Aktuality SHMU

Výdatnosť atmosférických zrážok na Slovensku sa zvyšuje

V posledných dňoch sme boli na Slovensku svedkami viacerých situácií, kedy pri búrkach spadlo vo veľmi krátkom čase (niekoľko hodín) významne veľké množstvo zrážok, v niektorých lokalitách dokonca porovnateľné s celkovým júnovým (mesačným) úhrnom zrážok. V stredu, dňa 6. júna 2018, sa v Bratislave (a aj v ďalších oblastiach na západnom Slovensku) v popoludňajších až podvečerných hodinách vyskytli intenzívne zrážky, ktorých následkom bolo zatopenie viacerých miestnych komunikácií. Za 24 hodín spadlo napríklad v Bratislave na Kolibe 53,8 mm zrážok, v Bratislave na letisku 44,4 mm alebo v Čunove 55,7 mm. Veľa zrážok spadlo ojedinele aj inde, napr. v Žihárci 60,5 mm alebo v Jakubove na Záhorí 65,5 mm, prípadne v priestore južne od Nitry pravdepodobne aj viac ako 100 mm (ide však len o odhad na základe systému INCA; Obr. 1). Na niektorých miestach dosiahla intenzita krátkodobého dažďa aj viac ako 15 až 20 mm/15 min, čo je hodnota, ktorá sa v priestore Bratislavy vyskytuje v priemere s pravdepodobnosťou opakovania len raz za 10 až 20 rokov.

Zaujímavá situácia bola zaznamenaná aj na stanici Kuchyňa – Nový Dvor, situovanej neďaleko mesta Malacky na Záhorí, kde sme v troch za sebou nasledujúcich dňoch zaznamenali búrkovú činnosť sprevádzanú výdatným dažďom, pri ktorej bol v období 4. až 6. júna 2018 zaznamenaný trojdenný úhrn atmosférických zrážok 122,7 mm. V jednotlivých dňoch tohto trojdenného obdobia bol najvyšší úhrn nameraný hneď prvý deň – 4. júna, a to konkrétne 52,2 mm. Tento úhrn predstavuje druhý najvyšší denný úhrn zaznamenaný v mesiaci jún na stanici Kuchyňa – Nový dvor. Vyšší denný júnový úhrn tu namerali len 16. júna 2010 a to konkrétne 56,4 mm. V nasledujúcich dňoch boli na uvedenej stanici opätovne namerané vysoké denné úhrny zrážok, a to 5. júna – 49,5 mm a 6. júna 21,0 mm. Hodnoty denných úhrnov, ktoré boli dosiahnuté 4. a 5. júna predstavovali rekordné denné hodnoty pre dané dni. Významný sa javí aj dvojdenný úhrn atmosférických zrážok dosiahnutý v dňoch 4. a 5. júna – 101,7 mm. Tento dvojdenný úhrn predstavuje pre túto stanicu absolútne najvyššiu maximálnu dvojdennú sumu atmosférických zrážok zaznamenanú v mesiaci jún (Obr. 3) a celkovo štvrtý najvyšší maximálny dvojdenný úhrn nezávisle od mesiaca výskytu. (Absolútne maximum tejto charakteristiky 113,0 mm bolo zaznamenané zhodne v auguste 1955 a septembri 2014). Predchádzajúca najvyššia júnová dvojdenná suma 77,2 mm z roku 1969 tak bola prekonaná až o 24,5 mm. Pravdepodobnosť výskytu tohtoročného dvojdenného úhrnu zrážok v tejto lokalite pre mesiac jún výrazne presahuje 100 rokov.  Podobná situácia tam bola 24. mája 2018, kedy tam pri búrke napršalo 61,7 mm a tiež to bol na tejto meteorologickej stanici 2. najvyšší denný úhrn zrážok pre mesiac máj, aspoň od polovice minulého storočia. Vyššiu hodnotu zaznamenali 10. mája 1951, kedy tam napršalo 62,8 mm.

