ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΛΙΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΣΤΟ Υ ΑΤΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΗΣ ΛΕΚΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΜΟΥ ΑΝΙΩΝ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΤΩΝ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ, ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ «ΟΙΚΟΛΟΓΙΚΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΙΑΧΕΙΡΙΣΗ Υ ΑΤΩΝ ΣΕ ΕΠΙΠΕ Ο ΛΕΚΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ» ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΟΙ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΛΙΜΑΤΙΚΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΣΤΟ Υ ΑΤΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΗΣ ΛΕΚΑΝΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΩΝ ΝΕΩΝ ΜΟΥ ΑΝΙΩΝ ΠΑΠΑΠΟΣΤΟΛΟΥ ΧΡΙΣΤΙΝΑ Γεωπόνος Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2008

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ i. Περίληψη i ii. Abstract iii iii. Πρόλογος iv 1. Η κλιµατική αλλαγή 1.1 Εισαγωγή Επιστηµονικά δεδοµένα για την κλιµατική αλλαγή Παράγοντες που καθορίζουν το γήινο κλίµα H συµβολή των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στις διεργασίες που επηρεάζουν το κλίµα Στοιχεία για τις αλλαγές του κλίµατος Οι επιπτώσεις της κλιµατικής αλλαγής Η προσοµοίωση του µελλοντικού κλίµατος µε τη βοήθεια κλιµατικών µοντέλων 2.1 Εισαγωγή Τα σενάρια εκποµπών SRES Προβλέψεις των σεναρίων SRES Τα Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας Περιοχικά Κλιµατικά Μοντέλα (RCMs) Προβλέψεις των Κλιµατικών Μοντέλων για την θερµοκρασία Αξιοπιστία των κλιµατικών µοντέλων στην εκτίµηση των µελλοντικών κλιµατικών αλλαγών Kλιµατική αλλαγή και νερό 3.1 Εισαγωγή Χρήση και διαθεσιµότητα του νερού 38

3 3.3 Αλλαγές που έχουν παρατηρηθεί στο κλίµα σε σχέση µε το νερό και µελλοντικές εκτιµήσεις Χιόνι και πάγος Βροχοπτώσεις και υδρατµοί Οι βροχοπτώσεις στην Ευρώπη και στην Ελλάδα Στάθµη της θάλασσας Απορροή Εξατµισοδιαπνοή Αβεβαιότητες στις υδρολογικές εκτιµήσεις Υδατικοί πόροι σε σχέση µε διάφορους τοµείς στην Ευρώπη Ενέργεια Υγεία Γεωργία Βιοποικιλότητα Υδατικό ισοζύγιο και εξατµισοδιαπνοή Εισαγωγή 60 H εξατµισοδιαπνοή H έννοια της εξάτµισης H έννοια της διαπνοής H έννοια της εξατµισοδιαπνοής Σηµασία γνώσης της εξατµισοδιαπνοής Υπολογισµός της εξατµισοδιαπνοής Μέθοδοι υδατικού ισοζυγίου Μικροµετεωρολογικές µέθοδοι Μέθοδος ισοζυγίου ενέργειας Μέθοδος µεταφοράς µάζας Βασικές µεταβλητές για την εκτίµηση της εξάτµισης Μοντέλα για τη δυνητική και την εξατµισοδιαπνοή αναφοράς Η µέθοδος Penman Η συνδυασµένη µέθοδος FAO Penman Monteith Η τροποποιηµένη µέθοδος Penman κατά FAO-24 74

4 4.5.4 Η µέθοδος των Priestley-Taylor Η µέθοδος από τον Κουτσογιάννη Εµπειρικά µοντέλα Η τροποποιηµένη µέθοδος Blaney-Criddle κατά FAO Η µέθοδος Thornthwaite Η µέθοδος Hargreaves Tα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς Η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή Φυτικοί συντελεστές για τις Ελληνικές συνθήκες Εφαρµογή: Εκτίµηση και αξιολόγηση της κλιµατικής αλλαγής στην περιοχή των Μουδανιών 5.1 Σύντοµη περιγραφή της εφαρµογής Περιγραφή της περιοχής µελέτης Γενικά στοιχεία Κλιµατικά στοιχεία Εκτίµηση των κλιµατικών αλλαγών στη λεκάνη των Μουδανιών µε τη βοήθεια του περιοχικού κλιµατικου µοντέλου KNMI -RACMO Εισαγωγή Χρήση περιοχικών κλιµατικών µοντέλων στην περιοχή των Μουδανιών Μοντέλο KNMI-RACMO Εφαρµογή του περιοχικού κλιµατικού µοντέλου στη λεκάνη των Μουδανιών Εισαγωγή Περίοδος H εξατµισοδιαπνοή κατά την περίοδο Μελλοντικές εκτιµήσεις ( ) Μελέτη του υδρολογικού ισοζυγίου της λεκάνης των Μουδανιών ως αποτέλεσµα των κλιµατικών αλλαγών Εκτίµηση του υδατικού ισοζυγίου στη λεκάνη των Μουδανιών 107

5 6. Συµπεράσµατα 6.1 Εισαγωγή Αξιολόγηση των αποτελεσµάτων του µοντέλου KNMI Εκτιµήσεις θερµοκρασίας και βροχόπτωσης Εκτιµήσεις εξατµισοδιαπνοής και υδατικού ισοζυγίου Προτάσεις εξοικονόµησης νερού στη λεκάνη των Μουδανιών 115 Βιβλιογραφία 117 Παράρτηµα 119

6 Περίληψη Κατά τη διάρκεια των ερχόµενων δεκαετιών, η αλλαγή κλίµατος θα έχει έναν σηµαντικό αντίκτυπο στην ποσότητα και την ποιότητα των υδάτινων πόρων στην Ευρώπη και παγκόσµια. Το νερό είναι ουσιαστικό στη ζωή και είναι κεντρικό στην ευηµερία της κοινωνίας και στη βιώσιµη οικονοµική ανάπτυξη. Τα φυτά, τα ζώα, τα φυσικά και διαχειριζόµενα συστήµατα, είναι ευαίσθητα στις αλλαγές στην αποθήκευση, τις ροές, και την ποιότητα του νερού και θα επηρεαστούν από την αλλαγή κλίµατος. Η βάση των στοιχείων στον αντίκτυπο της αλλαγής κλίµατος στο νερό αυξάνεται. Η IPCC δηµοσίευσε πρόσφατα (Ιούνιος, 2008) µια τεχνική έκθεση σχετικά µε την αλλαγή κλίµατος και το νερό η οποία είχε άφθονα στοιχεία από παρατηρήσεις και κλιµατικές προβλέψεις ότι οι υδάτινοι πόροι είναι ευάλωτοι και επηρεάζεται έντονα από την αλλαγή του κλίµατος, µε εκτεταµένες συνέπειες για τις ανθρώπινες κοινωνίες και τα οικοσυστήµατα. Στην παρούσα εργασία µελετώνται τα µηνιαία δεδοµένα µέσης βροχόπτωσης θερµοκρασίας, σχετικής υγρασίας, ταχύτητας ανέµου, καθαρής ηλιακής ακτινοβολίας, ηλιοφάνειας και της ατµοσφαιρικής πίεσης ενός σύγχρονου µοντέλου δυναµικού υποβιβασµού κλίµακας, του KNMI-RACMO2, για την περιοχή της λεκάνης απορροής των Μουδανιών, νοτιοδυτικά του Νοµού Χαλκιδικής. Τα µοντέλο το οποίο παρέχει εκτιµήσεις έως και το 2100, εφαρµόστηκε για το µεσοποιηµένο σηµείο τεσσάρων σηµείων πλέγµατος στην ευρύτερη περιοχή των Μουδανιών. Η εκτίµηση της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής είναι πολύτιµη δεδοµένου ότι η εξατµισοδιαπνοή αποτελεί µια από τις κύριες συνιστώσες του υδρολογικού κύκλου. Η εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής συνδυάζοντας συµβατικές µετεωρολογικές µετρήσεις εδάφους έχει µελετηθεί ευρέως τις τελευταίες δεκαετίες και έχουν αναπτυχθεί διάφορες µέθοδοι για τον σκοπό αυτό. Στην παρούσα εργασία έγινε αντίστοιχη διερεύνηση για την λεκάνη απορροής των Μουδανιών, περιοχή εντατικής γεωργικής δραστηριότητας. Ειδικότερα, υπολογίστηκε η µηνιαία πραγµατική και δυνητική εξατµισοδιαπνοή για την περίοδο για την λεκάνη απορροής των Μουδανιών. Για την συγκεκριµένη µελέτη οκτώ διαφορετικές µέθοδοι προσαρµόστηκαν κατάλληλα και εφαρµόστηκαν. Η συνδυασµένη µέθοδος FAO Penman Monteith, αποτέλεσε την i

7 µέθοδο αναφοράς. Με βάση τις προβλέψεις του µοντέλου για τις κλιµατικές παραµέτρους, µια εκτίµηση του µελλοντικού υδατικού ισοζυγίου της λεκάνης των Μουδανιών έχει επιχειρηθεί, η οποία έδειξε µείωση του υδατικού ισοζυγίου για την περίοδο ii

8 Abstract Over the coming decades, climate change will have a significant impact on the quantity and quality of water resources both within Europe and globally. Water is essential to life and is central to society s welfare and to sustainable economic growth. Plants, animals, natural and managed systems, are sensitive to variations in the storage, fluxes, and quality of water and will be affected by climate change. The evidence base on the impact of climate change on water is increasing. The IPCC recently (June 2008), published a technical report relating to climate change and water which pointed to the abundant evidence from observational records and climate projections that freshwater resources are vulnerable and have the potential to be strongly impacted by climate change, with wide-ranging consequences for human societies and ecosystems. One of the most recent Regional Climate Model (ΚΝΜΙ-RACMO2) was applied in the present study aiming at the analysis of future projections concerning the monthly average distribution of rainfall, temperature, relative humidity, wind speed, net radiation, sunshine duration and atmospheric pressure over the water basin of Moudania in Chalkidiki. Τhe model provides estimates up to 2100 and was applied for the medium point of four grid points in the broader region of Moudania. The estimation of actual evapotranspiration is valuable since evapotranspiration consists one of the main components of hydrologic cycle. In the past decades the estimation of evapotranspiration combining conventional meteorological ground measurements with remotely-sensed data has been widely studied and several methods have been developed for this purpose In the present study became corresponding investigation for the water basin of Moudania, a region of intensive agricultural activity. More specifically, the monthly actual and potential evapotranspiration was calculated for the period , for the water basin of Moudania. For this study eight different methods were accordingly adapted and were applied. The method, which describe with accuracy the phenomenon is Penman- Monteith s method of combination, while for its assessment the average temperature, relative humidity, sunshine and wind s velocity are demanded. Based on the model projections for the climate parameters, an estimation of the future water balance of the Moudania basin has been attempted, which showed a reduction of water balance for the period iii

9 Πρόλογος Η παρούσα διπλωµατική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του ιατµηµατικού Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Οικολογική ποιότητα και διαχείριση υδάτων σε επίπεδο λεκάνης απορροής», των τµηµάτων Βιολογίας, Γεωλογίας και Πολιτικών Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης, µε επιβλέπουσα τριµελή επιτροπή τους: κ. Θεοδοσίου Νικόλαο, Επίκουρο Καθηγητή Α.Π.Θ., κ. Τολίκα Κωνσταντίνα, Λέκτορα Α.Π.Θ., κ. Κατσιφαράκη Κωνσταντίνο, Καθηγητή Α.Π.Θ. Καταρχήν, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Νικόλαο Θεοδοσίου, για την άριστη συνεργασία και τη διαρκή του βοήθεια σε όλα τα στάδια της εργασίας αυτής. Ευχαριστώ πολύ τη λέκτορα του Τοµέα Μετεωρολογίας και Κλιµατολογίας του τµήµατος Γεωλογίας Α.Π.Θ., κ. Κωνστάντια Τολίκα, για τη διαρκή βοήθεια που µου προσέφερε. Επίσης, ευχαριστώ θερµά τον κ. Πανταζή Γεωργίου Λέκτορα Α.Π.Θ., και τον κ. ηµήτρη Παπαµιχαήλ, Καθηγητή Α.Π.Θ για το ενδιαφέρον και τις πολύτιµες συµβουλές τους Η παρούσα εργασία υποστηρίχθηκε από το διεθνές ερευνητικό ευρωπαϊκό πρόγραµµα ENSEMBLES. Ευχαριστώ πολύ τον Επιστηµονικό Υπεύθυνο του προγράµµατος, κ. Παναγιώτη Μαχαίρα, Καθηγητή Κλιµατολογίας Α.Π.Θ., για τα δεδοµένα τα οποία ευγενώς µας χορήγησε και πάνω στα οποία στηρίχθηκε σηµαντικό µέρος της εργασίας αυτής. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω πολύ την οικογένεια µου και τους φίλους µου για τη στήριξη και τη συµπαράσταση που µου προσέφεραν κατά τη διάρκεια των σπουδών µου. Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2009 iv

10 Κεφάλαιο 1 Η κλιµατική αλλαγή 1.1 Εισαγωγή Ο όρος «κλίµα» αναφέρεται στην σύνθεση των στοιχειών του καιρού για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα, ώστε να απαλείφονται τα σφάλµατα και να εδραιώνονται οι στατιστικοί παράµετροι, πρόκειται δηλαδή για τη στατιστική εικόνα του µεταβλητού καιρού (Κουτσογιάννης, 2000). Ο «καιρός» χαρακτηρίζεται ως η κατάσταση της ατµόσφαιρας σε µία δεδοµένη περιοχή, για δεδοµένο χρόνο και περιγράφεται από ένα σύνολο µετεωρολογικών µεταβλητών. Το κλιµατικό σύστηµα είναι ένα σύνθετο ενεργό σύστηµα αλληλεπιδράσεων που αποτελείται από την ατµόσφαιρα, την επιφάνεια της γης, τα χιόνια και τους πάγους, τους ωκεανούς, τα επιφανειακά και υπόγεια νερά των ηπείρων και τους ζωντανούς οργανισµούς (IPCC, 2007). Όπως φαίνεται στο Σχήµα 1.1 το κλιµατικό σύστηµα εξελίσσεται κάτω από την επίδραση της εσωτερικής του δυναµικής και εξαιτίας αλλαγών σε διάφορους εξωτερικούς παράγοντες που το επηρεάζουν (IPCC, 2007). Σχήµα 1.1: Εκτίµηση της γήινης ετήσιας και παγκόσµιας µέσης ετήσιας ενεργειακής ισορροπίας. Το ποσό της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας που απορροφάται από τη γη και την ατµόσφαιρα, ισορροπείται από την ίδια ποσότητα της εξερχόµενης ακτινοβολίας µακρών 1

11 κυµάτων από τη γη και την ατµόσφαιρα. Περίπου η µισή από την εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από τη γήινη επιφάνεια. Αυτή η ενέργεια µεταφέρεται στην ατµόσφαιρα µε τη θέρµανση του αέρα που έρχεται σε επαφή µε την επιφάνεια, µε την εξατµισοδιαπνοή και από τη µακρών κυµάτων ακτινοβολία που απορροφάται από τα σύννεφα και τα αέρια του θερµοκηπίου. Η ατµόσφαιρα ακτινοβολεί στη συνέχεια τη µακρών κυµάτων ενέργεια πίσω στη γη, καθώς επίσης και στο διάστηµα. (IPCC, 2007). Figure 1.1: Estimate of the Earth s annual and global mean energy balance. Over the long term, the amount of incoming solar radiation absorbed by the Earth and atmosphere is balanced by the Earth and atmosphere releasing the same amount of outgoing longwave radiation. About half of the incoming solar radiation is absorbed by the Earth s surface. This energy is transferred to the atmosphere by warming the air in contact with the surface (thermals), by evapotranspiration and by longwave radiation that is absorbed by clouds and greenhouse gases. The atmosphere in turn radiates longwave energy back to Earth as well as out to space, (IPCC, 2007). Η κάλυψη, περίπου 70% της γήινης επιφάνειας από τους ωκεανούς, αλλά και ο µεγάλος όγκος υπόγειων υδάτων κάνουν την υδρόσφαιρα πολύ σηµαντική. Η κυκλοφορία και η µεγάλη θερµοχωρητικότητα των ωκεανών λειτουργούν ως ρυθµιστές του γήινου κλίµατος, αλλά και ως πηγή φυσικής µεταβλητότητας του κλίµατος. Τα τελευταία χρόνια το ενδεχόµενο µιας πλανητικής κλιµατικής αλλαγής έχει απασχολήσει ιδιαίτερα την επιστηµονική κοινότητα, µε αποτέλεσµα πολλές εργασίες και ερευνητικά προγράµµατα να στρέφονται προς αυτή την κατεύθυνση. Μια τέτοια κλιµατική αλλαγή θα είχε ποικίλες επιδράσεις σε πολλούς τοµείς όπως το φυσικό περιβάλλον, τις κοινωνικές δοµές και την οικονοµία. Σύµφωνα µε τους επιστήµονες, τα ζητήµατα ποσότητας και ποιότητας του νερού, εξαιτίας της κλιµατικής αλλαγής, θα ασκούν σηµαντικές πιέσεις στην κοινωνία και το περιβάλλον. Το νερό είναι ανεκτίµητο για όλα τα είδη ζωής στον πλανήτη, ενώ η ζήτησή του για την κάλυψη των ανθρώπινων αναγκών είναι συνεχώς αυξανόµενη. Η σχέση του µε την ενδεχόµενη κλιµατική αλλαγή είναι πρωταρχικής σηµασίας, αφού περιέχεται σε όλα τα συστατικά µέρη του κλιµατικού συστήµατος. Για το λόγω αυτό απαιτείται λεπτοµερής µελέτη για τη βελτίωση της κατανόησης του φαινόµενου της κλιµατικής αλλαγής, των επιπτώσεων του καθώς και των τρόπων αντιµετώπισής του. 2

12 Σκοπός της παρούσας εργασίας, είναι η διερεύνηση διαφορετικών µεθόδων υπολογισµού της πραγµατικής και δυνητικής εξατµισοδιαπνοής για την εκτίµηση του µελλοντικού υδατικού ισοζυγίου της λεκάνης απορροής των Νέων Μουδανιών Χαλκιδικής. Ως δεδοµένα για την εκτίµηση των κλιµατικών αλλαγών της περιοχής έρευνας, χρησιµοποιήθηκαν τα αποτελέσµατα του περιοχικού κλιµατικού µοντέλου KNMI-RACMO2. Το µοντέλο το οποίο παρέχει εκτιµήσεις έως και το 2100 εφαρµόστηκε για το µεσοποιηµένο σηµείο τεσσάρων σηµείων πλέγµατος στην ευρύτερη περιοχή των Μουδανιών. 1.2 Επιστηµονικά δεδοµένα για την κλιµατική αλλαγή Το κλίµα κατά το παρελθόν και στα διάφορα σηµεία της Γης δεν είχε τα ίδια χαρακτηριστικά που έχει σήµερα. Είναι γνωστό ότι στη διάρκεια των εκατοµµυρίων ετών που προηγήθηκαν παρουσίασε σηµαντικές αλλαγές. Αρκετές φορές οι πάγοι των πόλων επεκτάθηκαν προς τα µικρότερα γεωγραφικά πλάτη, µε µια περίοδο περίπου 250 εκατοµµυρίων ετών, καλύπτοντας ορισµένες φορές και το 40% της επιφάνειας του πλανήτη, ενώ σε άλλες περιόδους περιορίζονταν στην περιοχή των πόλων. Η ανεύρεση των στοιχείων του παρελθόντος και η λεπτοµερής µελέτη τους δίνουν τη δυνατότητα να αποκτηθεί µια καλή γνώση για το πως εξελίχθηκε το κλίµα και ίσως για το πως θα εξελιχθεί στο µέλλον. Για τα τελευταία 150 περίπου χρόνια υπάρχουν διαθέσιµες συστηµατικές µετεωρολογικές µετρήσεις, ενώ για παλιότερες περιόδους χρησιµοποιούνται διάφορες τεχνικές όπως η εξέταση των δακτυλίων ανάπτυξης των δέντρων, η έρευνα σε ιστορικά στοιχεία, η εξέταση ιζηµάτων σε λίµνες, η σύσταση πάγων καθώς και η έρευνα σε ραδιοϊσότοπα. Στα πλαίσια της αντιµετώπισης της κλιµατικής αλλαγής ιδρύθηκε η ιακυβερνητική Επιτροπή για την Αλλαγή του Κλίµατος (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) το 1988 από τον Παγκόσµιο Μετεωρολογικό Οργανισµό (World Meteorological Organization - WMO) και το Πρόγραµµα Περιβάλλοντος (United Nations Environment Programme - UNEP) του Οργανισµού Ηνωµένων Εθνών. Ο σκοπός της επιτροπής είναι η αξιολόγηση της επιστηµονικής γνωστικής βάσης και των ερευνών που διεξάγονται για τη µελέτη των κλιµατικών αλλαγών. Η επιτροπή αξιολογεί επίσης τις συνέπειες των κλιµατικών µεταβολών που προέρχονται 3

13 από την ανθρώπινη δραστηριότητα. Η Επιτροπή µοιράστηκε το Νόµπελ Ειρήνης 2007 µε τον Albert Arnold (Al) Gore Jr, γεγονός που αποδεικνύει την παγκόσµια αναγνώριση της συνεισφορά της. Σύµφωνα µε τη ιακυβερνητική Επιτροπή για την Κλιµατική Αλλαγή (IPCC), ο όρος «κλιµατική αλλαγή» αναφέρεται στη µεταβολή της κατάστασης του κλίµατος που µπορεί να διαπιστωθεί (π.χ. µε τη χρήση στατιστικών ελέγχων) µέσω αλλαγών στο µέσο όρο ή/και στη µεταβλητότητα των παραµέτρων του κλίµατος. Οι αλλαγές αυτές παρουσιάζουν εµµονή για σχετικά µεγάλη χρονική περίοδο, συνήθως κάποιων δεκαετιών ή και περισσότερο. Πρόκειται για αλλαγή που µπορεί να οφείλεται, είτε στη φυσική µεταβλητότητα του κλίµατος, είτε στην ανθρώπινη δραστηριότητα. Το 2007 η ΙPCC εξέδωσε την τέταρτη αξιολόγηση (ΙPCC Fourth Assessment Report, 2007) για την κλιµατική αλλαγή, η οποία αποτελείται από τρεις οµάδες που περιλαµβάνουν τα πορίσµατα τριών τόµων εργασίας: - 1η Οµάδα Εργασίας (WGI): Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Περιέχει τα επιστηµονικά δεδοµένα της κλιµατικής αλλαγής και σύνδεση της µε ανθρώπινες δραστηριότητες. - 2η Οµάδα Εργασίας (WGII): Climate Change 2007: Impacts, Adaptation and Vulnerability. Περιγράφει τις επιπτώσεις που αναµένεται ότι θα σηµειωθούν στο φυσικό περιβάλλον και τις ανθρώπινες κοινωνίες, εκτιµώντας επίσης σε ποιο βαθµό τα µέτρα πρόληψης και προσαρµογής θα καταφέρουν να τις µειώσουν. - 3η Οµάδα Εργασίας (WGIII): Climate Change 2007: Mitigation of Climate Change. Εξετάζεται η δυνατότητα πρόληψης καταστροφών και µετριασµού του φαινοµένου της υπερθέρµανσης, µε εκτίµηση του σχετικού οικονοµικού κόστους. Τον Ιούνιο του 2008, η IPCC, αναγνωρίζοντας τα ζητήµατα που εγείρει το νερό σε διεθνές πλαίσιο, δηµοσίευσε µία Τεχνική Έκθεση µε τίτλο «Κλιµατική αλλαγή και νερό» (IPCC, Technical Paper VI, «Climate Change and Water», 2008), βασισµένη στην Τέταρτη Έκθεση Αξιολόγησης. Με την κλιµατική θέρµανση που παρατηρήθηκε τις τελευταίες δεκαετίες συνδέονται και αλλαγές σε αρκετές διαδικασίες του υδρολογικού κύκλου και υδρολογικά συστήµατα, όπως, (IPCC, 2008): 1. Αλλαγές στα κλιµατικά µοτίβα, την ένταση και τις ακραίες τιµές των βροχοπτώσεων. 2. Εκτεταµένο λιώσιµο χιονιού και πάγου. 3. Αύξηση των υδρατµών στην ατµόσφαιρα. 4

14 4. Αύξηση της εξάτµισης του νερού. 5. Αλλαγές στην εδαφική υγρασία και την απορροή. Σύµφωνα µε τις συνολικές καταγραφές της ΙPCC, η θέρµανση του πλανήτη αποτελεί πλέον αδιαµφισβήτητο γεγονός. Αυτό επιβεβαιώνεται από παρατηρήσεις αύξησης της µέσης θερµοκρασίας του αέρα του πλανήτη και της θερµοκρασίας των ωκεανών, του εκτεταµένου λιωσίµατος χιονιού και πάγου, και της ανόδου της µέσης στάθµης της θάλασσας (Σχήµα 1. 2). Σχήµα 1. 2: (α) Παρατηρούµενες αλλαγές στη µέση θερµοκρασία επιφάνειας, (β) στο µέσο επίπεδο της θάλασσας όπου οι µπλε σκιασµένες περιοχές είναι από µετρήσεις σε σταθµούς ενώ οι κόκκινες προέρχονται από δεδοµένα δορυφόρου και (γ) στην έκταση της χιονοκάλυψης στο βόρειο ηµισφαίριο τους µήνες Μάρτιο-Απρίλιο. Οι διαφορές έχουν υπολογιστεί µε βάση τις µέσες τιµές της περιόδου Οι καµπύλες παρουσιάζουν τις µέσες τιµές δέκα ετών, ενώ οι κύκλοι τις ετήσιες τιµές, (IPCC, 2007). Figure 1. 2: (a) observed changes in average surface temperature, (b) the average level of the sea where the blue shaded areas are measured in stations while the red from satellite data and (c) Snow cover in the area of the northern hemisphere during March-April. The differences are calculated based on average prices of The graphs show the average values of ten years, while annual price cycles, (IPCC, 2007). 5

