Regionální Klimatické Modely Města: Český a Středoevropský Pohled

Města jsou centry sociálních a hospodářských činností, interakcí a inovací. Téměř 70% evropské populace žije v městských oblastech, které spotřebují přibližně 80% energie a podílejí se až z 85% na HDP Unie. Rovněž však čelí přetrvávajícím problémům, jakými jsou nezaměstnanost, segregace a chudoba, jakož i silným tlakům na kvalitu městského životního prostředí.

V návaznosti na novou Územní agendu EU 2030 přijali členské státy EU na konci roku 2020 „Novou Lipskou chartu“, která se zaměřuje na transformační potenciál měst pro společné dobro. Nová Lipská charta poskytuje možnost se znovu zaměřit na vazby mezi správou na městské úrovni a jinými úrovněmi správy v polycentrických městských systémech. Taktéž poskytuje městu ucelený rámec politik k naplňování globálních a evropských dohod, jakými je program Cílů udržitelného rozvoje OSN do roku 2030, Pařížská dohoda, Městská agenda pro EU nebo Zelená dohoda pro Evropu.

Vzhledem k silné podpoře Nové městské agendy (2016) ze strany Evropské unie (EU) a jejích členských států získaly strategie udržitelného rozvoje městských oblastí zásadní význam. Nová Lipská charta, klíčový strategický dokument městské agendy EU z prosince 2020, chápe budoucnost městských oblastí nejen jako „míst hustě uspořádaných zastavěných struktur“, ale také jako míst, „která také umožňují kulturní, sociální, ekologickou a ekonomickou interakci“. Tato nová perspektiva tak přináší jedinečnou příležitost přehodnotit městské modely v EU.

Principy pro Udržitelný Rozvoj Měst

Nová Lipská charta zdůrazňuje několik klíčových principů pro udržitelný rozvoj měst:

• Sociálně-kulturní rozvoj: Cílem je uspokojit lidské potřeby a splnit cíl sociální spravedlnosti podporou účasti všech sociálních skupin na řešení otázek zdraví, bydlení, spotřeby, vzdělávání, zaměstnanosti, kultury, dědictví a začleňování migrantů, uprchlíků a chudších částí populace ve městech.
• Zaměstnanost a hospodářský rozvoj: Komise plánuje podporovat růst a ekonomickou hospodárnost ve městech prostřednictvím schémat trvale udržitelné a odpovědné výroby a spotřeby.
• Ekologické městské plánování a rozvoj.
• Instituce a řízení měst: Všechna opatření a strategie musí být vytvářena a prováděna v rámci systému víceúrovňové správy s charakteristikami spojenými s demokracií, průhledností a sociální spravedlností.

Klimatické Modely a Scénáře

Analýza budoucích klimatických podmínek je založena na simulacích klimatických modelů. V posledních desetiletích došlo k rychlému rozvoji odpovídajících metod vytváření klimatických scénářů, které vycházejí z hodnotících zpráv IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Primárními nástroji používanými pro tento účel jsou klimatické modely.

Čtěte také: Definice a význam ÚSES v ČR

Bohužel klimatické simulace s vysokým rozlišením stále nejsou výpočetně dostupné v případě globálních klimatických modelů (GCM). K získání informací o změně klimatu v regionálním až místním měřítku lze využít metody dynamického (viz zmíněné RCM) či statistického downscalingu, jako je např. Vzhledem k tomu, že výstupy klimatických modelů obsahují systematické chyby (v důsledku nutného zjednodušení složitých procesů v reálném světě), je nutné je opravit, aby byly získány smysluplné výsledky o simulovaných vlastnostech klimatického systému.

Obecně platí, že při práci se středními hodnotami meteorologických prvků (jako jsou sezónní a roční) lze se změnami danými modely zacházet tak, jak jsou, bez úprav. Dosavadní zkušenosti autorů této předkládané metodiky vedou k preferenci statisticky downscalovaných GCM oproti RCM. Důvodem jsou zejména systematické chyby (vlhčí a chladnější klima během kontrolního historického běhu RCM) a také skutečnost, že zatímco u GCM máme k disposici simulace z poslední generace klimatických modelů CMIP6 (použité v rámci poslední, AR6, zprávy IPCC), tak u RCM jsou pro Evropu k dispozici Euro-CORDEX simulace, řízené starší generací globálních klimatických modelů - CMIP5 (tedy modely z předešlé zprávy IPCC).

