Horké vlny v měnícím se klimatu: otazníky zůstávají

Horké vlny a jejich souvislost s globálním oteplováním a změnou klimatu se dostaly do centra pozornosti odborné i laické veřejnosti především kvůli dramatickým událostem způsobeným dlouhotrvajícími extrémně vysokými teplotami v západní Evropě v létě 2003. Aktuálnost této problematiky se ještě zvýšila po loňské bezprecedentní horké vlně, která postihla západní část Ruska a podle odhadů si vyžádala 55 000 lidských životů. (Podobné číslo se uvádí jako nejpravděpodobnější odhad počtu obětí, tj. rozdílu mezi skutečnou a „obvyklou“ úmrtností v dané části roku, pro horké vlny v létě 2003 v celé západní a jižní Evropě.) Dopady horké vlny v roce 2010 v Moskvě ještě výrazně zhoršoval smog a kouř z rozsáhlých požárů, při nichž shořel více než milion hektarů porostů.

Historické teplotní rekordy však v průběhu roku 2010 padly v dalších 20 zemích, dohromady pokrývajících 19 % plochy pevnin. V souvislosti s rostoucí globální teplotou (tento trend je patrný od druhé poloviny 19. století, ale výrazně se projevuje až v posledních 30 až 40 letech) existuje jednoduchý předpoklad, že většinu oblastí světa budou horké vlny postihovat častěji, budou trvat déle a budou extrémnější ve svých projevech – i v důsledcích. Podrobnější pohled na horkou vlnu v Rusku r. 2010 a s ní související teplotní rekordy však ukazuje, že obrázek není tak jednoduchý, jak by se mohlo zdát na první pohled.

Horké vlny – projev globálního oteplování?

I když nelze jednotlivé horké vlny nebo teplotní rekordy, podobně jako povodně nebo sucha, připisovat vlivu klimatické změny, je pozoruhodné, že v posledních zhruba dvou desetiletích se v různých oblastech světa vyskytly extrémní horké vlny s mimořádně vysokými teplotami vzduchu. Otázka zní, zda jsou tato nedávná období neobvykle teplého letního počasí přímým projevem globálního oteplování a zda jsou v historickém kontextu skutečně výjimečná.

Léta 2003 a 2010 byla pravděpodobně nejteplejšími letními sezonami v Evropě od roku 1500; z hlediska odchylek teploty i velikosti zasaženého území byla horká vlna v roce 2010 vůbec nejextrémnější. Rekordně teplým měsícem v mnoha evropských zemích (např. v Německu, zemích Beneluxu, Velké Británii) byl červenec 2006, kdy byla i v pražském Klementinu zaznamenána nejdelší horká vlna od počátku stálých měření v roce 1775 (o délce 33 dní). O rok později pak zasáhly extrémní horké vlny východní Evropu a dosavadní absolutní teplotní maximum bylo překonáno mj. na Slovensku, kde byla poprvé zaznamenána teplota nad 40 °C (20. července 2007 dosáhla teplota v Hurbanovu 40,3 °C). Evropa jako kontinent zaznamenala v posledním desetiletí pravděpodobně 5 nejteplejších letních sezon od roku 1500, a to v pořadí 2010, 2003, 2002, 2006 a 2007 (viz graf B v rubrice Data a souvislosti na s. 30).

Vlastní pole odchylek průměrné letní teploty (obr. 1) přitom ukazují, že velikost těchto odchylek byla prostorově velmi proměnlivá. V každém z uvedených roků se vyskytly oblasti, kde byla průměrná teplota blízká normálu nebo dokonce nižší (zejména z důvodu odlišných cirkulačních podmínek). Zatímco v letech 2002 a 2006 byly odchylky teploty největší v severní Evropě, v roce 2003 byla postižena západní Evropa (kdežto v západním Rusku bylo léto teplotně podprůměrné), v roce 2007 jihovýchodní Evropa a v roce 2010 Rusko a evropské státy bývalého Sovětského svazu. V posledním případě  byla odchylka průměrné sezonní teplotyzdaleka největší.

Ve velkém počtu evropských zemí (na západ i na východ od nás) byla v posledním desetiletí překonána absolutní teplotní maxima (viz obr. D v rubrice Data a souvislosti (pdf příloha) a obr. 2).

