Horké vlny v měnícím se klimatu

Tent o příspěvek navazuje na článek Horké vlny v měnícím se klimatu: otazníky zůstávají (Vesmír 91, 28, 2012/1) a shrnuje aktuální stav poznatků týkajících se fenoménu, který každoročně ovlivňuje ve větší či menší míře životy (nejen) Středoevropanů. Jde o období horkého počasí, kdy teploty po delší dobu stoupají na úroveň označenou už před mnoha desetiletími jako „tropickou“. Zaměřujeme se na posledních zhruba 10 let, tedy na období po vydání předchozího přehledového článku ve Vesmíru.

Extrémní horké vlny – jeden z projevů změny klimatu

Během tohoto období vzniklo mnoho studií, které z různých pohledů ukazovaly na souvislost častějších, intenzivnějších a delších horkých vln s probíhající změnou klimatu. Nelze přitom pochopitelně tvrdit, že bez změny klimatu by některá z nedávných extrémních událostí nemohla nastat, teplejší klima ale výrazně mění jejich pravděpodobnost. Například mimořádná horká vlna, která zasáhla v létě 2021 západní pobřeží Severní Ameriky a způsobila velké škody nejen v ekosystémech (jak suchozemských, tak mořských), by bez změny klimatu přicházela pouze asi jednou za deset tisíc let. [1] Podobně byla studována souvislost se změnou klimatu pro další horké vlny v různých částech světa.

1. Mapa rekordních horkých vln v Evropě v období 1950–2002 (A) a 1950–2021 (B). Datum označuje začátek horké vlny, barevně jsou rozlišeny nejvýznamnější události.

Převzato z článku [2]

Zatímco starší práce nahlížely na horké vlny převážně z pohledu jedné meteorologické stanice (u nás např. Praha-Klementinum) nebo více stanic, na nichž ale byly tyto události vymezeny nezávisle, s rozvojem geoinformačních systémů, výpočetní techniky a evropských i globálních databází s daty interpolovanými (E-OBS) nebo počítanými (reanalýzy) v pravidelné síti uzlových bodů se k těmto teplotním a časovým kritériím mohlo přidat i kritérium prostorové – horké vlny jsou typicky události zasahující určitou oblast a můžeme je definovat i charakterizovat z hlediska plošného rozsahu.

Příkladem takového plošného pohledu je práce, která studovala proměnlivost a trendy horkých vln napříč Evropou. [2] Zatímco v období 1950–1989 se roční počet horkých dní pohyboval převážně v rozmezí 0–20, od devadesátých let 20. století se jejich četnost postupně zvyšuje. V letech 2003, 2010, 2015, 2018 a 2021 přesáhl počet těchto dnů 50. Tento nárůst a související zvyšování extremity horkých vln způsobily, že mapa rekordních událostí dnes vypadá úplně jinak než na počátku 21. století – za posledních 20 let došlo k překreslení více než 80 % plochy evropského kontinentu a přilehlých moří (obr. 1). Pro naše území je jako dosud nejextrémnější vyhodnocena horká vlna z roku 2015, přičemž další zmíněné extrémní roky lze na mapě také vysledovat – na západ od nás horkou vlnu z léta 2003, na sever 2018, na východ 2010, na jih 2021.

Poslední roky, které nebyly ve výše uvedené práci analyzovány, ovšem také přinesly výrazné horké vlny. Léto 2022 se zapsalo jako mimořádně teplé a suché v západní Evropě, podle některých studií dokonce bylo rekordní na Pyrenejském poloostrově, v Itálii a na západě Francie. [3] O rok později zasáhla horká vlna s příznačným názvem Cerberus (tj. bájný strážce pekla) oblast Středomoří a v létě 2024 byla pozorována rekordně dlouhá a intenzivní horká vlna na Balkánském poloostrově. [4]

Ve světle současných poznatků můžeme tvrdit, že mimořádné horké vlny pozorované v posledních letech by bez změny klimatu nebyly tak extrémní.

Vznik horkých vln – případ objasněn?