Obr. 1: Denný úhrn atmosférických zrážok v mm/24h na území Slovenska v období od 4. do 8. júna 2018 (denný úhrn v čase od 7.00 do 7.00 hod) na základe údajov systému INCA SHMÚ; úhrn zrážok za 4. 6. 2018 (vľavo hore), 5. 6. 2018 (vpravo hore), 6.6.2018 (vľavo dole), 7.6.2018 (vpravo dole), pre zväčšenie obrázku [Zdroj: SHMÚ]

Obr. 2: Priebeh zrážkovej epizódy z 6. júna 2018 prostredníctvom vývoja kumulatívneho úhrnu zrážok [mm] a zmeny intenzity dažďa na mneteorologickej stanici Bratislava-Koliba [Zdroj: SHMÚ]

Obr. 3: Maximálna suma 2-denného úhrnu atmosférických zrážok v júni [mm] na stanici Kuchyňa - Nový Dvor v období rokov 1951 až 2018 [Zdroj: SHMÚ]

V posledných rokoch sme mali len veľmi málo príležitostí vychutnať si pokojný a mierny dážď (krajinský dážď), ktorý by nás dokázal príjemne schladiť po teplom jarnom alebo horúcom letnom dni. Naopak, čoraz častejšie sme vo svojom okolí konfrontovaní s nebezpečenstvom extrémnych zrážok, ktorých krátkodobá intenzita (napr. za 15-30 min) často krát presahuje fyzikálne možnosti efektívnej absorpcie zemského povrchu zadržať veľké objemy vody. Tak v Európe, ako aj v iných častiach sveta registrujeme v posledných troch desaťročiach nárast výskytu mimoriadne vysokých krátkodobých a denných úhrnov zrážok, a to dokonca aj v oblastiach, kde priemerné ročné a sezónne úhrny atmosférických zrážok klesajú.

Napríklad, v posledných dvoch až troch dekádach registrujeme najmä v mimotropických oblastiach častejší výskyt extrémnych zrážok. Rastie nielen frekvencia ich výskytu, ale zvyšujú sa aj absolútne rekordy maximálnych denných či hodinových úhrnov. S výnimkou monzúnovej oblasti Ázie a oblastí s častým výskytom tropických cyklón, extrémy zrážok v tropickom pásme nezaznamenali žiadne zásadné zmeny. Je to aj preto, že z týchto oblastí väčšinou chýbajú kvalitnejšie údaje. Od polovice 20. storočia sa pritom intenzita krátkodobých zrážok zvýšila nad kontinentmi severnej pologule o 4 až 7 %, čo je už veľmi významný nárast. Ak však berieme do úvahy len zrážky konvektívneho charakteru – krátkodobé a veľmi intenzívne zrážky vyskytujúce sa aj pri búrkach – rast intenzity a výdatnosti zrážok je v takýchto prípadoch dokonca ešte rýchlejší, a to až o 14 % (Berg et al., 2013).

Hlavnou príčinou tohto trendu je predovšetkým vyšší obsah vodnej pary v zemskej atmosfére, ktorý rastie ako dôsledok zvyšovania priemernej globálnej teploty atmosféry a povrchu oceánov. Tento fakt pritom potvrdzujú nielen pozemné či satelitné merania, ale je fyzikálne konzistentný aj s teóriou, popisujúcou dynamické procesy spojené s tokmi vlhkosti v atmosfére a genézou atmosférických zrážok. Teória pritom uvádza, že teplejšia atmosféra, vyššia teplota povrchu oceánov a pevnín vedú nielen k vyššiemu výparu vody z ich povrchu, ale aj k schopnosti samotnej atmosféry zadržiavať väčšie množstvo vodnej pary. Jednoduchá fyzikálna úvaha nad Clausius-Clapeyronovou rovnicou nás privedie k empiricky dokázateľnému predpokladu, podľa ktorého oteplenie atmosféry (predovšetkým spodnej troposféry) o každý 1°C vedie k nárastu obsahu vodnej pary v atmosfére až o 7 %, čo zvyšuje nielen pravdepodobnosť výskytu extrémne vysokých úhrnov zrážok, ale prispieva aj k dynamickejším procesom tvorby zrážok – tento poznatok vyplýva z exponenciálnej závislosti medzi teplotou vzduchu a parciálneho tlaku vodnej pary v stave nasýtenia. Vlhšia atmosféra je nositeľom väčšieho množstva latentnej energie (skupenské teplo vyparovania), ktorá sa uvoľňuje pri kondenzácii vodnej pary. Konečným výsledkom môžu byť nielen výdatnejšie zrážky, ale aj silnejšie a deštruktívnejšie konvektívne búrky či tropické cyklóny. Preto, ak nad pevninami nastanú vhodné poveternostné podmienky, môže v konkrétnych prípadoch spadnúť v priemere o 20 až 50 % viac zrážok než v minulosti (napr. pred rokom 1990).