Na území ČR se nejintenzivnější horké vlny za posledních přinejmenším 50 let vyskytly už v roce 1994 (viz graf C v rubrice Data a souvislosti (pdf příloha) a obr. 3) – výrazněji zasáhly Moravu než Čechy, na jižní Moravě trvala souvislá horká vlna až 34 dní a pro celé toto období přibližně od 10. července do 10. srpna bylo charakteristické velmi stálé počasí s teplotami kolem 30 °C nebo vyššími a téměř naprostá absence i dílčích ochlazení. Další extrémní horké vlny u nás byly zaznamenány v letech 1992, 2003 a 2006 (obr. 3). Za zmínku přitom stojí, že v žádné z těchto horkých vln nebylo překonáno absolutní teplotní maximum na území ČR z 27. července 1983 (40,2 °C v Praze–Uhříněvsi). Horké vlny posledních dvou desetiletí byly charakteristické spíše souvislým a dlouhotrvajícím obdobím vysokých teplot než překonáváním absolutních teplotních rekordů. Předchozím obdobím, kdy se u nás vyskytovaly horké vlny podobně často (byť byla jejich intenzita poněkud nižší než na přelomu 20. a 21. století), byla 40. léta a počátek 50. let 20. století (zejména v letech 1947 a 1952; viz graf C v rubrice Data a souvislosti na s. 30).

Tendence k častějšímu výskytu intenzivních horkých vln ve střední Evropě je v souladu s výrazným růstem letních teplot v tomto regionu v posledních 40 letech (zhruba o 0,5 °C za 10 let), který do určité míry koresponduje i s nárůstem průměrné globální teploty ve stejném období (velikost globálního oteplování je však mnohem menší). Kvalitativně lze tedy usuzovat, že pozorovaný růst teploty přispěl ke zvýšení četnosti a intenzity horkých vln. Ze simulací pomocí nestacionárního stochastického modelu denních teplotních řad skutečně vyplývá, že pravděpodobnost výskytu horké vlny podobné té z roku 2006 zaznamenané v pražském Klementinu (o délce alespoň 33 dní) se zvýšila mezi roky 1980 a 2006 o řád (na zhruba jednou za 120 let) a o další řád by vzrostla za předpokladu středního scénáře růstu průměrných letních teplot do roku 2040. Za předpokladu zachování tempa zvyšování průměrné teploty by se podobně extrémní horké vlny mohly v druhé polovině 21. století vyskytovat už ve většině letních sezon.

Antropogenní vlivy (např. nárůst koncentrace skleníkových plynů) zvýšily podle studií pro horkou vlnu v roce 2003 v západní Evropě pravděpodobnost této události nejméně na dvojnásobek. Zdálo by se tedy, že panuje všeobecná shoda na tom, že změna klimatu (a potažmo činnost člověka) riziko extrémních horkých vln obecně zvyšuje a že se tento antropogenní vliv na horké vlny už projevil v jejich větší četnosti a intenzitě.

Situace související s horkou vlnou v evropské části Ruska v červenci 2010 je však poněkud odlišná. Jde o oblast, kde není pozorován v posledních zhruba 100 letech nárůst teploty (ani její proměnlivosti), který by mohl přispět ke zvýšení pravděpodobnosti výskytu podobné události. Analýza modelových simulací navíc naznačuje, že šlo o horkou vlnu podmíněnou pouze vnitřní proměnlivostí klimatického systému – samotnou dynamikou atmosféry, která po dlouhou dobu udržovala kvazistacionární blokující anticyklónu nad danou oblastí (viz rámeček Příčiny horkých vln). Antropogenní vlivy ani jiné faktory nehrály podle těchto výsledků prakticky žádnou roli a k intenzitě této extrémní horké vlny nepřispěly.