15 Σύµφωνα µε την τέταρτη έκθεση της πρώτης οµάδας εργασίας, «The Physical Science Basis», τα τελευταία πενήντα χρόνια έχουν παρατηρηθεί εκτεταµένες αλλαγές στις ακραίες θερµοκρασίες, µε πιο συχνές θερµές ηµέρες και φαινόµενα καύσωνα, ενώ σπανιότερα παρατηρήθηκαν κύµατα ψύχους. Ειδικότερα, κατά την περίοδο καταγράφτηκαν έντεκα από τα δώδεκα θερµότερα έτη από το 1850 που υπάρχουν ενόργανες µετεωρολογικές παρατηρήσεις. Η τρίτη έκθεση της επιτροπής (IPCC, 2001) έδινε τάση αύξησης της θερµοκρασίας ίση µε 0,6 ο C για την περίοδο , ενώ η τέταρτη έκθεση δίνει 0,74 ο C για την περίοδο , διαφορά ιδιαίτερα σηµαντική και κρίσιµη. Επιπλέον, η αυξητική τάση της θερµοκρασίας που παρατηρήθηκε στη διάρκεια της τελευταίας πεντηκονταετίας είναι σχεδόν διπλάσια από την αντίστοιχη της εκατονταετούς περιόδου Η αυξητική τάση της παγκόσµιας θερµοκρασίας τα τελευταία χρόνια είναι 0.13 C (0.10 C C) ανά δεκαετία και έχει διπλασιαστεί σε σχέση µε την αντίστοιχη αύξηση ανά δεκαετία, που προκύπτει µε τα δεδοµένα των τελευταίων εκατό ετών. 1.3 Παράγοντες που καθορίζουν το Γήινο κλίµα Οι παράγοντες που επηρεάζουν το κλιµατικό σύστηµα συνθέτουν δύο µεγάλες κατηγορίες, τους φυσικούς παράγοντες που οφείλονται στα φυσικά φαινόµενα, όπως οι ηφαιστειακές εκρήξεις και οι αλλαγές στην ηλιακή δραστηριότητα και οι ανθρωπογενείς παράγοντες που οφείλονται στην ανθρώπινη δραστηριότητα και επηρεάζουν ιδιαίτερα την ατµοσφαιρική σύνθεση. Η κυρίαρχη πηγή ενέργειας που τροφοδοτεί το κλιµατικό σύστηµα είναι η ακτινοβολία που προέρχεται από τον ήλιο. Για ένα σταθερό κλίµα, απαιτείται ισορροπία της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας και της εξερχόµενης ακτινοβολίας που εκπέµπεται από το κλιµατικό σύστηµα. Υπάρχουν τρεις θεµελιώδεις τρόποι για να µεταβληθεί η ισορροπία της ακτινοβολίας: 1) µε την αλλαγή της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας (π.χ. από τις αλλαγές στη γήινη τροχιά ή αλλαγές στον ήλιο), 2) µε την αλλαγή της ανακλώµενης ηλιακής ακτινοβολίας (π.χ. από τις αλλαγές στην κάλυψη των νεφών, τα ατµοσφαιρικά µόρια ή τη βλάστηση) και 3) µε την αλλαγή της γήινης υπέρυθρης ακτινοβολίας προς το διάστηµα (π.χ. µε αλλαγή των 6

16 συγκεντρώσεων των αερίων του θερµοκηπίου). Το κλίµα, στη συνέχεια, ανταποκρίνεται άµεσα σε τέτοιες αλλαγές, καθώς επίσης και έµµεσα, µέσω ποικίλων µηχανισµών ανατροφοδότησης (IPCC, 2007). Το ποσό ενέργειας που φθάνει από τον ήλιο στην κορυφή της γήινης ατµόσφαιρας κάθε δευτερόλεπτο σε µία επιφάνεια ενός τετραγωνικού µέτρου κατά τη διάρκεια της ηµέρας είναι περίπου Watt και περίπου το 30% ανακλάται πίσω στο διάστηµα (Εικόνα 1.3). Κατά προσέγγιση τα δύο τρίτα αυτής της ανακλαστικότητας οφείλονται στα σύννεφα και τα ατµοσφαιρικά αιωρούµενα σωµατίδια ή αερολύµατα. Οι περιοχές µε χιόνια, πάγους και οι έρηµοι ανακλούν το υπόλοιπο ένα τρίτο του Ηλιακού φωτός. Σχήµα 1.3: Εισερχόµενη και εξερχόµενη µέση ενέργεια του συστήµατος Ήλιος-Ατµόσφαιρα Γη, (IPCC, 2007). Figure 1.3: Incoming and outgoing average energy of the system Sun-Earth Atmosphere, (IPCC, 2007). Οι πιο δραµατικές αλλαγές στην ποσότητα της ανακλώµενης ακτινοβολίας προκύπτουν όταν συµβαίνουν σηµαντικές ηφαιστειακές εκρήξεις που εκτινάσσουν µεγάλες ποσότητες αερολυµάτων στη Γήινη ατµόσφαιρα. Η βροχή συνήθως µπορεί να καθαρίσει την ατµόσφαιρα από τα αερολύµατα σε µια ή δύο εβδοµάδες, αλλά όταν συµβεί µια πολύ βίαιη ηφαιστειακή έκρηξη, αυτά τα αερολύµατα µπορούν να επηρεάσουν το κλίµα για ένα ή και δύο χρόνια, να εισέλθουν στην τροπόσφαιρα και τελικά να αποµακρυνθούν από τις βροχοπτώσεις. Οι σηµαντικές αυτές ηφαιστειακές 7

17 εκρήξεις µπορούν έτσι να προκαλέσουν µια πτώση στη µέση παγκόσµια επιφανειακή θερµοκρασία κατά περίπου µισό βαθµού Κελσίου που µπορεί να διαρκέσει µήνες ή ακόµα και χρόνια. Μερικά συνθετικά αερολύµατα έχουν επίσης την ικανότητα να ανακλάσουν το φως του ήλιου (IPCC, 2007). Η ενέργεια που δεν ανακλάται πίσω στο διάστηµα απορροφάται από τη γήινη επιφάνεια και την ατµόσφαιρα. Αυτό το ποσό είναι περίπου 240 Watt ανά τετραγωνικό µέτρο (W m -2 ). Για να εξισορροπηθεί η εισερχόµενη ενέργεια, η ίδια η γη πρέπει να ακτινοβολήσει, πίσω στο διάστηµα, κατά µέσον όρο το ίδιο ποσό ενέργειας που δέχεται. Η γη το κάνει αυτό µε την εκποµπή της υπέρυθρης ακτινοβολίας. Για να εκπέµψει 240 Wm -2, µια επιφάνεια θα έπρεπε να έχει θερµοκρασία γύρω στους -19 C. Αυτή η θερµοκρασία είναι πολύ χαµηλότερη από της συνθήκες που επικρατούν στη γήινη επιφάνεια (η παγκόσµια µέση θερµοκρασία επιφάνειας είναι περίπου 14 C). Ο λόγος που η γήινη επιφάνεια είναι τόσο θερµή, είναι η παρουσία των αερίων του θερµοκηπίου, τα οποία ενεργούν ως µερικό κάλυµµα για την υπέρυθρη ακτινοβολία που προέρχεται από την επιφάνεια. Αυτή η «κάλυψη» είναι γνωστή ως φυσικό φαινόµενο του θερµοκηπίου. Τα σηµαντικότερα αέρια του θερµοκηπίου είναι οι υδρατµοί και το διοξείδιο του άνθρακα. Τα κύρια συστατικά της γήινης ατµόσφαιρας, το άζωτο (78%) και το οξυγόνο (21%), δεν έχουν καµία τέτοια ιδιότητα (IPCC, 2007). 1.4 Η συµβολή των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στις διεργασίες που επηρεάζουν το κλίµα Η επιρροή ενός παράγοντα που µπορεί να προκαλέσει αλλαγή του κλίµατος, όπως ένα αέριο του θερµοκηπίου, αξιολογείται συχνά από έναν όρο που ονοµάζεται κλιµατικός εξαναγκασµός λόγω µεταβολής στην ακτινοβολία ή Radiative Forcing (RF). Ο κλιµατικός εξαναγκασµός είναι ένα µέτρο για το πώς η ενεργειακή ισορροπία του συστήµατος γη-ατµόσφαιρα επηρεάζεται όταν αλλάζουν κάποιοι παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στο κλίµα. Στο Σχήµα 1.4 παρουσιάζεται µία εκτίµηση του κλιµατικού εξαναγκασµού (RF) για το διάστηµα , που προκαλείται από την διαταραχή των διαφόρων 8

18 ανθρωπογενών κυρίως, αλλά και φυσικών παραµέτρων που επιδρούν στο ισοζύγιο ακτινοβολιών του συστήµατος γης-ατµόσφαιρας. Όταν η τιµή του RF αξιολογείται ως θετική, η ενέργεια του συστήµατος γη-ατµόσφαιρα αυξάνεται τελικά, οδηγώντας σε θέρµανση του συστήµατος (ενισχύεται το φαινόµενο του θερµοκηπίου). Αντίθετα, για έναν αρνητικό κλιµατικό εξαναγκασµό, η ενέργεια θα µειωθεί, οδηγώντας σε ψύξη του συστήµατος, (IPCC, 2007). Σχήµα 1. 4: Παγκόσµια µέση ετήσια τιµή του κλιµατικού εξαναγκασµού λόγω ακτινοβολίας διάφορων παραγόντων, (IPCC, 2007). Figure 1.4 : Global mean annual value of the climate of coercion due to radiation various factors, (IPCC, 2007). Επίσης, στο Σχήµα 1.4 σηµειώνεται, η χωρική έκταση της επίδρασης (spatial scale) και το επίπεδο κατανόησης του φαινοµένου από τους επιστήµονες (LOSU, level of scientific understanding). Το µήκος της κάθε στήλης δίνει την µέση εκτίµηση για την τιµή του RF και η γραµµή το εύρος των αναµενόµενων τιµών. Οι ανθρώπινες δραστηριότητες (θειικό άλας, οργανικός άνθρακας, µαύρος άνθρακας, νιτρικό άλας και σκόνη) συµβάλλουν στην αύξηση των στερεών µορίων (aerosols) προκαλώντας ψύξη της ατµόσφαιρας. Αντίθετη είναι η επίδραση της αλλαγής της ζώνης του 9

19 αζώτου στην τροπόσφαιρα που οφείλεται στην αύξηση της συγκέντρωσης χηµικών ουσιών (οξείδια αζώτου, µονοξείδιο άνθρακα, και υδρογονάνθρακες) αφού συνεισφέρει κατά +0,35 (+0, ,65) W/m -2. Αντίστοιχα η θετική συνεισφορά από φυσικά αίτια, δηλαδή την ηλιακή ακτινοβολία, εκτιµάται Wm -2. Σύµφωνα µε την Επιτροπή, παρόλο που πολλοί παράγοντες συνεχίζουν να επηρεάζουν το κλίµα, οι ανθρώπινες δραστηριότητες είναι ο σηµαντικότερος παράγοντας και είναι αρµόδιες για το µεγαλύτερο µέρος της θέρµανσης που παρατηρήθηκε κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 ετών, µε Radiative Forcing +1.6 (+0.6 µέχρι +2.4] W m 2,(IPCC, 2007). Οι ανθρώπινες δραστηριότητες αυξάνουν κυρίως τη συγκέντρωση του CO 2, των χλωροφθορανθράκων CFCs και ακολούθως του CH 4, του N 2 O και του O 3 της τροπόσφαιρας. Η ποσότητα του διοξειδίου του άνθρακα στην ατµόσφαιρα έχει αυξηθεί κατά περίπου 35% από τη βιοµηχανική εποχή και µάλιστα 70% µόνο κατά την περίοδο (Σχήµα 1.5). Σχήµα 1. 5: α) Παγκόσµιες ετήσιες εκποµπές ανθρωπογενών αερίων του θερµοκηπίου την περίοδο σε GT ισοδυνάµων C0 1 2 (CΟ 2 -eq), β) Συµβολή κάθε αερίου στις συνολικές εκποµπές του 2004, γ) Συµβολή κάθε τοµέα στις συνολικές εκποµπές του 2004, (IPCC, 2007). Figure 1. 5: a) Global annual emissions of anthropogenic greenhouse gases in the period GT equivalents C0 2 1 (CO2-eq), b) Contribution of each gas in total emissions in 2004, c) Contribution of each sector to the total emissions of 2004, (IPCC, 2007). 10

20 Περισσότερο από το 75% των ανθρωπογενών εκποµπών του CO 2 προέρχεται από την καύση των ορυκτών καυσίµων. Το υπόλοιπο ποσοστό των εκποµπών οφείλεται στις αλλαγές χρήσης γης και µεταβαλλόµενες γεωργικές πρακτικές µε κύρια αιτία την καταστροφή των δασών (και την καύση βιοµάζας). Επιπλέον, η αναλογία οξυγόνου: αζώτου στην ατµόσφαιρα έχει µειωθεί δεδοµένου ότι το CO 2 έχει αυξηθεί αφού το οξυγόνο µειώνεται µε την καύση ορυκτών καυσίµων. Εποµένως, η ανθρωπότητα έχει προκαλέσει δραµατική αλλαγή της χηµικής σύνθεσης της γήινης ατµόσφαιρας µε ουσιαστικές επιπτώσεις στο κλίµα, (IPCC, 2007). 1.5 Στοιχεία για τις αλλαγές του κλίµατος Σύµφωνα µε την τέταρτη έκθεση αξιολόγησης της IPCC, είναι δεδοµένο ότι βιώνουµε µία σαφή θέρµανση του κλιµατικού συστήµατος. Η επιβεβαίωση της υπερθέρµανσης του πλανήτη έρχεται από τη θέρµανση των ωκεανών, την ανερχόµενη στάθµη της θάλασσας, το λιώσιµο των πάγων, την υποχώρηση του θαλάσσιου πάγου στην Αρκτική και τη µειούµενη παγοκάλυψη στο Βόρειο Ηµισφαίριο. Οι πειραµατικές µετρήσεις που έχουν πραγµατοποιηθεί τα τελευταία 157 χρόνια, δείχνουν πως οι θερµοκρασίες στην επιφάνεια της Γης έχουν αυξηθεί σε παγκόσµια κλίµακα, παρουσιάζοντας σηµαντικές τοπικές διακυµάνσεις. Όσον αφορά τις παγκόσµιες µέσες τιµές των επιφανειακών θερµοκρασιών έχουν αυξηθεί περίπου 0,74 ο C τα τελευταία 100 χρόνια ( ), όπως φαίνεται στο Σχήµα 1.6. Παρόλα αυτά, η αύξηση της θερµοκρασίας διαφέρει στις διάφορες εποχές ή περιοχές. Από το 1850 µέχρι περίπου το 1915, δεν είχε υπάρξει σηµαντική συνολική αλλαγή, πέρα από κάποιες µεταβολές που σχετίζονταν µε τη φυσική διακύµανση. Από το 1910 µέχρι το 1949 παρατηρήθηκε µια αύξηση της παγκόσµιας µέσης θερµοκρασίας (0,35 ο C), η οποία ακολουθήθηκε από ελαφρά πτώση (0,1 ο C) και στη συνέχεια από ταχεία θέρµανση (0,55 ο C) µέχρι το τέλος του Τα πιο θερµά χρόνια αυτής της περιόδου είναι το 1998 και το 2005 (τα οποία είναι στατιστικά διακριτά), ενώ 11 από τα 12 πιο θερµά έτη έχουν καταγραφεί την περίοδο , (IPCC, 2007). 11

21 Σχήµα 1.6 : Ετήσιες παγκόσµιες µέσες παρατηρούµενες θερµοκρασίες (µαύρες κουκίδες). Ο αριστερός άξονας παρουσιάζει ανωµαλίες (αποκλίσεις από τον κλιµατολογικό µέσο κάθε περιοχής) αναφορικά µε τη µέση τιµή του και ο δεξιός άξονας παρουσιάζει την εκτιµώµενη πραγµατική θερµοκρασία ( ο C), (IPCC, 2007). Figure 1.6 : Annual global mean observed temperatures1 (black dots) along with simple fits to the data. The left hand axis shows anomalies relative to the 1961 to 1990 average and the right hand axis shows the estimated actual temperature ( C). Linear trend fits to the last 25 (yellow), 50 (orange), 100 (purple) and 150 years (red) are shown, and correspond to 1981 to 2005, 1956 to 2005, 1906 to 2005, and 1856 to 2005, respectively, (IPCC, 2007). Η αύξηση αυτή της θερµοκρασίας παρατηρείται σε όλο τον πλανήτη, η µεγαλύτερη της όµως ένταση σηµειώνεται στα µεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη του βορείου ηµισφαιρίου. Συγκεκριµένα, η µέση θερµοκρασία της Αρκτικής έχει αυξηθεί περίπου δύο φορές περισσότερο σε σύγκριση µε τον παγκόσµιο µέσο ρυθµό αύξησης των τελευταίων 100 ετών. Επίσης, η αύξηση της θερµοκρασίας πάνω από τη ξηρά είναι µεγαλύτερη από ότι πάνω από τους ωκεανούς, ιδιαίτερα από τη δεκαετία του 1970 κι έπειτα. Επιπλέον, θέρµανση λαµβάνει χώρα στα αστικά κέντρα και τις αστικές περιοχές (γνωστό ως το φαινόµενο της αστικής θερµονησίδας). Παρατηρήσεις από το 1961 µέχρι σήµερα, δείχνουν ότι η θερµοκρασία των ωκεανών έχει αυξηθεί ακόµη και σε µεγάλα βάθη, έως και τα 3000 µέτρα, γεγονός που συνεισφέρει στην αύξηση της στάθµης της θάλασσας. Θεωρείται πολύ πιθανό 12

22 (>90%), η αύξηση της στάθµης της θάλασσας το διάστηµα να σχετίζεται µε τις µεταβολές στη Γροιλανδία και την Ανταρκτική. Την περίοδο , η στάθµη της θάλασσας αυξήθηκε κατά µέσο όρο 1.8mm/έτος ( mm). Η αντίστοιχη αύξηση για το διάστηµα ήταν 3.1mm/έτος, χωρίς να είναι σαφές αν πρόκειται για µακροχρόνια ροπή ή φυσική διακύµανση. Στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζεται η εκτίµηση των επιστηµόνων για τη σχέση ανάµεσα στην κλιµατική αλλαγή και την αύξηση της στάθµης της θάλασσας, παρουσιάζοντας τον αντίστοιχο ρυθµό αύξησης που εκτιµάται ότι σχετίζεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας, τους ηπειρωτικούς παγετώνες, το τµήµα πάγου της Γροιλανδίας και της Αρκτικής. Πίνακας 1.1: Καταγεγραµµένος ρυθµός αύξησης της στάθµης της θάλασσας (mm/έτος) και η εκτιµώµενη συνεισφορά διαφόρων αιτιών σε αυτή. (IPCC, 2007) Table 5.3. Estimates of the various contributions to the budget of global mean sea level change for 1961 to 2003 and 1993 to 2003 compared with the observed rate of rise. Ice sheet mass loss of 100 Gt yr 1 is equivalent to 0.28 mm yr 1 of sea level rise. A GIA correction has been applied to observations from tide gauges and altimetry. For the sum, the error has been calculated as the square root of the sum of squared errors of the contributions. The thermosteric sea level changes are for the 0 to 3,000 m layer of the ocean. 1.6 Οι επιπτώσεις της κλιµατικής αλλαγής Η επιστηµονική κοινότητα, ιδιαίτερα κατά τα τελευταία χρόνια, έχει καταβάλει σηµαντικές προσπάθειες εκτίµησης των επιπτώσεων της αναµενόµενης κλιµατικής µεταβολής σε διάφορους τοµείς της κοινωνικής δραστηριότητας και στο φυσικό 13

23 περιβάλλον. Η ένταση των προαναφερθέντων κλιµατικών αλλαγών και των συνεπαγόµενων επιπτώσεων δεν θα είναι η ίδια σε όλες τις περιοχές του πλανήτη, ενώ σε ορισµένες γεωγραφικές περιοχές και σε συγκεκριµένους τοµείς είναι ακόµη δυνατόν να προκύψουν και οφέλη. Επίσης, οι αλλαγές σε τοπικό επίπεδο στα φυσικά και διαχειριζόµενα συστήµατα, είναι δύσκολο να αποδοθούν ξεκάθαρα στην ανθρωπογενή κλιµατική αλλαγή, διότι εµπλέκονται και οι επιδράσεις της φυσικής κλιµατικής µεταβλητότητας, καθώς και µη κλιµατικών παραγόντων (π.χ. οι αλλαγές στις χρήσεις γης, η υποβάθµιση του εδάφους, η αστικοποίηση και γενικότερα η ρύπανση), (IPCC, 2007). Στο Σχήµα 1.7 παρουσιάζονται οι αλλαγές σε όλα τα φυσικά και βιολογικά συστήµατα σε σχέση µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Σχήµα 1.7: Αλλαγές στα φυσικά και βιολογικά συστήµατα και την επιεδάφια θερµοκρασία για την περίοδο , (IPCC, 2007). Figure 1.7: Locations of significant changes in data series of physical systems (snow, ice and frozen ground; hydrology; and coastal processes) and biological systems (terrestrial, marine, 14

24 and freshwater biological systems), are shown together with surface air temperature changes over the period , (IPCC, 2007). Παρακάτω, προσδιορίζονται έξη τοµείς που επηρεάζονται από την κλιµατική αλλαγή: 1) Υδατικά αποθέµατα: Σύµφωνα µε την τέταρτη έκθεση της δεύτερης οµάδας εργασίας της IPCC,εκτιµάται, µε υψηλό επίπεδο εµπιστοσύνης (>80%), ότι µέχρι τα µέσα του 21ου αιώνα η µέση ετήσια απορροή των ποταµών και η διαθεσιµότητα νερού θα αυξηθεί κατά 10-40% στα υψηλότερα υψόµετρα και σε ορισµένες τροπικές περιοχές, ενώ θα µειωθεί κατά 10-30% σε ξηρές περιοχές µε µέσο υψόµετρο, λόγω της µείωσης των βροχοπτώσεων και του αυξηµένου ρυθµού εξατµισοδιαπνοής. Ειδικότερα, για την περιοχή της νοτιοανατολικής Ευρώπης, προβλέπεται µείωση της ετήσιας απορροής έως και 20-30%. Επίσης, αναµένεται αυξανόµενος κίνδυνος ξηρασίας στη. και Ν. Ευρώπη ενώ για τη Β. Ευρώπη ο κίνδυνος είναι µειωµένος. Ως τη δεκαετία 70, οι σηµερινές ξηρασίες περιόδου επαναφοράς 100 ετών εκτιµάται ότι θα επιστρέψουν, κατά µέσο όρο, κάθε 10 ή λιγότερα έτη σε περιοχές της Ισπανίας, της Πορτογαλίας, της δυτικής Γαλλίας, της Πολωνία καθώς και της δυτικής Τουρκίας, (IPCC, 2007). Όσον αφορά τις πληµµύρες, υπάρχει αυξηµένος κίνδυνος για χειµερινές πληµµύρες στη βόρεια Ευρώπη αλλά και ξαφνικές πληµµύρες σε όλη Ευρώπη. Επίσης, υπάρχει κίνδυνος να µετατοπιστούν από την άνοιξη στο χειµώνα οι πληµµύρες που προέρχονται από την τήξη του χιονιού. Οι σηµερινές πληµµύρες περιόδου επαναφοράς 100 ετών εκτιµάται ότι θα εµφανιστούν συχνότερα στη βόρεια και βορειοανατολική Ευρώπη (Σουηδία, Φινλανδία, Β. Ρωσία), στην Ιρλανδία, στην κεντρική και Α. Ευρώπη (Πολωνία, αλπικοί ποταµοί), στις ατλαντικές περιοχές της Ν. Ευρώπης (Ισπανία, Πορτογαλία) και λιγότερο συχνά σε µεγάλες περιοχές της Ν. Ευρώπης, (IPCC, 2007). 2) Οικοσυστήµατα: Η δυνατότητα προσαρµογής πολλών οικοσυστηµάτων ενδέχεται να ξεπεραστεί στη διάρκεια του 21ου αιώνα, εξαιτίας του συνδυασµού της κλιµατικής αλλαγής και άλλων σχετικών φαινοµένων (πληµµύρες, ξηρασίες, πυρκαγιές κ.λ.π). Αυτό θα έχει ως πιθανό αποτέλεσµα το 20-30% περίπου της γνωστής χλωρίδας και πανίδας να γνωρίσει αυξηµένο κίνδυνο εξαφάνισης, εφόσον η αύξηση της παγκόσµιας θερµοκρασίας ξεπεράσει τους o C, (IPCC, 2007). 15