Obr. 4: Trendy maximálnych denných úhrnov zrážok v jednotlivých sezónach na Slovensku v období rokov 1951, resp. 1961 až 2010; trendy sú uvedené v hodnotách mm/desaťročie, červená predstavuje rast, modrá pokles maximálnych denných úhrnov zrážok [Zdroj: SHMÚ]

Ešte väčším problémom je rastúca intenzita krátkodobých zrážok, čo sa prejavuje v tom, že zrážky sú jednoducho prudšie. Významne sa zvyšujú predovšetkým intenzity 5 až 180 minútového dažďa, čo je možné zdôvodniť častejším výskytom krátkodobých konvektívnych zrážok a naopak zriedkavejším výskytom dlhotrvajúcich, zväčša stratiformných zrážok (na túto skutočnosť poukazuje aj analýza trendov denných maximálnych úhrnov zrážok v jednotlivých sezónach - k najrýchlejšiemu nárastu dochádza najmä na jar a v lete vo východnej polovici územia Slovenska, kde sa v tomto období vyskytujú častejšie konvektívne zrážky; Obr. 4). Tento trend je dominantný najmä v miernych a polárnych šírkach severnej pologule, kde je rast teploty najrýchlejší. Zaujímavým problémom je ale aj to, že úhrnné a „plošné“ globálne zrážky nerastú nakoniec tak rýchlo, ako by sme očakávali v súvislosti s rastom obsahu vodnej pary v atmosfére. Tento fakt má jeden dosť zásadný dôsledok pre globálny hydrologický cyklus. Doposiaľ vlhké oblasti sa stávajú ešte vlhšími, a naopak suché ešte suchšími. V oblasti miernych šírok sa to prejavuje napríklad aj v tom, že rastie podiel extrémne vysokých zrážok na ročnom úhrne.

Genéza extrémnych zrážok

Prívalové zrážky sú v teplejšej časti roka takmer výlučne spojené s rozvojom intenzívnych konvektívnych búrok, s ktorými sa v tomto období stretávame pomerne často aj na našom území. Bývajú hlavnou príčinou vzniku lokálnych prívalových povodní, pre ktoré sa tiež zvykne používať oveľa populárnejší názov „bleskové povodne“. Ten vznikol nie príliš vhodným prekladom anglického výrazu „flash floods“.

Pre konvektívne búrky sú typické výstupné pohyby teplého a vlhkého vzduchu, ktorý sa následne v dôsledku svojej expanzie spojenej s poklesom tlaku ochladzuje a vlhkosť sa transformuje (kondenzuje) na zrážkovú vodu. Výsledné množstvo zrážok, ktoré padá na zemský povrch je podmienené tzv. zrážkovou účinnosťou. Tá vyjadruje, aký podiel množstva vodnej pary vstupujúceho do búrkového oblaku je transformovaný na zrážky dopadajúce na zemský povrch. Zrážková účinnosť izolovaných búrok býva väčšinou len okolo 20 %. Treba si však uvedomiť, že niektoré typy búrok, ako napríklad supercely (najmä HP supercely), dokážu vyvolať silné prívalové zrážky aj pri nízkej zrážkovej účinnosti.