V současnosti jsou dostupné nejnovější klimatické scénáře vycházejících z CMIP 6 simulací. Tyto simulace jsou dostupné v rozlišení 50 km (pouze pár simulací, většinou končících v polovině 21. století), dále jsou dostupné simulace ve 100 a 250 km rozlišení do konce 21. Existují desítky modelových simulací poskytované renomovanými vědeckými institucemi a centry rozmístěnými po celém světě. Tyto simulace jsou dostupné pro celou planetu a zahrnují navzájem provázané procesy nejenom z atmosféry, ale rovněž z kryosféry, oceánů, půdy, vegetace atp. (tzv. Earth system models).

Jelikož jsou tyto procesy velmi komplexní, pracujeme s různými úrovněmi zjednodušení, ke kterému se přidává nejistota ve zjištění stavu celého systému (např. v atmosféře je nutné popsat stav nejenom v přízemní vrstvě a v různých výškách). Zákonitě pak dochází k tomu, že se do určité míry rozchází skutečný stav s realitou. Ta je pro různé modely a různá místa na planetě různá (je logické, že centra ve východní Asii budou preferovat přesnější popis pro svá území).

Za tímto účelem byla naším týmem vyladěná a aplikována metodika, která tyto dva kroky popisuje na příkladu Euro-CORDEX simulací (řízených CMIP5 simulacemi), ale byla rovněž aplikována na novější CMIP6 simulace, které jsou prezentovány na tomto webu.

Čtěte také: Nadregionální ÚSES

Podrobnosti k metodice jsou popsané v této práci:Meitner, J., Štěpánek, P., Skalák, P., Dubrovský, M., Lhotka, O., Penčevová, R., Zahradníček, P., Farda, A., Trnka, M. (2023): Validation and Selection of a Representative Subset from the Ensemble of EURO-CORDEX EUR11 Regional Climate Model Outputs for the Czech Republic. Atmosphere 2023, 14, 1442.

V souladu s uvedenou metodikou byly ze zhruba 20 CMIP6 simulací na základě validace vyloučeny ty, které nejsou v hodné pro oblast Střední Evropy. Ze zbylého „širšího“ ensemblu potom bylo vybráno 7 modelů tak, aby tento užší výběr statistickými vlastnostmi reprezentoval celý ensemble ale při menším počtu údajů.

Jsou situace, kdy se modely používají jednotlivě, např. jako vstup do hydrologických modelů (denní data), kde by použití celého ensemblu bylo výpočetně neřešitelné (velmi náročné). Výběr modelů byl proveden s ohledem na všechny základní meteorologické prvky, neboť ty jsou následně použity pro výpočet referenční evapotranpisrace a půdní vlhkosti modelem SoilClim. Výběr modelů spolu s dostupnými emisními scénáři je uveden v následující tabulce.

Výstupy klimatických modelů, pokud se nezabýváme pouze relativní změnou, nelze přímo použít, ale tyto výstupy je nutné nejprve korigovat za účelem odstranění systematické chyby nebo transformovat pozorované řady tak, aby změny mezi pozorovanou a transformovanou řadou odpovídaly změnám v simulaci klimatických modelů. Druhý uvedený přístup se označuje jako “přírůstková metoda” nebo “přímá modifikace” a je v ČR tradičně používán pro modelování dopadů klimatické změny např. na hydrologickou bilanci, jelikož je modelovaná hydrologická bilance robustnější ve srovnání s využitím korigovaných simulací.

Pro využití v denním kroku je vhodné aplikovat transformace, které uvažují nejen změny průměrů ale i variability. To umožňuje například pokročilá přírůstková (“Advanced Delta Change” - ADC) metoda. ADC metoda umožňuje zahrnout do transformace i změnu variability. To zjednodušeně znamená, že extrémy se mohou měnit jinak než průměr (což správně reflektuje situaci, jak ji zaznamenáváme ve skutečném světě). Při odvození změn srážek z klimatického modelu ADC metoda uvažuje i systematické chyby simulace, které nemusí být lineární. Další podrobnosti lze nalézt v práci van Pelt et al.