Takové zjištění lze – z obvyklé „lineární“ perspektivy poněkud překvapivě – číst i tak, že globální oteplování nemělo vliv na velikost teplotních odchylek při této extrémní události. Naopak „lokální“ vlivy související se suchem, které horkou vlnu provázelo, pravděpodobně přispěly (v důsledku omezeného transportu vodní páry a tepla od zemského povrchu do atmosféry a většímu prohřívání zemského povrchu) k jejímu zintenzivnění. Pravděpodobnost „přechodu“ cirkulace do podobně stacionárního a dlouhodobého bloku nemusí se změnami průměrné teploty zemského povrchu (ani povrchu oceánů) souviset a teplota v horké vlně je dominantně podmíněna radiačními efekty a „lokálními“ vlivy v důsledku této cirkulační anomálie, nikoli velikostí skleníkového efektu.

Uvedené výsledky pocházejí ze simulací pomocí dvou globálních klimatických modelů (viz dále) a je téměř jisté, že podnítí obdobné modelové studie, které mohou uvedený obrázek zpřesnit nebo změnit. Pravděpodobně však nebude možné vyloučit, že souvislost výskytu podobných extrémních podmínek s „průměrnou“ teplotou a jejími dlouhodobými změnami – tedy i globálním oteplováním – může být poměrně malá.

V souvislosti s dlouhodobým kolísáním výskytu horkých vln v Evropě je třeba připomenout rovněž roli přirozené proměnlivosti klimatu. Některé práce (např. Della-Marta et al. 2007) ukazují, že dlouhodobé kolísání letních teplot v Evropě souvisí s proměnlivostí v poli teplot povrchu oceánu v severním Atlantiku, označované jako Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO, do češtiny lze přeložit jako „atlantická dlouhodobá oscilace“, viz Vesmír 89, 372, 2010/6). Během 20. století dosáhl index AMO maxim ve čtyřicátých až padesátých letech a na konci let devadesátých, zatímco minim v období první světové války a v sedmdesátých letech. Období maxim (minim) přitom nápadně dobře korespondují s maximy (minimy) letních teplot a výskytu horkých vln ve střední Evropě (viz graf C v rubrice Data a souvislosti na s. 30).

Protože by hodnota indexu AMO mohla v nejbližších desetiletích klesat, může s tím související snižování letních teplot v Evropě alespoň zčásti kompenzovat antropogenně podmíněné oteplování. V charakteristikách horkých vln v Evropě by se proto nemuselo globální oteplování v první polovině 21. století výrazněji projevit.

Co přinesla minulost – proč nevěřit klimatickým modelům?

Klimatické modely jsou obdobou numerických předpovědních modelů, používaných k předpovědi počasí. Zatímco globální modely jsou určeny zejména k simulaci velkoměřítkových klimatických polí a charakteristik a kvůli nárokům na výpočetní čas nemohou mít rozlišení potřebné k zachycení regionálních detailů a k realističtějšímu popisu topografie, pro simulaci klimatu na regionální úrovni (např. Evropa nebo její podoblasti) se využívají regionální klimatické modely s typickým rozlišením sítě uzlových bodů 10 až 50 km. Regionální modely jsou „řízeny“ (tj. získávají okrajové podmínky) buď z globálního modelu (např. v simulacích možného budoucího vývoje), nebo z pozorovaných dat. Pokud chceme znát věrohodnost scénářů možných změn horkých vln nebo jiných charakteristik teplotních extrémů v budoucnu, je třeba se nejprve podívat na simulace odpovídající nedávnému (kontrolnímu) klimatu (obvykle se uvažuje období 1961–1990 nebo 1961–2000).

Ukazuje se, že právě letní teplotní extrémy a horké vlny mohou být v klimatických modelech simulovány s velkými chybami. Například některé regionální modely, jejichž simulace s rozlišením 50 km pocházejí z evropského projektu PRUDENCE (prudence.dmi.dk), mají systematickou chybu průměrných ročních teplotních maxim v některých oblastech ČR větší než 5 °C. U extrémně vysokých teplot vyskytujících se v průměru jednou za 20 let (tzv. dvacetileté hodnoty), které lze v pozorovaných datech i modelech odhadnout pomocí statistického aparátu, může chyba přesahovat i 8 °C.

To odpovídá zcela nerealistickému klimatu: dvacetiletá hodnota maximální denní teploty vzduchu v nížinných oblastech ČR je v pozorovaných datech (za období 1961– 2000) typicky kolem 37,5 °C, zatímco například v jednom z nejpoužívanějších regionálních modelů HadRM, pocházejícím z Hadleyho centra pro předpověď a výzkum klimatu ve Velké Británii, přesahuje ve stejných oblastech 45 °C a vyšší než 40 °C je i ve výše položených regionech ČR.

