai összefüggésének tisztázására. A hatásokat a projekt regionális felbontását (Észak-Európa, Nyugat-Európa, Közép-Európa) követve régiók szerint is elemezték. A nagyobb léptékű klimatikus hatásokat az Észak-Atlanti Oszcilláció (North Atlantic Oscillation, NAO) és a Golf-áramlat alakulását jellemző indexekkel (NAOI, GSI) jelenítették meg, és ezeket hozták összefüggésbe a tavak hidrológiai, termális, vízminőségi és hidrobiológiai jelenségeivel. A vizsgált tavi jellemzők között kiemelt szerepet kapott a hozzáfolyás, a vízhőmérséklet, a jégjelenségek (beállás, olvadás időpontja, jégborítás időtartama), a foszfor- és nitrogénterhelés, a tőzeg eredetű, elszíneződést okozó oldott szerves szén terhelés, valamint a fitoplankton alakulása. 1-2
Regionális koherencia Ugyancsak vizsgálat tárgya volt az egyes régiókon belüli koherencia, vagyis annak elemzése, hogy adott régión belül a tavakban megfigyelt változások milyen mértékig voltak hasonlóak. Ilyen regionális koherenciavizsgálatok a közép-európai régió tavai (osztrák és svájci alpesi tavak, illetve a Balaton) között meglepően nagy együttmozgást tükröztek. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy Európa nagy részén a szélsőséges meteorológiai/klimatikus jelenségek (pl. rendkívüli hófelhalmozódással járó telek, aszályos nyarak) azonos években következtek be. Ugyanakkor az alpesi tavak és a Balaton egyéb meghatározottságai olyannyira különbözőek, hogy a koherencia inkább csak a (párhuzamos) folyamatok irányváltozásait, mintsem mértékét jellemzi. Éghajlatváltozási szcenáriók Tekintettel a Föld éghajlatának globális és az emberi tevékenységek által nagymértékben befolyásolt voltára, az éghajlatváltozás előrejelzése nem nélkülözheti a jövőbeni társadalmigazdasági folyamatok előrejelzését. A hosszú távú éghajlati változások lehetséges okait és a szóbajöhető beavatkozások hatását foglalja össze az a jelentés, amelyet a UNEP és a WMO égisze alatt működő Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) adott ki Special Report on Emissions Scenarios 1 címmel. E tanulmány összefoglalja azoknak a kutatásoknak az eredményeit, amelyek többek között a Föld népessége alakulásának, a gazdasági fejlődés tendenciáinak, a fosszilis energia felhasználásának előrejelzésére történtek, és mindezeket összefüggésbe hozták a globális felmelegedésért elsősorban felelős széndioxid emisszióval. Az emisszió szcenáriók olyan, a XXI. században lehetséges fejlődési vonalakat, feltételezett, de jól körülírt forgatókönyveket jelentenek, amelyek jóllehet egymástól nagymértékben különböznek, azonban egyfajta referenciául szolgálnak az éghajlati kutatások, valamint a politikai döntéshozatal számára. CO 2 kibocsátási szcenáriók 1990 és 2100 között, az 1990 évi kibocsátáshoz viszonyítva. Forrás: IPCC, Special Report on Emissions Scenarios (SRES). 1 IPCC (2000) Special Report on Emissions Scenarios. Nebojsa Nakicenovic és Rob Swart szerk., Cambridge University Press, UK. pp 570. Lásd: http://www.grida.no/climate/ipcc/emission/ 1-3
A széndioxid emisszió feltételezett alakulásából számítható a légkör CO 2 koncentrációjának változása, és ez szolgál alapul a globális éghajlat modellekben (Global Circulation Model, GCM) a légköri üvegház-hatás számításához. A CLIME keretében az IPCC A2 és B2 jelű szcenárió családját választották a generálandó éghajlati : - Az A2 szcenárió család egy heterogén fejlődési utat követő, széttagoltabb világot tükröz, és ezzel együtt viszonylag alacsony jövedelemnövekedést. E szerint a Föld lakossága folyamatosan növekszik a XXI. század során. Új technológiák bevezetése kevésbé gyors, mint más szcenáriókban. - A B2 szcenárió család esetében szintén feltételezték a Föld lakosságának növekedését, azonban az A2-nél kisebb ütemben. A