25 Γενικότερα, οι επιπτώσεις των αναµενόµενων αλλαγών στα οικοσυστήµατα εντοπίζονται στα παρακάτω επίπεδα (Gates, 1993; Hughes, 2000; McCarty, 2001; Walther et al.,2002): α) Επίδραση σε επίπεδο προσαρµογής. Βραχύβια είδη που χαρακτηρίζονται από γοργούς ρυθµούς αύξησης, µπορεί να εµφανίσουν µικροεξελικτικές αλλαγές ως απόκριση στη µεταβολή των περιβαλλοντικών συνθηκών (Hughes, 2000). β)επίδραση σε επίπεδο οικοφυσιολογίας. Αναµένεται να διαφοροποηθεί ο µεταβολικός και αυξητικός ρυθµός των οργανισµών, λόγω αλλαγών στην ατµοσφαιρική συγκέντρωση του CO 2 ή στα πρότυπα της θερµοκρασίας και της βροχόπτωσης (Phillips, 1996; Briffa, 1998; Phillips et al., 1998; Brown, 2001). γ) Επίδραση σε επίπεδο φαινολογίας. Λειτουργίες του κύκλου ζωής των οργανισµών, οι οποίες ενεργοποιούνται από κλιµατικά σήµατα, όπως η δηµιουργία των οφθαλµών στα φυτά, και η ανάπτυξη των φύλλων, αναµένεται να τροποποιηθούν (Bradley et al., 1999; Menzel et al., 2001; Cramer, 2005). δ) Σύνθετες επιδράσεις. Τα οικοσυστήµατα αναµένεται να δεχτούν πιέσεις από την αλλαγή των χρήσεων γης ή µέσω της εξάπλωσης ειδών που χαρακτηρίζονται ως εισβολείς (Sala et al., 2000). Η δράση αυτών των πιέσεων οδηγεί σε αβεβαιότητα, όσον αφορά την προσπάθεια πρόβλεψης της µελλοντικής δοµής των οικοσυστηµάτων. 3) Τροφή: Στις περιοχές µε µέσο-υψηλό γεωγραφικό πλάτος, µε τοπική µέση αύξηση της θερµοκρασίας (1-3 C), προβλέπεται µε µέσο επίπεδο εµπιστοσύνης, η παραγωγικότητα των καλλιεργειών να αυξηθεί (ανάλογα µε την καλλιέργεια) και στη συνέχεια να µειωθεί πέρα από αυτό το όριο σε ορισµένες περιοχές. Αντίθετα, σε χαµηλότερα γεωγραφικά πλάτη, ιδιαίτερα σε ξηρές και τροπικές περιοχές, προβλέπεται µε µέσο επίπεδο εµπιστοσύνης να σηµειωθεί µείωση της παραγωγικότητας, ακόµη και για µικρή αύξηση της θερµοκρασίας (1-2 ο C), (IPCC, 2007). 4) Παράκτιες περιοχές: Οι παράκτιες περιοχές, προβλέπεται µε πολύ υψηλό επίπεδο εµπιστοσύνης να είναι εκτεθειµένες σε αυξανόµενους κινδύνους, συµπεριλαµβανοµένων της διάβρωσης των ακτών, λόγω της αλλαγής του κλίµατος και της ανόδου της στάθµης της θάλασσας. Το αποτέλεσµα θα οξυνθεί µε την αύξηση των ανθρωπογενών πιέσεων στις παράκτιες περιοχές. Επίσης περιοχές όπου είναι 16

26 εγκαταστηµένοι εκατοµµύρια άνθρωποι αναµένεται να πληµµυρίσουν, εξαιτίας της ανόδου της στάθµης της θάλασσας µέχρι το Οι πληθυσµοί που πρόκειται να επηρεασθούν, θα είναι κυρίως αυτοί που κατοικούν στις πυκνοκατοικηµένες και χαµηλού υψοµέτρου περιοχές της Ασίας και της Αφρικής, ενώ τα µικρά νησιά είναι ιδιαίτερα ευάλωτα, (IPCC, 2007). 5) Βιοµηχανία, κατοικίες και κοινωνία: Πιο ευπρόσβλητες θεωρούνται οι βιοµηχανίες, οι κατοικίες και γενικά οι κοινωνίες που έχουν εγκατασταθεί σε παράκτιες ή παρόχθιες περιοχές, που οι οικονοµικές δραστηριότητες τους σχετίζονται άµεσα µε τους φυσικούς πόρους που επηρεάζονται από τις κλιµατικές αλλαγές, καθώς και οι περιοχές στις οποίες έχουν ήδη σηµειωθεί ακραία καιρικά φαινόµενα και σηµειώνεται ταχεία αστικοποίηση; Οι φτωχές κοινότητες µπορεί να είναι ιδιαίτερα ευάλωτες, ιδίως αυτές που συγκεντρώνονται σε περιοχές υψηλού κινδύνου, (IPCC, 2007). 6) Ανθρώπινη υγεία: Οι αλλαγές που αναµένονται λόγω της υπερθέρµανσης του πλανήτη πρόκειται να επηρεάσουν την υγεία εκατοµµυρίων ανθρώπων. Λόγω των ακραίων καιρικών φαινόµενων, προβλέπονται αυξήσεις των θανάτων, των ασθενειών και των τραυµατισµών. Kίνδυνοι για την υγεία θα προκληθούν και λόγω των υψηλών θερµοκρασιών (καύσωνες) και αύξησης τη συχνότητας των πυρκαγιών. Επίσης, αναµένεται αυξηµένη συχνότητα σε καρδιαγγειακές παθήσεις του αναπνευστικού, που οφείλονται σε υψηλότερες συγκεντρώσεις όζοντος στην επιφάνεια του εδάφους, στις αστικές περιοχές που σχετίζονται µε την κλιµατική αλλαγή, καθώς και µεταβολή της χωρικής κατανοµής ορισµένων µολυσµατικών νόσων. Οι κλιµατικές αλλαγές αναµένεται να έχουν και ορισµένες παροχές σε εύκρατες περιοχές, όπως είναι λιγότεροι θάνατοι από το κρύο, καθώς και ορισµένες µεικτές επιπτώσεις όπως αλλαγές στη σειρά και δυναµικό µεταφοράς της ελονοσίας στην Αφρική. Συνολικά, αναµένεται ότι οι παροχές θα αντισταθµίζονται από τις αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία των αυξανόµενων θερµοκρασιών, ιδίως στις αναπτυσσόµενες χώρες, (IPCC, 2007). Στον Πίνακα 1.2 παρουσιάζονται χαρακτηριστικά παραδείγµατα για τις επιπτώσεις σε παγκόσµιο επίπεδο (αύξηση της στάθµης της θάλασσας και του CO 2 ) για διαφορετικές τιµές αύξησης της µέσης θερµοκρασίας στον πλανήτη τον εικοστό πρώτο αιώνα. Οι µαύρες γραµµές συνδέουν τις επιπτώσεις, τα διακεκοµµένα βέλη 17

27 υποδηλώνουν ότι η αύξηση της θερµοκρασίας επιδεινώνει την κατάσταση. Η µέση ετήσια αύξηση της στάθµης της θάλασσας εκτιµήθηκε 4mm/έτος. Προφανώς ο παρακάτω πίνακας δίνει µία γενική εικόνα της αναµενόµενων συνθηκών ζωής στον πλανήτη λόγω της υπερθέρµανσης και στην πραγµατικότητα θα υπάρχουν πολλές διαφοροποιήσεις. Πίνακας 1.2: Οι βασικές επιπτώσεις της κλιµατικής αλλαγής ως συνάρτηση της αύξησης της µέσης θερµοκρασιακής αλλαγής τον εικοστό πρώτο αιώνα, (IPCC, 2007). Figure 1.2 : Illustrative examples of global impacts projected for climate changes (and sea level and atmospheric CO2 where relevant) associated with different amounts of increase in global average surface temperature in the 21st century, (IPCC,2007). 18

28 Κεφάλαιο 2 Η προσοµοίωση του µελλοντικού κλίµατος µε τη βοήθεια κλιµατικών µοντέλων 2.1Εισαγωγή Οι κλιµατικές διακυµάνσεις µπορεί να οφείλονται σε φυσικές, εσωτερικές κλιµατικές διεργασίες, (π.χ φαινόµενο El Niño), ή µεταβολές συγκεκριµένων εξωτερικών παραγόντων. Οι εξωτερικοί αυτοί παράγοντες µπορεί να είναι είτε φυσικής προέλευσης, (διακυµάνσεις ηλιακής ακτινοβολίας, ηφαιστειακή δραστηριότητα), είτε ανθρωπογενείς, ως αποτέλεσµα διαφόρων ανθρώπινων δραστηριοτήτων (εκποµπές αερίων θερµοκηπίου, δηµιουργία αερολυµάτων, αλλαγή της χρήσης της γης, χρήση ενώσεων που καταστρέφουν το όζον),(ipcc, 2007). Ο βαθµός που επιδρά κάθε ένας από τους παραπάνω παράγοντες εκτιµάται κυρίως µε τη χρήση θεωρητικών µοντέλων προσοµοίωσης του κλίµατος. Για να εκτιµηθεί η συµβολή των εσωτερικών διεργασιών, δηµιουργούνται προσοµοιώσεις στις οποίες οι εξωτερικοί παράγοντες µένουν αµετάβλητοι. Αλλάζοντας τους εξωτερικούς παράγοντες παίρνουµε πληροφορίες για τη δική τους συµβολή στις µεταβολές του κλίµατος. Σηµαντική πηγή σφάλµατος στα πειράµατα προσοµοίωσης του κλίµατος, αποτελεί το γεγονός ότι υπάρχουν ακόµα ελλείψεις στην κατανόηση της επίδρασης κάποιων εξωτερικών παραγόντων στο κλιµατικό σύστηµα. Επίσης, υπάρχουν υπολογιστικοί περιορισµοί οι οποίοι εµποδίζουν την ανάλυση από τις εξισώσεις µαθηµατικής διακριτοποίησης, (IPCC, 2007). Προκειµένου να αναπτυχθούν ποσοτικές εκτιµήσεις των επιπτώσεων της αλλαγής του κλίµατος στις διαφορετικές ανθρώπινες δραστηριότητες και τα φυσικά συστήµατα, µε τη βοήθεια των κλιµατικών µοντέλων, δηµιουργήθηκαν τα σεναρίων εκποµπών SRES (Special Report on Emissions Scenarios, 2000). Τα σενάρια SRES είναι εναλλακτικές εικόνες για το πώς µπορεί να εξελιχθεί το µέλλον και είναι ένα κατάλληλο εργαλείο για την ανάλυση της αλλαγής του κλίµατος, συµπεριλαµβανοµένων της αξιολόγησης των επιδράσεων, της προσαρµογής και του µετριασµού των επιπτώσεων, (IPCC, 2000). 19

29 2.2 Τα σενάρια εκποµπών SRES (Special Report on Emissions Scenarios, IPCC) Η µελέτη των πιθανών κλιµατικών αλλαγών που διερευνούν τα κλιµατικά µοντέλα γίνεται µε τη βοήθεια των σεναρίων εκποµπών SRES (Special Report on Emissions Scenarios, IPCC, 2000). Η κατασκευή των σεναρίων βασίζεται στην επιστηµονική άποψη της IPCC ότι οι αλλαγές που έχουν παρατηρηθεί στο κλίµα, όπως η αύξηση της θερµοκρασίας οφείλονται στην αύξηση των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου και κυρίως του διοξειδίου του άνθρακα. Το σύνολο των σεναρίων της οµάδας SRES περιλαµβάνει τις ανθρωπογενείς εκποµπές όλων των αερίων του θερµοκηπίου, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.1. Πίνακας 2.1 : Ονόµατα και χηµικά σύµβολα των ανθρωπογενών εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου και άλλων αερίων που εξετάζονται στα σενάρια εκποµπών. (ΙΡCC, 2000) Table 2.1: Names and chemical symbols of anthropogenic emissions of greenhouse gases and other gases considered in the emissions scenarios. (IΡCC, 2000) Carbon Dioxide CO 2 Carbon Monoxide CO Hydrochlorofluorocarbons HCFCs Hydrofluorocarbons HFCs Methane CH 4 Nitrous Oxide N 2 0 Nitrogen Oxides NO x Non-Methane Hydrocarbons Perfluorocarbons NMVOCs PFCs Sulfur Dioxide S0 2 Sulfur Hexafluoride SF 6 Τα σενάρια καλύπτουν ένα ευρύ φάσµα των αιτιών των µελλοντικών εκποµπών, όπως οι δηµογραφικές αλλαγές, οι τεχνολογικές και οι οικονοµικές εξελίξεις. Επίσης, καλύπτουν διαφορετικές µελλοντικές εξελίξεις που µπορούν να επηρεάσουν τις πηγές προέλευσης και τις περιοχές απόληξης των αερίων του θερµοκηπίου, όπως είναι οι αλλαγές στις χρήσεις γης και οι εναλλακτικές δοµές των ενεργειακών συστηµάτων. Κανένα όµως από τα σενάρια δεν περιλαµβάνει µελλοντικές πολιτικές που εξετάζουν 20

30 ρητά πρόσθετες πρωτοβουλίες για την αλλαγή του κλίµατος. Στο σχήµα 2.1 παρουσιάζονται οι τέσσερις πλοκές οι οποίες παράγουν τέσσερις οµάδες σεναρίων, τις «οικογένειες»: Α1, Α2, Β1, και Β2. (IPCC, 2000). Σχήµα 2.1: Σχηµατική απεικόνιση των σεναρίων SRES. (IPCC, 2000) Figure 2.1: Schematic representation of scenarios SRES. (IPCC, 2000) Μέσα σε κάθε οµάδα σεναρίων, ορισµένα είναι χαρακτηρισµένα ως «HS» (Harmonized Scenarios ή εναρµονισµένα σενάρια) και περιλαµβάνουν υποθέσεις σχετικά µε τον παγκόσµιο πληθυσµό, το ακαθάριστο παγκόσµιο προϊόν και την τελική ενέργεια. Τα «ΟS» σενάρια, είναι αυτά που ερευνούν τις αβεβαιότητες στις αιτίες των εκποµπών πέρα από εκείνες των εναρµονισµένων σεναρίων. Έχουν αναπτυχθεί συνολικά 40 σενάρια SRES από έξι διαφορετικές προσεγγίσεις µοντέλων. Όλα έχουν ίση ισχύ χωρίς να έχουν οριστεί πιθανότητες για την πραγµατοποίησή τους. Παρακάτω περιγράφονται, τα κύρια χαρακτηριστικά των τεσσάρων οµάδων σεναρίων: Η οµάδα σεναρίων Α1 περιγράφει ένα µελλοντικό κόσµο έντονης οικονοµικής ανάπτυξης, όπου στα µέσα του αιώνα θα σηµειωθεί πληθυσµιακή έκρηξη και στη συνέχεια ο πληθυσµός θα µειωθεί, ενώ θα υιοθετηθούν νέες και πιο αποδοτικές τεχνολογίες. Βασικά στοιχεία είναι η σύγκληση ανάµεσα σε αναπτυσσόµενες και αναπτυγµένες χώρες (µείωση της διαφοράς του κατά κεφαλήν 21

31 εισοδήµατος), η δηµιουργία υποδοµών και οι αυξανόµενες πολιτιστικές και κοινωνικές αλληλεπιδράσεις. Τα τρία σενάρια αυτής της κατηγορίας, περιγράφουν εναλλακτικές κατευθύνσεις στο ενεργειακό σύστηµα και διακρίνονται µε βάσει την τεχνολογία αιχµής τους: εντατική χρήση συµβατικών καυσίµων (A1FI), χωρίς τη χρήση συµβατικών καυσίµων (A1T) ή ισορροπία ανάµεσα στις ενεργειακές πηγές (A1B), που σηµαίνει να µην γίνεται αποκλειστική χρήση ενός είδους καυσίµου και αφορά την παραγωγή ενέργειας και την τελική χρήση. Το Σενάριο A2 περιγράφει έναν ετερογενή κόσµο. Κύριο στοιχείο είναι η αυτάρκεια και η διατήρηση των τοπικών ταυτοτήτων, ενώ ο ρυθµός αύξησης του πληθυσµού είναι µεγάλος. Η οικονοµική ανάπτυξη προωθείται σε περιφερειακό επίπεδο και η αύξηση του κατά κεφαλήν εισοδήµατος και η τεχνολογική αλλαγή πραγµατοποιούνται µε πιο αργούς ρυθµούς σε σχέση µε τα υπόλοιπα σενάρια. Το σενάριο Β1 αναφέρεται σε ένα µελλοντικό κόσµο παρόµοιο µε αυτόν του σεναρίου Α1, όπου όµως σηµειώνεται έντονη αλλαγή στις οικονοµικές δοµές προς την οικονοµία της πληροφορίας και των υπηρεσιών και εισαγωγή «καθαρών» και αποδοτικών τεχνολογιών. Κύρια στοιχεία είναι η παγκόσµια προσέγγιση στην επίλυση των οικονοµικών ζητηµάτων, η βιωσιµότητα του περιβάλλοντος και της κοινωνίας, που σηµαίνει ισοκατανοµή χωρίς επιπλέον επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Το σενάριο Β2 περιγράφει ένα κόσµο στον οποίον δίνεται έµφαση στις τοπικές λύσεις σε ότι αφορά την οικονοµική, κοινωνική και περιβαλλοντική βιωσιµότητα. Ο παγκόσµιος πληθυσµός αυξάνεται συνεχώς, όµως µε ρυθµό µικρότερο από το σενάριο Α2. Η οικονοµική ανάπτυξη είναι ενδιάµεση ενώ η υιοθέτηση τεχνολογικών αλλαγών είναι ποικίλη και γίνεται µε µικρότερο ρυθµό σε σχέση µε τα Β1 και Α1 σενάρια. Το σενάριο προσεγγίζει την προστασία του περιβάλλοντος και την κοινωνική ισότητα και εστιάζει στο τοπικό και περιφερειακό επίπεδο. Τα σενάρια εκποµπών καλύπτουν µια περίοδο εκατό ετών και είναι ένα κεντρικό συστατικό οποιασδήποτε αξιολόγησης της κλιµατικής αλλαγής από την IPCC. Ωστόσο, τα σενάρια συνδέονται µε διάφορες πηγές αβεβαιότητας. Αυτές αναφέρονται µερικές φορές ως αλληλουχία αβεβαιότητας και σχετίζονται µε: την φυσική µεταβλητότητα του κλίµατος, την δοµή και τις διαφορετικά αποτελέσµατα των κλιµατικών µοντέλων, την επιλογή µεθόδου αλλαγής κλίµακας δεδοµένων, την στατιστική διακύµανση καθώς και την υποκειµενική κρίση. 22

32 Πέρα από τις µεγάλες επιστηµονικές αβεβαιότητες και την ανεπάρκεια δεδοµένων, δυσκολίες προκύπτουν και επειδή οι άνθρωποι δεν είναι συνηθισµένοι στην πρόβλεψη τόσο µεγάλων περιόδων. Για παράδειγµα, µέσα στον επόµενο αιώνα αναµένονται τεχνολογικές ασυνέχειες, και ενδεχοµένως σηµαντικές αλλαγές στις κοινωνικές αξίες και στην ισορροπία των γεωπολιτικών δυνάµεων. Στις εκθέσεις της IPCC χρησιµοποιούνται τρεις τύποι αβεβαιοτήτων: 1) Τις αβεβαιότητες δεδοµένων, οι οποίες προκύπτουν από την καταλληλότητα των δεδοµένων που εισάγονται στα µοντέλα. 2) Τις αβεβαιότητες των µοντέλων, οι οποίες προκύπτουν από την ελλιπή κατανόηση των φυσικών διαδικασιών που προσοµοιώνονται, όπως των νεφών, της φυσική µεταβλητότητα του κλίµατος και των παραδοχών που γίνονται. 3) Τις αβεβαιότητες πληρότητας, οι οποίες αναφέρονται σε όλες τις παραλείψεις λόγω ελλιπούς γνώσης και δεν προσδιορίζονται ποσοτικά, (IPCC, 2000). 2.3 Προβλέψεις των σεναρίων SRES Ένα σενάριο αλλαγής κλίµατος δεν είναι µια πρόγνωση ή µια πρόβλεψη υπό την έννοια των καιρικών προγνώσεων των επόµενων ηµερών, αλλά µάλλον µπορεί να θεωρηθεί ως µια συνεκτική, συνεπής και εύλογη περιγραφή µιας πιθανής µελλοντικής κατάστασης του κόσµου. Τέτοια σενάρια κατασκευάζονται µε τη χρήση των παγκόσµιων και περιοχικών µοντέλων κλίµατος. Η περίοδος που χρησιµοποιείται ως περίοδος βάσης στην Τέταρτη Έκθεση Αξιολόγησης της IPCC προκειµένου να γίνει η σύγκριση του παρόντος κλίµατος µε τις µελλοντικές κλιµατικές συνθήκες και αλλαγές, είναι η περίοδος , όπως φαίνεται και στις παρακάτω προβλέψεις. Οι εκτιµήσεις για τη µεταβολή της θερµοκρασίας και της στάθµης της θάλασσας υπολογίζονται βάσει των έξη σεναρίων για τα επίπεδα εκποµπής αερίων του θερµοκηπίου. Στον Πίνακα 2.2 παρουσιάζονται οι εκτιµήσεις για την αύξηση της µέσης παγκόσµιας θερµοκρασίας επιφάνειας και της στάθµης της θάλασσας για το τέλος του 21ου αιώνα ( ) σε σχέση µε την περίοδο Για κάθε σενάριο παρουσιάζεται η «καλύτερη» εκτίµηση, και το αντίστοιχο εύρος τιµών. 23

33 Σύµφωνα µε το αισιόδοξο σενάριο Β1 η αναµενοµένη αύξηση είναι 1,8 ο C (1,1-2,9 ο C) ενώ η εκτίµηση του απαισιόδοξου σεναρίου είναι 4,0 ο C (2,4-6,4 ο C). Όσο αφορά την αύξηση της στάθµης της θάλασσας, σύµφωνα µε την πλέον συντηρητική εκτίµηση 18-38cm, ενώ σύµφωνα µε το πλέον απαισιόδοξο σενάριο για τα µελλοντικά επίπεδα εκποµπής εκτιµάται cm. Πίνακας 2.2 : Εκτιµήσεις για την αύξηση της µέσης παγκόσµιας θερµοκρασίας επιφάνειας και της στάθµης της θάλασσας για το τέλος του 21ου αιώνα ( ) σε σχέση µε την περίοδο ( ), (IPCC, 2007) Table 2.2. Projected global average surface warming and sea level rise at the end of the 21st century, (IPCC, 2007). Σύµφωνα µε τα σενάρια SRES αναµένεται µια αύξηση των παγκόσµιων εκποµπών των βασικών αερίων του φαινόµενου του θερµοκηπίου κατά ένα ποσοστό 25 90% (από 9.7 έως 36.7 Gt CO2-eq) το έτος 2030 σε σχέση µε το Σε αυτά τα σενάρια, τα ορυκτά καύσιµα προβλέπεται να διατηρούν την κυρίαρχη θέση στο παγκόσµιο ενεργειακό µίγµα έως το 2030 και µετά. Για το λόγω αυτό, οι εκποµπές του CΟ 2 από την ενεργειακή χρήση µεταξύ 2000 και 2030 προβλέπεται να αυξηθούν κατά % στη διάρκεια εκείνης της περιόδου. Στο Σχήµα 2.2. παρουσιάζονται οι παγκόσµιες εκποµπές των αερίων του θερµοκηπίου σε Gt ισοδυνάµων CΟ 2 το χρόνο για την περίοδο , χωρίς την εφαρµογή επιπρόσθετων κλιµατικών πολιτικών που περιορίζουν την εκποµπή τους. Εµφανίζονται έξι επεξηγηµατικά SRES σενάρια (χρωµατισµένες γραµµές) και το εύρος σε ποσοστό 80% των πρόσφατων σεναρίων που δηµοσιεύτηκαν µετά τα SRES σενάρια (γκρίζα σκιασµένη περιοχή). Οι διακεκοµµένες γραµµές παρουσιάζουν το πλήρες φάσµα των µετα- SRES σεναρίων. Οι εκποµπές περιλαµβάνουν το CΟ 2, το CΗ 4, το Ν 2 0 και τους υδροφθοράνθρακες. 24

34 Σχήµα 2.2: Σενάρια εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου από το 2000 έως το 2100 χωρίς επιπρόσθετες κλιµατικές πολιτικές. (ΙΡCC, 2007) Figure 2.2: Scenarios of greenhouse gas emissions from 2000 to 2100 without additional climate policies. (IPCC, 2007) Οι µελέτες που έχουν δηµοσιευθεί µετά τα σενάρια SRES έχουν χρησιµοποιήσει χαµηλότερες τιµές για ορισµένους κινητήριους παράγοντες εκποµπών, κυρίως για εκτιµήσεις που αφορούν τον πληθυσµό. Ωστόσο, για τις µελέτες που ενσωµατώνουν αυτές τις νέες εκτιµήσεις, οι αλλαγές σε άλλους κινητήριους παράγοντες, όπως η οικονοµική ανάπτυξη, οδηγούν σε µικρή αλλαγή στα συνολικά επίπεδα εκποµπής. Οι εκτιµήσεις οικονοµικής ανάπτυξης για την Αφρική, τη Λατινική Αµερική και τη Μέση Ανατολή έως το 2030 στα βασικά µετά- SRES σενάρια δίνουν χαµηλότερες τιµές απ' ότι στα SRES, αλλά αυτό έχει µικρές µόνο επιπτώσεις στην παγκόσµια οικονοµική ανάπτυξη και τις συνολικές εκποµπές. Τα ατµοσφαιρικά αιωρήµατα έχουν µια καθαρή επίδραση ψύξης και η παρουσίαση των εκποµπών ατµοσφαιρικών αιωρηµάτων και των προδρόµων ουσιών τους, συµπεριλαµβανοµένου του διοξειδίου του θείου, του µαύρου άνθρακα και του οργανικού άνθρακα, έχει βελτιωθεί στα µετα-sres σενάρια. Γενικά, αυτές οι εκποµπές εκτιµώνται να είναι χαµηλότερες από τις αναφερόµενες στα SRES σενάρια, (ΙΡCC, 2007). 25