Čtěte také: Informace o AOPK Východní Čechy

Hodnoty jsou zpracovány v týdenním kroku, aby byl zachován jejich ročních chod a je provedeno vyhlazení parametrů transformace. Teplota vzduchu je na rozdíl od srážek transformována lineárně. Další meteorologické proměnné (globální záření, relativní vlhkost a rychlost větru) jsou modifikovány vynásobením poměrem průměrů za období kontrolního běhu a období scénářových simulací.

Vstupní data staničních měření jsou v případě České republiky aplikována ve formě technických řad, tj. časové řady bez chyb, homogenizované a s doplněnými mezerami v měření (Štěpánek et al., 2011, 2013). Data ze stanic ČHMÚ jsou před aplikací metody ADC interpolována, stejně jako data z klimatických modelů, a tak jsou ve formě map poskytovány i informace o budoucích klimatických změnách.

S ohledem na interpretaci výsledků je potřeba si uvědomit, že vedle referenčního období 1981-2010 pracujeme s 30tiletými časovými okny pro budoucí klima: 2015-2044 (označováno jako “2030”), 2035-2064 (“2050”), 2055-2084 (“2070”) a 2070-2099 (“2085”). Období se navzájem překrývají. V rámci těchto časových oken lze vyhodnocovat statistické charakteristiky (vč. extrémů) za dané období. Obdobně jako u simulací klimatických modelů zde nedává smysl analyzovat a prezentovat jednotlivé dny nebo roky, ale pouze statistiky za celé období.

Jak je uvedeno výše, podklady pro výstupy prezentované na tomto webu jsou mapy v rozlišení 0,5 km v případě ČR a gridové vrstvy v prostorovém rozlišení E-OBS databáze (cca 10 km) pro oblast Střední Evropy. K disposici jsou 4 scénáře SSP popisující předpokládaný budoucí vývoj, ensemble 7 modelů věrně reprezentující původní větší ensemble modelů (cca 20 modelů).

Jsou k disposici denní údaje základních meteorologických veličin (teplota vzduchu, srážkové úhrny, rychlost větru, vlhkost vzduchu, globální radiace), ze kterých se dají spočítat potřebné charakteristiky vč. S ohledem na podrobné časové (denní data) i prostorové rozlišení (0.5 km pro Českou republiku, resp. 10 km pro Střední Evropu) byly údaje agregovány, jak časově tak prostorově, a jsou zde v této zjednodušené podobě prezentovány.

Cílem této prezentace je poskytnout uživatelům relevantní informace o potenciálním problému, který pro ně může s ohledem na klimatickou změnu vyvstat. Údaje o klimatické změně jsou dále agregovány ve formě dlouhodobých charakteristik, kdy se použily všechny připravené modely a všechny scénáře SPP.

Z ensemblu modelových simulací byl vytvořen výstup, kdy vedle nejpravděpodobnějšího budoucího vývoje klimatu jsou vyhodnoceny také meze (okraje), ve kterých se může vývoj ubírat. Základní zpracování proběhlo pro 30tiletí jak pro současnost (1981-2010, označené ve výstupech jako 1995, resp. 1991-2020 označené jako 2005) tak pro budoucí klima.

Protože po korekci modelových výstupů statistické vlastnosti těchto výstupů odpovídají současným staničním měřením (popř. hodnotám v databázi E-OBS, která ze staničních měření vychází), je možné kombinovat výstupy ze stanic i z modelů (např. pro 30tiletá období, jejichž středem jsou současné roky, např.

Jsme schopni podle potřeby připravit data pro další meteorologické prvky i odvozené charakteristiky, připravit denní řady dat a v odůvodněných případech i data hodinová. V rámci spolupráce je možné vyhovět specifickým potřebám zájemců. Při poskytování dat pro vědecké účely preferujeme zapojení do konkrétní studie a pak jsou data k dispozici bezúplatně. Pro komerční účely či poskytování většího souboru dat je nezbytná dohoda s týmem ClimRisku a případná finanční kompenzace závisí na čase odborných pracovníků a řídí se ceníkem Ústavu výzkumu globální změny AV ČR.

