4. Klimatologie období přístrojových pozorování img134 4.1 Počátky meteorologických pozorování • Galileo Galilei (1564-1642) a jeho žáci – první meteorologické přístroje • Rete Medicea – první mezinárodní meteorologická síť (10 stanic) – začátek 1653-1654 – zaniká v roce 1667 img269 img268 Thermometer and weather angel from Otto von Guericke (Körber, 1989) Evangelista Torricelli (1608-1647) jako autor rtuťového tlakoměru Full-size image (36 K) Tradiční korejský srážkoměr „Chukwooki“, používán v dynastii Choson - Čoson (1392-1910), byl vynalezen v roce 1441. Měřilo se s ním až do roku 1907, přičemž nejdelší srážková řada jím měřená pochází ze Soulu od roku 1777. Yoo, C. et al., Journal of Hydrology, 520, 2015, 387-396 img255 img256 Central England Temperature series since 1659 Gordon Manley (1902-1980), autor teplotní řady střední Anglie Jones, Hulme (1997) precipitation from 1697 – Kew, London; further local observing activities – e.g. Louis Morin, a physician in Paris, observed in the years 1665-1713 “Breslau network” Obr_1 Středoevropská síť Johanna Kanolda (1679-1729), lékaře ve Vratislavi (Breslau, Wroclaw), v letech 1717-1726, pokračovala v období 1727-1730 pod vedením Andrease Büchnera, lékaře v Erfurtu (neo-hippokratovská teorie o lidském zdraví a jeho vztahu k přírodnímu prostředí) – publikace meteorologických měření a pozorování po čtvrtletích (I-III, IV-VI, VII-IX, X-XII) – první známá přístrojová měření z českých zemí (Zákupy, SZ Čechy) - organizace sítí meteorologických stanic Fig_3a Obr_2 Johann Carl Rost (1690-1731), lékař v Zákupech • nejstarší přístrojová měření od 21. prosince 1719 do 31. března 1720 ze Zákup – Johann Carl Rost The variation of the term values of air pressure (21 Dec. 1719 – 31 March 1720) and air tempera-ture (1 Jan – 31 March 1720) Sixteen-part wind roses (%) in the months January to March of 1720. In the right lower corner – the relative frequency of calms. Analýza Rostových pozorování v Zákupech Brázdil, R., Valášek, H. (2002): Meteorologická měření a pozorování v Zákupech v letech 1718-1720. Geografie – Sborník České geografické společnosti, 107, č.1, s. 1–22. František Alois Mag z Maggu (1725-1804) img260 img263 Pozorované prvky/jevy: Tlak, teplota, vlhkost, síla a směr větru (32-dílná větrná růžice), meteorologické jevy • nejstarší denní pozorování počasí třikrát denně před 7. květnem 1771 (po 9. březnu 1775) v Telči prováděl vrchnostenský lékař Mag z Maggu (Brázdil et al., Meteorol. Zpr., 2002, č. 2, s. 50-60 Fig_11b Příklad Magových denních meteorologických záznamů pro 3.-13. prosinec 1773 Josef Stepling (1716-1778), první ředitel klementinské observatoře, měřil tlak vzduchu, teplotu vzduchu a srážky již v roce 1752 Jezuitská kolej sv. Klementa v Praze (zkráceně Klementinum) Klementinum Stepling J • nejstarší souvislá přístrojová měření v Praze-Klementinu od 1. ledna 1775 (předtím 1752, 1771) teplota a tlak vzduchu, od 1. května 1804 srážky img164 Societas Meteorologica Palatina – 39 stanic s publikováním výsledků v letech 1780-1792 – sjednocení přístrojů a termínů pozorování – zahrnuta stanice Praha-Klementinum Fig_5a Antonín Strnad (1746-1799), třetí ředitel klementinské observatoře, apeloval na rozšíření meteorologických pozorování v Čechách Fig_6a Alois David (1757-1836), čtvrtý ředitel klementinské observatoře se zasloužil o rozvoj meteorologických pozorování v Čechách Fig_12a Fig_12b Leopold Jan Šeršník (1747-1814), prefekt gymnázia v Těšíně, prováděl první měření srážek ve Slezsku (leden 1777 - leden 1778). Příklad jeho srážkových záznamů z dubna 1777 Fig_7b Fig_7a František Jakub Jindřich Kreybich (1759-1833), farář v Žitenicích, pozoroval v