35 2.4 Τα Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας Τα Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας (General Circulation Models (GCMs)) αποτελούν το κυριότερο εργαλείο στην πρόβλεψη της κλιµατικής αλλαγής. Τα GCMs είναι αριθµητικά µοντέλα που προσοµοιώνουν το παγκόσµιο κλίµα υπολογίζοντας την εξελικτική πορεία της ατµόσφαιρας και στις τρεις διαστάσεις, βασιζόµενα στους νόµους διατήρησης της ατµοσφαιρικής µάζας, της ορµής, της ολικής ενέργειας και της ποσότητας των υδρατµών (Stanley and Mac Cracken 1991). Κατά τη διαδικασία εκτέλεσης ενός µοντέλου η υδρόγειος διακριτοποιείται µε ένα τρισδιάστατο κάνναβο (Σχήµα 2.3), ορίζονται οι συνοριακές και οι αρχικές συνθήκες και εφαρµόζοντας τις βασικές εξισώσεις που διέπουν το πρόβληµα λαµβάνονται τα αποτελέσµατα σε κάθε σηµείο του καννάβου. Τα µοντέλα αυτά βασίζονται στην αριθµητική ολοκλήρωση των εξισώσεων Navier-Stokes της ρευστοµηχανικής και λόγω της πολυπλοκότητας τους απαιτούν µεγάλη υπολογιστική ισχύ προκειµένου να εκτελεστούν. Σχήµα 2.3: Σχηµατική λειτουργία GCMs (πηγή: Figure 2.3: Schematic running GCMs, (source: ). 26

36 Τα Παγκόσµια Κλιµατικά Μοντέλα απεικονίζουν το κλίµα χρησιµοποιώντας οριζόντια ανάλυση, της τάξεως των 250 έως 600 Km, 10 έως 20 κάθετα στρώµατα στην ατµόσφαιρα και ορισµένες φορές έως και 30 στρώµατα στους ωκεανούς. Ωστόσο, πολλές φυσικές διαδικασίες όπως οι σχετικές µε τα νέφη, την εξατµισοδιαπνοή, την ακτινοβολία, τη θέρµανση και την ωκεάνια κυκλοφορία εµφανίζονται σε µικρότερες κλίµακες και δεν µπορούν να µοντελοποιηθούν κατάλληλα. Για το λόγω αυτό οι γνωστές ιδιότητες τους υπολογίζονται κατά µέσο όρο σε µεγαλύτερες κλίµακες µε µια τεχνική γνωστή ως παραµετροποίηση. Έτσι, τα µοντέλα GCM µπορεί να εκτιµήσουν αρκετά διαφορετικές αποκρίσεις για τον ίδιο «πρωταρχικό παράγοντα», εξαιτίας του τρόπου µε τον οποίο ορισµένες διαδικασίες µοντελοποιούνται ( τα µοντέλα GCM περιορίζονται ως προς την αδυναµία τους να προσοµοιώσουν µε ακριβή τρόπο πολύπλοκα φαινόµενα όπως τυφώνες, καταιγίδες και ανεµοστρόβιλους καθώς και να εκτιµήσουν την µελλοντική ατµοσφαιρική σύνθεση ( Για τη µελέτη των βασικών στοιχείων της συµπεριφοράς του κλιµατικού συστήµατος έχουν αναπτυχθεί απλούστεροι τύποι µοντέλων γενικής κυκλοφορίας. Τα µοντέλα αυτά είναι τα εξής: α) Τα Ατµοσφαιρικά µοντέλα (Atmospheric General Circulation Models - AGCMs) τα οποία προσοµοιώνουν τις ατµοσφαιρικές διεργασίες λαµβάνοντας υπόψη φαινόµενα µεταφοράς ενέργειας και θερµότητας από την επιφάνεια κάλυψης του θαλάσσιου πάγου και της θάλασσας. Τα ατµοσφαιρικό µοντέλα δεν µπορούν να χρησιµοποιηθούν από µόνα τους για την εκτίµηση της µεταβολής του κλίµατος, επειδή δεν µπορούν να προσοµοιώσουν την αλλαγή των ωκεάνιων συνθηκών. β) Τα Ωκεάνια µοντέλα (Ocean General Circulation Models-OGCMs) τα οποία προσοµοιώνουν τους ωκεανούς και τους θαλάσσιους πάγους εισάγοντας δεδοµένα για τη θερµοκρασία του αέρα της επιφάνειας και άλλες ατµοσφαιρικές ιδιότητες. γ) Τα Συζευγµένα Ατµοσφαιρικά - Ωκεάνια Μοντέλα Γενικής Κυκλοφορίας (Coupled General Circulation Models - CGCMs) τα οποία συνδυάζουν τα δύο προηγούµενα µε αποτέλεσµα να εξαλείφεται η ανάγκη εξωτερικής εισαγωγής µεγεθών στη διεπιφάνεια ατµόσφαιρας ωκεανών. Αυτού του τύπου τα µοντέλα χρησιµοποιούνται από την IPCC για την πρόβλεψη της κλιµατικής αλλαγής. Επίσης, χρησιµοποιούνται για να µελετήσουν τη µεταβλητότητα και τις φυσικές διαδικασίες όλου του κλιµατικού συστήµατος. 27

37 δ) Τα Ατµοσφαιρικά χηµικά µοντέλα τα οποία χρησιµοποιούνται για την µελέτη των αλλαγών της συγκέντρωσης των αιωρούµενων σωµατιδίων της ατµόσφαιρας και της καταστροφής του όζοντος. ε) Τα Μοντέλα του Κύκλου του Άνθρακα τα οποία χρησιµοποιούνται για να προσοµοιωθούν διάφορες σηµαντικές αναδράσεις του κλίµατος που αφορούν τη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα και τη λήψη ή την απόδοση του διοξειδίου του άνθρακα από τους ωκεανούς ( 2.5 Περιοχικά Κλιµατικά Μοντέλα (RCMs) Οι εκτιµήσεις των κλιµατικών αλλαγών από ανθρωπογενή αίτια στηρίζονται στα αποτελέσµατα των Συζευγµένων Ατµοσφαιρικών-Ωκεάνιων Μοντέλων Γενικής Κυκλοφορίας (AOGCMs) και των Μοντέλων προσοµοίωσης Γενικής Κυκλοφορίας (GCMs). Η χωρική ανάλυση των συγκεκριµένων πρότυπων προσοµοίωσης λόγω περιορισµένων υπολογιστικών δυνατοτήτων είναι της τάξης των εκατοντάδων χιλιοµέτρων. Λόγω της χαµηλής τους χωρικής ανάλυσης τα GCMs και τα AOGCMs δεν είναι σε θέση να προσοµοιώσουν ικανοποιητικά την επίδραση της τοπικής και περιοχικής τοπογραφίας. Για το λόγω αυτό, είναι αναγκαίος ο λεγόµενος υποβιβασµός κλίµακας, ο οποίος συνίσταται από διάφορες τεχνικές που επιτρέπουν την έµµεση εξαγωγή πληροφορίας µεγάλης κλίµακας από τα GCMs. Οι µέθοδοι υποβιβασµού κλίµακας χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τις στατιστικές και τις δυναµικές, καθεµία από τις οποίες έχει τα πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατά της. Οι στατιστικές µέθοδοι υποβιβασµού κλίµακας βασίζονται σε κλιµατικές χρονοσειρές, παλαιοκλιµατολογικά δεδοµένα και παράγωγα των GCMs. Αφορούν τη δηµιουργία στατιστικών και εµπειρικών σχέσεων µεταξύ των τοπικών κλιµατικών µεταβλητών κάποιας περιοχής (εξαρτηµένες µεταβλητές- predictants) και των µεγάλης κλίµακας ατµοσφαιρικών µεταβλητών (ανεξάρτητες µεταβλητές - redictors), (Gallardo et all.,2001). Οι δυναµικές µέθοδοι υποβιβασµού κλίµακας περιλαµβάνουν την ενσωµάτωση ενός µοντέλου µεγαλύτερης ανάλυσης πάνω από την περιοχή ενδιαφέροντος. Τέτοια µοντέλα είναι τα GCMs µεταβλητής ανάλυσης και τα Περιoχικά Κλιµατικά Μοντέλα (Regional Climate Models-RCMs), µε τα τελευταία να χρησιµοποιούνται πολύ περισσότερο. 28

38 Τα RCMs βασίζονται στις ίδιες θεµελιώδεις αρχές µε τα GCMs, µε τη διαφορά ότι δεν εφαρµόζονται σε ολόκληρη την υδρόγειο αλλά σε περιορισµένο τµήµα της (Gallardo et all., 2001). Τα RCMs συγκρινόµενα µε τα GCMs αναπαριστούν µε µεγαλύτερη λεπτοµέρεια το ανάγλυφο και την κατανοµή ξηράς-θάλασσας, και προσοµοιώνουν µε µεγαλύτερη ακρίβεια φαινόµενα περιοχικής και τοπικής κλίµακας. Στις πρώτες µελέτες (Dickinson et al. και Giorgi and Bates, 1989) τα RCMs ενσωµάτωναν πεδία τιµών από σταθµούς, δηλαδή από πραγµατικές παρατηρήσεις. Τα τελευταία όµως χρόνια, η αυξανόµενη υπολογιστική ισχύς επέτρεψε την εµφύτευση των RCMs µέσα σε GCMs, επιτρέποντας έτσι µεγαλύτερη χρονική και χωρική ανάλυση. Τα RCMs σήµερα παρέχουν υψηλή χωρική ανάλυση της τάξεως των 25km, αποτελώντας έτσι το πιο χρήσιµο εργαλείο στη διάθεση των κλιµατολόγων. Πρέπει, βέβαια, να τονιστεί ότι ακόµη και τα πιο σύγχρονα και εξελιγµένα περιοχικά κλιµατικά µοντέλα παρουσιάζουν κάποια συστηµατικά σφάλµατα. Τέτοια σφάλµατα µεταφέρονται από το «γονέα» µοντέλο µεγαλύτερης κλίµακας, είτε λόγω των παραµετροποιήσεων, είτε εξαιτίας της τραχείας τους ανάλυσης (Τολίκα, 2005). Επιπλέον, πέρα από το γεγονός ότι παρουσιάζουν κάποια δυσκολία στην εφαρµογή τους, απαιτούν µεγαλύτερη υπολογιστική δύναµη και έχουν µεγαλύτερο κόστος. Εποµένως, τα αποτελέσµατα των µοντέλων θα πρέπει να χρησιµοποιούνται µε πολύ µεγάλη προσοχή, και να αντιµετωπίζονται ως σενάρια του πιθανού µελλοντικού κλίµατος και όχι ως πρόγνωσή του. 2.6 Προβλέψεις των Κλιµατικών Μοντέλων για την θερµοκρασία Κατά τις αρχές του 20ού αιώνα, η παγκόσµια µέση θερµοκρασία παρουσίασε άνοδο. Την περίοδο εκείνη άρχισαν να ανεβαίνουν τα επίπεδα των αερίων θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα, ενώ η ηλιακή ακτινοβολία πιθανόν να αυξανόταν και η ηφαιστειακή δραστηριότητα βρισκόταν σε ύφεση. Κατά τα έτη η θερµοκρασία παρουσίασε σταθεροποίηση, καθώς οι αυξηµένες ποσότητες αερολυµάτων από τη χρήση ορυκτών καυσίµων, που τείνουν να ψύξουν τον πλανήτη, εξισορρόπησαν την αύξηση των αερίων θερµοκηπίου. Η έκρηξη του ηφαιστείου Agung το 1963 διοχέτευσε µεγάλες ποσότητες σκόνης στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας. Από το 1970 και µετά παρατηρείται ταχεία άνοδος της θερµοκρασίας, 29

39 λόγω του ότι η αύξηση των αερίων θερµοκηπίου είναι τόσο έντονη που υπερνικά τους υπόλοιπους παράγοντες. Εξαίρεση αποτελούν σύντοµες περιόδοι πτώσης της παγκόσµιας µέσης θερµοκρασίας µετά την έκρηξη του ηφαιστείου Pinatubo το 1991, (ΙΡCC, 2007). Προκειµένου να ερµηνευθούν οι παραπάνω µεταβολές, έχουν γίνει πολλά πειράµατα µε τη χρήση µαθηµατικών µοντέλων προσοµοίωσης του κλίµατος. Τα αποτελέσµατα των πειραµάτων αυτών δείχνουν ότι είναι αδύνατο να προσοµοιωθεί η ταχεία άνοδος της θερµοκρασίας που έχει σηµειωθεί τις τελευταίες δεκαετίες, όταν στα µοντέλα λαµβάνονται υπόψιν µόνο οι παράγοντες που προκύπτουν από φυσικά αίτια (ηφαιστειακή δραστηριότητα, διακυµάνσεις στην ηλιακή ακτινοβολία). Όταν, ωστόσο, συνυπολογίζονται τόσο οι φυσικοί όσο και οι ανθρωπογενείς παράγοντες, τα µοντέλα προσοµοιώνουν µε επιτυχία τις µεταβολές του κλίµατος.οι προσοµοιώσεις προσεγγίζουν την πραγµατικότητα σε ικανοποιητικό βαθµό, τόσο σε παγκόσµια κλίµακα όσο και σε κάθε ήπειρο ξεχωριστά (µε εξαίρεση την Ανταρκτική για την οποία δεν υπάρχουν αρκετά δεδοµένα για την εξαγωγή συµπεράσµατος). Οι ανθρώπινες δραστηριότητες πιθανότατα αποτελούν τον κυρίαρχο παράγοντα µεταβολής του κλίµατος τα τελευταία 50 χρόνια, (ΙΡCC, 2007). Στο Σχήµα 2.4 παρουσιάζεται µία εποπτική σύγκριση των αποτελεσµάτων των κλιµατικών µοντέλων για τη µεταβολή της θερµοκρασίας σε διάφορα µέρη του κόσµου και των καταγεγραµµένων στοιχείων. Τα αποτελέσµατα των κλιµατικών µοντέλων µε µπλε χρώµα αναφέρονται στην θερµοκρασιακή µεταβολή που προκαλείται από φυσικά αίτια, ενώ στην καµπύλη µε ροζ χρώµα λαµβάνεται υπόψη και η ανθρωπογενής επίδραση. 30

40 Σχήµα 2.4 : Απόκλιση της µέσης παγκόσµιας θερµοκρασίας από τη µέση τιµή για τα έτη ( C) για κάθε δεκαετία από το 1906 έως το 2005 σε ηπειρωτική και παγκόσµια κλίιµακα. Οι πειραµατικά µετρούµενες θερµοκρασίες σηµειώνονται µε έντονη µαύρη γραµµή, ενώ οι χρωµατιστές ταινίες δείχνουν τις µέσες τιµές από το 90% των προσοµοιώσεων που έχουν πραγµατοποιηθεί. Τα µοντέλα στα οποία λαµβάνονται υπόψιν µόνο οι παράγοντες φυσικής προέλευσης σηµειώνονται µε γαλάζιο, ενώ αυτά στα οποία συµπεριλαµβάνονται και ανθρωπογενείς παράγοντες σηµειώνονται µε ροζ. Οι διακεκοµµένες γραµµές υποδηλώνουν περιπτώσεις όπου υπάρχει µικρός αριθµός παρατηρήσεων, (ΙΡCC, 2007). Figure 2.4: Temperature changes relative to the corresponding average for ( C) from decade to decade from 1906 to 2005 over the Earth s continents, as well as the entire globe, global land area and the global ocean (lower graphs). The black line indicates observed temperature change, while the coloured bands show the combined range covered by 90% of recent model simulations. Red indicates simulations that include natural and human factors, while blue indicates simulations that include only natural factors. Dashed black lines indicate 31

41 decades and continental regions for which there are substantially fewer observations, (ΙΡCC, 2007). Στο σχήµα 2.5 παρουσιάζονται εκτιµήσεις των Ατµοσφαιρικών Ωκεάνιων Μοντέλων Γενικής Κυκλοφορίας για την αύξηση της θερµοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους. Στο παρακάτω διάγραµµα, οι συµπαγείς γραµµές είναι πολυµοντελικές µέσες τιµές της θέρµανσης της επιφάνειας του πλανήτη (ως προς την περίοδο βάσης ) για τα SRES σενάρια Α2, Α1Β και Β1, που παρουσιάζονται ως συνέχειες των προσοµοιώσεων του εικοστού αιώνα. Η ροζ γραµµή δείχνει τα σηµεία όπου οι συγκεντρώσεις κρατήθηκαν σταθερές στο επίπεδο των τιµών του έτους Οι ράβδοι στη µέση του σχήµατος δείχνουν την καλύτερη εκτίµηση (συµπαγής γραµµή µέσα σε κάθε ράβδο) και το πιθανό εύρος των έξι SRES σεναρίων για την περίοδο σχετικά µε την περίοδο Στη δεξιά εικόνα παρουσιάζονται οι εκτιµώµενες αλλαγές της θερµοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους για τις αρχές και τα τέλη του εικοστού πρώτου αιώνα σε σχέση µε την περίοδο , (ΙΡCC, 2007). Σχήµα 2.5 : Εκτιµήσεις των Ατµοσφαιρικών Ωκεάνιων Μοντέλων Γενικής Κυκλοφορίας για την αύξηση της θερµοκρασίας της επιφάνειας του εδάφους, (ΙΡCC, 2007). Figure 2.5 : Left panel: Solid lines are multi-model global averages of surface warming (relative to ) for the SRES scenarios A2, A1B and B1, shown as continuations of the 20th century simulations. The orange line is for the experiment where concentrations were held constant at year 2000 values. The bars in the middle of the figure indicate the best estimate (solid line within each bar) and the likely range assessed for the six SRES marker scenarios at relative to The assessment of the best estimate and likely ranges in the bars includes the Atmosphere-Ocean General Circulation Models (AOGCMs) in 32

42 the left part of the figure, as well as results from a hierarchy of independent models and observational constraints. Right panels: Projected surface temperature changes for the early and late 21st century relative to the period The panels show the multi-aogcm average projections for the A2 (top), A1B (middle) and B1 (bottom) SRES scenarios averaged over decades (left) and (right), (ΙΡCC, 2007). 2.7 Αξιοπιστία των κλιµατικών µοντέλων στην εκτίµηση των µελλοντικών κλιµατικών αλλαγών Στις ηµέρες µας τα µοντέλα που χρησιµοποιούνται για την πρόβλεψη των αλλαγών του κλίµατος θεωρούνται αξιόπιστα, ιδιαίτερα για τις προβλέψεις µεγάλης κλίµακας (ηπειρωτικής και πάνω). Η αξιοπιστία είναι µεγαλύτερη για κάποιες µεταβλητές (π.χ θερµοκρασία) και µικρότερη για άλλες (π.χ βροχοπτώσεις). Το γεγονός ότι τα µοντέλα πρόβλεψης αναπτύσσονται εδώ και αρκετές δεκαετίες ενισχύει την αξιοπιστία τους στην πρόβλεψη της αντίδρασης του κλίµατος στην αύξηση των αερίων του θερµοκηπίου. Μια µορφή επαλήθευσης για να εκτιµηθεί η αξιοπιστία των µοντέλων είναι η προσοµοίωση των κλιµατικών συνθηκών του παρόντος. Τα µοντέλα ελέγχονται περιοδικά µε το να συγκρίνονται οι προσοµοιώσεις που παράγονται µε πειραµατικές µετρήσεις που λαµβάνονται από τους ωκεανούς, την ατµόσφαιρα και την επιφάνεια της γης. Στο σχήµα 2.6 παρουσιάζεται η µέση πλανητική θερµοκρασία της επιφάνειας του εδάφους κατά τη διάρκεια του εικοστού αιώνα. Οι τιµές προέρχονται από παρατηρήσεις (µαύρη γραµµή) και από 58 προσοµοιώσεις σε 14 διαφορετικά µοντέλα που περιλαµβάνουν ανθρωπογενείς και φυσικές κινητήριες δυνάµεις που επηρεάζουν το κλίµα (κίτρινο), (ΙΡCC, 2007). 33

43 Σχήµα 2.6 : Μέση επιφανειακή θερµοκρασία στον 20ό αιώνα, από πειραµατικές τιµές (µαύρο χρώµα) και από 58 προσοµοιώσεις που παρήχθησαν από 14 διαφορετικά µοντέλα (κίτρινο) στα οποία ελήφθησαν υπόψη τόσο φυσικοί όσο και ανθρωπογενείς παράγοντες. Ο µέσος όρος από τα αποτελέσµατα των µοντέλων σηµειώνεται µε κόκκινο. Η διαταραχή της θερµοκρασίας ορίζεται ως απόκλιση από το µέσο όρο Οι γκρι γραµµές υποδεικνύουν τις κυριότερες ηφαιστειακές εκρήξεις του αιώνα., (ΙΡCC, 2007). Figure 2.6 : Global mean near-surface temperatures over the 20th century from observations (black) and as obtained from 58 simulations produced by 14 different climate models driven by both natural and human-caused factors that influence climate (yellow). The mean of all these runs is also shown (thick red line). Temperature anomalies are shown relative to the 1901 to 1950 mean. Vertical grey lines indicate the timing of major volcanic eruptions, (ΙΡCC, 2007). Παρά την αξιοπιστία τους, τα µοντέλα εξακολουθούν να παρουσιάζουν σηµαντικά σφάλµατα. Αν και τα περισσότερα από αυτά αφορούν στις προβλέψεις µικρής κλίµακας, υπάρχουν αρκετά προβλήµατα και στις προβλέψεις µεγάλης κλίµακας. Για παράδειγµα, η αναπαράσταση των τροπικών βροχοπτώσεων δεν έχει ακόµα προσοµοιωθεί µε αρκετή ακρίβεια, ούτε και το φαινόµενο El Niño. Η πηγή των περισσότερων από τα σφάλµατα αυτά έγκειται στο ότι πολλές από τις κλιµατικές διαδικασίες µικρής κλίµακας, αν και παίζουν σηµαντικό ρόλο, δεν µπορούν να αναπαρασταθούν µε πολλές λεπτοµέρειες, οπότε για αναπαραστάσεις µεγάλης κλίµακας εισέρχονται στα µοντέλα προσεγγιστικά. Το γεγονός αυτό οφείλεται σε περιορισµούς στις δυνατότητες των υπολογιστών, αλλά και σε περιορισµούς στο 34

44 βαθµό που κατανοούµε τα φυσικά φαινόµενα ή στην έλλειψη πειραµατικών δεδοµένων για κάποιες φυσικές διεργασίες, (ΙΡCC, 2007). Ιδιαίτερα σηµαντικές είναι και οι ελλείψεις που υπάρχουν στην αναπαράσταση των νεφώσεων και στον τρόπο που αντιδρούν αυτές στις κλιµατικές αλλαγές. Ως αποτέλεσµα, υπάρχει ακόµα και σήµερα σηµαντική διακύµανση στις τιµές αύξησης της θερµοκρασίας που δίνουν διάφορα µοντέλα για προσθήκη συγκεκριµένης ποσότητας αερίων του θερµοκηπίου στην ατµόσφαιρα. Πέραν των διαφωνιών για τις ακριβείς τιµές, ωστόσο, γεγονός είναι ότι όλα τα υπαρκτά µοντέλα προβλέπουν σηµαντική αύξηση της θερµοκρασίας του πλανήτη, η δε αύξηση είναι τάξης µεγέθους που συµφωνεί µε µετρήσεις από ανεξάρτητες πηγές, (ΙΡCC, 2007). Σε ορισµένες µελέτες αποδεικνύεται ότι τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων τόσο από περιοχικά όσο και από µοντέλα γενικής κυκλοφορίας είναι επισφαλή. ύο από αυτές, αναφέρονται αναλυτικότερα παρακάτω. Επίσης, σύµφωνα µε τους Koutsoyiannis et al. (2007), στην ετήσια και την κλιµατική (30-ετή) κλίµακα, τα κλιµατικά µοντέλα αδυνατούν να αναπαράγουν τις διακυµάνσεις µεγάλης κλίµακας των ιστορικών χρονοσειρών και στις περισσότερες περιπτώσεις υποεκτιµούν τον συντελεστή Hurst και την τυπική απόκλιση. Στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράµµατος PRUDENCE (Prediction of Regional scenarios and Uncertainties for Defining EuropeaN Climate change risks and Effects) πραγµατοποιήθηκε µία σύγκριση των προσοµοιώσεων 10 διαφορετικών RCMs τόσο µεταξύ τους, όσο και µε πραγµατικά δεδοµένα για την περίοδο ελέγχου για την ευρύτερη περιοχή της Ευρώπης. Σε γενικές γραµµές παρατηρήθηκε υπερεκτίµηση της θερµοκρασίας κατά το χειµώνα και το καλοκαίρι και µία τάση υποεκτίµησής της κατά τις µεταβατικές εποχές. Συγκεκριµένα για την περιοχή της Μεσογείου, η θερµοκρασία υποεκτιµάται από τα µοντέλα σε όλες τις εποχές (Jacob et al., 2007). Την προσοµοίωση της χειµερινής βροχόπτωσης στην Ελλάδα από το GCM HadAM3P µελέτησαν οι Tolika et al. (2006). Η σύγκριση, λοιπόν, των προσοµοιωµένων µε τις πραγµατικές χρονοσειρές, έδειξε ότι το µοντέλο δεν αναπαράγει ικανοποιητικά τα ύψη βροχής, πιθανότατα, σύµφωνα µε τους ερευνητές, λόγω της αδυναµίας του να «συλλάβει» την πολύπλοκη ορεογραφία της περιοχής, αλλά και το ρόλο του Αιγαίου πελάγους. Σε γενικές γραµµές σηµειώνεται υποεκτίµηση των ποσών βροχόπτωσης, κυρίως στις περιοχές που χαρακτηρίζονται από τα µεγαλύτερα ύψη βροχής (δυτική Ελλάδα και νησιά ανατολικού Αιγαίου). 35