Meteorologické Ukazatele

Základní meteorologické ukazatele:

1. Průměrná denní teplota vzduchu: Základní meteorologický ukazatel, který hodnotí komplexně teplotní poměry daného území. Počítá se jako průměr měření v termínu 07, 14 a 21 hodin, kdy večerní termín je počítán do rovnice dvakrát.
2. Minimální teplota vzduchu: Nejnižší denní teplota vzduchu zaznamenána za uplynulých 24 hodin měřená ve 21 hodin. Ve většině případů se jedná o údaj zaznamenaný v nočních či brzkých ranních hodinách.
3. Maximální teplota vzduchu: Nejvyšší denní teplota vzduchu zaznamenána za uplynulých 24 hodin měřená ve 21 hodin. Ve většině případů se jedná o údaj zaznamenaný po obědě.
4. Srážkový úhrn: Suma denních srážek v dané lokalitě. Denní suma je zaznamenána za uplynulých 24 hodin měřená v 7 hodin ráno a vztahující se k předešlému dni. Srážkové úhrny charakterizují vlhkostní poměry dané lokality i s ohledem na roční chod.
5. Průměrná rychlost větru: Počítá se jako průměr měření v termínu 07, 14 a 21 hodin. Tento údaj je vhodný hlavně k porovnání větrných podmínek v rámci různých lokalit a zjištění, jestli na daném území se vítr dlouhodobě bude zvyšovat či naopak.
6. Relativní vlhkost vzduchu: Počítá se jako průměr měření v termínu 07, 14 a 21 hodin. Relativní vlhkost vzduchu vyjadřuje stupeň nasycení vzduchu vodní párou. Je definována jako poměr skutečné hustoty vodní páry a hustoty vodní páry ve vzduchu nasyceném vodní párou při dané teplotě. Tato charakteristika je také důležitá pro výpočet rizika sucha či vzniku a šíření přírodních požárů.
7. Sluneční svit: Měřen jako délka (hodiny) přímého slunečního svitu a vychází se zde z denních sum za 24 hodin (00-24 hod). Je to opět veličina důležitá pro výpočet rizika sucha či vzniku a šíření přírodních požárů.
8. Tropický den: Je charakterizován jako počet dní s maximální denní teplotou vzduchu je aspoň 30 °C. Klimatická změna se projevuje hodně v nárůstu těchto dnů s vysokou teplotou. To je rizikem pro lidské zdraví, ale také pro přírodu, jelikož dochází k vyššímu výparu. To má za následek tendenci k suchu či častějším přírodním požárům.
9. Tropická noc: Nastává, kdy teplota vzduchu v nočních hodinách neklesne pod 20 °C. Tropická noc se používá pro hodnocení rizika dopadů na lidské zdraví či v energetice. Horké noci nepřispívají ke zdravému spánku a zvyšují riziko kardiovaskulárních incidentů. Zvýšené riziko výskytu tropické noci je v centru měst, které díky rozehřátému povrchu a horší ventilace během noci mají vyšší noční teploty. Projevuje se zde tedy navíc efekt tepelného ostrova města.
10. Extrémně horký den: Je charakterizován jako počet dní s maximální denní teplotou vzduchu > 35 °C (průměr za dané období). Tyto dny jsou rizikem pro lidské zdraví (výrazně narůstá riziko kardiovaskulárních incidentů), ale také pro přírodu, jelikož dochází k vyššímu výparu. To má za následek tendenci k suchu či častějším přírodním požárům.
11. Horká vlna: Je definovaná jako minimálně 3 po sobě jdoucí dny s maximální denní teplotou >=30°C, kdy alespoň jednou je překročeno 35°C a minimální teplota neklesne i pod 20°C. Tyto dny jsou rizikem pro lidské zdraví (výrazně narůstá riziko kardiovaskulárních incidentů), ale také pro přírodu, jelikož dochází k vyššímu výparu. To má za následek tendenci k suchu či častějším přírodním požárům. Proto tento index lze použít pro hodnocení rizika suchem, požárů a hlavně dopadů na lidské zdraví.