letech 1787-1829. Příklad Kreybichových pozorování z června 1788 Září Ferdinand Knittelmayer (1750-1814), Brno, 1799-1812 Knittelmayer observed weather in the former Dominican monastery (used in his time by army) - a captain in pension - observations five-times a day: pressure, temperature, wind, state of the sky, meteorological phenomena - he believed for nineteen-year lunar cycle (“analoque weather forecast”) VP_4 Records of air pressure for January-June 1805 from Ferdinand Knittelmayer VP_5 Graph of meteorological observations by Ferdinand Knittelmayer (March-May 1800) Podrobné informace k historii meteorologických pozorování v České republice, včetně odkazů na další doplňkovou literaturu, a statistickou analýzu dlouhých teplotních a srážkových řad na bázi měsíčních, sezonních a ročních řad uvádí kniha Brázdil, R., Bělínová, M., Dobrovolný, P., Mikšovský, J., Pišoft, P., Řezníčková, L., Štěpánek, P., Valášek, H., Zahradníček, P. (2012): Temperature and Precipitation Fluctuations in the Czech Lands During the Instrumental Period. Masaryk University, Brno, 236 s. 4.2 Teplota vzduchu img155 • měření v 1,25 - 2 metrech nad zemí • výpočet denního průměru teploty vzduchu z termínů 7, 14 a 21 h SMČ – Kämtzův vzorec img163 Problémy starších měření Basilej – radiační efekt teploměru (nedostatečné stínění) a)ranní termín b)polední termín c)večerní termín d)ráno mínus poledne e)poledne mínus večer • dostupnost měření • nestandardní umístění • typ přístroje • pozorovací termíny 4.2.1 Tepelný ostrov města img135 img136 img137 img138 img139 Zesilování tepelného ostrova města (tj. rostoucí diference teploty vzduchu mezi městem a venkovskou krajinou) Regresní závislost průměrné roční teploty vzduchu na nadmořské výšce podle stanic ve středních Čechách (Praha: Kl – Klementinum, Ka – Karlov) img142 Zesilování tepelného ostrova Prahy-Klementina Použité stanice pro výpočet průměrné řady 1922-1995 img143 img144 Teplotní diference Praha-Klementinum mínus průměrná řada: udávají nárůst tepelného ostrova oproti okolí Prahy • zima 0,6 ºC/100 let • jaro 0,6 ºC/100 let • léto 0,1 ºC/100 let • podzim 0,5 ºC/100 let • rok 0,5 ºC/100 let • img146 Faktory ovlivňující zesilování tepelného ostrova Prahy-Klementina • zastavěná plocha • produkce energie (odpadní teplo) – v období 1975-1987 nárůst spotřeby energie o 26 % • počet obyvatel Změny počtu obyvatel Prahy (Brázdil, R., Budíková, M., Atmospheric Envronment, 1999, r. 33, č. 24-25, s. 4211-4217) Skalák, P. et al. (2015): Příspěvek projektu UHI k poznání klimatu Prahy. Meteorologické zprávy, 68, 1, 18-23. P-Kl mínus průměr Brandýs nad Labem + Dobřichovice + Tuhaň Skalák, P. et al. (2015): Příspěvek projektu UHI k poznání klimatu Prahy. Meteorologické zprávy, 68, 1, 18-23. img141 Plošný nárůst tepelného ostrova Krakowa 1. centrum – střed města, 2. centrum – hutnický kombinát Nowa Huta img140 FIG 9_velikost Sekulární teplotní řady Fig_3 1 – Brno 2 – Bystřice pod Hostýnem 3 – Čáslav 4 – České Budějovice 5 – Havlíčkův Brod 6 – Olomouc 7 – Opava 8 – Praha-Klementinum 9 – Přerov 10 – Tábor Teplota vzduchu Fig_4 Lineární 30-leté trendy teploty vzduchu v ČR pro 10 řad (hodnoty jsou vynášeny k poslednímu roku třicetiletí, tedy např. 1931-1960 k roku 1960) krup vs Brno T SRA Fluctuations in summer half-year mean temperatures (1801–2015) and precipitation totals (1803–2015) at the Brno meteorological station, and numbers of hailstorm days in South Moravia (1801–2015). Smoothed by Gaussian filter for 10 items 4.2.2 Globální teplotní řady img151 img152 Počet dostupných teplotních řad (stanic) pro výpočet globální teplotní řady a percentuální pokrytí celé Země a obou polokoulí img147 