45 Η ακρίβεια των προσοµοιώσεων µικρής κλίµακας αυξάνεται σταδιακά, καθώς εξελίσσεται η ακρίβεια και η ευκρίνεια των µοντέλων, αυξάνεται το επίπεδο κατανόησης του φυσικού περιβάλλοντος από τους επιστήµονες και αυξάνεται η υπολογιστική ισχύς. Έτσι, παρά τις αβεβαιότητες, τα κλιµατικά µοντέλα, έχουν αποδειχθεί σηµαντικά εργαλεία για την κατανόηση του παρόντος και του µελλοντικού κλίµατος, (ΙΡCC, 2007). 36

46 Κεφάλαιο 3 Kλιµατική αλλαγή και νερό 3.1 Εισαγωγή Το νερό αποτελεί πολύτιµο φυσικό πόρο για τη διατήρηση της ζωής και την ισορροπία των οικοσυστηµάτων του πλανήτη. Το ενδεχόµενο µιας πλανητικής κλιµατικής αλλαγής σε συνδυασµό µε την µη ορθολογική διαχείριση του νερού, είναι δυνατό να διαταράξει σε µεγάλο βαθµό τη βιολογική ισορροπία των ειδών και κατ επέκταση να θέσει σε κίνδυνο το συνολικό οικοσύστηµα. Σύµφωνα µε τους επιστήµονες, η διαθεσιµότητα και η ποιότητά του µας φέρνει σήµερα αντιµέτωπους µε µια διπλή πρόκληση. Το κλίµα, το νερό, τα βιοφυσικά και κοινωνικο-οικονοµικά συστήµατα συστήµατα συνδέονται µε πολύπλοκο τρόπο, έτσι ώστε µία αλλαγή σε ένα από αυτά επηρεάζει και τα υπόλοιπα (Σχήµα 3.1). Η σχέση εποµένως ανάµεσα στις κλιµατικές αλλαγές και το νερό επιβάλλει την βελτίωση της κατανόησης που έχουµε για την ανθρωπογενή ή µη κλιµατική αλλαγή γενικότερα, τις επιπτώσεις της και τον τρόπο µετριασµού τους. Σχήµα 3.1: Επιπτώσεις των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στους υδάτινους πόρους και την διαχείρισή τους, µε την αλλαγή του κλίµατος να είναι µία από τις πολλαπλές πιέσεις, (IPCC, 2007). Figure 3.1: Impact of human activities on freshwater resources and their management, with climate change being only one of multiple pressures, (IPCC, 2007). Η κλιµατική αλλαγή µπορεί να επηρεάσει το νερό µε πάρα πολλούς µηχανισµούς. Αυτό είναι φυσικό, αν σκεφτεί κανείς ότι το νερό περιέχεται σε όλα τα συστατικά 37

47 µέρη του κλιµατικού συστήµατος: ατµόσφαιρα, υδρόσφαιρα, κρυόσφαιρα, επιφάνεια του εδάφους και βιόσφαιρα. Όπως έχει αναφερθεί στο πρώτο κεφάλαιο, υπήρξαν σηµαντικές αλλαγές στην ατµοσφαιρική θερµοκρασία και το ισοζύγιο της ακτινοβολίας, η συµπεριφορά των οποίων επηρεάζει άµεσα τον υδρολογικό κύκλο. Στο κεφάλαιο αυτό γίνεται µία προσπάθεια ανάπτυξης των βασικών σηµείων της σχέσης µεταξύ κλιµατικών αλλαγών και υδατικών πόρων που παρουσιάζονται αναλυτικά στην Τεχνική Έκθεση της IPCC. 3.2 Χρήση και διαθεσιµότητα του νερού Η χρήση του νερού, ιδιαίτερα για την άρδευση, αυξάνεται γενικά µε τη θερµοκρασία και µειώνεται µε τις βροχοπτώσεις. εν υπάρχουν παρ όλα αυτά στοιχεία που να συνδέουν µακροπρόθεσµες τάσεις της χρήσης του νερού µε το κλίµα στο παρελθόν. Αυτό οφείλεται, εν µέρει, στο γεγονός ότι η χρήση νερού εξαρτάται κυρίως από µη κλιµατολογικούς παράγοντες, ενώ οφείλεται επίσης και στη κακή ποιότητα των δεδοµένων σχετικά µε τις χρήσεις του νερού γενικά, και ειδικότερα των χρονοσειρών των δεδοµένων, (IPCC, 2008). Στις περισσότερες χώρες, εκτός από µερικά βιοµηχανοποιηµένα κράτη, η χρήση του νερού έχει αυξηθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, εξαιτίας του πληθυσµού και της οικονοµικής ανάπτυξης, των αλλαγών του τρόπου ζωής, της επέκτασης των συστηµάτων παροχής νερού, αλλά κυρίως λόγω της αρδευτικής χρήσης. Για αρδευτικούς σκοπούς χρησιµοποιείται το 70% της συνολικής κατανάλωσης νερού παγκοσµίως, καθώς και περισσότερο από το 90% του νερού που δεν µπορεί να επαναχρησιµοποιηθεί για ύδρευση και χρησιµοποιείται για άλλους σκοπούς, (IPCC, 2008). Το 40% της συνολικής γεωργικής παραγωγής παράγεται µε άρδευση. Η έκταση της αρδευόµενης γης παγκοσµίως έχει αυξηθεί σχεδόν γραµµικά από το 1960, µε ένα ρυθµό κατά προσέγγιση 2% το χρόνο, από 140 εκατοµµύρια εκτάρια το 1961/63 σε 270 εκατοµµύριο εκτάρια το 1997/99, που αντιπροσωπεύουν περίπου 18% του σηµερινού συνολικού καλλιεργηµένου εδάφους, (IPCC, 2008). Η διαθεσιµότητα του νερού στους επιφανειακούς υδατικούς πόρους ή στις µικρού βάθους γεωτρήσεις υπόγειων υδατικών πόρων εξαρτάται από την εποχικότητα και 38

48 την ενδοετήσια µεταβλητότητα της ροής, και η σταθερή παροχή νερού καθορίζεται από τις εποχιακές χαµηλές ροές. Στις λεκάνες όπου κυριαρχεί το χιόνι, οι υψηλότερες θερµοκρασίες οδηγούν σε µειωµένη απορροή και επιπλέον µειωµένη παροχή νερού το καλοκαίρι. Στις περιοχές µε προβλήµατα λειψυδρίας, οι άνθρωποι και τα οικοσυστήµατα είναι ιδιαίτερα ευπαθείς στη µείωση των βροχοπτώσεων και στην ένταση της µεταβλητότητάς τους εξαιτίας της κλιµατικής αλλαγής, (IPCC, 2008). Figure 3.2: Examples of current vulnerabilities of freshwater resources and their management. In the background, a water stress map based on WaterGAP, (IPCC, 2008). Σχήµα 3.2: Παραδείγµατα προβληµάτων υδατικών πόρων και της διαχείρισής τους. Στο υπόβαθρο παρουσιάζεται ένας χάρτης βασισµένος στο WaterGAP µε τις περιοχές που µαστίζονται από τη λειψυδρία., (IPCC, 2008). Σε παγκόσµια κλίµακα, µία λεκάνη θεωρείται ότι βρίσκεται σε κατάσταση λειψυδρίας όταν: 1) η διαθεσιµότητα του νερού είναι µικρότερη από 1000 m 3 /άτοµο/έτος (µε βάση τη µακροπρόθεσµη µέση απορροή), και 2) ο λόγος των ποσοτήτων του νερού που αφαιρείται προς τη µακροπρόθεσµη µέση ετήσια απορροή είναι πάνω από 0.4. Θεωρείται ότι ένας όγκος νερού των m 3 /άτοµο/έτος είναι συνήθως περισσότερο απ' όσο απαιτείται για τις οικιακές, βιοµηχανικές και γεωργικές χρήσεις νερού. Λεκάνες που αντιµετωπίζουν πρόβληµα λειψυδρίας 39

49 υπάρχουν στη βόρεια Αφρική, την περιοχή της Μεσογείου, τη Μέση Ανατολή, την Εγγύς Ανατολή, τη νότια Ασία, τη βόρεια Κίνα, την Αυστραλία, τις ΗΠΑ, το Μεξικό, τη βορειοανατολική Βραζιλία και τη δυτική ακτή της Νότιας Αµερικής (Σχήµα 3.2). Εκτιµάται ότι ο πληθυσµός που ζει σε τέτοιες λεκάνες κυµαίνεται µεταξύ 1.4 και 2.1 δισεκατοµµυρίων κατοίκων, (IPCC, 2008). 3.3 Αλλαγές που έχουν παρατηρηθεί στο κλίµα σε σχέση µε το νερό και µελλοντικές εκτιµήσεις Με την κλιµατική θέρµανση που παρατηρήθηκε τις τελευταίες δεκαετίες συνδέονται και αλλαγές σε αρκετές διαδικασίες του υδρολογικού κύκλου και υδρολογικά συστήµατα, όπως αναφέρθηκε στο πρώτο κεφάλαιο. Επιπλέον, είναι γεγονός ότι όλες οι διαδικασίες του υδρολογικού κύκλου έχουν αξιόλογη φυσική µεταβλητότητα, από ενδοετήσια κλίµακα έως και κλίµακα δεκαετιών. υστυχώς, υπάρχει ακόµα σηµαντική αβεβαιότητα στον προσδιορισµό των τάσεων που ακολουθούν οι υδρολογικές µεταβλητές, κάτι το οποίο παραµένει µια πρόκληση. Οι αβεβαιότητες αυτές οφείλονται στις µεγάλες διαφορές που εµφανίζονται τοπικά και στους περιορισµούς που υπάρχουν στη χωρική και χρονική κάλυψη των δικτύων παρακολούθησης, (IPCC, 2008). Επίσης, δύσκολο είναι να κατανοήσει κανείς πού οφείλονται όλες οι αλλαγές που έχουν παρατηρηθεί, από τη στιγµή που οι παράγοντες που επηρεάζουν τις υδρολογικές µεταβλητές (όπως η απορροή) είναι και µη-κλιµατικοί και η απόκριση του κλίµατος σε παράγοντες καταναγκασµών είναι πολύπλοκη, (IPCC, 2008). Παρ όλα αυτά, µε βάση την Τέταρτη Έκθεση Αξιολόγησης της IPCC, µπορεί να γίνει µια βασική αξιολόγηση και ερµηνεία των υδρολογικών αλλαγών που έχουν παρατηρηθεί, για διάφορες υδρολογικές µεταβλητές Χιόνι και πάγος Η κρυόσφαιρα, η οποία περιλαµβάνει όλο το χιόνι, τον πάγο και τα παγωµένα εδάφη, αποθηκεύει περίπου το 75% του γλυκού νερού παγκοσµίως. Στο κλιµατικό σύστηµα, η κρυόσφαιρα και οι αλλαγές της συνδέονται άµεσα µε το ενεργειακό 40

50 ισοζύγιο της επιφάνειας της γης, τον κύκλο του νερού και τις αλλαγές στη στάθµη της θάλασσας. Περισσότερο από το 1/6 του πληθυσµού της γης κατοικεί σε παγετώδεις λεκάνες ή λεκάνες που τροφοδοτούνται από το χιόνι που λιώνει, (IPCC, 2008). Πολλές µελέτες οι οποίες έχουν δηµοσιευθεί σε τοπικό επίπεδο, δείχνουν άνοδο της θερµοκρασίας των µόνιµων παγετών, αύξηση του πάχους του στρώµατός αυτών που αποψύχεται το καλοκαίρι, ελάττωση του βάθους του πάγου σε λίµνες και ποτάµια που παγώνουν το χειµώνα, καθώς και µείωση της διάρκειας του παγετού στις περιοχές αυτές. Σύµφωνα µε το Σχήµα 3.3,οι µέχρι τώρα παρατηρήσεις δείχνουν µία παγκόσµια µείωση της έκτασης του πάγου και του χιονιού από το 1980, ιδιαίτερα την τελευταία δεκαετία, (IPCC, 2008). 41

51 Σχήµα 3.3: Χρονοσειρές των ανωµαλιών (αποκλίσεων από τη µέση τιµή) της επιφανειακής θερµοκρασίας στους πόλους (A, G), της έκτασης των πάγων στις αρκτικές και περιοχές της Ανταρκτικής, (B, F), της έκτασης παγωµένων χερσαίων περιοχών του Β. Ηµισφαιρίου (C), της έκταση χιονοκάλυψης στο Β. Ηµισφαίριο, καθώς και το ισοζύγιο µάζας των γήινων παγετώνων (E). Στο διάγραµµα η κόκκινη γραµµή υποδηλώνει το συνολικό ισοζύγιο µάζας των παγετώνων της Γης, ενώ στα υπόλοιπα τις διακυµάνσεις ανά δεκαετία., (IPCC, 2008). Figure 3.3: Anomaly time series (departure from the long-term mean) of polar surface air temperature (A, G), arctic and antarctic sea ice extent (B, F), Northern Hemisphere (NH) 42

52 frozen ground extent (C), NH snow cover extent (D) and global glacier mass balance (E). The solid red line in E denotes the cumulative global glacier mass balance; in the other panels it showsdecadal variations, (IPCC, 2008). Η χιονοκάλυψη µειώθηκε στις περισσότερες περιοχές, ειδικά την άνοιξη και το καλοκαίρι. Για το Βόρειο Ηµισφαίριο και την περίοδο µειώθηκε σύµφωνα µε δορυφορικές παρατηρήσεις για όλους τους µήνες εκτός του Νοεµβρίου και του εκεµβρίου. Επίσης, µείωση της χιονοκάλυψης παρατηρήθηκε στα βουνά του Βορειoδυτικής Αµερικής και στις Ελβετικές Άλπεις, (IPCC, 2008). Η µέγιστη έκταση του εποχιακά παγωµένου εδάφους µειώθηκε περίπου 7% στο Βόρειο Ηµισφαίριο την περίοδο , µε τη µείωση να φτάνει το 15% την άνοιξη. Φαίνεται ότι η θέρµανση των µόνιµων παγετών και η υποβάθµιση των παγωµένων εδαφών είναι αποτέλεσµα των αυξηµένων θερµοκρασιών τους καλοκαιρινούς µήνες και των αλλαγών στο βάθος και τη διάρκεια της χιονοκάλυψης. Τα αρνητικά φαινόµενα που περιγράφηκαν παραπάνω έχουν ως αποτέλεσµα αλλαγές στα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του εδάφους και τα αποστραγγιστικά συστήµατα, (IPCC, 2008). Οι περισσότεροι παγετώνες στα όρη συρρικνώνονται, µε πιθανή έναρξη του φαινοµένου γύρω στο Πολλοί παγετώνες στο Β. Ηµισφαίριο φάνηκε να προσεγγίζουν µια κατάσταση ισορροπίας γύρω στο 1970, αλλά µετά άρχισαν να συρρικνώνονται µε γρηγορότερο ρυθµό. Η συρρίκνωση των ορεινών παγετώνων και των καλυµµάτων πάγων συνέβαλε στην άνοδο της στάθµης της θάλασσας κατά 0.77 ± 0,22 χιλιοστά ανά έτος µεταξύ του 1991 και του Συνολικά, υπάρχουν πολλές ενδείξεις ότι οι πάγοι στην Ανταρκτική και στη Γροιλανδία λεπταίνουν, συµβάλλοντας κατά 0,2 ± 0,35 και 0,2 ±0,1 χιλιοστά ανά έτος αντίστοιχα για την περίοδο µεταξύ 1993 και Η αλληλεπίδραση του πάγου µε το κλίµα και το περιβάλλον είναι µια εξαιρετικά πολύπλοκη διαδικασία, οπότε τα αίτια για µια συγκεκριµένη µεταβολή δεν είναι πάντα ξεκάθαρα. Ωστόσο, είναι αυτονόητο ότι ο πάγος λιώνει όταν η θερµοκρασία του περιβάλλοντός του ανέλθει πάνω από το σηµείο τήξης του. Σε πολλές περιπτώσεις έχει αναφερθεί µείωση της έκτασης της χιονοκάλυψης και των παγετώνων σε όρη παρά την αύξηση των χιονοπτώσεων, κάτι που υποδηλώνει άνοδο της θερµοκρασίας της ατµόσφαιρας. Επίσης, σε πολλές περιοχές οι αλλαγές στη χιονοκάλυψη δεν επαρκούν από µόνες τους για να δικαιολογήσουν τις αλλαγές στους 43

53 παγετούς του εδάφους και τον πάγο σε λίµνες και ποτάµια, κάτι που υποδηλώνει ότι σηµαντικό ρόλο παίζει και η άνοδος της ατµοσφαιρικής θερµοκρασίας στις περιοχές αυτές. Η παρατηρούµενη µείωση των αρκτικών πάγων µπορεί να προσοµοιωθεί µε αρκετή ακρίβεια µε τη χρήση µαθηµατικών µοντέλων, τα οποία λαµβάνουν υπόψη ιστορικά στοιχεία για τις κλιµατικές µεταβολές, καθώς και µεταβολές στη θερµοκρασία. Οι παρατηρούµενες αυξήσεις των χιονοπτώσεων σε µερικές περιοχές µε µεγάλο υψόµετρο και χαµηλή θερµοκρασία, η αυξηµένη επιφανειακή τήξη στις παράκτιες περιοχές, καθώς και η τήξη του κατώτερου µέρους των πάγων σε πολλές ακτές, είναι ενδείξεις που συµφωνούν µε την άνοδο της θερµοκρασίας του πλανήτη. Τέλος, η µεγάλη γεωγραφική ευρύτητα των φαινοµένων αυτών υποδηλώνει ότι η υπερθέρµανση της Γης είναι υπεύθυνη για την ελάττωση των πάγων σε παγκόσµια κλίµακα Βροχοπτώσεις και υδρατµοί Σύµφωνα µε τις εκτιµήσεις της IPCC, οι κατακρηµνίσεις πάνω από τις ηπείρους αυξήθηκαν κατά τη διάρκεια του 20 ου αιώνα στις περιοχές µεταξύ 30 N και 85 N, αλλά σηµειώθηκαν και αξιόλογες µειώσεις τα τελευταία χρόνια στις περιοχές από 10 S έως 30 N. Η αλατότητα µειώθηκε στο Βόρειο Ατλαντικό και νότια των 25 S, γεγονός που υποδεικνύει παρόµοιες αλλαγές στις κατακρηµνίσεις πάνω από των ωκεανό. Στις περιοχές από 10 N ως 30 N, οι βροχοπτώσεις αυξήθηκαν πολύ από το 1900 ως τη δεκαετία του 1950, αλλά µειώθηκαν περίπου µετά το Βέβαια, η ερµηνεία των αλλαγών που παρατηρήθηκαν σε παγκόσµιο επίπεδο περιέχει κάποια αβεβαιότητα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι κατακρηµνίσεις επηρεάζονται από µοτίβα φυσικής µεταβλητότητας, τα οποία είναι µεγάλης κλίµακας, (IPCC, 2008). Οι πλανητικές αλλαγές στις κατακρηµνίσεις δεν είναι γραµµικές στο χρόνο, αλλά παρουσιάζουν σηµαντική µεταβλητότητα ανά δεκαετία, µε µία σχετικά υγρή περίοδο από τη δεκαετία του 50 έως τη δεκαετία του 70, την οποία ακολούθησε µία µείωση των κατακρηµνίσεων. Οι πλανητικές µέσες τιµές επηρεάζονται κυρίως από τις τροπικές και υποτροπικές κατακρηµνίσεις. Στο Σχήµα 3.4 εµφανίζονται τα χωρικά µοτίβα των τάσεων των ετήσιων κατακρηµνίσεων µε πλέγµα 5 x 5.Οι τιµές παρουσιάζονται ως ποσοστό της µέσης 44

54 τιµής της περιόδου , µε βάση τα δεδοµένα του σταθµού GHCN. Οι γκρι περιοχές υποδηλώνουν ανεπαρκή στοιχεία για την εξαγωγή αποτελεσµάτων. Στο µεγαλύτερο µέρος της Βόρειας Αµερικής και της Ευρασίας, οι ετήσιες κατακρηµνίσεις αυξήθηκαν την περίοδο Την περίοδο είναι εµφανή τα φαινόµενα ξηρασίας τοπικά, ενώ φαίνεται ότι στο µεγαλύτερο µέρος της Ευρασίας εµφανίζονται περισσότερο αυξήσεις παρά µειώσεις και για τις δύο περιόδους, (IPCC, 2008). Σχήµα 3.4: Τάση των τιµών των ετήσιων κατακρηµνίσεων τις περιόδους (επάνω) και (κάτω), (IPCC, 2008). Figure 3.4: Trend of annual land precipitation amounts for 1901 to 2005 (top, % per century) and 1979 to 2005 (bottom, % per decade), using the GHCN precipitation data set from NCDC. The percentage is based on the means for the 1961 to 1990 period. Areas in grey have insufficient data to produce reliable trends. The minimum number of years required to calculate a trend value is 66 for 1901 to 2005 and 18 for 1979 to An annual value is 45

55 complete for a given year if all 12 monthly percentage anomaly values are present. (IPCC, 2008). Ένα πλήθος από µελέτες που στηρίζονται σε µοντέλα, προτείνουν ότι οι αλλαγές στον κλιµατικό εξαναγκασµό (Radiative Forcing), οι οποίες οφείλονται στον συνδυασµό ανθρωπογενών, ηφαιστειογενών και ηλιακών πηγών, έπαιξαν σηµαντικό ρόλο στις τάσεις των µέσων κατακρηµνίσεων που παρατηρήθηκαν. Βέβαια, αυτές είναι δύσκολο να ανιχνευτούν γιατί τα κλιµατικά µοντέλα φαίνεται ότι υποεκτιµούν τη διάσταση µεταξύ πραγµατικών τιµών και εκτιµήσεων προερχόµενων από παρατηρήσεις. Υπάρχουν µελέτες θεωρητικές και βασισµένες σε κλιµατικά µοντέλα, οι οποίες δείχνουν ότι σε ένα κλίµα το οποίο θερµαίνεται εξαιτίας των αυξανόµενων αερίων του θερµοκηπίου, αναµένεται µεγαλύτερη αύξηση στις ακραίες κατακρηµνίσεις, σε σύγκριση µε τις µέσες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ακραίες κατακρηµνίσεις εξαρτώνται από την ύπαρξη υδρατµών, ενώ η µέσες κατακρηµνίσεις από την ικανότητα της ατµόσφαιρας να ακτινοβολεί ενέργεια µεγάλου µήκους στο διάστηµα, κάτι που περιορίζεται από τα αέρια του θερµοκηπίου. Τελικά, οι περισσότερες µελέτες καταλήγουν σε ένα γενικό συµπέρασµα, σύµφωνα µε το οποίο η αύξηση στη συχνότητα των ακραίων κατακρηµνίσεων είναι πιθανό να έχει εµφανιστεί στις περισσότερες περιοχές της γης κατά τη διάρκεια του πρόσφατου 20ού αιώνα και ότι η τάση αυτή είναι πιθανότερο να µην περιλάµβανει την ανθρωπογενή συµβολή. Οι υδρατµοί που περιέχονται στην τροπόσφαιρα αυξήθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες. Η στήλη των συνολικών υδρατµών αυξήθηκε για τους ωκεανούς κατά 1.2 ± 0.3% ανά δεκαετία την περίοδο , σε συµφωνία µε τη θερµοκρασία της επιφάνειας της θάλασσας. Επειδή µάλιστα η αύξηση της τελευταίας είναι «πιθανό» να είναι κατά µεγάλο µέρος ανθρωπογενής, αυτό υποδεικνύει ότι ίσως η αύξηση των υδρατµών που έχει παρατηρηθεί στους ωκεανούς να οφείλεται επίσης σε ανθρωπογενείς επιδράσεις, (IPCC, 2008). Όσον αφορά τις προβλεπόµενες κλιµατικές εκτιµήσεις, οι βροχοπτώσεις αυξάνονται στις περιοχές των τοπικών τροπικών µεγίστων βροχοπτώσεων (π.χ. καθεστώτα µουσώνων και τροπικός Ειρηνικός Ωκεανός) και στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη, µε γενικές µειώσεις στις υποτροπικές περιοχές, όπως η τροπική Κεντρική Αµερική και η Μεσόγειος. (ΤΡ VI 2.3.1) Στο Σχήµα 3.5 φαίνεται η παγκόσµια κατανοµή των αλλαγών της ετήσιας µέσης βροχόπτωσης κατά την περίοδο

56 2099. Οι αλλαγές αποτελούν ετήσιους µέσους όρους για το SRES σενάριο A1B, µε περίοδο βάσης την περίοδο , µε βάση τα αποτελέσµατα 15 µοντέλων. Σχήµα 3.5: Οι µέσες αλλαγές στις βροχοπτώσεις (%) µε βάση τα αποτελέσµατα 15 µοντέλων για το SRES σενάριο A1B και την περίοδο , σε σχέση µε την περίοδο , (IPCC, 2008). Figure 3.5: Fifteen-model mean changes in precipitation (unit: mm/day) for DJF (left) and JJA (right). Changes are given for the SRES A1B scenario, for the period relative to Stippling denotes areas where the magnitude of the multi-model ensemble mean exceeds the inter-model standard deviation, (IPCC, 2008) Οι βροχοπτώσεις στην Ευρώπη και στην Ελλάδα Σύµφωνα µε την Τέταρτη Έκθεση Αξιολόγησης η µέση χειµερινή βροχόπτωση αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της περιόδου στο µεγαλύτερο µέρος του Ατλαντικού και της βόρειας Ευρώπης Βέβαια, οι αλλαγές διαφέρουν από εποχή σε εποχή και από περιοχή σε περιοχή. Σύµφωνα µε µελέτες, οι θερινές βροχοπτώσεις θα µειωθούν ουσιαστικά (σε µερικές περιοχές µέχρι και 70% στο σενάριο SRES A2) στη νότια και κεντρική Ευρώπη, και σε µικρότερο βαθµό µέχρι την κεντρική Σκανδιναβία. Στη περιοχή της Μεσογείου, οι τάσεις της ετήσιας βροχόπτωσης κατά τη διάρκεια της περιόδου ήταν αρνητικές προς την ανατολική πλευρά. Σύµφωνα µε τα µοντέλα πρόβλεψης (GCM και RCM) για την Ευρώπη και την περιοχή της Μεσογείου, υπάρχει πιθανότητα µεγαλύτερη από 90%, οι ετήσιες βροχοπτώσεις να µειωθούν στο µεγαλύτερο µέρος της περιοχής της Μεσογείου. 47