Jde pochopitelně o výsledek, který je neuspokojivý a zpochybňuje i věrohodnost scénářů možných změn teplotních extrémů pro budoucí klima. (Velikost chyby pro teplotní extrémy v tomto případě výrazně kontrastuje s celkovou teplotní chybou tohoto modelu, která je u průměrné letní teploty „jen“ 1,5 °C.)

Uvedený příklad je „extrémní“ a většina modelů zachycuje extrémy přízemní teploty vzduchu v kontrolním klimatu výrazně lépe, což ale na druhou stranu nemusí znamenat, že jsou „dobré“ – realistická simulace vybrané proměnné může být v některých případech výsledkem vzájemně se kompenzujících velkých chyb.

Jako příklad lze uvést model RegCM z nejnovější generace modelových výstupů s rozlišením 25 km z celoevropského projektu ENSEMBLES (ensembles-eu.metoffice.com). V relativně široké množině regionálních modelů má tento model na území ČR nejrealističtější simulaci denní teplotní amplitudy (tj. rozdílů mezi maximální a minimální denní teplotou, což je další charakteristika, kterou modely obecně simulují poměrně špatně), zatímco množství oblačnosti – které je zdaleka nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím denní teplotní amplitudu – je v tomto modelu naprosto nerealistické (a paradoxně mnohem horší než v ostatních modelech). Dobré zachycení rozdílů mezi denními a nočními teplotami tedy v tomto případě nepramení z úspěšné simulace základních procesů, které teplotní amplitudu ovlivňují.

Obecně je simulace denního chodu teploty (a tedy i denních maximálních teplot) v současných regionálních modelech mnohem horší za málooblačných dnů s anticyklonálním charakterem cirkulace, které jsou typické právě pro horké vlny, než ve dnech s velkou oblačností a/nebo cyklonální cirkulací.

Poměrně špatná simulace teplotních extrémů odráží závažné nedostatky v zachycení fyzikálních procesů vedoucích k extrémům a do určité míry i naše nedostatečné porozumění těmto procesům. Může jít o chyby v simulaci atmosférické cirkulace typické pro období, kdy dochází k rozvoji horkých vln (viz rámeček Příčiny horkých vln), ale i o chyby související s oblačnými procesy (příliš mnoho oblačnosti v modelu snižuje denní teplotní maxima, nedostatek oblačnosti je naopak zvyšuje), vznikem a vypadáváním srážek (sucho podporuje rozvoj horkých vln) a toky tepla a vlhkosti mezi zemským povrchem a atmosférou (nad suchým povrchem je kvůli sníženému výparu omezen transport tepla do atmosféry, což má opět za důsledek vyšší denní teplotní maxima při zemském povrchu) i od zemského povrchu do půdy.

Jde tedy o velký počet vzájemně propojených mechanismů a procesů, z nichž každý je v modelech reprodukován s určitou chybou – ve výsledku se tyto chyby mohou „sečíst“ a vést k modelovým teplotním extrémům, které nemusí mít mnoho společného s reálným světem.

Co přinese budoucnost – proč věřit klimatickým modelům?

Navzdory uvedeným nedostatkům nemáme k dispozici lepší nástroj umožňující zkoumat odezvu (modelového) klimatického systému na měnící se radiační vlastnosti atmosféry (primárně v důsledku růstu koncentrací skleníkových plynů). Klimatické modely se navíc stále zdokonalují a umožňují dnes zachytit základní rysy klimatického systému včetně jeho vnitřní proměnlivosti mnohem lépe než před 10 nebo 20 lety. Panuje zřejmá a logická shoda, že rostoucí skleníkový efekt bude mít za následek růst globální přízemní teploty vzduchu, jehož tempo bude sice geograficky a sezónně proměnné (a navíc „modulované“ dlouhodobou proměnlivostí v důsledku interakcí mezi atmosférou a oceány i působením vnějších vlivů, např. změn sluneční aktivity, jejichž vliv na zemské klima je v poslední době intenzivně studován a přináší nové a překvapivé pohledy), ale bude postihovat prakticky celou planetu. Takový trend by měl pochopitelně za následek i zvyšování četnosti a intenzity „průměrných“ horkých vln, není však jasné, jak by se promítl do změn pravděpodobnosti takových extrémů, jako byla horká vlna v létě 2010 v západním Rusku. Její velikost byla tak mimořádná, že i navzdory výraznému růstu průměrné teploty zůstává pravděpodobnost opakování obdobné události v modelových simulacích pro druhou polovinu 21. století nízká.