szcenárióban érvényesül a gazdasági, társadalmi és környezeti fenntarthatóságra való törekvés, emiatt a CO 2 kibocsátás alatta marad az A2 szcenáriókénak. Globális és regionális éghajlat modellek, regionális átszámítás A vizsgálatokhoz felhasznált, a XXI. század második felére (2071-2100) vonatkozó éghajlati szcenáriókat két változatban, két hosszútávú globális előrejelző modell segítségével generálták. Ez a két GCM (Global Circulation Model) az alábbi volt: - HadAM3p (Met Office, Hadley Centre for Climate Prediction and Change, Exeter, UK) - ECHAM4/OPYC3 (Max Planck Institut, Németország) A két modell által szolgáltatott eredmények a főbb meteorológiai jellemzők tekintetében egymástól nagymértékben különbözőek voltak. A jelenlegi állapothoz képest az ECHAM4 modell mutatott nagyobb eltérést. A globális modellekből kapott eredményeket regionális éghajlati modellek (RCM, Regional Climate Model) segítségével számították át helyi regionális léptékre (downscaling). A felhasznált három regionális modell a következő volt: - RCAO-A és RCAO-H (Rossby Centre regional Atmosphere-Ocean model, SMHI - Swedish Meteorological and Hydrological Institute) - HadRM3p (Met Office, Hadley Centre for Climate Prediction and Change, Exeter, UK) Tekintettel arra, hogy az éghajlatváltozás hatásainak modellezésére idősorokra is szükség volt, mégpedig statisztikai szempontból is értékelhető módon, ezért a regionális modellek révén 30 év hosszúságú, a 2071-2100 évek éghajlati helyzetének megfelelő meteorológiai adatsorokat generáltak, a vizsgált területen észlelt adatsorok felhasználásával. A regionális átszámítás egy további eszközeként egy, az éghajlati modellezésnél egyszerűbb eljárást, a delta change módszer 2 is felhasználták. Ennek lényege, hogy az előrejelzett állapot jellemzésére a múltban észlelt adatsorokat használják fel, korrekciós tényezőkkel 2 Hay, L.E., R.L. Wilby, and G.H. Leagesley, 2000: A comparison of delta change and downscaled GCM scenarios for three mountainous basins in the United States. Journal of the American Water Resources Association, 36, 387-397. 1-4
módosítva azokat. Az additív vagy multiplikatív korrekciós tényezőket az észlelt és a globális vagy regionális modell által szolgáltatott előrejelzett éghajlati jellemzők átlagos és szélső értékei különbségének megfelelően veszik fel. A regionális éghajlati modellek mint a regionális átszámítás eszközei iránt csak mérsékelt bizalom alakult ki a projekt tapasztalatai alapján, többek között amiatt, mert az alkalmazott két modell azonos feltételek mellet egymástól lényegesen különböző eredményeket adott. A projekt résztvevőinek megítélése az volt, hogy egyszerűbb volta és konzisztensebb eredményei a delta change módszert a regionális modellek fölé helyezik. Megjegyzendő azonban, hogy noha a delta change módszer, vagy a hasonló elveket követő más módszerek 3 széles körben használatosak, az éghajlatváltozás többféle következményét, így például a csapadék gyakoriság változását nem tudják visszaadni. 1.1.2 A CLIME-DSS döntéstámogatási modell A projekt egyik módszertani fejlesztési eredménye volt a Helsinki Egyetem kutatói által kidolgozott, a döntéshozók és adott esetben a nyilvánosság tájékoztatására is alkalmas döntéstámogatási modell, amely az interneten keresztül, interaktív módon is működtethető. (Jelenleg a rendszer csak a CLIME honlapján keresztül és csak a projekt résztvevői számára hozzáférhető, a későbbiekben a Helsinki Egyetem honlapjára kerül át.) A rendszer célja az éghajlati és limnológiai változók (jégképződés és -olvadás időpontja, vízhőmérséklet, oldott szerves szén, algavirágzás, stb.) közötti oksági összefüggések valószínűségi elemzése, illetve az éghajlati változások térképi szemléltetése. A modell funkciói: - Az Európa területére előrejelzett éghajlati változások szemléltetése. (pl. Melyek azok a területek, amelyek jelenlegi éghajlata megfelel adott pont előrejelzett éghajlatának?) - Az egyes tavak vízminőségében előrejelzett változások szemléltetése (Magyarországi tavakra nem vonatkozik adathiány miatt); - A projekt eredményeinek a végfelhasználók számára használható, illetve a nyilvánosság számára hozzáférhető formában történő összefoglalása. (Grafikus megjelenítés, a változások és az előrejelzés bizonytalanságának érzékeltetése). A JAVA applet formájában elkészített modell egyik praktikus haszna, hogy segítségével könnyen összehasonlíthatóak a különböző regionális klímamodellek által számított, illetve az A2 és B2 éghajlati szcenáriókból adódó térképi eredmények. A döntéstámogatási modell egy jellemző képernyő-képét szemlélteti a következő ábra. 3 Wilby et al.: Guidelines for use of Climate Change Scenarios Developed from Statistical Downscaling Methods. IPCC, August 2004., pp. 27. 1-5
Képernyő kép a CLIME-DSS-ről: A megjelenített térkép a B2 éghajlati szcenárió esetében, az őszi csapadékváltozás területi eloszlását ábrázolja, az RCAO-E regionális éghajlati modell eredményei alapján. A képernyőn látható táblázat a Balaton környezetében érvényes éghajlati jellemzőket mutatja az A2 és a B2 szcenáriók, illetve a kontroll időszak (1961-1990) adatainak feltüntetésével. 1.2 A BHTWaQe modell A Balaton vízminőségének, illetve az azt befolyásoló áramlási és hőháztartási folyamatoknak számszerűsítésére 1997-2003 között, a japán kormány támogatásával és japán szakértők munkájával kifejlesztésre és a Balatoni Integrációs és Fejlesztési Ügynökség Kht. -nél telepítésre került egy számítógépi modell, amely a legtöbb tekintetben felülmúlja a hasonló célú, hazai fejlesztésű modelleket. A programrendszer négy egységből: egy hidrodinamikai, egy termodinamikai és egy vízminőségi modulból, valamint egy grafikus megjelenítő modulból áll. A hidrodinamikai modul segítségével a hozzáfolyás, a vízeresztés, valamint a szél hatására a tóban kialakuló áramlások, a vízfelszín lengése, illetve a hullám-magasság számítható, míg a termodinamikai modul révén a vízhőmérséklet alakulása. A vízminőségi modul elsősorban a Balaton foszfor háztartását követi figyelemmel, mégpedig a víz állapotának romlásában nagy szerepet játszó algafaj, a Cylindrospermopsis raciborskii tápanyag felvételének és szaporodásának biokémiai modellezésével. 1-6
A modell magas színvonalát többek között az alkalmazott hatékony matematika algoritmusoknak köszönheti, amelyek segítségével a tóban zajló folyamatokat térben és időben nagy részletességgel képes számítani (a tó területét 7200 egységre bontva, illetve a változásokat akár 10 perces időlépésekkel nyomonkövetve). A programrendszer részét képező, a számítási eredmények képi megjelenítését lehetővé tevő modul nemcsak a modellt használó szakember számára segíti az eredmények kiértékelésében, de a döntéshozók számára is jól áttekinthető módon szemlélteti a vizsgált folyamatok alakulását a tó teljes területén. A Balaton vízminősége térben és időben lejátszódó változásainak mozgófilm-szerű megjelenítése a nyilvánosság tájékoztatására is alkalmas eszköz. A BHTWaQe-modell fő felhasználási területe az előrejelzés, illetve a tó vízminőségéhez kapcsolódó döntések támogatása. 