Stejně důležitou otázkou jsou ale meteorologické a další příčiny vzniku horkých vln. Pro jejich vývoj je klíčové specifické rozložení atmosférických tlakových útvarů nad Evropou. Rozvoj klimatických reanalýz umožnil detailní případové studie mimořádných horkých vln a napomohl identifikaci dvou základních mechanismů jejich vzniku v Evropě, přičemž v případě ČR se mohou uplatňovat oba. [5] Prvním je přítomnost výběžku vysokého tlaku vzduchu ze subtropických oblastí, často v kombinaci s tlakovou níží nad severním Atlantikem. Tato konfigurace umožňuje příliv velmi teplého vzduchu od jihu a ohřev přízemních vrstev vzduchu advekčně (prouděním teplého vzduchu), radiačně (prohříváním zemského povrchu slunečním zářením během dnů s malou oblačností) i adiabaticky (díky převládajícím sestupným pohybům vzduchové hmoty, která se v jejich důsledku ohřívá). Kombinace těchto faktorů může vést k absolutním teplotním rekordům; tato situace panovala mj. 20. srpna 2012, kdy bylo v Dobřichovicích naměřeno dosavadní maximum teploty vzduchu v ČR 40,4 °C. (Klimaskeptici mohou jásat, že absolutní maximum z r. 1983 bylo na našem území překonáno až v roce 2012, a to o pouhé 0,2 °C. Méně úrodnou půdu pro případné matení veřejnosti poskytují podobné rekordy v západní Evropě – například ve Francii bylo absolutní národní maximum během horké vlny 2019 překonáno o 1,9 °C (!) na 46,0 °C, v Německu při stejné události o 0,7 °C na 41,2 °C.)

Druhou hlavní povětrnostní situací příznivou pro horké vlny je přítomnost téměř stacionární oblasti vyššího tlaku vzduchu nad severní Evropou (často označovanou jako blokující anticyklona), která umožňuje poměrně dlouhodobé „zablokování“ jinak převládajícího západního proudění (přinášejícího do Evropy v létě chladnější vzduch z Atlantiku) a příliv prohřátého kontinentálního vzduchu od východu. Východní proudění sice nebývá tak teplé jako advekce od jihu, nicméně je charakteristické velmi nízkou vlhkostí (malá oblačnost a velký výpar tak přispívají k rozvoji půdního sucha) a často i dlouhým trváním, přesahujícím týden. Nadprůměrná četnost těchto situací napomohla mj. k velmi teplým a suchým létům 2015 a 2018 ve střední Evropě.

Právě souvislostem mezi horkem a suchem se v posledních letech dostalo velké pozornosti. Půdní sucho, tedy nedostatek půdní vlhkosti oproti normálnímu stavu, zesiluje horké vlny, zatímco dostatek vlhkosti má ochlazující efekt – umožňuje spotřebování části energie dopadajícího slunečního záření na výpar. Proto se nemůžeme divit, že mimořádné horké vlny bývají podmíněny nedostatkem srážek v předchozích týdnech či měsících. [6] Vazba ale funguje i opačně, horké vlny přinášejí počasí charakteristické minimálním množstvím srážek a velkým výparem, proto prohlubují sucho. Je dobře známo, že rostoucí problémy se suchem ve střední Evropě způsobuje primárně zvyšující se teplota a výpar, zatímco množství srážek se u nás dlouhodobě mění jen málo [7] (což ale neplatí o jejich rozdělení v čase a prostoru, které také sucho ovlivňuje). Modelové studie ukazují, že vazba mezi úbytkem půdní vlhkosti a přízemní teplotou vzduchu není lineární a závisí na dalších environmentálních faktorech.

Mnoho otázek týkajících se vzniku horkých vln tak není uspokojivě zodpovězeno právě z důvodu nejistot spojených s vazbami mezi zemským povrchem a atmosférou. Lepšímu porozumění by mohl napomoci komplexnější pohled na horké vlny – například jako na třírozměrné jevy.

2. Vývoj vertikální struktury teplotních odchylek jednotlivých typů horkých vln – přízemní (A), v nižší troposféře (B), ve vyšší troposféře (C), „všudypřítomná“ (D). Osa x znázorňuje dny od počátku horké vlny, osa y určuje vertikální hladinu (2 m – přízemní, další údaje odpovídají tlakovým hladinám v hPa). Kroužky označují den a hladinu s velkým plošným rozsahem kladných teplotních odchylek. Grafy jsou zprůměrované za všechny horké vlny v období 1979–2022 v reanalýze ERA5 pro oblast střední Evropy.

Upraveno podle článku [8]

Horké vlny z pohledu třetí dimenze

Ve skutečnosti totiž nejde o události plošné, ale prostorové, zasahující určitou vrstvu troposféry (tak se označuje část atmosféry sahající v průměru do 11 km, v níž teplota s výškou klesá a kde se odehrává téměř veškeré počasí). Pokročilá data o teplotě vzduchu v izobarických (tlakových) hladinách umožnila analyzovat horké vlny nejen z hlediska zasaženého území, ale i vertikálního rozsahu. Tuto novou problematiku řeší od r. 2023 projekt „Vlny veder jako třírozměrné jevy“, v jehož rámci byla navržena metoda, jak identifikovat různé typy horkých vln v závislosti na jejich vertikálním profilu, který se liší případ od případu.

