Co naukowcy wiedzą o suszach?

„Smutek ogarnął ziemię Judy, a bramy jej pełne są żałoby, skłaniają się smutno ku ziemi, a podnosi się krzyk Jerozolimy. 3 Jej najznakomitsi mężowie posyłają swe sługi po wodę, przychodzą do cystern, nie znajdują wody. Wracają z pustymi naczyniami są zawstydzeni i zmieszani, i zakrywają sobie głowy .4 Uprawa roli ustała, albowiem deszcz nie pada na ziemię; przepełnieni zgryzotą rolnicy zakrywają swoją głowę.” [Jr 14, 2 ,3, 4]

***

Symbol wody – jej nadmiar lub niedostatek często pojawia się w zapiskach biblijnych. Biblijne susze czy też powodzie wyobrażają gniew Boży, którego przyczyną jest niegodne ludzkie postępowanie.

Tereny Bliskiego Wschodu, gdzie rozgrywały się barwne wydarzenia opisane w Starym Testamencie, ciekawiły i nadal intrygują uczonych różnych dyscyplin, nie tylko religioznawców czy też historyków, ale także między innymi: socjologów, hydrologów, klimatologów. Przykładem jest praca Adama W. Schneider’a, antropologa z Uniwersytetu California z San Diego i Salima F. Adali z tureckiego Uniwersytetu KOÇ w Istambule („No harvest was reaped”: demographic and climatic factors in the decline of the Neo-Assyrian Empire”, 2014), w której pojawiła się teza, iż jedną z możliwych przyczyn upadku imperium asyryjskiego, oprócz wyżu demograficznego była dotkliwa susza, mająca miejsce w połowie VII w p.n.e.

Obecnie naukowcy w Polsce i na świecie dysponują klimatycznymi rekonstrukcjami dla wybranych regionów czy też całej kuli ziemskiej, na podstawie których możemy prześledzić zmienność klimatu. W tego typu badaniach pomocne są historyczne zapiski na temat klęsk elementarnych zależnych od zjawisk hydrologiczno-meteorologicznych takich jak susze, powodzie niosących za sobą przede wszystkim głód i pomory.

Kiedy wyschła Wisła

W projekcie „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo” realizowanym przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej zestawiono susze historyczne, które zostały zrekonstruowane w głównej mierze na podstawie materiału historycznego (roczniki, kroniki, zapiski pogodowe, pamiętniki itp.) na obszarze Polski od XII do XIX wieku, uwzględniając stopień intensywności suszy w skali od 1 o niskiej intensywności (zasięg lokalny), poprzez 2 o średniej intensywności (zasięg regionalny) do 3 o wysokiej intensywności (zasięg krajowy).

W dość nam odległym okresie o rozpiętości 778 lat (od 1121 do 1899 roku) zarejestrowano 157 lat, gdzie odnotowano okresy suche i posuszne. W tym czasie wystąpiło najwięcej susz o zasięgu regionalnym, aż 81 przypadków, co stanowiło 52% wszystkich odnotowanych susz. 44 przypadki (28%) to susze o zasięgu krajowym i 32 (20%) susze lokalne.

W historycznych zapiskach, można odszukać następujące komentarze do tych wydarzeń: „ludność żywiła się chlebem z liści dębowych i starych strzech” , co dotyczyło suszy z 1535 roku lub „w Wiśle zupełnie nie było wody” – tak opisywano suszę w 1538. W 1590 wyschły: Bóbr, Kwisa, Kaczawa i Oława. W 1683, w obawie przed klęską głodu, Jan III Sobieski wydał zakaz wywozu zboża z Polski.

Opisem klimatu Polski, zwłaszcza sprzed okresu przedinstrumentalnego, zajmowało się wielu autorów np. Namaczyńska („Kronika klęsk elementarnych w Polsce i krajach sąsiednich 1648 – 1696”, 1937, Lwów), Girguś i Strupczewski („Wyjątki ze źródeł historycznych o nadzwyczajnych zjawiskach hydrologiczno-meteorologicznych na ziemiach polskich w wiekach X-XVI”, 1965, Warszawa), Przybylak („Zmiany klimatu Polski i Europy w ostatnich stuleciach”, 2008, Toruń). Regularne obserwacje rozpoczęły się po 1850 roku.

Upał w mieście

Krystyna i Tadeusz Brysiowie odtworzyli serię średnich miesięcznych temperatur powietrza i miesięcznych sum opadów dla Wrocławia z okresu 1791 – 2007. Na podstawie ich pracy („Reconstruction of the 217-year (1791-2007) Wrocław air temperature and precipitation series”, 2010) możemy zorientować się, że najcieplejszy sierpień ze średnią dobową temperaturą powietrza równą 24,6°C przy opadach 49 mm wystąpił w 1807 roku, w którym to, dla czerwca, odnotowano temperaturę 16°C przy sumie opadów wynoszącej 8 mm, dla lipca 18,9°C przy sumie opadów 46 mm. Rok ten został zakwalifikowany do 3 klasy intensywności suszy tj, suszy o zasięgu krajowym. A lato dla tego roku, we Wrocławiu uznano, na podstawie historycznych zapisów, za wyjątkowo upalne. Dla porównania w roku 2015 dla czerwca odnotowano temperaturę 17,2°C przy sumie opadów równej 83,4 mm, dla lipca 20,2°C przy sumie opadów 74,1 mm, a dla sierpnia odnotowano średnią temperaturę powietrza w wysokości 22,8°C przy sumie opadów 5,6 mm.