img148 Globální teplotní řada – způsob výpočtu (Climatic Research Unit (CRU), University East Anglia, P. Jones et al.) img149 img150 Vliv nerovnoměrného staničního pokrytí Severní polokoule na kolísání průměrných teplot vzduchu (při zahrnutí stanic, které začaly měřit v 50. letech 19. století, atd.) Problémy výpočtu globálních řad: • prostorové a časové pokrytí • homogenizace řad • intenzifikace tepelného ostrova • propojení teplot vzduchu s SST glob_rada_pozadi •globální teplotní řada na Zemi počítaná od roku 1856 na základě existujících teplotních měření •globální oteplování s lineárním trendem 0,6 ºC/100 let •extrémně teplá 90. léta 20. století, nejteplejší rok 1998 (IPCC, 2001) img162 (IPCC, 2001) Kombinované teploty pevnina + oceán (Land + SST) (IPCC, 2007) Porovnání různých globálních teplotních řad (IPCC, 2007) Porovnání ročních teplotních trendů mezi dvěma obdobími (IPCC, 2007) Sezonní teplotní trendy (IPCC, 2007) Simulace pozorovaných teplot se zahrnutím přírodních a antropogenních faktorů (IPCC, 2007) (IPCC, 2007) img757 MunichRe, 2011 Rychlejší nárůst minimálních (TMI) teplot oproti maximálním (TMA) a výsledný pokles denní teplotní amplitudy (DTR) je přičítán rostoucímu vlivu skleníkových plynů na TMI (TMA ovlivněno více slunečním svitem) 4.3 Srážky Systematické chyby při měření srážek (Sevruk, 1985) • aerodynamický efekt srážkoměru (2-10 % déšť, 10-50 % sníh) • smáčení srážkoměru (2-10 %) • výpar vody ze srážkoměru (0-4 %) • rozstřik dopadajících srážek do (ven ze) srážkoměru (1-2 %) • akumulace navívaného a unášeného sněhu Naměřené úhrny srážek představují podhodnocené odhady jejich skutečného množství. Doporučená literatura: Brázdil, R., Štěpánková, P. (1998): Korekce systematických chyb při měření srážek na Milešovce v období 1956-1996. Meteorologické zprávy, 51, č. 5, s. 142-148. Sevruk, B. (2004): Niederschlag als Wasserkreislaufelement, Theorie und Praxis der Niederschlagsmessung. ETH, Zurich - Nitra, 200 s. Velikost opravy srážek a ovlivňující faktory Vítr Výpar 1 – srážky měřené, 2 - korigované Smáčení (Atlas podnebí Česka, 2007, kap. Srážky) img154 Sevruk, Klemm (1989): ve 136 zemích světa se užívalo • 54 typů srážkoměrů • záchytná plocha 7-1000 cm2 • výška 0,2-2 m nad zemí - nehomogenity v měření srážek - počítají se prostorové průměry (např. pro povodí) - upuštěno od výpočtu globálních srážkových řad img153 Příklad narušení homogenity srážkových řad v Rusku obr_1 a)Manuální srážkoměr METRA 886 b)automatický člunkový srážkoměr MR3H Kněžínková, B., Brázdil, R., Štěpánek, P. (2010): Porovnání měření srážek srážkoměrem Metra 886 a automatickým člunkovým srážkoměrem MR3H ve staniční síti Českého hydrometeorologického ústavu. Meteorologické zprávy, 63, 5, 147–155 Problém automatizace měření obr_2 Poloha a typ meteorologických stanic ČHMÚ použitých k analýze diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H obr_3 Krabicové grafy (medián, dolní a horní kvartil, 10. a 90. percentil) a extrémní kladné a záporné hodnoty (čísla) diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H na jednotlivých stanicích v letech 1999–2007 obr_4 Relativní četnosti (%) rozdělení diferencí denních úhrnů srážek měřených srážkoměry METRA 886 a MR3H pro skupiny stanic v různých výškových intervalech v letech 1999–2007 Obr10_1 Obr10_2 Sekulární srážkové řady Fig_5 Srážky 1 – Brno 2 – Bystřice pod Hostýnem 3 – Čáslav 4 – České Budějovice 5 – Dačice 6 – Havlíčkův Brod 7 – Olomouc 8 – Opava 9 – Praha-Klementinum 10 – Přerov 11 – Šumperk 12 – Tábor fig2_tmavší 4.3.1 Sucho v České republice Trendy pro 1881-2006: 12-month SPI: –0.024/10 years scZ-index: –0.048/10 years scPDSI: –0.192/10 years Fig_1 