Přízemní horké vlny (obr. 2A) jsou typické největšími kladnými teplotními odchylkami blízko zemského povrchu. Tento typ je ve střední Evropě zároveň v průměru jasně nejdelší a ze synoptického hlediska je úzce spjat s nevýrazným tlakovým polem, omezujícím výměnu vzduchových hmot a podporujícím prohřívání přízemních vrstev. Rozhodující tak není advekce (proudění) teplého vzduchu, ale jeho setrvání nad daným územím a prohřívání sluneční radiací. Přízemním horkým vlnám často předchází půdní sucho, které umožňuje výrazné oteplování zemského povrchu kvůli omezenému množství energie spotřebované na výpar.

Druhou kategorií jsou horké vlny v nižší troposféře (obr. 2B). Největší kladné teplotní odchylky v rámci tohoto typu převládají v izobarických hladinách zhruba mezi 750 a 550 hPa (tj. ve výškách asi 3 až 5 km). Horké vlny v nižší troposféře bývají kratší a souvisejí převážně s přílivem velmi teplého vzduchu od jihu. Třetí typ (obr. 2C) je charakterizován kladnými teplotními odchylkami ve vyšší troposféře, přibližně od 500 do 300 hPa (zhruba 5,5 až 9 km). Horké vlny ve vyšší troposféře jsou v průměru nejkratší a jsou spjaty hlavně s adiabatickým ohříváním vzduchových hmot ve vyšších hladinách z důvodu sestupných pohybů v oblasti vysokého tlaku vzduchu nad střední Evropou.

Posledním typem jsou tzv. „všudypřítomné“ horké vlny (obr. 2D). Vyznačují se postupem kladných teplotních odchylek z vyšších vrstev troposféry směrem k zemskému povrchu. V průběhu jejich vývoje a poměrně rychlé změny ve vertikální struktuře se odrážejí v různorodosti synoptických podmínek. Pro vznik je klíčová přítomnost tlakové výše nad střední Evropou, v průběhu jsou obvykle spjaty s jižním prouděním a na konci často převládá nevýrazné tlakové pole. Dalo by se tedy říct, že tento typ během svého vývoje do určité míry odráží charakteristiky předchozích tří typů horkých vln.

Ukazuje se, že navržený přístup ke studiu horkých vln jako třírozměrných událostí v troposféře umožňuje lépe vystihnout jejich extremitu, pomáhá objasnit mechanismy vzniku a trvání těchto událostí a je v současnosti předmětem dalšího výzkumu, mj. směrem do výstupů klimatických modelů.

Co říkají klimatické modely ?

Předešlé kapitoly nastínily, jak taková horká vlna vypadá. Dokážeme ji ale pomocí numerických simulací napodobit? Od vydání předchozího článku došlo k dalšímu pokroku v simulacích klimatického systému a jeho možné odezvy na různé faktory – ať už jde o nárůst koncentrací skleníkových plynů, změny vlastností zemského povrchu, nebo jiné vlivy. Světový program pro výzkum klimatu (WCRP) v současné době připravuje již sedmou fázi projektu na porovnání globálních klimatických modelů (CMIP7), která přinese jejich nové verze mj. s aktualizovanými poznatky o klimatickém systému. Pro přenos informace z globálního klimatického modelu s hrubým rozlišením (typicky 100–250 km) do regionálního měřítka (několik málo desítek km, ale i méně) se používají regionální klimatické modely s omezenou doménou (geografickou oblastí, pro kterou probíhají výpočty). Jelikož procesy uvnitř této domény jsou ovlivňovány i jevy mimo ni (typicky advekce vzduchových hmot), musí být regionální klimatický model „řízen“ vstupními daty z globálního klimatického modelu nebo reanalýzy (podrobněji viz článek Klimatické modely, Vesmír 98, 300, 2019/5). Důležité přitom je, aby klimatický model, který je používán pro projekce možného budoucího klimatu, dovedl obstojně simulovat již proběhlé události. Tento krok je obvykle nazýván validace (a často přináší zajímavější výsledky než samotné projekce).

3. Vývoj teplotních odchylek během horké vlny 2003 v reanalýze ERA5 a v jednotlivých regionálních klimatických modelech v oblasti střední Evropy. V každém panelu představuje spodní řada úroveň 2 metry nad zemí, prostřední řada odpovídá hladině 850 hPa a horní řada zobrazuje hladinu 500 hPa. Nezaplněné buňky znázorňují malý plošný rozsah kladných teplotních odchylek. Doba trvání horké vlny je zvýrazněna šedě. Symboly nad teplotními odchylkami označují synoptické podmínky: plný kruh – tlaková výše, prázdný kruh – tlaková níže, kříž – nevýrazné tlakové pole, šipky – advekce z daného směru. Upraveno podle článku Plavcová et al. [9], kde jsou dostupné simulace všech modelů a dalších horkých vln.