Wydawałoby się, że ubiegłoroczne lato było wyjątkowo upalne, a docierające do nas niepokojące informacje na temat suszy, dotyczące między innymi braku opadów, świadczyć mają o znacznym zagrożeniu suszą. Jednak przy bardzo zgrubnym porównaniu minionego lata z latem w 1807 r. sytuacja rysuje się dość optymistycznie. Złożona analiza warunków termiczno-wodnych pozwalająca oszacować suszę z 2015 roku jest aktualnie w toku opracowania.

Sucho, bardziej sucho, susza…

Podejmując się oceny jakościowej suszy, jest rzeczą oczywistą, że w pierwszym kroku należy uściślić pojęcie suszy. Potocznie przyjmuje się, że jest to zauważalny brak wody, który powoduje drastyczne szkody w środowisku naturalnym i w gospodarce niosąc przy tym uciążliwość bądź zagrożenie dla ludności. Susza jest zjawiskiem, którego istotnymi atrybutami są czasowość i przestrzenność. Susza tym różni się od innych naturalnych zagrożeń, że rozwija się powoli i w swoim początkowym stadium może być maskowana przez szereg innych czynników. Jest ona procesem ciągłym przechodzącym w kolejne fazy. Obecnie, zgodnie z rekomendacją World Meteorological Organization (WMO) wyróżnia następujące kategorie suszy:

• meteorologiczną, w odniesieniu do warunków normalnych konkretnego miejsca,
• rolniczą, gdy brak wody istotnie negatywnie wpływa na przebieg produkcji rolniczej,
• hydrologiczną, gdy przepływy w rzekach spadają poniżej przepływu średniego i także występuje obniżenie zwierciadła wód gruntowych,
• hydrologiczną związaną z trwałą i znaczną zmianą w sposobie użytkowania zlewni np. wylesienie, hydrotechniczna zabudowa dorzecza, degradacja gruntów,
• społeczno-ekonomiczną, gdy fizyczny brak wody wpływa na indywidualne i zbiorowe zachowania ludzi odzwierciedlające się w kategoriach popytu i podaży.

Przedstawienie zjawiska suszy jako procesu ciągłego, przechodzącego kolejne fazy ma uzasadnienie fizyczne. Susza atmosferyczna wyrażająca się brakiem opadów w pewnym okresie i na określonym obszarze może stanowić impuls do rozwoju suszy hydrologicznej. W przypadku zlewni o dużych zasobach wodnych okres bezopadowy musi być stosunkowo długi, aby doszło do rozwoju suszy hydrologicznej. Na obszarach o małej retencyjności susza będzie rozwijać się intensywniej, zatem skutki braku wody będą większe. Przedłużający się niedostatek opadów przy wysokim parowaniu powoduje ubytek wody w strefie aeracji osiągając tym samym kolejną fazę czyli suszę glebową. Brak wilgoci w warstwie korzeniowej doprowadza do więdnięcia roślin, co w konsekwencji powoduje straty w rolnictwie. W momencie sczerpywania retencji wód podziemnych następuje zmniejszenie się przepływów w rzekach, dochodzi do pojawia się niżówek, co świadczy o pojawieniu się suszy hydrologicznej. Rosną straty w rolnictwie i gospodarce.

Ocenę suszy przeprowadza się metodą wskaźnikową, stosując podejście konceptualne i statystyczne. Długie ciągi pomiarowe są podstawowym źródłem informacji do opracowania modelu badanego zjawiska. Opis ten może być w różnej postaci np. krzywej prawdopodobieństwa występowania zjawiska, wielowymiarowego rozkładu prawdopodobieństwa, procesu stochastycznego, pola losowego, zależności regresyjnej, prognozy statystycznej. Zaś podejście konceptualne pozwala określić główne czynniki wywołujące zjawisko.

Suchość pod kontrolą

Z punktu widzenia gospodarki, a przede wszystkim zapewnienia bezpieczeństwa w zaopatrzenie ludności w wodę i żywność istotną rolę we współczesnym życiu pełnią prognozy meteorologiczne i hydrologiczne. Mimo że ze swej natury obarczone są pewnymi błędami wynikającymi z losowego charakteru zjawisk oraz niedoskonałości stosowanych metod, to rzetelne prognozy wraz z miarą niepewności prognozy (np. prawdopodobieństwo pojawienia się prognozowanego zdarzenia) są istotne w procesie decyzyjnym.