Druhy sucha: meteorologické, zemědělské, hydrologické a socioekonomické http://drought.unl.edu/Education/DroughtIn-depth/TypesofDrought.aspx Indexy sucha • Standardizovany srážkový index (Standardised Precipitation Index – SPI) • Standardizovaný srážkový evapotranspirační index (Standardised Precipitation Evapotranspiration Index – SPEI) • Palmerův index intenzity sucha (Palmer Drought Severity Index – PDSI) a Z-index P1000432b Brázdil, R., Trnka, M. a kol. (2015): Sucho v českých zemích: minulost, současnost a budoucnost. Centrum výzkumu globální změny AV ČR, v.v.i., Brno, 400 s.) https://www.intersucho.cz/ ZIND PDSI 1805-2012 Index Rok Zima Jaro Léto Podzim SPI-1 0,07 0,19 0,01 0,05 0,01 SPI-12 0,15 0,14 0,15 0,16 0,15 SPEI-1 -0,06 0,17 -0,20 -0,11 -0,09 SPEI-12 -0,23 -0,21 -0,23 -0,24 -0,24 ZIND -0,12 0,13 -0,28 -0,12 -0,18 PDSI -0,47 -0,36 -0,54 -0,49 -0,47 Stoleté lineární trendy ročních a sezonních indexů sucha pro české země v období 1805–2012 (negativní značí nárůst intenzity sucha). Statisticky významné hodnoty trendů na hladině významnosti α = 0,05 jsou vyjádřeny tučně: 1 – index pro 1 měsíc, 12 – index pro 12 měsíců-rok (Brázdil et al., International Journal of Climatology, 2015, 35, 1405–1421) Climate Research, vol. 70, 2016, No. 2-3 http://www.int-res.com/abstracts/cr/v70/n2-3/ 4.4 Ostatní meteorologické prvky a jevy img156 Sluneční svit (heliograf) img157 Fig_1 Slunoměry používané k měření délky slunečního svitu v síti stanic ČHMÚ: a) slunoměr Campbell-Stokes; automatické slunoměry: b) SD4 senzor, c) SD5 senzor, d) SD6 senzor Fig_9 Homogenizované řady slunečního svitu pěti meteorologických stanic ČHMÚ v období 1961–2017 (řada 1 – kombinovaná řada z měření slunoměrem Campbell–Stokes a automatickými slunoměry, řada 2 – pouze slunoměr CS) (Valík et al., Climate Resarch, 2019, 78, 1, 83–101) Fig_2_4 Fluctuations of maximum monthly wind gusts (m.s-1) (a) and the annual number of days with wind gusts ³ 17 m.s-1 (b) at the station Prague-Karlov during the period 1921–2003. Arrows mark the years in which the anemographs were exchanged Vítr Fig_2 „wind stilling“ (pokles rychlosti větru) – trendy v m.s-1 za dekádu (odchylky od 1961–1990) Přístroje v ČR: 1 – anemoindikátor, 2 – anemograf, 3 – Vaisala WAA 151, 4 – WS 425 (ultrasonic) Stanice do 300 m n. m. 301-600 m 601-900 m nad 900 m Porovnání okolí stanice Přimda v letech 1958 a 2008, ukazující zvýšení podílu zalesněné a zastavěné plochy (archív ČHMÚ) – zvýšení drsnosti povrchu významně příspívá k pozorovanému „wind stilling“ (Brázdil, R. et al. (2017): Spatial and temporal variability of mean daily wind speeds in the Czech Republic, 1961–2015. Climate Research, 72, 3, 197–216) čárkovaně – anemograf, plně – Vaisala (Brázdil, R. et al. (2017): Wind-stilling in the light of wind speed measurements: the Czech experience. Climate Research, 74, 131–143) rychlost větru (MDWS) Vliv automatizace měření – počet stanic Vaisala utrasonic img159 img160 Meteorologické jevy (a jejich závislost na pozorovatelích) Milešovka 1906-1994 a) celá řada b) jeden pozorovatel c) dva pozorovatelé d) synoptická stanice Současné kolísání klimatu v České republice na základě přístrojových meteorologických pozorování - viz prezentace z fyzickogeografického semináře č. 2 s odpovídajícími odkazy: Očekávaná změna klimatu v České republice Pavel Zahradníček, Miroslav Trnka, Petr Štěpánek a mnoho dalších 4.5 Pozorované změny v klimatickém systému podle přístrojových pozorování – IPCC 2013 -vyjádření kvalitativního stupně spolehlivosti výsledku (velmi nízká až velmi vysoká) podle typu, množství, kvality a existence existujících svědectví - kvantifikace pravděpodobnosti (plyne ze statistické analýzy): prakticky jisté – 99-100% pravděpodobnost, velmi pravděpodobné – 90-100%, pravděpodobné – 66-100%, pravděpodobně ano i ne – 33-66%, nepravděpodobné – 0-33%, velmi nepravděpodobné – 0-10%, výjimečně nepravděpodobné – 0-1% -dodatečné: extrémně pravděpodobné – 95-100%, pravděpodobnější než ne ->50-100%, extrémně nepravděpodobné – 0-5% img932 Lineární trend 1880-2012: 0,85 °C (0,65 až 1,06) Rozdíl teplot v obdobích 1850-1900 a 2003-2012 je 0,78 °C (0,72 až 0,85) Prakticky jisté, že se troposféra oteplila od poloviny 20. století. Každá ze tří posledních dekád byla teplejší než předchozí dekády od roku 1850. 1983-2012 je nejteplejší 30-letí za posledních 1400 let. img933 Lineární teplotní trend v letech 1901-2012 podle gridových bodů (70% dat, alespoň 20% dat na začátku a ke konci období). Gridy bez dat jsou bílé. Gridy se signifikantním trendem pro α = 0,10 jsou označeny +. img934 Spolehlivost změny srážek před rokem 1951 je nízká a poté střední. Srážky vzrostly v mírných šířkách pevnin na Severní polokouli (střední spolehlivost před 1951 a vysoká poté). Kladné i záporné trendy srážek v ostatních šířkách mají nízkou spolehlivost. img935 img936 Vysoká spolehlivost tvrzení, že jarní (březen-duben) rozsah sněhové pokrývky na severní polokouli se zmenšil. img937 Existuje vysoká spolehlivost tvrzení, že rozsah mořského ledu v Arktidě se zmenšil. img938 Prakticky jisté, že svrchní vrstva oceánu (0-700 m) se oteplila od 1971 do 2010 a pravděpodobně se oteplila mezi 70. léty 19. století a rokem 1971. img939 Rychlost vzestupu hladiny světového oceánu od poloviny 19. století byla větší než v předchozích dvou tisíciletích – vysoká spolehlivost. V letech 1901-2010 činil vzestup 19 cm (17-21 cm). 4.6 Globální teploty - současnost Doporučená literatura: Brázdil, R., Štekl, J. a kol. (1999): Klimatické poměry Milešovky. Academia, Praha, 433 s. Camuffo, D., Jones, P., eds. (2002): Improved understanding of Past Climatic Variability from Early Daily European Instrumental Sources. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Boston, London, 392 s. Brázdil, R., Valášek, H., Macková, J. (2005): Meteorologická pozorování v Brně v 1. polovině 19. století (Historie počasí a hydrometeorologických extrémů). Archiv města Brna, Brno, 452 s. Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Marquis, M., Averyt, K. Tignor, M. M. B., LeRoy Miller, H., Chen, Z., eds. (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, 996 s. Stocker, T. F., Qin, D., Plattner, G.-K., Tignor, M., Allen, S. K., Boschung, J., Nauels, A., Xia, Y., Bex, V., Midgley, P. M., eds. (2013): Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Cambridge University Press, Cambridge, UK, New York, USA, 1535 s. Auer, I. et al. (2007): HISTALP – historical instrumental climatological surface time series of the Greater Alpine Region. International Journal of Climatology, 27, 17–46. http://www.zamg.ac.at/histalp/ Brázdil, R., Bělínová, M., Dobrovolný, P., Mikšovský, J., Pišoft, P., Řezníčková, L., Štěpánek, P., Valášek, H., Zahradníček, P. (2012): Temperature and Precipitation Fluctuations in the Czech Lands During the Instrumental Period. Masaryk University, Brno, 236 s. Dobrovolný, P., Řezníčková, L., Brázdil, R., Krahula, L., Zahradníček, P., Hradil, M., Doleželová, M., Šálek, M., Štěpánek, P., Rožnovský, J., Valášek, H., Kirchner, K., Kolejka, J. (2012): Klima Brna. Víceúrovňová analýza městského klimatu. Masarykova univerzita, Brno, 200 s. Brázdil, R., Trnka, M. a kol. (2015): Sucho v českých zemích: minulost, současnost, budoucnost. Centrum výzkumu globální změny Akademie věd České republiky, v.v.i., Brno, 400 s.