Jak jednotlivé regionální klimatické modely zachycují mimořádnou horkou vlnu z roku 2003 (v oblasti střední Evropy), ukazuje obr. 3. V referenčních datech z klimatické reanalýzy ERA5 (data blížící se skutečnému pozorování; obr. 3A) začala tato horká vlna 1. srpna za přítomnosti tlakové výše kladnými teplotními odchylkami ve vyšší troposféře. Po pěti dnech došlo ke změně synoptických podmínek – nejdříve byly charakterizovány jihovýchodním prouděním a následně došlo ke vzniku nevýrazného tlakového pole, s čímž souvisely intenzivní a plošně rozsáhlé kladné teplotní odchylky v nižších hladinách troposféry, které vydržely až do 13. srpna. Všechny validované modely správně vystihly přítomnost tlakové výše na začátku horké vlny, nicméně její další vývoj se v různých modelech lišil, přestože byly řízeny stejnými vstupními daty. Ty modely, které hned druhý nebo třetí den upřednostnily východní proudění (REGCM a COSMO; obr. 3B–C), simulovaly horkou vlnu 2003 jako příliš intenzivní a v případě modelu REGCM i velmi dlouhou. Naopak modely, v nichž zůstávala tlaková výše nad střední Evropou i v pokročilé fázi horké vlny, nedokázaly vytvořit dostatečně intenzivní a plošně rozsáhlé kladné teplotní odchylky v nižších hladinách troposféry (HIRHAM, RCA; obr. 3D–E).

Klimatický model musíme chápat jako zjednodušení reálného klimatického systému, z čehož plynou jeho nedostatky a související nejistoty v predikcích budoucího klimatu. Nikdy nebudeme umět popsat procesy v něm s naprostou přesností; jakkoliv podrobné rozlišení klimatického modelu nám neumožňuje počítat se všemi jevy, které klimatický systém ovlivňují.

Kromě těchto modelových nejistot musíme při predikcích budoucích charakteristik horkých vln počítat i s nepředvídatelným vývojem koncentrací skleníkových plynů v atmosféře. Ačkoliv se pro tento účel vytvářejí socioekonomické „scénáře“, stále častěji jsme v posledních letech konfrontováni s tím, že pozemská realita se jakýmkoli scénářům vymyká – a už v dalším volebním cyklu, případně po skončení další války, může svět i jeho „scénáře“ vypadat jinak. Problém spočívá primárně v nesouladu časových měřítek – zatímco ta klimatická se vztahují k příštím desetiletím, politická obvykle nepřesahují termín příštích voleb (nebo životní cyklus diktátorů). Tímto ovšem výčet nejistot a úskalí nekončí – je totiž dobře známo, že i při stejných vnějších podmínkách (příkon sluneční energie, koncentrace skleníkových plynů v atmosféře, rozložení pevniny a oceánů apod.) se může Země nacházet ve výrazně odlišných klimatických stavech, záleží tak i na předchozí „trajektorii“.

Simulace horkých vln v klimatických modelech a jejich budoucí predikce zůstávají tedy stále spojené s mnoha otazníky. I přes všechny nejistoty představuje klimatické modelování jedinou cestu, jak získávat poznatky o možném budoucím klimatu.

Několik vět závěrem

Do příspěvku se nevešla některá související témata, která by vydala na samostatný článek. Patří mezi ně například dopady horkých vln (na společnost nebo životní prostředí) a adaptace na ně, marinní (mořské) horké vlny, kterým je věnována rostoucí pozornost (mj. proto, že odchylky teplot hladiny moří mohou mít v klimatickém systému opravdu dalekosáhlé následky), možnosti sezonní predikce či fenomén „mimosezonních“ horkých vln (u nás může být v dobré paměti začátek dubna 2024 s tropickými teplotami), které mohou ve spojení s následným mrazem vážně poškodit přírodní vegetaci i hospodářské plodiny. Pokusili jsme se odpovědět na některé klíčové otázky týkající se nárůstu extremity horkých vln, mechanismů jejich vzniku, vertikální dimenze i simulace v klimatických modelech. Jakkoli dnes klimatické modely dokážou poodhalit, jak by mohly vypadat charakteristiky budoucích horkých vln, stále musíme brát v úvahu nejistoty spjaté s přirozenou proměnlivostí klimatu a neurčitým vývojem koncentrací skleníkových plynů v atmosféře – a především vývojem lidské společnosti jako takové.

Poděkování: Problematika popisovaná v článku byla řešena v rámci projektů „Vlny veder jako třírozměrné jevy“ (23-06749S, 2023–2025) a „Řídicí mechanismy extrémů v reanalýze a klimatických modelech“ (20-28560S, 2020–2023), podporovaných Grantovou agenturou ČR. Autoři děkují dalším členům řešitelských týmů těchto projektů, zejména Evě Plavcové (ÚFA AV ČR) za dlouhodobou spolupráci i pomoc s grafickými úpravami obrázků.