W Internecie można znaleźć wiele przykładów portali, których celem jest publikowanie bieżącej informacji na temat suszy jak i jej prognozy lub zbieranie i publikacja informacji historycznych na temat tego zjawiska.

Pierwszy system monitorowania susz powstał w 1999 roku, w Ameryce Północnej, w USA. Rozwiązania amerykańskie bazują głównie na wskaźnikach. System posiada bogatą sieć portali np. U.S. Drought Portal, National Weather Service. Climate Prediction Center, West Wild Drought Tracker, Canadian Drought Monitor – Drought Watch – Agriculture and Agri-Food Canada.

W Europie monitoringiem susz zajmuje się miedzy innymi Drought Management Centre for Southeastern Europe monitorujący obszar dawnej Jugosławii, Albanii, Bułgarii, Węgier, Rumunii, Grecji i Turcji. Mapy suszy uaktualniane są co dwa miesiące. Jako głównego wskaźnika używa się SPI. Monitoringiem suszy na podstawie wartości wskaźnika SPEI zajmuje się Global Drought Monitor prowadzony przez University College London. Instytucją posiadającą bazę danych na temat susz w Europie jest European Drought Centre i The Global Integrated Monitoring Drought and Prediction System.

Polski monitoring

W Polsce działają: prognostyczno-operacyjny system udostępniania charakterystyk suszy opracowany przez Tamarę Tokarczyk wraz zespołem z IMGW oddziału wrocławskiego, oraz System Monitoringu Suszy Rolniczej opracowany przez zespół badawczy z Instytutu Puław pod kierownictwem Andrzeja Doroszewskiego, a także system monitoringu warunków agrometeorologicznych i hydrologicznych w zlewniach rolniczych i ekosystemach rolniczych z Falent opracowany przez grupę badawczą, kierowaną przez Leszka Łabędzkiego.

W rozwiązaniu z Instytutu Przyrodniczo-Technologicznego z Falent wydzielono na obszarze kraju 13 regionów klimatycznych uwzględniając granice administracyjne. Wybrano 7 zlewni reprezentacyjnych, w których susza jest monitorowana na podstawie takich wskaźników jak: SPI, uwilgotnienia gleby (Soil Moisture Index, SMI), deficytu wody dla roślin uprawnych (Crop Drought Index, CDI), potencjalnej redukcji plonu końcowego (Yield Reduction, YR). Powyższe wskaźniki określa się dla wybranych upraw i użytków zielonych. Parametry niezbędne do ustalenia wskaźników oblicza się za pomocą modelowania matematycznego z krokiem czasowym 1 doby wykorzystując dane meteorologiczne. Ponadto określa się deficyt odpływu rzecznego i objętości wezbrania korzystając z autorskich rozwiązań Instytutu. Prognozę wyznacza się dla okresu 10 i 20 dniowego.

W Systemie Monitoringu Suszy w Puławach, warunki meteorologiczne są określane za pomocą klimatycznego bilansu wodnego (KBW). Opad atmosferyczny jest mierzony na stacjach meteorologicznych natomiast wartość ewapotranspiracji potencjalnej oblicza się wykorzystując metodę Penmana. KWB jest obliczany dla konkretnych wybranych upraw, dla kolejnych okresów sześciodekadowych.

Wrocławski produkt IMGW opracowany przez T. Tokarczyk wraz z zespołem jest skierowany do szerokiego odbiorcy. Przy tworzeniu narzędzi do oceny suszy zastosowano podejście konceptualne, natomiast podejście statystyczne posłużyło do tworzenia krótkoterminowych prognoz zagrożenia suszą (Tokarczyk, „Clasificationof low flow and hydrological drough for river basin.” Acta Geophisica, 2012). Ocena suszy jest dokonywana na podstawie efektywnego wskaźnika suszy (Effective Drought Index, EDI) i krzywych sum czasów trwania przepływów średnich dobowych (Flow Duration Curve, FDC), które to wskaźniki są porównywane z tłem klimatycznym. Statystyczną analizę niżówek, jako ocenę suszy hydrologicznej i wartości wskaźnika SPI wykorzystano do opisania tła. Wskaźnik SPI stanowi także prezentację aktualnej przestrzennej zmienności warunków wilgotnościowych. Tło klimatyczne opracowano na podstawie 40 letniego okresu obserwacji. Wskaźniki obliczane są z krokiem dobowym, na podstawie, danych spływających na bieżąco z wybranych stacji pomiarowych z obszaru całego kraju. Prognoza suszy realizowana jest w postaci prognozy krótkoterminowej (3-dniowej) warunków wilgotnościowych wpisanych w aktualny przebieg wartości wskaźnika EDI, co ilustruje prognozę rozwoju suszy.

dr Joanna Markowska
prof. Laura Radczuk