logo
FA 5/2021 do suchej nitki

Tatiana Tokarczyk, Wiwiana Szalińska

Wskaźniki oceny suszy

Rys. Sławomir Makal

Susze XXI wieku charakteryzują się wyższymi temperaturami, dłuższym czasem trwania oraz większym zasięgiem przestrzennym. Naturalny przebieg susz ulega znacznemu zaostrzaniu w wyniku rosnącego zapotrzebowania na wodę, postępującego procesu antropopresji oraz zmian klimatycznych.

Susze towarzyszą ludziom od zarania dziejów. Ogólne pojęcie suszy oznacza zauważalny brak wody sprawiający wyraźną uciążliwość lub nawet zagrożenie dla ludności, wywołując szkody w środowisku i gospodarce. Suszę charakteryzuje trwałe i rozległe obszarowo obniżenie dostępności wody poniżej średniej naturalnej, wywołane długotrwałym brakiem lub znaczącym niedostatkiem opadów, wpływającym na wszystkie elementy obiegu wody. Susza jest procesem złożonym, narasta stopniowo, a jej skutki kumulują się i uwidaczniają po dłuższym czasie. Skutki suszy mogą mieć różny charakter zależny od specyfiki obszaru występowania, intensywności suszy oraz czynników społecznych, gospodarczych, technologicznych czy politycznych.

W Polsce występowanie okresów posusznych i susz stanowi naturalną cechę klimatu obserwowaną przy antycyklonalnym typie cyrkulacji atmosferycznej nad Europą, którą blokują układy niskiego ciśnienia. Największa częstotliwość występowania układów wyżowych w Polsce przypada na marzec, maj, czerwiec i październik, co sprzyja pojawianiu się susz na początku okresu wegetacyjnego oraz jesienią. W formowaniu się susz w okresie letnim ważną rolę odgrywa dodatkowo czynnik solarny związany z małym zachmurzeniem. Obok braku lub niewielkiej ilości opadów kształtowaniu się warunków suszy towarzyszą dodatkowo niska wilgotność powietrza, duża prędkość wiatru.

Formowanie się suszy następuje powoli, jednak jej charakter jest dynamiczny, o określonym cyklu rozwoju, przejawiającym się zmiennym w czasie i przestrzeni wzrostem różnicy pomiędzy dostępnymi zasobami wodnymi a potrzebami społeczeństwa, środowiska i gospodarki. W pierwszej fazie suszy, określanej mianem meteorologicznej, obserwowane są trwające nawet do kilku tygodni warunki braku opadów lub ich śladowa ilość. Ta faza suszy jest dość łatwo odwracalna pod kątem wilgotnościowym. Kilka dni z opadem zazwyczaj powoduje powrót do warunków normalnych. Jeśli okres niedoborów opadów zbiegnie się z upałami i zwiększonymi prędkościami wiatru czy usłonecznieniem, wówczas wzrasta intensywność parowania, zauważa się przesychanie powierzchniowych, a następnie głębszych warstw gleby. Redukowane są zasoby wody wolnej, wsiąkowej i w końcu kapilarnej, co wywołuje tzw. suszę glebową. W przypadku dalszego utrzymywania się stanu niedoboru opadów, gdy zasoby wód podziemnych nie są uzupełniane wodami opadowymi, następuje obniżanie się zwierciadła wód podziemnych i obniżenie stanów wód powierzchniowych, prowadząc do kolejnego etapu, jakim jest susza hydrologiczna. Następuje wtedy zmniejszanie zasobów wód powierzchniowych i podziemnych. Ten etap suszy jest już trudno odwracalny ze względu na czas potrzebny do odnowienia zasobów wód.