Všeobecne platí, že najvyššie úhrny zrážok sa vyskytujú tam, kde je najvyššia intenzita, a súčasne najdlhšie trvanie zrážok. Intenzita dažďa, najčastejšie vyjadrená množstvom spadnutej zrážkovej vody (napr. v mm) za určitý čas (napr. za 15 minút), závisí najmä od dynamiky procesov tvorby zrážkových častíc, ako aj rýchlosti výstupných pohybov vzduchu. Vysoké intenzity krátkodobých dažďov možno očakávať vo všetkých základných typoch konvektívnych búrok (napr. multicelárne, supercelárne,...), ako aj pri ich väčších variantoch, tzv. mezosynoptických konvektívnych systémoch, ktorých zrážkové polia dosahujú až 100 km v priemere, či dokonca viac. Dĺžku trvania intenzívnych zrážok v určitom mieste určuje predovšetkým rýchlosť a smer pohybu búrkového systému. Je preto úplne prirodzené, že najvyššie úhrny zrážok je možné očakávať v prípade pomaly sa pohybujúcich, resp. kvázistacionárnych búrkových systémov. V extrémnych prípadoch môže nastať situácia, kedy danú lokalitu zasiahne celá séria za sebou postupujúcich búrok. Celkový úhrn zrážok môže vtedy dosiahnuť aj hodnoty vysoko nad 100 mm (100 litrov na m2) za 24 hodín. Potom už závisí najmä od času, v priebehu ktorého takto veľké zrážky na konkrétnom mieste spadli. Čím je tento časový úsek kratší, tým sú následky prívalových zrážok závažnejšie, a rastie tak pravdepodobnosť vzniku prívalových povodní.

Jedným z najlepších príkladov takejto povodne na Slovensku bola situácia z 20. júla 1998, kedy horné povodie Malej Svinky v priestore pohoria Bachureň zasiahla mimoriadne intenzívna prietrž mračien. V priebehu necelej hodiny v tejto oblasti spadlo až 100 mm zrážok, čo vyvolalo prívalovú vlnu vysokú až 4 metre. Najtragickejšie bola postihnutá obec Jarovnice, kde vodný živel so sebou strhol a usmrtil až 50 ľudí.

Obr. 5: Projekcie očakávaných priestorových zmien intenzity zrážok pre obdobie konca tohto storočia (stav v období 2080-2099 je porovnaný so stavom v rokoch 1980-1999) - významný nárast extrémnosti zrážok možno očakávať hlavne na kontinentoch severnej pologule, vrátane strednej a severnej Európy  [Zdroj: Meehl et al., 2007b]

Pre vznik regionálne rozsiahlejších povodní majú veľký význam najmä poveternostné situácie spojené s vývojom a postupom „letných“ cyklón. Tie sa nad strednou Európou vytvárajú v dôsledku prieniku studeného vzduchu vo vyšších vrstvách atmosféry. Štruktúra týchto rozsiahlych, špirálovito zatočených oblačných systémov je veľmi zložitá a ich aktivita závisí najmä od kontrastu vzduchových hmôt oddeľujúcich frontálne rozhrania, na ktorých sa tieto tlakové níže vytvárajú. Nebezpečný potenciál majú tlakové níže v priestore strednej Európy v lete preto, že pri dostatočne vysokej teplote vzduchu býva obsah vodnej pary v atmosfére niekoľkonásobne vyšší ako v zime, a pri kondenzačných procesoch sa uvoľňuje skupenské teplo, ktoré energetický potenciál tlakovej níže ešte viac podporuje. Preto sa môže stať, že životnosť týchto tlakových útvarov je pomerne dlhá aj uprostred európskeho kontinentu a v určitých špecifických situáciách ju môže predlžovať prúdenie veľmi teplých a vlhkých vzduchových hmôt z oblasti východného Stredomoria alebo Čierneho mora, ktoré bývajú pri týchto poveternostných situáciách na prednej strane tlakových níží. Tento stav v niektorých prípadoch spôsobuje regeneráciu zanikajúcich tlakových níži. To môže v priestore, ktorý predtým zasiahli, spôsobiť opäť výdatné zrážky. V prostredí presýtenom predchádzajúcimi zrážkami to môže nakoniec spôsobiť až povodne veľkého priestorového rozsahu.

V niektorých exponovanejších regiónoch môže pri takýchto situáciách napršať za 3 až 5 dní aj viac ako 400 mm zrážok. Príkladom sú povodne v strednej Európe z júla 1997 a augusta 2002, či situácia v máji a júni 2010 na Slovensku. Z predchádzajúcej histórie je známy aj príklad mimoriadnych veľkopriestorových zrážok a povodne na severovýchodnom Slovensku na konci júna v roku 1958. Podobná, ale priestorovo podstatne menej rozsiahla bola povodeň na severnej strane Tatier na konci júla 2008, kedy na niektorých miestach spadlo za dva dni takmer 200 mm zrážok. V podmienkach Slovenska začínajú mať negatívny dopad už denné úhrny zrážok, ktoré dosahujú viac ako 50 mm, pričom pomerne často je príčinou povodní až séria takýchto dní, ktorých počet môže dosiahnuť 2 až 3, prípadne aj viac. Niekedy sa takáto séria môže v krátkom čase aj zopakovať. Takéto zrážky a následné povodne sa na Slovensku vyskytli v októbri 1974.