57 Επίσης, ο ετήσιος αριθµός των ηµερών βροχής είναι πολύ πιθανό να µειωθεί στη Μεσόγειο. Στο Σχήµα 3.6 παρουσιάζονται οι µεταβολές της θερµοκρασίας και της βροχόπτωσης στην Ευρώπη µε βάση την εφαρµογή µοντέλων για το A1B σενάριο εκποµπών. Σχήµα 3.6: Μεταβολές θερµοκρασίας και βροχόπτωσης στην Ευρώπη που εκτιµώνται µε την εφαρµογή µοντέλων για το A1B σενάριο εκποµπών. Ανώτερη σειρά: µέση ετήσια, DJF (χειµώνας) και JJA(καλοκαίρι), µεταβολή της θερµοκρασίας µεταξύ των ετών και , που υπολογίσθηκε ως µέσος όρος από 21 µοντέλα.. Μέση σειρά: όπως στην ανώτερη σειρά, αλλά για ποσοστιαία µεταβολή των βροχοπτώσεων. Κατώτερη σειρά: εκτίµηση που προβλέπει αύξηση στις βροχοπτώσεις, (IPCC, 2007). Figure 3.6: Temperature and precipitation changes over Europe from the MMD-A1B simulations. Top row: Annual mean, DJF and JJA temperature change between 1980 to 1999 and 2080 to 2099, averaged over 21 models. Middle row: same as top, but for fractional change in precipitation. Bottom row: number of models out of 21 that project increases in precipitation, (IPCC, 2007). 48

58 Γενικά, υπάρχει λιγότερη αξιοπιστία στις προβαλλόµενες αλλαγές βροχοπτώσεων σε ολόκληρη την Ευρώπη το καλοκαίρι παρά το χειµώνα. Αυτό συµβαίνει, επειδή οι χειµερινές βροχοπτώσεις συνδέονται µε µεγαλύτερης κλίµακας βαροµετρικά συστήµατα, ενώ οι θερινές βροχοπτώσεις συνδέονται µε τις µικρότερης κλίµακας συστήµατα (όπως η ανάπτυξη καταιγίδων). Ιδιαίτερη προσοχή απαιτείται στην ερµηνεία των αλλαγών θερινών βροχοπτώσεων στη Μεσόγειο, επειδή οι υπάρχουσες βροχοπτώσεις είναι ελάχιστες και έτσι µια πολύ µεγάλη ποσοστιαία αλλαγή δεν έχει ιδιαίτερη σηµασία, (IPCC, 2007). Για την πρόβλεψη των µελλοντικών κλιµατικών αλλαγών στην Ελλάδα έχουν εκπονηθεί αρκετές µελέτες έως σήµερα. Σε µία από αυτές (Καψωµενάκης κ.α, 2008), σκοπός ήταν η εκτίµηση των µεταβολών των µέσων τιµών και των από έτους σε έτος τυπικών αποκλίσεων της θερµοκρασίας και της βροχόπτωσης για την Ελλάδα σε ετήσια και εποχική βάση για την χρονική περίοδο σε σχέση µε την περίοδο ελέγχου Η προσοµοίωση του παρόντος και του µελλοντικού κλίµατος έγινε µε τη χρήση εννέα Περιοχικών Κλιµατικών Μοντέλων (RCMs) που πραγµατοποιήθηκαν στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού προγράµµατος Prudence (Christensen and Christensen, 2007) καθώς και ενός ensemble προσοµοιώσεων από δέκα GCMs που πραγµατοποιήθηκαν στα πλαίσια της τέταρτης έκθεσης της IPCC. Τα Περιοχικά και τα παγκόσµια κλιµατικά µοντέλα που χρησιµοποιήθηκαν εµφανίζονται στον Πίνακα 3.1 Πίνακας 3.1: Τα Περιοχικά και τα παγκόσµια κλιµατικά µοντέλα που χρησιµοποιήθηκαν στην παρούσα µελέτη, τα ερευνητικά κέντρα στα οποία αναπτύχθηκαν, καθώς και η χωρική τους ανάλυση, (Καψωµενάκης κ.α, 2008) Table 3.1: Regional and global climate models used in this study, the research centers that were developed, and their spatial analysis, (Καψωµενάκης κ.α, 2008) 49

59 Η συνολική βροχόπτωση σύµφωνα µε τον µέσο όρο των εννέα RCMs προβλέπεται να µειωθεί στην Ελλάδα κατά περίπου 15% το χειµώνα και κατά 55% το καλοκαίρι, (Σχήµα 3.7 πάνω). Η µείωση αυτή κατά τον χειµώνα θα είναι µεγαλύτερη στα νοτιότερα τµήµατα της Ελλάδος ενώ κατά το θέρος ξεπερνά το 50% για όλες τις υπό-περιοχές. Η από έτους σε έτος µεταβλητότητα της αθροιστικής εποχικής βροχόπτωσης σύµφωνα µε τις προσοµοιώσεις των περισσοτέρων RCMs προβλέπεται να αυξηθεί ελάχιστα στις περισσότερες περιοχές της Ελλάδος κατά τον χειµώνα και να µειωθεί σηµαντικά κατά το καλοκαίρι, (Σχήµα 3.7 κάτω). Σχήµα 3.7: (Πάνω) ιαφορές επί τοις εκατό της εποχικής βροχόπτωσης µεταξύ του µελλοντικού, µε βάση το σενάριο εκποµπών Α2, κλίµατος ( ) και του παρόντος κλίµατος ( ) για κάθε ένα απ τα εννέα RCMs για το χειµώνα και το θέρος για τις διάφορες υπό-περιοχές της Ελλάδος και για ολόκληρη την ελληνική επικράτεια. (Κάτω) Αντίστοιχα για την από έτους σε έτος τυπική απόκλιση της εποχικής βροχόπτωσης, (Καψωµενάκης κ.α, 2008). Figure 3.7: (Top) Difference percentage of seasonal rainfall between the future, under the A2 emissions scenario, climate ( ) and the present climate ( ) for each one of the nine RCMs for the winter and summer for the various sub-regions of Greece and the 50

60 whole Greek territory. (Under) Similarly for the year to year standard deviation of seasonal rainfall, (Καψωµενάκης κ.α, 2008). Συµφωνά µε το σύνολο των GCMs στην Ελλάδα η βροχόπτωση θα µειωθεί τόσο κατά το χειµώνα όσο και κατά το καλοκαίρι. Πιο συγκεκριµένα σύµφωνα µε τα δέκα GCMs η βροχόπτωση στην Ελλάδα θα µειωθεί τον χειµώνα κατά 5% µε 25% και το καλοκαίρι κατά 5% µε 66% (η πλειοψηφία των GCMs το καλοκαίρι προβλέπει µείωση γύρω στο 50%), (Καψωµενάκης κ.α, 2008) Στάθµη της θάλασσας Σύµφωνα µε πειραµατικά δεδοµένα προκύπτει ότι η στάθµη της θάλασσας δεν µεταβλήθηκε σηµαντικά έως τα τέλη τον 19 ου αιώνα, ενώ υπάρχουν σηµαντικές ενδείξεις ότι η στάθµη αυξήθηκε βαθµιαία παγκοσµίως τον 20ό αιώνα. Εκτιµάται ότι τον 20ό αιώνα η θαλάσσια στάθµη ανήλθε µε µέσο ρυθµό 1.7 ± 0.5 mm/yr ενώ για τις περιόδους και η αύξηση ήταν 1.8 ± 0.5 mm/yr και 3.1 ± 0.7 mm/yr αντίστοιχα, (IPCC, 2008). Τα µαθηµατικά µοντέλα καθώς και οι δορυφορικές και υδρογραφικές µετρήσεις, δείχνουν ότι η άνοδος της θαλάσσιας στάθµης δεν είναι οµοιόµορφη σε όλη την επιφάνεια της γης. Σε κάποιες περιοχές η ταχύτητα ανόδου είναι πολλαπλάσια της µέσης τιµής, ενώ σε άλλες περιοχές η στάθµη της θάλασσας µειώνεται. Υδρογραφικές µετρήσεις επιβεβαιώνουν τη µεγάλη γεωγραφική διακύµανση του φαινοµένου. Αυτή οφείλεται κυρίως στις ανοµοιόµορφες αλλαγές της θερµοκρασίας και της αλατότητας που σχετίζονται µε την κυκλοφορία των θαλάσσιων υδάτων στους ωκεανούς, (IPCC, 2008). Οι δύο σηµαντικότερες αιτίες της παγκόσµιας ανόδου είναι η θερµική διαστολή των ωκεανών και η απώλεια του πάγου λόγω της αυξανόµενης τήξης του. Εκτιµάται ότι κατά µέσο όρο η θερµική διαστολή συνέβαλε στην παρατηρούµενη άνοδο της θαλάσσιας στάθµης κατά ποσοστό περίπου 25% για την περίοδο , ενώ η τήξη χερσαίων παγετών συνέβαλε σε ποσοστό µικρότερο του 50%. Για την περίοδο , όπου οι παρατηρήσεις είναι πιο ακριβείς, η συνολική συµβολή της θερµικής διαστολής, της απώλειας µάζας των παγετώνων, των παγοκαλλυµάτων και 51

61 των φύλλων πάγου από την Ανταρκτική και τη Γροιλανδία, ήταν 2.8 ± 0.7 mm/yr, (IPCC, 2008). Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα των ατµοσφαιρικών-ωκεάνιων µοντέλων γενικής κυκλοφορίας, η άνοδος της παγκόσµιας µέσης στάθµης της θάλασσας ανάµεσα στα τέλη του 20 ου αιώνα ( ) και τα τέλη του 21 ου ( ), κυµαίνεται από 0.18 έως 0.59 m. Η θερµική διαστολή είναι ο σηµαντικότερος παράγοντας επιρροής, συµβάλλοντας µε µια µέση εκτίµηση για όλα τα σενάρια, κατά 70-75% στην άνοδο της στάθµης της θάλασσας. Οι παγετώνες, τα παγοκαλύµµατα και το στρώµα πάγου της Γροιλανδίας, εκτιµάται επίσης ότι θα συµβάλουν θετικά στην άνοδο της στάθµης. Ωστόσο, στο στρώµα πάγου της Ανταρκτικής, τα παγκόσµια κλιµατικά µοντέλα δείχνουν ότι θα υπάρξουν αυξηµένες χιονοπτώσεις χωρίς να λιώσει σηµαντικά η επιφάνεια, κερδίζοντας κατά συνέπεια µάζα και συµβάλλοντας στη µείωση της στάθµης της θάλασσας. Μερική απώλεια των στρωµάτων πάγου της Γροιλανδίας ή και της Ανταρκτικής θα µπορούσε να προκαλέσει αρκετά µέτρα άνοδο της στάθµης της θάλασσας, έχοντας ως αποτέλεσµα µεγάλες αλλαγές στις ακτογραµµές και κατακλυσµό περιοχών χαµηλότερου υψοµέτρου, µε µέγιστη επίδραση στα δέλτα των ποταµών και τα νησιά χαµηλού υψοµέτρου. Στο Σχήµα 3.8 απεικονίζεται η µέση χρονική µεταβολή της στάθµης της θάλασσας κατά το παρελθόν, καθώς και η µελλοντική προβολή του φαινοµένου σύµφωνα µε το σενάριο SRES Α1Β. Σχήµα 3.8: Χρονοσειρά της παγκόσµιας µέσης στάθµης της θάλασσας (απόκλιση από τη µέση τιµή ) στο παρελθόν και η προβολή της στο µέλλον. Για την περίοδο πριν 52

62 από 1870, οι σφαιρικές µετρήσεις δεν είναι διαθέσιµες. Η γκρίζα σκίαση παρουσιάζει την αβεβαιότητα στην εκτίµηση του ποσοστού αλλαγής της στάθµης της θάλασσας. Η κόκκινη γραµµή παρουσιάζει την µέση στάθµη της θάλασσας από µετρητές παλίρροιας και η κόκκινη σκίαση δείχνει τις παραλλαγές από µια οµαλή καµπύλη. Η Πράσινη Γραµµή παρουσιάζει την παγκόσµια µέση στάθµη της θάλασσας από δορυφορική παρατήρηση. Η µπλε σκίαση αντιπροσωπεύει το εύρος των προβλέψεων σύµφωνα µε το SRES A1B σενάριο για τον 21ό αιώνα, (IPCC, 2007). Figure 3.8: Time series of global mean sea level (deviation from th mean) in the past and as projected for the future. For the period before 1870, global measurements of sea level are not available. The grey shading shows the uncertainty in the estimated long-term rate of sea level change. The red line is a reconstruction of global mean sea level from tide gauges and the red shading denotes the range of variations from a smooth curve. The green line shows global mean sea level observed from satellite altimetry. The blue shading represents the range of model projections for the SRES A1B scenario for the 21st century, relative to the 1980 to 1999 mean, and has been calculated independently from the observations, (IPCC, 2007) Απορροή Οι αλλαγές εξαιτίας της κλιµατικής αλλαγής στις ροές των ποταµών, καθώς επίσης και στη στάθµη των λιµνών και των υγροτόπων, εξαρτώνται πρώτιστα από τις αλλαγές στον όγκο και τη χρονική περίοδο των κατακρηµνίσεων και κυρίως, από το αν οι κατακρηµνίσεις αφορούν το χιόνι ή την βροχή. Οι ροές των ποταµών επηρεάζονται επίσης και από αλλαγές στην εξάτµιση του νερού. Σύµφωνα µε τα αποτελέσµατα µοντέλων για το A1B σενάριο, η απορροή παρουσιάζει αξιόλογη µείωση στη νότια Ευρώπη και αύξηση στη Νοτιοανατολική Ασία και στα υψηλά γεωγραφικά πλάτη. Οι µέγιστες αλλαγές φθάνουν έως 20%, ή και περισσότερο, των προσοµοιωµένων τιµών της περιόδου , οι οποίες κυµαίνονται από 1 έως 5 mm/day στις υγρότερες περιοχές και ως κάτω των 0.2 mm/day στις ερήµους. Στις περιοχές υψηλού γεωγραφικού πλάτους παρουσιάζεται αύξηση στη ροή των ποταµών. Αντίθετα, η ροή των µεγάλων ποταµών στη Μέση Ανατολή, την Ευρώπη και την Κεντρική Αµερική τείνει να µειωθεί. Το µέγεθος της αλλαγής, εντούτοις, ποικίλλει µεταξύ των κλιµατικών µοντέλων και σε µερικές περιοχές, όπως η νότια Ασία, η απορροή θα µπορούσε είτε να αυξηθεί είτε να 53

63 µειωθεί. Σε πολλές περιοχές της γης, η επίδραση των κλιµατικών αλλαγών στους υδατικούς πόρους και την απορροή µπορεί να επηρεάσει τη βιώσιµη ανάπτυξη και να βάλει σε κίνδυνο, παραδείγµατος χάριν, τη µείωση της ένδειας και την παιδική θνησιµότητα. Ακόµη και µε τη βέλτιστη διαχείριση των υδατικών πόρων, είναι «πολύ πιθανό» ότι οι αρνητικές επιπτώσεις στη βιώσιµη ανάπτυξη δεν µπορούν να αποφευχθούν Στο Σχήµα 3.9 παρουσιάζονται ορισµένα παραδείγµατα περιοχών που θίγονται, (IPCC, 2008). Σχήµα 3.9 : Επεξηγηµατικός χάρτης των µελλοντικών επιδράσεων των κλιµατικών αλλαγών σε σχέση µε το γλυκό νερό, που απειλούν τη βιώσιµη ανάπτυξη των περιοχών που θίγονται από τις αλλαγές. Στο χάρτη που φαίνεται στο υπόβαθρο παρουσιάζονται οι µέσες αλλαγές στην ετήσια απορροή (%) µεταξύ των περιόδων και για το A1B σενάριο εκποµπών SRES, (IPCC, 2008). Figure 3.9 : Illustrative map of future climate change impacts related to freshwater which threaten the sustainable development of the affected regions. Μean change in annual runoff (%) between present ( ) and for the SRES A1B emissions scenario, (IPCC, 2008). Η αύξηση της παγκόσµιας θερµοκρασίας, µπορεί να οδηγήσει και σε αλλαγές στην εποχικότητα των ροών των ποταµών. Οι χειµερινές κατακρηµνίσεις αποτελούνται περισσότερο από χιόνι, µε τις εαρινές ροές να µειώνονται επειδή το 54

64 χιόνι λιώνει νωρίτερα και οι χειµερινές ροές αυξάνονται. Αυτό έχει βρεθεί στις ευρωπαϊκές Άλπεις, τη Σκανδιναβία, γύρω από τη Βαλτική, τη Ρωσία, τα Ιµαλάια, και τη δυτική, κεντρική και ανατολική Βόρεια Αµερική. Το φαινόµενο εµφανίζεται πιο έντονο στα χαµηλότερα υψόµετρα, όπου οι χιονοπτώσεις είναι πιο οριακές, και σε πολλές περιπτώσεις οι ροές αιχµής από τα µέσα του 21ου αιώνα θα εµφανίζονται έναν µήνα νωρίτερα τουλάχιστον, (IPCC, 2008). Σύµφωνα µε τα µοντέλα γενικής κυκλοφορίας (GCMs),η ετήσια απορροή των ποταµών πρόκειται να αυξηθεί στην ατλαντική και βόρεια Ευρώπη, ενώ θα παρατηρηθεί µείωση της απορροής στην κεντρική και ανατολική Ευρώπη και στην Μεσόγειο. Στη βόρεια Ευρώπη, η απορροή εκτιµάται να αυξηθεί κατά 5 έως 15% µέχρι το 2020 και 9 έως 22% µέχρι το 2070, µε βάση τα A2 και B2 SRES σενάρια της IPCC. Εν τω µεταξύ, στη νότια Ευρώπη, η απορροή θα µειώνεται από 0 σε 23% µέχρι το 2020s και από 6 ως 36% µέχρι το 2070 για το ίδιο σύνολο υποθέσεων (Σχήµα 3.10). Σχήµα 3.10: Αλλαγή στην ετήσια απορροή ποταµών µεταξύ της περιόδου και δύο µελλοντικών χρονικών περιόδων (2020s και 2070s) για τα A2 σενάρια,(ipcc, 2008). Figure 3.10: Change in annual river runoff between the baseline period and two future time slices (2020s and 2070s) for the A2 scenarios, (IPCC, 2008). 55

65 3.3.6 Εξατµισοδιαπνοή Οι άµεσες µετρήσεις της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής σε χέρσες περιοχές της γης είναι πολύ περιορισµένες, ενώ τα αποτελέσµατα των αναλύσεων µπορεί να περιέχουν σφάλµατα. Εποµένως, η βιβλιογραφία σχετικά µε τις τάσεις της πραγµατικής ή δυνητικής εξατµισοδιαπνοής που έχουν παρατηρηθεί είναι µικρή. Σύµφωνα µε την Τρίτη Έκθεση (TAR), της IPCC η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή αυξήθηκε το δεύτερο µισό του 20 ου αιώνα στις περισσότερες ξηρές περιοχές των ΗΠΑ και της Ρωσίας (Golubev et all., 2001). Η αιτιολογία ήταν η αύξηση της επιφανειακής υγρασίας, λόγω της αύξησης των βροχοπτώσεων και της ατµοσφαιρικής υγρασίας ως αποτέλεσµα υψηλότερων θερµοκρασιών. Η εξατµισοδιαπνοή πάνω από το έδαφος ακολουθεί γενικά τις µεταβολές στις βροχοπτώσεις, αλλά εκτός από την υγρασία, εξαρτάται και από τους ανέµους κοντά στην επιφάνεια. Σύµφωνα µε τις υπάρχουσες προβλέψεις η δυνητική εξατµισοδιαπνοή εκτιµάται ότι θα αυξηθεί σχεδόν παντού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ικανότητα της ατµόσφαιρας να συγκρατήσει το νερό αυξάνεται µε τις υψηλότερες θερµοκρασίες, αλλά η σχετική υγρασία εκτιµάται ότι δε θα αλλάξει εµφανώς. Η πραγµατική εξάτµιση πάνω από την επιφάνεια του νερού αναµένεται επίσης να αυξηθεί (π.χ. πάνω από το µεγαλύτερο µέρος του ωκεανού και των λιµνών), µε χωρικές µεταβολές που σχετίζονται µε τις χωρικές µεταβολές της θέρµανσης της επιφάνειας, (IPCC, 2008). Οι αλλαγές στην εξατµισοδιαπνοή πάνω από το έδαφος εξαρτώνται από τις αλλαγές στις βροχοπτώσεις και επιδρούν µε τη σειρά τους στο ισοζύγιο των απορροών, στην εδαφολογική υγρασία, στο νερό των ταµιευτήρων, στον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα και στην υφαλµύρωση των χαµηλών υδροφορέων, (IPCC, 2008). Ο εµπλουτισµός της ατµόσφαιρας µε διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) έχει δύο πιθανές ανταγωνιστικές επιπτώσεις στην εξατµισοδιαπνοή από τη βλάστηση. εδοµένου ότι η συγκέντρωση του CO 2 στην ατµόσφαιρα αποτελεί περιοριστικό παράγοντα για τη φωτοσύνθεση, η αύξησή του θα επιφέρει σηµαντική αύξηση της φωτοσυνθετικής ταχύτητας. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσµα να παρατηρείται ταχύτερη ανάπτυξη, µεγαλύτερη βιοµάζα και, κατά συνέπεια αυξανόµενη διαπνοή. Αντίθετα, σε συνθήκες αυξηµένης παροχής CO 2 το άνοιγµα των στοµατίων είναι περιορισµένο, µε αποτέλεσµα να περιορίζονται οι διαπνευστικές απώλειες. Τα 56

66 σχετικά µεγέθη των δύο επιπτώσεων ποικίλλουν µεταξύ των φυτικών ειδών και εξαρτώνται από παράγοντες διαθεσιµότητας θρεπτικών ουσιών, νερού και αλλαγών της θερµοκρασίας, (IPCC, 2008) Στο Σχήµα 3.11 εµφανίζεται η ποσοστιαία αύξηση της δυνητικής εξατµισοδιαπνοής για την Θεσσαλία, σύµφωνα µε το σενάριο HadCM2 για 3 διαφορετικά έτη στόχους (2020, 2050 και 2080). Σχήµα 3.11: Αύξηση (%) της υνητικής Εξατµισοδιαπνοής για την Θεσσαλία σύµφωνα µε το σενάριο HadCM2 για 3 διαφορετικά έτη στόχους (2020, 2050 και 2080). Παρατηρείται αύξηση για όλους τους µήνες και έτη στόχους, (Νίκος Μαµάσης, 2009). Figure 3.11: Increase (%) of potential evapotranspiration in Thessalia under HadCM2 scenario for 3 different target years (2020, 2050 and 2080). Is observed increase for all months and years targets, (Νίκος Μαµάσης, 2009). 3.4 Αβεβαιότητες στις υδρολογικές εκτιµήσεις Οι αβεβαιότητες στις εκτιµώµενες αλλαγές στο υδρολογικό σύστηµα οφείλονται στα παρακάτω, (IPCC, 2008) : 1. Στην εσωτερική µεταβλητότητα του κλιµατικού συστήµατος. 2. Στην αβεβαιότητα των εκποµπών των αερίων του θερµοκηπίου που υποθέτουν τα κλιµατικά µοντέλα. 3. Στις αβεβαιότητες των υδρολογικών µοντέλων. Οι εκτιµήσεις γίνονται λιγότερο 57

67 συνεπείς µεταξύ των µοντέλων όσο µειώνεται η χωρική κλίµακα. 4. Στη δοµή των κλιµατικών µοντέλων. Τα σύγχρονα µοντέλα αποκλείουν γενικά µερικές αναδράσεις µεταξύ της αλλαγής της βλάστησης και της αλλαγής του κλίµατος και, σε κάποιες περιπτώσεις, αποκλείουν τις ανθρωπογενείς αλλαγές στην κάλυψη του εδάφους. Η ανάλυση των µοντέλων περιορίζει επίσης και την ακριβή προσοµοίωση των τροπικών κυκλώνων και των έντονων βροχοπτώσεων. 5. Στην ενσωµάτωση των αποτελεσµάτων κλιµατικών µοντέλων στη µελέτη των υδατικών πόρων για δύο λόγους. Πρώτον, τα παγκόσµια κλιµατικά µοντέλα και τα υδρολογικά µοντέλα έχουν διαφορετικές χωρικές κλίµακες και, έπειτα, υπάρχουν σφάλµατα στον υπολογισµό των µακροπρόθεσµων µέσων κατακρηµνίσεων στο υπάρχον κλίµα από τα παγκόσµια κλιµατικά µοντέλα. 3.5 Υδατικοί πόροι σε σχέση µε διάφορους τοµείς στην Ευρώπη Ενέργεια Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι µία από τις κύριες ανανεώσιµες πηγές ενέργειας στην Ευρώπη (19.8% της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται συνολικά). Από τη δεκαετία του 1970, το υδροδυναµικό για την όλη Ευρώπη αναµένεται να µειωθεί κατά 6%, µε µια µείωση 20-50% γύρω από τη Μεσόγειο, µια αύξηση 15-30% στη Βόρεια και την Ανατολική Ευρώπη, και ένα σταθερό µοτίβο για τη δυτική και κεντρική Ευρώπη. Η παραγωγή βιοκαυσίµων καθορίζεται κατά ένα µεγάλο µέρος από την υγρασία και τη διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης των καλλιεργειών, (IPCC, 2008) Υγεία Η αλλαγή του κλίµατος είναι «πιθανό» να έχει επίσης επιπτώσεις στην ποιότητα και την ποσότητα του νερού στην Ευρώπη, και ως εκ τούτου να υπάρξει κίνδυνος µόλυνσης των δηµόσιων και ιδιωτικών δικτύων παροχής νερού. Οι ακραίες βροχοπτώσεις και οι ξηρασίες µπορούν να αυξήσουν τα συνολικά µικροβιακά φορτία στο γλυκό νερό και να έχουν επιπτώσεις στην εκδήλωση ασθενειών και στο σύστηµα παρακολούθησης της ποιότητας του νερού, (IPCC, 2008). 58