Susza za suszą

Każda faza rozwoju suszy – meteorologiczna, glebowa, hydrologiczna, może przynieść określone straty społeczne, środowiskowe oraz gospodarcze, wywołując tzw. suszę gospodarczą (Rys. 1). Susza gospodarcza uzależniona jest od wrażliwości poszczególnych regionów i sektorów gospodarki na zagrożenie suszą, a jej skutki należy rozpatrywać w odniesieniu do miejsca wystąpienia, terminu wystąpienia oraz czasu trwania suszy. W pierwszej fazie rozwoju suszy podczas długotrwałych okresów bezopadowych dochodzi do wzrostu stężenia alergenów i pyłów w powietrzu atmosferycznym, co oddziałuje na zdrowie człowieka i ma szczególne znaczenie na obszarach miejskich. Susza glebowa może spowodować zmniejszenie plonu roślin uprawnych na obszarach rolnych, ryzyko pożarów na obszarach leśnych czy straty w ekosystemach na obszarach o wysokich walorach ekologicznych. Susza hydrologiczna zwiększa ryzyko redukcji rezerw wodnych na potrzeby użytkowania, w tym przemysłu, gospodarki komunalnej, rekreacji, jak również do zapewnienia potrzeb siedlisk wodnych. Obszary górskie są szczególnie narażone na suszę hydrologiczną ze względu na ich inicjujący udział w kształtowaniu się zasobów wodnych w Polsce. Obserwowany w ostatnich latach brak utrzymującej się w okresie zimowym pokrywy śnieżnej zakłóca proces odbudowania się zasobów wodnych i w sytuacji deficytu wód, powodowanych suszą letnio-jesienną, susza pojawia się już w okresie wiosennym, stanowiąc kontynuację suszy z poprzedniego sezonu. Przykładem tego jest zeszłoroczna susza będąca pogłębieniem deficytu zasobów wód, który swój początek miał w roku 2018.

Rys. 1. Fazy rozwoju suszy, mat. własne IMGW PIB

Odczuwalność skutków suszy różnicuje się również ze względu na intensywność suszy i czas trwania – od łagodnych susz występujących lokalnie, trwających kilka tygodni, po susze obejmujące cały kraj i trwające kilka lat. Lokalne, krótkotrwałe susze zazwyczaj powodują pewne czasowe niedogodności, np. zakaz wstępu do lasu ze względu na ryzyko pożarowe, i mogą być niezauważalne dla przeciętnego obywatela. Te drugie są odczuwalne przez społeczeństwo ze względu na terminowy zakaz podlewania ogródków i działek rekreacyjnych aż po trudności w zaopatrzeniu w wodę pitną czy dotkliwe straty w rolnictwie i gospodarce.

Naturalne przyczyny pojawienia się suszy zależą nie tylko od globalnych procesów klimatotwórczych, ale także od czynników fizjogeograficznych modyfikujących obieg energii i wody w skali regionalnej i lokalnej. O występowaniu suszy na danym obszarze decyduje zespół wzajemnie współzależnych czynników, obejmujący m.in.:

Czynniki klimatyczne – zwłaszcza niedostatek opadów lub długotrwałe okresy bezopadowe, którym towarzyszą wysokie wartości temperatury powietrza, parowania, prędkości wiatru, usłonecznienia i niedosytu wilgotności powietrza;

Czynniki fizycznogeograficzne – w tym gęstość sieci rzecznej, spadki podłużne zlewni i cieków oraz litologia zlewni. Czynniki te wpływają na ilość wody infiltrującej do wód podziemnych oraz na prędkość spływu powierzchniowego. W okresach obniżonych stanów wody przy dużych spadkach i nachyleniach zboczy następuje szybki drenaż wód podziemnych, co pociąga za sobą małe spływy jednostkowe;

Warunki geologiczne i hydrogeologiczne – przepuszczalność podłoża warunkująca wsiąkanie wód opadowych. W zlewniach o podłożu słabo przepuszczalnym, wskutek małej infiltracji i niskiego zasilania koryt rzecznych z wód podziemnych, przepływy niżówkowe mogą spadać do zera;

Pokrycie terenu szatą roślinną – roślinność przyczynia się do zwiększenia infiltracji, zmniejszenia parowania z powierzchni gruntu, ograniczenia spływu powierzchniowego w warunkach dostatecznego uwilgotnienia zlewni. Pokrycie roślinnością wpływa na opóźnienie lub spowolnienie procesu tajania śniegu. Największy wpływ na kształtowanie się odpływu ze zlewni ma las, przy czym jego rola jest zmienna w czasie i niełatwa do oceny. Ogólnie wyrażany jest pogląd, iż wzrost stopnia zalesienia zmniejsza dynamikę odpływu podziemnego i działa stabilizująco na odpływ rzeczny. Tadeusz Wilgat (1984) zwraca uwagę, że w okresach niżówkowych duża lesistość wpływa na zmniejszanie się odpływu wskutek zużywania przez las znacznych ilości wody na parowanie;

Jeziora i tereny podmokłe – wpływają na rozkład odpływu w czasie oraz zwiększenie odpływów podczas niżówek. W szczególności jeziora głębokie, dzięki drenowaniu wielu poziomów wodonośnych, powodują zwiększony dopływ wód podziemnych do cieków powierzchniowych. Również jeziora przepływowe, zlokalizowane w dolnej części zlewni, powodują podwyższenie i wyrównanie przepływów niżówkowych. Jednocześnie stopień podwyższania przepływów w okresach niżówkowych pozostaje niewielki w przypadku jezior położonych w części źródłowej.