1.3 Éghajlatváltozási számítások a Balaton térségére Jelen munka céljai között kezdettől fogva szerepelt a CLIME projekt eredményeinek a lehetőségek szerinti hasznosítása, annál is inkább, mert a Balaton egyike volt a projekt mintaterületeinek, és ezáltal a projekt eredményeinek potenciális felhasználójaként a Balatoni Integrációs és Fejlesztési Ügynökség Kht. számára is hozzáférhetővé tették a nem nyilvános kutatási jelentéseket és a kifejlesztett számítógépi programokat. Minthogy a tó vízminőségi folyamatai nagymértékben függnek a meteorológiai feltételektől (léghőmérséklet, szél, besugárzás, csapadék, páratartalom, stb.), ezért a vízminőség előrejelzése a meteorológiai tényezők előrejelezhetőségének mértékéig lehetséges. Feltételeztük, hogy a CLIME projekt keretében előállított hosszú távú, a klimatikus változások feltételezett hatásait is tükröző, napi meteorológiai adatsorok birtokában, a BHTWaQe modell segítségével több évtizedet átfogó időszakra számszerűsíthetőek lesznek a Balaton állapotának változásai. Sajnálatos módon, a projektnek viszonylag kevés eredménye köthető a Balatonhoz. Ennek elsődleges oka a meteorológiai adatok hiánya volt: a projektben az éghajlati modellekhez és statisztikai elemzésekhez felhasznált 30-50 éves, napi csapadék és hőmérséklet adatsorok beszerzése és a modellező szakemberek rendelkezésére bocsátása a projekt időtartama alatt a magas költségigény miatt nem realizálódhatott. A projekt 2005 végi zárása során derült ki véglegesen, hogy meteorológiai idősorok generálására a CLIME során már bizonyosan nem került sor: sem az idősor szintű éghajlatváltozási számítások, sem a CLIME-DSS döntéstámogatási modell tavi nem terjedt ki a Balaton térségére. Mindössze a főbb meteorológiai jellemzők havi középértékei állnak rendelkezésre, azok, amelyeket a három regionális modell (RCAO-A, RCAO-H, HadRM3p) a kiválasztott két éghajlati szcenárió alapján a teljes vizsgált európai területre kiszámított. Így a feladat tehát nem a BHTWaQe modell input alrendszerének módosítása, a nagymennyiségű (több évtizedes, napi felbontású) adat fogadásához, hanem a rendelkezésre álló eszközök és a CLIME projekt tapasztalatai felhasználásával az előrejelzett meteorológiai adatok előállítása. 1-7
1.3.1 A delta change módszer alkalmazása előrejelzett napi meteorológiai adatsorok előállítására A adatgenerálás eszközéül a delta change módszer kínálkozott, amelyhez jó tapasztalatok fűződtek a CLIME projekt során, alapjául pedig a regionális éghajlati modell előrejelzett havi átlagos értékei szolgáltak. Az alábbi táblázatok az általunk kiválasztott RCAO-H regionális éghajlati modell és a B2 éghajlati szcenárió előrejelzett havi értékeit tartalmazzák 4. A csapadékadatok generálása a rendelkezésünkre álló három, meglehetősen eltérő meteorológiai helyzeteket tükröző év, az 1994, 1995 és 1996 évek napi adatainak a táblázatokban található korrekciós tényezőivel történt. A napi csapadékadatok korrekciója az 1961-1990 évek, mint kontrol időszak, illetve az előrejelzett 2071-2100 évek havi átlagai közötti arányszámokkal, mint szorzótényezőkkel történt. A léghőmérséklet adatok transzformációja hasonlóképp, de additív módon történt. Havi csapadékösszegek, mm Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Év Kontrol időszak: 1961-1990 40,8 33,6 40,4 58,8 50,8 49,2 36,0 32,2 40,3 47,8 71,2 54,9 556,0 RCAO-H B2, 2071-2100 51,6 53,5 64,6 67,0 56,2 37,4 32,0 24,8 31,5 51,3 60,4 67,1 597,4 Előrejelzett változás (arány) 1,3 1,6 1,6 1,1 1,1 0,8 0,9 0,8 0,8 1,1 0,8 1,2 1,1 Havi középhőmérséklet, C Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec Év Kontrol időszak: 1961-1990 1,9 4,1 7,1 11,1 16,5 20,4 23,1 22,9 17,5 11,1 5,9 3,1 12,1 RCAO-H B2, 2071-2100 3,8 5,6 8,6 12,8 18,3 23,3 27,0 27,7 21,4 13,7 8,6 5,3 14,7 Előrejelzett változás (különbség) 1,9 1,5 1,5 1,7 1,8 2,9 3,9 4,8 3,9 2,6 2,7 2,2 2,6 A mérsékeltebb B2 éghajlati szcenárió az évi átlagok szintjén mintegy 10% csapadéknövekedést és 2,6 C hőmérséklet növekedést jelent. 4 Patrick Samuelsson: Climate and Lake Impacts in Europe RCAO and HadRM3p simulation results with focus on CLIME lake sites, CLIME Report EVK1-CT-2002-00121, 2004. 1-8