68 3.5.3 Γεωργία Η εκτιµώµενη αύξηση των ακραίων καιρικών φαινοµένων (π.χ. περίοδοι υψηλής θερµοκρασίας και ξηρασίες) αναµένεται να αυξήσει τη µεταβλητότητα της παραγωγής και να µειώσει τη µέση παραγωγή. Ειδικότερα, στην ευρωπαϊκή περιοχή της Μεσογείου, αυξήσεις στη συχνότητα των ακραίων κλιµατικών φαινοµένων κατά τη διάρκεια συγκεκριµένων σταδίων ανάπτυξης των καλλιεργειών (π.χ. αύξηση της θερµοκρασίας κατά την περίοδο άνθησης, βροχερές ηµέρες κατά τη διάρκεια της σποράς), µαζί µε την ένταση βροχοπτώσεων και παρατεταµένες ξηρές περιόδους, είναι «πιθανό» να µειώσουν την παραγωγή των θερινών καλλιεργειών (π.χ. ηλίανθος), (IPCC, 2008) Βιοποικιλότητα Πολλά συστήµατα εκτιµάται ότι θα εξαφανιστούν, όπως οι µόνιµοι παγετοί στην Αρκτική και τα εφήµερα (βραχύβια) υδρόβια οικοσυστήµατα στη Μεσόγειο. Η απώλεια µόνιµων παγετών στην Αρκτική είναι «πιθανό» να προκαλέσει µείωση της έκτασης µερικών τύπων υγροτόπων. Η κλιµατική θέρµανση µπορεί να προκαλέσει µεγαλύτερο κίνδυνο ανάπτυξης φυκιών και αυξηµένη ανάπτυξη τοξικών κυανοβακτηρίων στις λίµνες, (IPCC, 2008). Επίσης, οι υψηλότερες βροχοπτώσεις και ο µειωµένος παγετός µπορούν να ενισχύσουν την απώλεια θρεπτικών συστατικών από τα καλλιεργηµένα εδάφη, οδηγώντας στον εντατικό ευτροφισµό λιµνών και υγροτόπων. Οι υψηλότερες θερµοκρασίες θα µειώσουν επίσης τα επίπεδα κορεσµού του διαλυµένου οξυγόνου και θα αυξήσουν τον κίνδυνο της εξάντλησης του οξυγόνου, (IPCC, 2008). Οι υψηλότερες θερµοκρασίες είναι «πιθανό» να οδηγήσουν τελικά στην αύξηση της βιοποικιλότητας στα οικοσυστήµατα του γλυκού νερού της βόρειας Ευρώπης και στη µείωσή της σε περιοχές της νοτιοδυτικής Ευρώπης, (IPCC, 2008). 59

69 Κεφάλαιο 4 Υδατικό ισοζύγιο και εξατµισοδιαπνοή 4.1 Εισαγωγή Το νερό στη γη βρίσκεται σε διαρκή κίνηση και ο κύκλος του νερού, γνωστός ως υδρολογικός κύκλος, περιγράφει την αέναη κίνησή του πάνω, πέρα και κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Πρόκειται συνεπώς για τη σχηµατική περιγραφή όλων των διαδικασιών µε τις οποίες το νερό κυκλοφορεί στη φύση, µεταξύ θάλασσας, ατµόσφαιρας και ξηράς. Στο σύνολο των διαδικασιών του υδρολογικού κύκλου το νερό παρουσιάζεται µε όλες τις καταστάσεις της ύλης: υγρό (νερό ωκεανών, νερό ποταµών και λιµνών, νερό στην επιφάνεια του εδάφους και νερό και υγρασία στα υπεδάφια στρώµατα), αέριο (υδρατµός), στερεό (χιόνι, χαλάζι, πάγος). Όπως φαίνεται στο Σχήµα 4.1 διαφορετικές διεργασίες του υδρολογικού κύκλου αποτελούν τα κατακρηµνίσµατα, η υδατοσυγκράτηση, η επιφανειακή απορροή, η διήθηση, η υπόγεια απορροή και η εξατµισοδιαπνοή. Σχήµα 4.1: Σχηµατική παράσταση του υδρολογικού κύκλου Figure 4.1: Schematic representation of hydrologic circle 60

70 Κάθε περιοχή µελέτης αποτελεί ένα ανοικτό υδρολογικό σύστηµα στο οποίο οι υδρολογικοί παράγοντες της εκάστοτε περιοχής καθορίζουν και το υδατικό ισοζύγιο. Οι παράγοντες αυτοί είναι τα κατακρηµνίσµατα, η εξατµισοδιαπνοή, η απορροή, η διήθηση και η µεταβολή της ποσότητας του νερού της περιοχής µελέτης. Η µεταβολή της ποσότητας του νερού αφορά την επιφάνεια του εδάφους (λίµνες, κοίτες υδάτινων ρεµάτων κλπ.), αλλά και τα υπόγεια εδαφικά στρώµατα. Η εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου που εκφράζει τη διατήρηση της µάζας σε µια εδαφική κατατοµή εποµένως είναι: P ET G + DS - Α x = V (4.1) Ο παράγοντας P περιλαµβάνει το ετήσιο ισοδύναµο ύψος των κατακρηµνίσεων που φτάνουν από την ατµόσφαιρα στην επιφάνεια της γης µε κάθε µορφή (βροχή, χαλάζι, χιόνι). Ο παράγοντας ΕΤ περιλαµβάνει το ετήσιο ισοδύναµο ύψος εξατµισοδιαπνοής. ηλαδή το σύνολο του νερού που µεταφέρεται στην ατµόσφαιρα µε τη συµβολή της ηλιακής ακτινοβολίας, διαµέσου της µετατροπής του από την υγρή στην αέρια φάση. Ο παράγοντας DS αφορά το ετήσιο ισοδύναµο ύψος µεταβολής του αποθηκευµένου ύδατος στον υδροφορέα. Ο παράγοντας G περιλαµβάνει το ετήσιο ισοδύναµο ύψος ποσό του νερού που διηθείται µέσα στο έδαφος. Τέλος, ο παράγοντας Α x αναφέρεται στο ετήσιο ισοδύναµο ύψος υδροληψίας (τεχνητή αφαίρεση) της περιοχής µελέτης. Στην παραπάνω σχέση του υδατικού ισοζυγίου η εξατµισοδιαπνοή του νερού, είτε από ελεύθερες υδάτινες επιφάνειες, είτε από γυµνές ή φυτοκαλυµµένες επιφάνειες της γης αποτελεί µια από τις σηµαντικές συνιστώσες. 4.2 Η εξατµισοδιαπνοή Βασικές έννοιες Ορισµοί Η έννοια της εξάτµισης Η εξάτµιση (evaporation) είναι το φαινόµενο µέσω του οποίου τα µόρια ενός σώµατος µεταπίπτουν από την υγρή ή τη στερεά φάση, στην αέρια. Η εξάτµιση του 61

71 νερού στην ατµόσφαιρα γίνεται από τις υδάτινες µάζες, όπως είναι οι ωκεανοί, οι λίµνες, τα ποτάµια και επίσης από τα έλη, το έδαφος και την υγρή βλάστηση. Εξαρτάται κυρίως από την ηλιακή ακτινοβολία, τη θερµοκρασία, την πίεση των υδρατµών, την ταχύτητα του ανέµου και τη φύση της επιφάνειας εξάτµισης. Όλοι αυτοί οι παράγοντες βρίσκονται σε αλληλεξάρτηση και εποµένως η επίδραση καθενός από αυτούς δεν µπορεί να εκτιµηθεί µε ακρίβεια (Μιµίκου, 2006) Η έννοια της διαπνοής Η µετατροπή του νερού σε υδρατµούς που πραγµατοποιείται στους πόρους της χλωρίδας, και ιδίως των φυλλωµάτων των φυτών, είναι γνωστή ως διαπνοή (transpiration). Το νερό των φυτών απορροφάται από το έδαφος µέσω των ριζών και µέσω του αγγειακού συστήµατος, οδηγείται στους πόρους των φυλλωµάτων, γνωστούς ως στοµάτια, απ όπου διαπνέεται. Η διαπνοή είναι ζωτικής σηµασίας λειτουργία για τα φυτά, τόσο για το βασικό ρόλο της στην κυκλοφορία του αγγειακού συστήµατος και τη µεταφορά θρεπτικών συστατικών, όσο και για το ρόλο της στη φωτοσύνθεση: το νερό που διαπνέεται αποτελεί αναπόφευκτο υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης. Η βασική διαφορά της διαπνοής από την εξάτµιση από υδάτινες επιφάνειες ή βρεγµένο έδαφος, έγκειται στο γεγονός ότι τα κύτταρα των φυτών ελέγχουν το ρυθµό διαπνοής, µέσω της ρύθµισης των ανοιγµάτων των στοµατίων Η έννοια της εξατµισοδιαπνοής Ο συνδυασµός δυο διακεκριµένων διαδικασιών κατά τις οποίες υπάρχει απώλεια νερού από την εδαφική επιφάνεια µε την εξάτµιση (evaporation Ε), καθώς και από την καλλιέργεια µε τη διαπνοή (transpiration Τ), ορίζεται ως εξατµισοδιαπνοή (evapotranspiration ΕΤ), (FAO, Ch. 1: 1). Η εξάτµιση και η διαπνοή συµβαίνουν ταυτόχρονα και δεν υπάρχει εύκολος τρόπος διάκρισης µεταξύ των δύο διαδικασιών. Εκτός από την διαθεσιµότητα του νερού στο ανώτερο εδαφικό στρώµα, η εξάτµιση από ένα καλλιεργηµένο έδαφος καθορίζεται και από το κλάσµα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους. Αυτό το κλάσµα µειώνεται κατά την περίοδο ανάπτυξης καθώς η καλλιέργεια αναπτύσσεται και το φύλλωµά της σκιάζει όλο και περισσότερο το έδαφος. Όταν η καλλιέργεια είναι µικρή, το νερό χάνεται κυρίως από την εδαφική 62

72 εξάτµιση, αλλά µόλις η καλλιέργεια αναπτυχθεί καλά και καλύψει πλήρως το έδαφος, η διαπνοή γίνεται η βασική διαδικασία. Στο Σχήµα 4.2 απεικονίζεται ως συνάρτηση του χρόνου ο επιµερισµός της εξατµισοδιαπνοής σε εξάτµιση και διαπνοή σε σχέση µε τον δείκτη επιφάνειας φύλλων (leaf area index / LAI) ανά µονάδα υποκείµενης εδαφικής επιφάνειας. Στην σπορά σχεδόν το 100% της εξατµισοδιαπνοής προέρχεται από την εξάτµιση, ενώ στην πλήρη κάλυψη από καλλιέργεια περισσότερο από το 90% της εξατµισοδιαπνοής προέρχεται από την διαπνοή (FAO, 1998). Σχήµα 4.2: Επιµερισµός της εξατµισοδιαπνοής σε εξάτµιση και διαπνοή κατά την περίοδο ανάπτυξης για αγρό ετήσιας καλλιέργειας (Πηγή: FAO, Ch. 1: 2) Figure 4.2: Allocation of evapotranspiration in evaporation and transpiration at the period of growth for field of annual crop (Source: FAO, Ch. 1: 2) Η εξατµισοδιαπνοή από εδαφικές επιφάνειες, φυτοκαλυµµένες ή όχι, εξαρτάται από τη διαθεσιµότητα νερού στο έδαφος, ενώ δεν συµβαίνει το ίδιο µε την εξάτµιση από υδάτινες επιφάνειες (π.χ. λίµνες, όπου προφανώς η διαθεσιµότητα νερού είναι δεδοµένη και δεν αποτελεί περιοριστικό παράγοντα). Η ποσότητα της εξατµισοδιαπνοής που πραγµατοποιείται από εδαφικές επιφάνειες, πλήρως και οµοιόµορφα καλυµµένες από αναπτυσσόµενη χλωρίδα, κάτω από συνθήκες απεριόριστης διαθεσιµότητας νερού (σε αντιστοιχία, δηλαδή, µε την εξάτµιση υδάτινων επιφανειών), ονοµάζεται δυνητική εξατµισοδιαπνοή (potential evapotranspiration-pet ή ETp). Ως πραγµατική εξατµισοδιαπνοή (evapotranspiration-et), χαρακτηρίζεται η συνολική µεταφορά νερού από φυτοκαλυµµένες επιφάνειες στην ατµόσφαιρα. Προφανώς η πραγµατική 63

73 εξατµισοδιαπνοή είναι πάντα µικρότερη ή το πολύ ίση µε τη δυνητική εξατµισοδιαπνοή. Η όποια σχέση υπολογισµού της εξατµισοδιαπνοής πρέπει να είναι προσαρµοσµένη στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της φυτοκόµης. Επειδή το γεγονός αυτό θα οδηγούσε σε µια ποικιλία σχέσεων, αλλά και σε µεγάλες αδυναµίες ή και αδυναµία για την πειραµατική επιβεβαίωσή τους, η τάση σήµερα που επικρατεί είναι η διαµόρφωση σχέσεων που αναφέρονται σε καλλιέργειες µε συγκεκριµένα χαρακτηριστικά, οι οποίες αναφέρονται σαν καλλιέργειες αναφοράς. Σαν τέτοιες καλλιέργειες χρησιµοποιούνται ο αειθαλής χορτοτάπητας και η µηδική (Παπαζαφειρίου, 1999). Οι Pereira και Smith (1989), Smith et al. (1991) και Allen et al. (1994), εργαζόµενοι στα πλαίσια Επιτροπής Ειδικών του FAO ορίζουν την εξατµισοδιαπνοή αναφοράς ΕΤo ως την εξατµισοδιαπνοή από µια υποθετική καλλιέργεια αναφοράς που έχει σταθερό ύψος 12cm, επιφανειακή αντίσταση µεταφοράς υδρατµών 70s/m και ανακλαστικότητα επιφάνειας α=0.23. Αυτή προσοµοιάζει απόλυτα την εξατµισοδιαπνοή από µια εκτεταµένη επιφάνεια χορτοτάπητα µε οµοιόµορφο ύψος, που αναπτύσσεται δυναµικά, που σκιάζει πλήρως το έδαφος και έχει επάρκεια νερού. Η εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας υπό τυπικές συνθήκες (ETc) υπολογίζεται από την εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς (ETo), ως γινόµενο µε τον συντελεστή καλλιέργειας (Kc), δηλαδή: ETc = Kc ETo H εξατµισοδιαπνοή δυνητική ή πραγµατική εξαρτάται από : α) τις καιρικές παράµετρους (ακτινοβολία, θερµοκρασία αέρα, υγρασία, ταχύτητα ανέµου), β) τα χαρακτηριστικά της καλλιέργειας (ποικιλία, ύψος, φύλλωµα, στάδιο ανάπτυξης κ.ά.), γ) τη διαχείριση (πρακτικές καλλιέργειας, τύπος µεθόδου άρδευσης κ.ά) και δ) τους περιβαλλοντικούς παράγοντες (εδαφική αλατότητα, γονιµότητα του εδάφους, εφαρµογή λιπασµάτων, πυκνότητα των φυτών κ.ά ) Σηµασία γνώσης της εξατµισοδιαπνοής Η γνώση της εξατµισοδιαπνοής είναι θεµελιώδους σηµασίας για τους εξής λόγους: 64

74 Η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης είναι ένας από τους όρους της εξίσωσης ενεργειακού ισοζυγίου και η ανάλυσή της δίνει πολλές πληροφορίες για (µικρο) κλιµατολογικές και αγροµετεωρολογικές µελέτες. Η εξατµισοδιαπνοή είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που πρέπει να λαµβάνονται υπόψη στην υδρολογία όταν καταρτίζονται υδατικά ισοζύγια. Η εξατµισοδιαπνοή είναι αναπόσπαστο κοµµάτι των υδρολογικών και κλιµατικών διεργασιών της γης και της ατµόσφαιράς της (υπεισέρχεται στα µοντέλα ατµοσφαιρικής κυκλοφορίας και στα κλιµατικά µοντέλα τοπικής, ηπειρωτικής και παγκόσµιας κλίµακας) και αποτελεί σηµαντικό τµήµα του υδρολογικού κύκλου. Σε µεγάλες κλίµακες (ακόµα και σε παγκόσµια κλίµακα) η εξατµοδιαπνοή έχει ιδιαίτερη σηµασία για την εκτίµηση των κλιµατικών και ανθρωπογενών επιδράσεων και περιβαλλοντικών πιέσεων στα φυσικά και γεωργικά οικοσυστήµατα. Η εξατµισοδιαπνοή έχει τεράστια σηµασία για την αγρονοµία επειδή επιτρέπει την πρόβλεψη της παραγωγής από την καλλιέργεια (σοδειάς) µε τη µέγιστη δυνατή εξοικονόµηση υδατικών πόρων, δεδοµένου ότι το νερό αποτελεί τον κύριο περιοριστικό παράγοντα για την γεωργική παραγωγή - διαχείριση υδατικών πόρων και υδατικά ισοζύγια στη γεωργία (Σχήµα 4.3). Σχήµα 4.3: Υδατικό ισοζύγιο για αρδευτικούς σκοπούς (Πηγή: FAO, Ch. 1: 11) Figure 4.3: Water balance for irrigation purposes (Source: FAO, Ch. 1: 11) 65

75 4.3 Υπολογισµός της εξατµισοδιαπνοής Με βάση συγκεκριµένες εφαρµογές κάθε φορά, αναπτύχθηκαν πολλές µέθοδοι για την άµεση και έµµεση µέτρηση της εξατµισοδιαπνοής. ιακρίνονται σε µεθόδους υδατικού ισοζυγίου, που βασίζονται στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής από την εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου και σε µικροµετεωρολογικές µεθόδους, στις οποίες η εξατµισοδιαπνοή µπορεί να εκτιµηθεί από µετεωρολογικές µεταβλητές (θερµοκρασία, υγρασία, ταχύτητα του ανέµου, ακτινοβολία) που υπολογίζονται στην επιφάνεια εξάτµισης Μέθοδοι υδατικού ισοζυγίου Αυτές οι µέθοδοι που βασίζονται στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής από την εξίσωση (4.1) διακρίνονται σε άµεσες και έµµεσες µεθόδους. Άµεση µέτρηση της εξατµισοδιαπνοής Η εξατµισοδιαπνοή µπορεί να εκτιµηθεί άµεσα µε δεξαµενές, λυσίµετρα και τη χρήση αγροτεµαχίων. Οι δεξαµενές είναι στεγανά δοχεία που τοποθετούνται στο έδαφος, µε το χείλος τους περίπου στο ίδιο επίπεδο µε την επιφάνεια του εδάφους. Το µέγεθός τους ποικίλει, φτάνοντας σε πλάτος τα 10 m και βάθος τα 3 m. Το µέγεθος αυτό πρέπει να είναι επαρκές για να προσοµοιώσει τις φυσικές συνθήκες ανάπτυξης των φυτών, για το είδος της βλάστησης που εξετάζεται. Η εξατµισοδιαπνοή προσδιορίζεται µετρώντας την ποσότητα του νερού που απαιτείται για τη διατήρηση σταθερών, βέλτιστων συνθηκών υγρασίας στο συγκεκριµένο δοχείο. Τα ζυγιζόµενα λυσίµετρα αποτελούν µια ευρύτατα χρησιµοποιούµενη και δυνητικά ίσως την πιο ακριβή µέθοδο µέτρησης της εξατµισοδιαπνοής, στην οποία κάθε συνιστώσα του υδατικού ισοζυγίου µετριέται ακριβώς και η εξατµισοδιαπνοή αντιπροσωπεύεται άµεσα ως απώλεια βάρους. Το λυσίµετρο είναι κυλινδρικό δοχείο (βάθους 1-2 m και διαµέτρου 1-6 m) στο οποίο αποµονώνεται ένα τµήµα χώµατος και βλάστησης και ελέγχεται το υδατικό τους ισοζύγιο. Η αντιπροσωπευτικότητα του δείγµατος εδάφους-βλάστησης και η αποµόνωσή του µε την ελάχιστη ενόχληση και την αποφυγή τροποποίησης του µικροκλίµατος της περιβάλλουσας επιφάνειας, είναι οι ουσιαστικοί παράγοντες που πρέπει να εξετάζονται σοβαρά. 66

76 Έµµεση µέτρηση της εξατµισοδιαπνοής Στις περισσότερες µελέτες που βασίζονται στην εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου, η εξατµισοδιαπνοή υπολογίζεται σαν υπολειπόµενος όρος της εξίσωσης (4.1) ενώ οι άλλες συνιστώσες είτε µετρούνται, είτε υπολογίζονται. Η εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε οποιαδήποτε κλίµακα και µέγεθος. Η ακρίβεια αυτής της µεθόδου εξαρτάται από την ακρίβεια µε την οποία µετρούνται η βροχόπτωση, η επιφανειακή απορροή και η µεταβολή της εδαφικής υγρασίας. Τα σφάλµατα στη µέτρηση αυτών των παραµέτρων είναι µερικές φορές πολύ σηµαντικά και οι υποθέσεις που αφορούν τη βαθιά διήθηση χρειάζονται επαλήθευση. Άλλες φορές, κυρίως στις µελέτες του υδατικού ισοζυγίου, η µεταβολή της εδαφικής υγρασίας SW υποτίθεται ότι είναι µηδέν, τα κατακρηµνίσµατα P και η απορροή RO µετρούνται και η διήθηση D είτε αγνοείται είτε µετριέται µε κάποιον τρόπο. Στην περίπτωση αυτή ET = P RO. Αυτή η προσέγγιση χρησιµοποιείται κυρίως για χρονικά διαστήµατα στη διάρκεια των οποίων µπορεί να υποτεθεί ότι το περιεχόµενο εδαφικό νερό δεν µεταβάλλεται. Τα µειονεκτήµατα της µεθόδου είναι η χαµηλού επιπέδου ακρίβεια των µετρήσεων και οι δυσκολίες εκτίµησης της εξατµισοδιαπνοής στη διάρκεια των περιόδων βροχής. Ακόµη και µε τη χρησιµοποίηση προσεκτικών µετρήσεων είναι δύσκολο να ανιχνεύσει κανείς αλλαγές εδαφικού νερού µε ακρίβεια µεγαλύτερη των ± 2 mm νερού. Τα σφάλµατα που συνδέονται µε τη µέθοδο του υδατικού ισοζυγίου καθιστούν τη χρήση της σε ηµερήσια βάση ανεπαρκή. Όταν η µέθοδος εφαρµόζεται σε µεγάλες εκτάσεις, το κύριο πρόβληµα δεν είναι αυτή καθ αυτή η µέθοδος, αλλά η έλλειψη καλών µέσων τιµών (ως προς το χώρο) των συνιστωσών της, εξ αιτίας της µεταβλητότητας της βροχόπτωσης πάνω από µεγάλες επιφάνειες και της ανοµοιογένειας της τοπογραφίας και των εδαφών που βρίσκονται κάτω από αυτές (Τσακίρης, 1995) Μικροµετεωρολογικές µέθοδοι Οι µέθοδοι αυτού του τύπου, παρέχουν τη δυνατότητα εκτίµησης της εξατµισοδιαπνοής µε τη χρήση µετεωρολογικών µεταβλητών. Για τις περισσότερες των µεθόδων συγκεντρώνονται και ολοκληρώνονται στιγµιαία δεδοµένα, ενώ απαιτείται ο εξοπλισµός ευαίσθητων οργάνων και µηχανηµάτων περισυλλογήςεπεξεργασίας δεδοµένων. Οι περισσότερες µικροµετεωρολογικές µέθοδοι µπορούν να 67