Oprócz przyczyn i uwarunkowań naturalnych na występowanie i rozwój suszy wpływają również przekształcenia w środowisku naturalnym w wyniku antropopresji (Rys. 2). Działalność człowieka poprzez eksploatację zasobów wodnych, zmianę zagospodarowania terenu (wylesianie, zwiększanie powierzchni uszczelnionych) wpływa na zdolność retencjonowania wody, zmiany w strukturze bilansu cieplnego i wodnego, czego skutkiem są znaczące zmiany procesów hydrologicznych zachodzących w zlewni.

Działalność człowieka może zarówno potęgować, jak i łagodzić intensywność suszy w poszczególnych stadiach jej rozwoju. Przykładowo w trakcie trwania suszy glebowej nawadnianie roślin w fazie ich wzrostu zapewnia odpowiednie warunki wilgotnościowe, jednak gdy jest stosowane w okresie występowania wysokich temperatur, może powodować wzrost parowania i przesuszenie gleby, a w konsekwencji doprowadzić do pojawienia się suszy hydrologicznej. Podobnie w wyniku działalności człowieka może dojść do łagodzenia lub pogłębiania suszy hydrologicznej obserwowanej w postaci niżówek w rzece. Naturalnie występujące okresy niżówkowe spowodowane zmniejszonym zasilaniem mogą ulec pogłębieniu w wyniku poboru wody z rzeki w okresie trwającej niżówki, a z drugiej strony zwiększone zasilanie rzeki wskutek prowadzenia gospodarki wodnej na zbiorniku czy użytkowania terenu może efekt suszy złagodzić.

Metody ilościowej oceny suszy

Obserwowane w poprzednich dekadach warunki meteorologiczne sprzyjające formowaniu się suszy pojawiały się w Polsce średnio co 4-6 lat. Jednak występująca zmienność cyrkulacji atmosferycznej, jak również współczesne ocieplenie się klimatu stają się przyczyną zmian częstości występowania ekstremalnych zdarzeń pogodowych. Susze XXI wieku charakteryzują się wyższymi temperaturami, dłuższym czasem trwania oraz większym zasięgiem przestrzennym. Naturalny przebieg susz ulega znacznemu zaostrzaniu w wyniku rosnącego zapotrzebowania na wodę, postępującego procesu antropopresji oraz zmian klimatycznych.

Obserwowane w ostatnich dekadach szybkie ocieplenie klimatu w skali globalnej prowadzi do niekorzystnych zmian w bilansie wodnym Polski. Przychód wody z atmosfery rozkłada się w ciągu roku nierównomiernie. Okresy posuchy przeplatają się z opadami o dużej wydajności. Nadmiar wody szybko odpływa wtedy ze zlewni, zwłaszcza gdy zmieniona przez wysychanie struktura górnych poziomów gleby utrudnia jej wchłanianie. W ostatnich dwóch dekadach XXI wieku susze ekstremalne wystąpiły w Polsce w roku 2003, 2006, 2008, 2015, 2018-2020.

Rys. 2. Przyczyny naturalne oraz antropogeniczne powstawania suszy oraz ich skutki, na podstawie Van Loon, 2014

Jedną z powszechniej stosowanych metod ilościowej oceny suszy jest ocena wskaźnikowa wyrażająca intensywność suszy w wartościach bezwzględnych odnoszących się do stopnia odchylenia aktualnych warunków wilgotnościowych od przyjętej długookresowej normy. Wśród wskaźników wykorzystywanych do monitorowania suszy wyróżnić można bazujące na pomiarach wysokości opadu, temperatury, wilgotności glebowej, kondycji roślin czy przepływów w rzekach. Wskaźniki suszy mogą wykorzystywać pojedyncze parametry lub kilka jednocześnie, dane mogą pochodzić z pomiarów naziemnych lub zdalnych (radarowych, satelitarnych), wskaźniki mogą być wyznaczane z różnym krokiem czasowym (doba, dekada, miesiąc, sezon, półrocze, rok, wielolecie). Kluczowe jest jednak, aby zastosowane wskaźniki wnosiły istotną wartość informacyjną, łatwą do interpretacji w procesach podejmowania decyzji na potrzeby informowania, ostrzegania i przeciwdziałania skutkom suszy.