Příklady z Českých Měst

Mělník

Mělník má detailní mapy, které znázorňují zranitelnost města vůči změně klimatu. Pomocí analýzy dat z družicových snímků popisují zeleň, vlhkost povrchu nebo teplotu v území, a zobrazují rozmístění citlivých skupin obyvatelstva. Každý občan města se tak může podívat z různých pohledů na svoji ulici, okolí kanceláře nebo oblíbené náměstí.

Která místa ve městě jsou nejvíce zranitelná vůči vlnám horka? Kde žije nejvíce ohrožené populace? Kde je naopak díky vegetaci i v létě příjemný chládek? Na tyto otázky pomáhá odpovídat jedenáct map obsahujících analýzy časových řad družicových snímků města Mělníka. Výsledné mapy popisují rozložení zeleně, vlhkosti povrchu nebo teploty území.

Klimatické modely předpovídají změny teplot a očekávané zvýšení výskytu takzvaných vln horka. Pro stanovení zranitelnosti území se využívají i data o bydlišti nejvíce ohrožených skupin obyvatel (seniorů, dětí a nemocných v lékařských pobytových zařízeních).

Získaná data a mapy samotné využívají experti pro tvorbu Adaptační strategie pro město Mělník. „Už teď díky analýze dat víme například to, že je v Mělníku ohrožení přívalovými povodněmi v porovnání s jinými městy nízké, ale kvůli klimatické změně je třeba se zaměřit na území zranitelná vůči vlnám horka,“Bc. et Bc.

Podobu adaptační strategie ovlivňují i občané Mělníka, a to díky veřejným projednáním. Na konci minulého roku sdíleli studenti Gymnázia Jana Palacha a účastníci Dne města Mělníka své zkušenosti ze života ve městě a navrhovali konkrétní projekty, které by na jeho území ocenili.

„Adaptace na změnu klimatu je pro Mělník jednou z klíčových priorit a jsme rádi, že Adaptační strategie pro město Mělník nám pomůže identifikovat hlavní hrozby, prioritní projekty i možnosti financování. 3 mil. Adaptační strategie je koncepční dokument, který díky analýze zranitelnosti (pomocí sektorové analýzy, družicových dat a anketního šetření) pomáhá lépe pochopit důsledky klimatické změny pro město a jeho obyvatele.

Kladno

Michal Koníček (město Kladno) zdůraznil, jak strategické dokumenty jako SECAP a SUMPs transformují Kladno z průmyslového města na atraktivní místo k životu a práci. Prostřednictvím projektu SPARCS město:

• Zlepšuje energetickou účinnost a veřejnou dopravu.
• Pilotuje energetické komunity.
• Vyvíjí pozitivní energetickou oblast, instalující solární fotovoltaické systémy na veřejných budovách.

Liberec

Pavlina Tvrdíková (město Liberec) se podělila o postřehy z jejich cesty v rámci EU Cities Mission, při níž se město zaměřuje na:

• Instalaci solárních parků a fotovoltaických systémů.
• Dekarbonizaci vytápěcích systémů.
• Posilování spolupráce mezi městskými odděleními.
• Zvyšování klimatického povědomí mezi mladými lidmi a soukromým sektorem.

Liberec vidí Mission Label jako silnou značku, která zvyšuje jejich vyjednávací sílu a urychluje tranzici na klimaticky neutrální město. K tomu je ale také zapotřebí hlubší spolupráci s ostatními českými městy a ministerstvy.

Městský Tepelný Ostrov (MTO)

Jedním z nejznámějších projevů mikroklimatu až mezoklimatu města je městský tepelný ostrov (MTO), který lze v jednoduchosti popsat jako relativní oteplení města vůči okolnímu venkovu. Zesilování MTO ve velkých městech staví dnes tuto problematiku do popředí zájmu nejen u klimatologů, ale také architektů, urbanistů, odborníků na územní plánování nebo představitelů místních samospráv. Jejich úkolem je pomocí nejnovějších poznatků a technologií přispět k zmírnění negativních projevů MTO (a městského klimatu obecně) a zvýšení kvality života ve městě.