Možné scénáře změn „průměrných“ horkých vln v průběhu 21. století, jakkoli mohou působit katastroficky (např. nárůst počtu dní v horkých vlnách ve Středomoří z 2 dnů ročně v období 1961–1990 na průměrně 13 dní ročně v letech 2021–2050 a 40 dní ročně v období 2071–2100; obr. 4 a 5), je ve světle chyb současných klimatických modelů i neurčitostí v budoucím vývoji emisí skleníkových plynů i jejich koncentrací v atmosféře třeba interpretovat opatrně. Jde o obraz současného stavu poznání, který se pravděpodobně v nejbližších 10 letech výrazně zpřesní.

Spíš než scénáře samotné vzbuzuje obavu poměrně reálná možnost, že se změní fyzikální mechanismy, které horké vlny ovlivňují nebo „spouštějí“. Nejčastěji se v této souvislosti zmiňuje tzv. vysušování zemského povrchu na jaře a počátkem léta, které může díky interakcím mezi zemským povrchem a atmosférou významně podpořit vznik a intenzitu horkých vln v létě. Velký deficit srážek na jaře a v létě 2003 velmi pravděpodobně přispěl k zintenzivnění horkých vln, které postihly velkou část Evropy. Podle modelových studií se uvedený mechanismus může zvlášť výrazně projevovat v oblasti Evropy kolem 45° s. š. (od Francie přes střední Evropu po Balkán) a tato oblast zahrnuje i naše území. Protože klimatické modely se poměrně dobře shodují na poklesu průměrných jarních a letních srážek při změně klimatu nad velkou částí Evropy (s výjimkou severní), je pravděpodobné, že se tento mechanismus bude v teplejším klimatu projevovat častěji a výrazněji. To by mohlo zvýšit pravděpodobnost extrémně teplých letních sezón a extrémních horkých vln a vést k nelineární odezvě v charakteristikách horkých vln při růstu průměrné letní teploty.

Druhým mechanismem, který by mohl četnost a intenzitu horkých vln v budoucím klimatu výrazně ovlivnit, by byly změny v četnosti blokujících anticyklón (viz rámeček Příčiny horkých vln). Zde zatím klimatické modely nenaznačují, že by mělo v teplejším klimatu dojít k výraznějším změnám. Vypovídací schopnost modelů je však v tomto směru dosud omezená vzhledem k poměrně špatné simulaci blokujících anticyklón v kontrolním klimatu.

Závěrem

Příspěvek naznačil některé otevřené otázky související s horkými vlnami nad Evropou v měnícím se klimatu. Otázkami, kterými jsme se vzhledem k omezenému prostoru nezabývali, jsou možnosti zmírnění dopadů horkých vln (ať už jde o dopady na ekosystémy, lidskou společnost nebo ekonomiku) a adaptace na vysoké letní teploty (od technologické přes fyziologickou po behaviorální). Je nepochybné, že některé z naznačených otázek budou v blízké době zodpovězeny, a velmi pravděpodobné, že extrémní horké vlny nás budou postihovat v 21. století častěji a budou intenzivnější.

Mnohem méně předvídatelné jsou odpovědi na otázky, o kolik častější a intenzivnější tato období budou, zda a do jaké míry bude lidská společnost schopna jejich dopady zmírnit, a jaké společensko-ekonomické nebo politické následky budou mít geograficky proměnné dopady horkých vln a dalších klimatických extrémů, s nimiž se patrně mnohem lépe vypořádají vyspělé společnosti než rozvojové.

Autoři článku děkují R. Beranové, ÚFA AV ČR Praha, a E. Fischerovi, ETH Curych, za pomoc při přípravě obrazové přílohy.