Jednym z szeroko stosowanych wskaźników suszy jest standaryzowany wskaźnik opadu (SPI Standardized Precipitation Index). Wskaźnik SPI reprezentuje ilościową ocenę deficytu opadu w różnej skali czasowej i umożliwia porównywanie intensywności suszy w różnych regionach. Wskaźnik SPI w postaci map jest używany operacyjnie do monitorowania warunków suszy. Każdej pojawiającej się suszy odpowiada ujemna wartość wskaźnika SPI, która wynosi -0.5 lub mniej. Koniec suszy określa się w momencie, gdy wskaźnik przyjmuje wartość dodatnią.

Przykładem oceny intensywności suszy w różnych wymiarach czasowych tego zjawiska są mapy rozkładu przestrzennego wskaźnika SPI. Przyjęta skala czasowa dla tego wskaźnika odzwierciedla wpływ suszy na dostępność różnych zasobów wodnych w cyklu hydrologicznym, np. wskaźnik SPI obliczony dla 1 miesiąca pozwala na detekcje krótkotrwałych susz meteorologicznych o zasięgu lokalnym, SPI dla 3-6 miesięcy wskazuje obszary zagrożenia suszą glebową o zasięgu regionalnym, SPI dla 6-12 miesięcy suszę hydrologiczną w skali ponadregionalnej.

W trakcie trwania suszy epicentrum epizodu przemieszcza się w przestrzeni, obejmując różne obszary w miarę jej rozwoju. Również dynamiczny jest rozwój suszy w czasie. Za pomocą wskaźnika SPI można przedstawić charakterystykę zmian intensywności susz w wieloleciu.

Obecnie dynamicznie rozwijającym się źródłem informacji o zagrożeniu suszą i jej konsekwencjach jest teledetekcja satelitarna. Sensory umieszczone na pokładach satelitów różnią się od siebie rozdzielczościami: przestrzenną, spektralną i radiometryczną, dzięki czemu możliwe jest opracowanie różnorodnych produktów wspomagających zarządzanie wodą oraz monitorowania zagrożeń i ich skutków. Dane satelitarne wykorzystywane są do szacowania wielkości parowania, wskaźników roślinności, poziomu wód podziemnych, stopnia uwilgotnienia gleby, zasięgu pokrywy śnieżnej czy jakości wody. W połączeniu z informacjami fizjograficznymi o pokryciu terenu, topografii obszaru, glebach itp. umożliwiają ilościowy opis cyklu hydrologicznego w regionie oraz jego interakcji z różnymi sektorami.

Przykładami wskaźników do oceny suszy rolniczej są:

znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji NDVI (Normalised Differential Vegetation Index) – bazuje on na kontraście między największym odbiciem w paśmie bliskiej podczerwieni a absorpcją w paśmie czerwonym. Zastosowanie tego wskaźnika umożliwia oszacowanie wielkości i jakości biomasy roślinnej na danym obszarze. Wysoka wartość wskaźnika odpowiada obszarom pokrytym gęstą roślinnością o dobrej kondycji;

znormalizowany różnicowy wskaźnik wody NDWI (Normalised Differential Water Index) – liczony jest z wykorzystaniem wartości odbicia w zakresie czerwonym i bliskiej podczerwieni. Wskaźnik ten jest bardzo wrażliwy na zmiany zawartości wody wewnątrz struktury roślin, uwzględnia jednak również wpływ wilgotności gleby;

znormalizowany różnicowy wskaźnik suszy NDDI (Normalized Difference Drought Index) jest funkcją wskaźników NDVI i NDWI. Wartość wskaźnika NDDI wzrasta wraz z nasileniem zjawiska suszy.

Warunki meteorologiczne stanowią naturalną przyczynę występowania suszy. Jednak w świecie zmodyfikowanym przez działalność człowieka oraz zmiany klimatyczne susze spowodowane są połączeniem zmienności klimatu i wpływu człowieka na obieg wody lub wywołane są naturalnymi warunkami klimatycznymi wzmocnionymi lub złagodzonymi przez działalność człowieka. W chwili obecnej promowane jest więc podejście do suszy nie tylko jako zjawiska naturalnego, ale jako synergii naturalnych warunków klimatycznych oraz działalności człowieka wpływającej na obieg wody. Rozmiary suszy są trudno przewidywalne, co znacznie utrudnia podejmowanie działań łagodzących jej następstwa. Wystąpieniu suszy nie można zapobiec, ale dzięki zrozumieniu mechanizmów jej powstawania oraz określeniu warunków sprzyjających jej intensyfikacji i rozprzestrzenianiu się można wpływać na zmniejszanie lub ograniczanie jej skutków (Tokarczyk 2010).

Dr hab. inż. Tamara Tokarczyk, prof. IMGW PIB; dr inż. Wiwiana Szalińska, Zakład Hydrologii i Inżynierii Zasobów Wodnych, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy

Wróć