V podmínkách České republiky se MTO nejsilněji projevuje v Praze. Specifika městského prostředí oproti volné krajině jsou dána rozdílnými povrchy. Tímto je podmíněna odlišná radiační bilance, protože sluneční záření je různě odráženo a pohlcováno pevnými materiály (povrch vozovek, střech apod.) oproti porostům. Dochází k tomu, že tyto povrchy se v době dopadu slunečních paprsků více ohřívají, a tím zvyšují teplotu vzduchu, a tak dochází i k ovlivnění jejich vlhkosti.

Výzkumný Projekt: Modelování Vlivu Měst na Regionální Klima a Kvalitu Ovzduší

Probíhající výzkumný projekt se zaměřuje na modelování vlivu měst na regionální klima a kvalitu ovzduší. Projekt využívá vysoce rozlišený spojený regionální klimaticko-chemický model, aby pochopil a kvantifikoval dopad těchto procesů na regionální atmosférickou chemii a klima v současnosti i budoucnosti, se zaměřením na města ve střední Evropě a České republice.

Veřejná podpora:

• Poskytovatel: Grantová agentura České republiky
• Program: Postdoktorandské granty
• Název projektu anglicky: Modeling of impact of cities on regional climate and air quality

Termíny řešení:

• Zahájení řešení: 1. 2. 2013
• Ukončení řešení: 31. 12. 2015

Finance:

• Celkové uznané náklady: 1 228 tis. Kč
• Výše podpory ze státního rozpočtu: 1 228 tis. Kč

Dostupné Nástroje a Data

Pro analýzu regionálních klimatických modelů měst jsou k dispozici různé nástroje a data:

• Česká republika - prohlížečka klimatických dat: Mapová aplikace s možností výběru požadované charakteristiky, období a regionu pro Českou republiku.
• Střední Evropa - prohlížečka klimatických dat: Mapová aplikace pro region střední Evropy (zahrnuje Českou republiku a dále významné části Slovenské republiky, Německa, Rakouska, Maďarska a Polska) s možností výběru požadované charakteristiky, období a regionu.

Funkce Prohlížeček

• Charakteristika: Umožňuje vybrat požadovanou charakteristiku, a to jak hodnotu konkrétní charakteristiky (např. teplota, vlhkost vzduchu, rychlost větru apod.), tak některé odvozené charakteristiky.
• Období: Umožňuje výběr období, pro které se hodnoty vztahují, a to vždy v 30letých intervalech.
• Časová agregace: Umožňuje výběr, pro jaké časové období v rámci kalendářního roku se hodnoty vztahují.
• Region: Tato položka umožňuje výběr zájmového regionu. Tento výběr lze provádět dvěma způsoby - buď zadáním podoblasti a následně ve výběrovém menu výběrem z regionů v rámci dané podoblasti, nebo zadáním konkrétních zeměpisných souřadnic.

Mapa slouží jak pro zobrazení hodnot v jednotlivých oblastech (vyjádřených barevným podbarvením dle legendy uvedené v vpravo dole), tak pro možnost výběru zájmového regionu kliknutím přímo do mapy. Nad legendou je přepínání zobrazení škály legendy. V horní části obrazovky se zobrazuje rozložení hodnoty pro vybrané období (průměr, medián, 5., 25., 75. a 95. percentil). Dále je k dispozici čárový graf, který ukazuje průběh vývoje hodnot pro všechna dostupná období (od minulosti až po budoucnost). Čára s body reprezentuje průměr dané hodnoty, v čárovém grafu je také vyznačen rozsah mezi 5. a 95. Nad grafem je oranžové tlačítko Stáhnout data.

Data lze stahovat skrze vyplnění formuláře Stahování dat. Pokud uživatel k formuláři přistupuje přímo z menu, je potřeba vyplnit oblast, podoblast, region, časovou agregaci, klimatickou projekci (období) a klimatickou charakteristiku. V rámci formuláře je možné měnit parametry dat ke stažení, například lze vybrat více možností v případě časové agregace, klimatické projekce a klimatické charakteristiky. Stažení se však vždy týká pouze jednoho konkrétního regionu.

tags: #regionální #klimatické #modely #města

Oblíbené příspěvky:

• Evropské klima a jeho proměny
• Pracovní příležitosti v Skladce Březová
• Hygienické limity nanocastic
• Co se děje v přírodě – recenze
• Srovnání emisí: elektromobily vs. elektrárny