Literatúra

Allen MR and Ingram WJ, 2002. Constraints on future changes in climate and the hydrologic cycle. Nature 419: 224–232.

Allan RP and Soden BJ, 2008. Atmospheric warming and the amplification of precipitation extremes. Science 321: 1481–1484, doi: 10.1126/science.1160787.

Alexander LV, Zhang X, Peterson TC, Caesar J, Gleason B, Klein Tank AMG, 2006. Global observed changes in daily climate extremes of temperature and precipitation. J Geophys Res Atmos. 2006; 111, D05109.

Berg P, Moseley C and Haerter JO, 2013. Strong increase in convective precipitation in response to higher temperatures, Nat. Geosci., 6, 181–185.

Berg P and Haerter JO, 2013. Unexpected increase in precipitation intensity with temperature—A result of mixing of precipitation types? Atmos. Res. 119 56–61.

Faško P, Lapin M, Pecho J, 2008. 20-year extraordinary climatic period in Slovakia. Slovak Meteorol. J., 11, pp. 99-105. Slovak Hydrometeorological Institute, Bratislava 2008, ISSN 1335-339X.

Faško P, Pecho J, Mikulová K, Košťálová J, Kajaba P, 2012. Trends in extreme one-day precipitation in Slovakia over 1951-2010. In: Proceedings of The Fifth International Scientific Conference BALWOIS 2012, May 28, 2012 – June 2, 2012, Ohrid, Macedonia.

Frei CR, Schöll R, Fukutome S, Schmidli J and Vidale PL, 2006. Future change in precipitation extremes in Europe: Intercomparison of scenarios from regional climate models, J. Geophys. Res., 111, D06105, doi:10.1029/2005JD005965.

Kyselý J, 2009. Trends in heavy precipitation in the Czech Republic over 1961-2005. 615 International Journal of Climatology 29, 1745-1758.

Melo M, Lapin M, Kapolková H, Pecho J, Kružicová A, 2013. Climate Trends in the Slovak Part of the Carpathians. In: Kozak, J., Ostapowicz, K., Bytnerowicz, A., Wyżga, B. (Eds.). The Carpathians: Integrating Nature and Society Towards Sustainability. Springer Series: Environmental Science and Engineering, 2013, XII, 717 p. (pp. 131-150), ISBN 978-3-642-12724-3.

Pecho J, Faško P, Lapin M, Kajaba P, Mikulová K, Šťastný P, 2010. Extreme precipitation in spring and early summer of 2010 in Slovakia. Meteorol. J., 13, pp. 69-80. Slovak Hydrometeorological Institute, Bratislava 2010, ISSN 1335-339X.

Pokorná L, Pecho J, Faško P, 2013. Precipitation characteristics for the Slovak republic and their link to the atmospheric circulation. In proceeding of: EGU 2013, Vol. 15, 7.-12. April 2013, Wien, Austria. [poster]

Řezáčová, Daniela. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007. ISBN 978-80-200-1505-1.

Šamaj F, Valovič Š, 1973. Intenzity krátkodobých dažďov na Slovensku. In: Zborník prác HMÚ 5. SPN, Bratislava, 84 s.

Šamaj F, Valovič Š, Brázdil R, 1985. Denné úhrny zrážok s mimoriadnou výdatnosťou v ČSSR v období 1901-1980. In: Zborník prác HMÚ 24. Alfa, Bratislava, 9-113.

Trenberth KE, 2011. Changes in precipitation with climate change. Clim. Res. 47: 123–138.

Trenberth KE, Dai A, Rasmussen RM and Parsons DB, 2003. The changing character of precipitation. Bull. Am. Meteorol. Soc. 84, 1205-1217 (2003).

Westra S, Fowler HJ, Evans JP, Alexander LV, Berg P,  Johnson F, Kendon EJ, Lenderink G and Roberts NM, 2014. Future changes to the intensity and frequency of short-duration extreme rainfall, Rev. Geophys., 52, doi:10.1002/2014RG000464.