77 εφαρµόζονται µόνο σε µεγάλες, επίπεδες επιφάνειες µε οµοιόµορφη φυτοκάλυψη. Επίσης, πρέπει να δίνεται µεγάλη προσοχή όταν εφαρµόζονται σε αεροδυναµικά τραχείες φυτοκαλυµµένες επιφάνειες και κάτω από συνθήκες οριζόντιας µεταφοράς Μέθοδος ισοζυγίου ενέργειας Η πλήρης εξίσωση του ενεργειακού ισοζυγίου σε µία µοναδιαία επιφάνειας αναφοράς στη γη δίνεται από τη σχέση: Rn= H+Λ+G+ Q B +Qs + Q h Όπου: Η: Αισθητή θερµότητα Λ: Λανθάνουσα θερµότητα G: ιακίνηση ενέργειας µε αγωγή προς το έδαφος Q B : Ενέργεια που δαπανάται για τις βιοχηµικές διεργασίες των φυτών Q s : Προσωρινή αποθήκευση ενέργειας Q h : Ενέργεια που µεταφέρεται οριζόντια προς άλλες περιοχές Στην πράξη οι τέσσερις τελευταίοι όροι της εξίσωσης µπορούν να θεωρηθούν αµελητέοι οπότε η εξίσωση παίρνει τη µορφή: Rn A= H + Λ Η ολική καθαρή ενέργεια Rn (kj /(m 2 d)) µπορεί να προσδιοριστεί µε σχετική ακρίβεια. Το σηµαντικό πρόβληµα προκύπτει από τον επιµερισµό του Rn στους όρους Η και Λ. Για την άρση του προβλήµατος επιχειρείται να προσδιοριστεί ο λόγος της αισθητής προς την λανθάνουσα θερµότητα γνωστός ως λόγος Bowen: B = H/Λ Αν προσδιοριστεί ο όρος Λ, τότε η εξάτµιση εκφρασµένη σε όρους µάζας ανά µονάδα επιφάνειας και ανά µονάδα χρόνου προκύπτει άµεσα από τη σχέση: Ε = Λ/λ = Α/ λ(1+ B) όπου λ η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης. Η εξάτµιση ως εκφρασµένη ως ισοδύναµο ύψος νερού στη µονάδα του χρόνου (π.χ σε mm/d) δίνεται από τη σχέση: Ε = Ε /ρ όπου ρ η πυκνότητα του νερού. 68

78 Μέθοδος µεταφοράς µάζας Οι µέθοδοι αυτές θεωρούν την εξάτµιση ως µεταφορά µάζας. Η διεργασία της εξάτµισης από αεροδυναµική άποψη θεωρείται µια διεργασία διάχυσης. Οι υδρατµοί που βρίσκονται σε κατάσταση κορεσµού κοντά στην επιφάνεια εξάτµισης µεταφέρονται προς τα πάνω όπου η συγκέντρωση είναι µικρότερη. Ο γενικός νόµος της διάχυσης του Fick είναι: Ea = - M (de/ dz) όπου Εa ο ρυθµός εξάτµισης, e η µερική πίεση των υδρατµών, Μ ο συντελεστής µεταφοράςκαι z το τοπογραφικό υψόµετρο. Με βάση την τελευταία εξίσωση, έχουν αναπτυχθεί αρκετά πολύπλοκές σχέσεις υπολογισµού του ρυθµού εξάτµισης, χρησιµοποιώντας το λογαριθµικό προφίλ της ταχύτητας του ανέµου κοντά στην επιφάνεια, που εξαρτάται από την τραχύτητατου εδάφους. Στην πράξη χρησιµοποιείται η εµπειρικά προσδιορισµένη σχέση που αποδίδεται στο Dalton, σύµφωνα µε την οποία ο ρυθµός εξάτµισης δίνεται από την εξίσωση: Ea =( e α e d ) F u = D F u όπου D = e α e d το έλλειµµα κορεσµού των υδρατµών και F (u) η συνάρτηση του ανέµου, η οποία εµπεριέχει την ταχύτητα του ανέµου και κατά Penman δίνεται από τη γραµµική εξίσωση: F(u) = a +β u όπου µε συντελεστές α και β εµπειρικά προσδιορισµένους και όπου u η ταχύτητα του ανέµου µετρηµένη σε ύψος 2 m από το έδαφος. Η τελευταία σχέση είναι µία µόνο από τις πολλές προσεγγίσεις που έχουν γίνει για τη γραµµική συσχέτιση του F (u) µε την ταχύτητα του ανέµου u. 4.4 Βασικές µεταβλητές για την εκτίµηση της εξάτµισης Στην ανάλυση της φυσικής διεργασίας της εξάτµισης ενδιαφέρουν τόσο οι ιδιότητες του ατµοσφαιρικού αέρα όσο και του νερού των υδρατµών. Ορισµένες από 69

79 αυτές τις ιδιότητες καθώς και άλλες που σχετίζονται µε την ενεργειακή τροφοδοσία της εξάτµισης από την ηλιακή ακτινοβολία δίνονται παρακάτω. Πίεση κορεσµού υδρατµών e α, (kpa) Για την µέση θερµοκρασία Τ ( o C) του αέρα υπολογίζεται ως: e α = exp[(17.27 T)/(T )] Πραγµατική πίεση κορεσµού υδρατµών e d, (kpa) Για την µέση ηµερήσια σχετική υγρασία RH mean (%) και την ήδη υπολογισµένη πίεση κορεσµού υδρατµών e α υπολογίζεται ως: e d = (e α RH mean )/100 Κλίση καµπύλης πίεσης κορεσµού υδρατµών, (kpa/ o C) Για την δεδοµένη µέση θερµοκρασία του αέρα και την ήδη υπολογισµένη πίεση κορεσµού υδρατµών e α υπολογίζεται ως: = (4099 e α)/ (T ) 2 Λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης λ, (MJ/kg) Ο υπολογισµός του λ απαιτεί την µέση θερµοκρασία Ts στην επιφάνεια του νερού σε C. Κάνουµε την παραδοχή πως ισούται µε την µέση θερµοκρασία του αέρα (Ts=T). Η σχέση που δίνει το λ είναι: λ = T Ψυχροµετρικός συντελεστής γ, (kpa/ o C) Υπολογίζεται από την σχέση: γ = (P.Cp) / (0,622λ) όπου το λ υπολογίζεται ως άνω, Cp είναι ειδική θερµότητα αέρα για σταθερή πίεση και λαµβάνεται η τυπική τιµή Cp =1.013 kj/kg/ C, ε ο λόγος µοριακών βαρών νερού και ξηρού αέρα και λαµβάνεται η τιµή ε=0.622 και P η ατµοσφαιρική πίεση όπου χρησιµοποιείται µία µέση τιµή συναρτήσει του υψοµέτρου από την σχέση: P=101,3 [(293-0,0065z)/293] 5,26 όπου, z το υψόµετρο σε m πάνω από τη στάθµη της θάλασσας. 70

80 Αριθµός ηµέρας J Για την περίπτωση υπολογισµού σε ηµερήσιο χρονικό βήµα λαµβάνεται απλά ο αριθµός της ηµέρας στο έτος από 1 για την πρώτη Ιανουαρίου έως 365 για την 31η εκεµβρίου. Για τους υπολογισµούς σε µηνιαίο χρονικό βήµα λαµβάνεται µία αντιπροσωπευτική τιµή για κάθε µήνα, η οποία δίνεται από την σχέση: J = J 0 +(µ+1)-1 όπου µ ο αριθµός των ηµερών του µήνα, J 0 ο αριθµός ηµέρας της πρώτης ηµέρας του µήνα. Ηλιακή απόκλιση δ, rad ίνει το γεωγραφικό πλάτος στο οποίο πέφτουν κάθετα οι ακτίνες του ηλίου κατά τη µεσουράνησή του: δ = cos (2π J/ 365-2,98) Γωνία ώρας δύσης του ηλίου ω s, rad Χρησιµοποιώντας το υπολογισµένο δ και το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής φ, η γωνία ώρας δύσης του ηλίου δίνεται από την σχέση: ω s = cos -1 (-tan φ tan δ) Η χρήση αυτού του µεγέθους περιορίζει τους υπολογισµούς σε γεωγραφικά πλάτη φ <66.5. Αστρονοµική διάρκεια της ηµέρας N, h Έχοντας υπολογίζει το ω s, η αστρονοµική διάρκεια της ηµέρας σε ώρες δίνεται από την σχέση: N = (24/π) ω s Εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία S 0, kj/ m²/d Έχοντας υπολογίζει τα ω s, δ, η εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία δίνεται από την σχέση: S 0 = [(Is t d dr)/π]( ω s sinφ sinδ + sinω s cosφ cosδ) όπου td η µέση διάρκεια ηµέρας η οποία λαµβάνεται td=86400 s, Is ηλιακή σταθερά η οποία λαµβάνεται Is=1.367 kw/m² και dr η εκκεντρότητα η οποία δίνεται από την σχέση: dr = cos (2π J/365) 71

81 4.5 Μοντέλα για τη δυνητική και την εξατµισοδιαπνοή αναφοράς Τα τελευταία 50 χρόνια αναπτύχθηκε ένας µεγάλος αριθµός λιγότερο ή περισσότερο εµπειρικών µεθόδων από πολυάριθµους επιστήµονες και ειδικούς παγκοσµίως για τον υπολογισµό της εξατµισοδιαπνοής από διαφορετικές κλιµατολογικές µεταβλητές. Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκαν: α) Η µέθοδος Penman (1948), β) Η τροποποιηµένη µέθοδος του Penman FA0-24, (ή µέθοδος των Doorenbos Pruitt, 1977), γ) Η συνδυασµένη µέθοδος FAO Penman Monteith ( ), δ) Η µέθοδος Priestley -Taylor (1972), ε) Η τροποποιηµένη µέθοδος Blaney-Criddle κατά FAO-24, ζ) Η µέθοδος Hargreaves (1989), η) Η µέθοδος από τον Κουτσογιάννη (1997), θ) Η µέθοδος Thornthwaite (1948) Η µέθοδος Penman Χρησιµοποιώντας ένα συνδυασµό των µεθόδων ισοζυγίου ενέργειας και των µεθόδων µεταφοράς µάζας, το 1948 ο Penman, διατύπωσε την πρώτη σχέση που οφείλεται σε συνδυασµό µεθόδων και υπολόγιζε την εξάτµιση από υδάτινη επιφάνεια και κεκορεσµένες επιφάνειες γης. Σύµφωνα µε τον Penman, η εξάτµιση από µια υδάτινη επιφάνεια δίνεται από την εξίσωση: λet = [ /( +γ)](r n -G)+ [γ/( +γ)] λ 2,6 (0,5+0,53u 2 ) D όπου: ΕT η εξάτµιση (mm/day), γ ο ψυχροµετρικός συντελεστής (kpa/ o C), η κλίση της καµπύλης κορεσµού των υδρατµών (kpa/ o C), Rn η ολική καθαρή ενέργεια ακτινοβολίας (mm/day), G η κατακόρυφη µεταφορά θερµότητας προς το έδαφος (MJ/m 2 day), λ η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης (MJ/kg), D= (e α -e d ) το έλλειµµα κορεσµού των υδρατµών (kpa), και u 2 η µέση ταχύτητα ανέµου σε ύψος 2m. 72

82 4.5.2 Η συνδυασµένη µέθοδος FAO Penman Monteith Ο Monteith το εισήγαγε την έννοια της επιφανειακής αντίστασης των στοµάτων r s, η οποία εκφράζει την ελεγχόµενη από την χλωρίδα αντίσταση των φυλλωµάτων στην εξάτµιση. Η επιφανειακή αντίσταση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως την ακτινοβολία, το έλλειµµα κορεσµού, τη θερµοκρασία των φυλλωµάτων, το περιεχόµενο νερό στα φυλλώµατα, το ύψος των φυτών, (Σχήµα 4.4). Σύµφωνα µε τον FAO (Food and Agriculture Organization), η µέθοδος FAO Penman-Monteith συστήνεται ως µόνη πρότυπη µέθοδος. Είναι µια µέθοδος µε ισχυρή πιθανότητα σωστής εκτίµησης της ETo σε µια ευρεία σειρά θέσεων και κλιµάτων και µπορεί να εφαρµοστεί και σε καταστάσεις µη πλήρων δεδοµένων. (FAO, 1998.Ch. 2: 2). Σχήµα 4.4: Απλοποιηµένη αναπαράσταση της χοντροειδούς επιφανειακής και αεροδυναµικής αντίστασης για ροή υδρατµών (Πηγή: FAO, Ch. 2: 3) Figure 4.4: Simplified representation of the coarse surface and aerodynamic resistance to vapor flow (Source: FAO, Ch. 2: 3) Ο τύπος της συνδυασµένης µεθόδου FAO Penman-Monteith για την εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς είναι ο ακόλουθος: Etο ={ 0,408 (R n -G)+γ[900/(T+273)] u 2 (e α -e d ) }/[ +γ(1+0,34 u 2 )] όπου: ΕTo η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς (mm/day), T η µέση ηµερήσια θερµοκρασία ( o C), e α η πίεση κορεσµένων υδρατµών στη µέση θερµοκρασία (kpa), e d η πραγµατική πίεση υδρατµών της ατµόσφαιρας που αντιστοιχεί στη θερµοκρασία του σηµείου 73

83 δρόσου (kpa), (e α -e d )= έλλειµµα πίεσης κορεσµένων υδρατµών (kpa), 900=συντελεστής της καλλιέργειας αναφοράς και 0.34=συντελεστής της ταχύτητας του ανέµου για την καλλιέργεια αναφοράς. Οι υπόλοιπες µεταβλητές υπολογίζονται όπως ακριβώς και στη µέθοδο Penman Η τροποποιηµένη µέθοδος Penman κατά FAO-24 (ή µέθοδος των Doorenbos -Pruitt) Οι Doorenbos and Pruitt (1977) πρότειναν ελαφρές τροποποιήσεις της µεθόδου Penman, χωρίς να εισαγάγουν στις τροποποιήσεις αυτές την έννοια της επιφανειακής αντίστασης. Η πρώτη τροποποίηση είναι η εισαγωγή του συντελεστή αναγωγής c που εξαρτάται από την µέγιστη σχετική υγρασία, την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος, την ταχύτητα ανέµου κατά την διάρκεια της νύχτας. Η δεύτερη τροποποίηση αφορά στη συνάρτηση ανέµου, η οποία είναι F(u)=2,7(1+0.86u 2 ). Η µέθοδος των Doorenbos-Pruitt συνοψίζεται στην σχέση που δίνει την εξατµισοδιαπνοή αναφοράς για χορτοτάπητα και έχει τη µορφή: ETο= c[ /( +γ)] (R n -G)+ [γ/( +γ)] 2,7 (1+0,864 u 2 ) D Ο συντελεστής αναγωγής c είναι 0,88, ενώ η ΕTo η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς και η ολική καθαρή ενέργεια ακτινοβολίας Rn υπολογίζονται σε mm/day. Οι υπόλοιπες µεταβλητές υπολογίζονται όπως ακριβώς και στη µέθοδο Penman Η µέθοδος των Priestley-Taylor Μια αρκετά διαδεδοµένη, εύχρηστη και ικανοποιητικά ακριβής απλοποίηση για την εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς είναι αυτή των Priestley and Taylor (1972) που περιγράφεται από την εξίσωση: λetο= α[ /( +γ)] (R n -G) Για εκτεταµένες επιφάνειες ξηράς και επιφάνειες νερού χωρίς µεταφορά ενέργειας, οι Priestley και Taylor βρήκαν ότι η καλύτερη τιµή είναι α=1,26. Υπάρχουν όµως κι ενδείξεις ότι το α µπορεί να είναι ελαφρά µεγαλύτερο, κοντά στην τιµή 1,28. Οι υπόλοιπες µεταβλητές υπολογίζονται όπως ακριβώς και στη µέθοδο Penman. 74

84 4.5.5 Η µέθοδος από τον Κουτσογιάννη Μια ακριβέστερη µέθοδος (Κουτσογιάννης, 1997) στηρίζεται στην εφαρµογή της παρακάτω εµπειρικής σχέσης. Οι άγνωστοι παράµετροι a, b, c υπολογίζονται από τη µέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, χρησιµοποιώντας τα υπολογισµένα µε τη µέθοδο Penman δεδοµένα της εξάτµισης Ε (mm/d) και τα αντίστοιχα δεδοµένα θερµοκρασίας Ta ( o C) και εξωγήινης ακτινοβολίας S 0 (kj/(m2 d)) σύµφωνα µε την εξίσωση: ET= (α S o b)/(1-c T a ) Με την µέθοδο της γεωγραφικής παρεµβολής παραµέτρων βρέθηκε ότι για την περιοχή της Χαλκιδικής οι παράµετροι είναι c =0,025140,α = 0, και b=0, (Τέγος, 2007). Η εξωγήινη ακτινοβολία S 0 µπορεί να υπολογισθεί όπως αναφέρθηκε παραπάνω είτε οι τιµές της να παρθούν από τον παρακάτω πίνακα: Πίνακας 4.1: Μέσες µηνιαίες τιµές της εξωγήινης ηλιακής ακτινοβολίας S 0 σε kj/m2/d για γεωγραφικά πλάτη (φ) 36ο - 46ο στο Βόρειο Ηµισφαίριο. Table 4.1: Average monthly prices of extraterrestrial solar radiation S 0 in kj/m2/d for latitudes 36th - 46th in the Northern Hemisphere. 4.6 Εµπειρικά µοντέλα Η πολυπλοκότητα των µεθόδων συνδυασµού για τον υπολογισµό της εξάτµισης και της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς καθώς και η απαίτηση τους σε πολλά δεδοµένα εισόδου οδήγησε τους ερευνητές στη αναζήτηση απλούστερών εξισώσεων. Οι 75

85 µέθοδοι αυτοί βασίζονται σε εµπειρικές εκφράσεις, απαιτούν θερµοκρασιακά δεδοµένα εισόδου και έχουν τύχη ευρείας εφαρµογής κυρίως για την εκτίµησης των υδατικών αναγκών Η τροποποιηµένη µέθοδος Blaney-Criddle κατά FAO-24 Η τροποποιηµένη µέθοδος Blaney-Criddle έχει χρησιµοποιηθεί ευρύτατα σε πολλές χώρες και ειδικότερα στην Ελλάδα για την εκτίµηση των αρδευτικών αναγκών. Η σχέση εκτιµά την εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς µε βάση τον χορτοτάπητα και γράφεται: ΕΤο = a + bf, όπου f = (0,46T +8,13) p και a και b συντελεστές που υπολογίζονται σύµφωνα µε τις παρακάτω σχέσεις: a = RΗmin n/n 1.41 b = RΗmin n/n u RΗmin n/n RΗmin u όπου ΕTo η εξατµισοδιαπνοή αναφοράς (mm/day), RΗmin η ελάχιστη σχετική υγρασία της ατµόσφαιρας σαν ποσοστό % και u η ταχύτητα ανέµου κατά τη διάρκεια της ηµέρας σε m/s, µετρηµένη σε ύψος 2 m και p το ηµερήσιο ποσοστό ωρών ηµέρας. Το ποσοστό αυτό για το γεωγραφικό πλάτος των 40 ο δίνεται από τον πίνακα 4.2: Πίνακας 4.2: Ηµερήσιο ποσοστό ωρών ηµέρας - Table 4.2: Daily percentage of hours of day 40 ο Ιαν. Φεβ. Μαρ. Απρ. Μαϊ. Ιουν. Ιουλ. Αυγ. Σεπτ. Οκτ. Νοεµ. εκ. p 0,22 0,24 0,27 0,3 0,32 0,34 0,33 0,31 0,28 0,25 0,22 0,21 Επίσης, n η πραγµατική ηλιοφάνεια σε ώρες και Ν η µέγιστη πιθανή ηλιοφάνεια σε ώρες η οποία για το γεωγραφικό πλάτος των 40 ο δίνεται από τον πίνακα 4.3: Πίνακας 4.3: Η µέγιστη πιθανή ηλιοφάνεια σε ώρες - Table 4.3: The biggest likely sunlight in hours 40 ο Ιαν. Φεβ. Μαρ. Απρ. Μαϊ. Ιουν. Ιουλ. Αυγ. Σεπτ. Οκτ. Νοεµ. εκ. Ν 9,5 10,4 11, ,2 14,8 14,5 13,6 12,3 10,9 9,8 9,2 76

86 4.6.2 Η µέθοδος Thornthwaite O Thornthwaite το 1948, περιέγραψε τη βιολογική και φυσική σηµασία της εξατµισοδιαπνοής στην κλιµατική ταξινόµηση και ανέπτυξε µια εξίσωση για την εκτίµηση της δυνητικής εξατµισοδιαπνοής (ΕΤp). Είναι η πλέον απλή ως προς την υπολογιστική διαδικασία µέθοδος η οποία όµως έχει τύχει ευρύτατης εφαρµογής αν και τείνει να ξεπεραστεί (1948). Η δυνητική εξατµισοδιαπνοή κάποιου µήνα υπολογίζεται από την σχέση: Ep = 16(10 Ti/J) α (µ Ν/360) όπου Ti η µέση µηνιαία θερµοκρασία σε 0 C, µ ο αριθµός των ηµερών, Ν η µέση αστρονοµική διάρκεια της ηµέρας, J ο ετήσιος δείκτης θερµοκρασίας και α µια εµπειρική παράµετρος που εξαρτάται από το δείκτη J (α=0.016 J+0.5). Ο δείκτης θερµοκρασίας J, δίνεται από τη σχέση: 12 J=Σ i j i=1 ενώ ο µηνιαίος δείκτης θερµοκρασίας i j είναι συνάρτηση της µέσης µηνιαίας θερµοκρασίας και ο εµπειρικός συντελεστής a συνάρτηση του J κατά τις εξισώσεις: i j = 0.09 T ij 3/2 a = J Η µέθοδος παρουσιάζει κάποια µειονεκτήµατα, αφού η υπολογιζόµενη ΕΤ υποεκτιµάται, όταν η ακτινοβολία που προσλαµβάνει η γη έχει τη µέγιστη τιµή της (διάρκεια του καλοκαιριού) και κατά συνέπεια είναι και το φθινόπωρο εκτός φάσης. Αυτό αποδίδεται από πολλούς ερευνητές στη χρονική υστέρηση που παρουσιάζει η ετήσια πορεία της θερµοκρασίας ως προς την ακτινοβολία. Μεγάλη υποεκτίµηση της ΕΤ µε αυτή τη µέθοδο διαφαίνεται στα ξηρά και ηµίξηρα κλίµατα. Επίσης, η χρησιµοποίηση της µεθόδου για µικρά χρονικά διαστήµατα οδηγεί πολλές φορές σε σοβαρά λάθη, διότι η µέση θερµοκρασία µικρών χρονικών περιόδων δεν αποτελεί κατάλληλο µέτρο της εισερχόµενης ακτινοβολίας. Η µέθοδος είναι περισσότερο κατάλληλη για µεγαλύτερα χρονικά διαστήµατα και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, τόσο η θερµοκρασία όσο και η ΕΤ είναι όµοιες συναρτήσεις της καθαρής 77

87 ακτινοβολίας και ως εκ τούτου αυτοσυσχετίζονται όταν οι θεωρούµενες χρονικές περίοδοι είναι µεγάλες (Τσακίρης, 1995) Η µέθοδος Hargreaves Η µέθοδος του Hargreaves χρησιµοποιείται για να εκτιµηθεί η εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς. Η µέθοδος απαιτεί την ύπαρξη χρονοσειράς θερµοκρασίας µε µηνιαίο ή και ηµερήσιο χρονικό βήµα, η δε τιµή της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς Eto σε mm/d υπολογίζεται από την σχέση: Eto = (S 0 /λ) (Ta ) (Tmax Tmin) 0.5 όπου Eto η εξατµισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς σε mm/d, S 0 η εξωγήινη ακτινοβολία σε kj/(m2 d), λ η λανθάνουσα θερµότητα εξάτµισης σε kj/kg, Ta η µέση µηνιαία θερµοκρασία του αέρα σε o C, και Tmax Tmin η διαφορά της µέγιστης και ελάχιστης θερµοκρασίας σε o C. Η µέθοδος φαίνεται ότι δίνει ικανοποιητικά αποτελέσµατα µε σφάλµα της τάξης του 10-15% ή του 1 mm/d και συστήνεται ως µια ανεκτή προσέγγιση για την περίπτωση που τα µόνα διαθέσιµα µετεωρολογικά δεδοµένα είναι τα θερµοκρασιακά. 4.7 Tα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς Η εκτίµηση της ηµερήσιας εξατµισοδιαπνοής αναφοράς (ΕΤo) είναι µεγάλης σπουδαιότητας για τη διαχείριση των υδατικών πόρων, την εκτίµηση υδατικών ισοζυγίων, τον αρδευτικό σχεδιασµό, την πρόβλεψη της γεωργικής παραγωγής και την επίλυση πολλών θεωρητικών προβληµάτων της υδρολογίας και της µετεωρολογίας. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (Artificial Neural Networks -ANNs) έγιναν δηµοφιλή εξαιτίας των δυνατοτήτων τους για πρόβλεψη. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα είναι ένας κλάδος τεχνητής νοηµοσύνης, βασίζονται στην εκπαίδευση ενός δικτύου νευρώνων και αποτελούν µία υπολογιστική διαδικασία που µιµείται τον ανθρώπινο εγκέφαλο. Τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα έχουν την ικανότητα να εκτιµούν συναρτήσεις από δείγµα δεδοµένων, χωρίς να 78

88 προσδιορίζεται µαθηµατικά κατά ποιο τρόπο τα δεδοµένα εισόδου εξαρτώνται από τα δεδοµένα εξόδου. Η χρήση των τεχνητών νευρωνικών δικτύων στις γεωεπιστήµες είναι σχετικά πρόσφατη. Η δυνατότητα εφαρµογής τους στην υδρολογία, στους υδατικούς πόρους και στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής έχει διερευνηθεί από διάφορους ερευνητές (ASCE, 2000, Maier and Dandy, 2000, Samani, 2000; Odhiamboet al., 2001, Kumar et al., 2002, Sudheer et al., 2003, Trajkovic et al., 2003, Alvisi et al., 2006, ιαµαντοπούλου κ.α, 2007). Το πρόβληµα εύρεσης της κατάλληλης σχέσης εκτίµησης της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς (ETo), στις περιπτώσεις απουσίας µετρήσεων κάποιων µετεωρολογικών µεταβλητών ή ύπαρξης κενών στις µετρήσεις για την εφαρµογή της µεθόδου FAO Penman-Monteith αντιµετωπίστηκε µε την εφαρµογή της διαδικασίας της παλινδρόµησης (Draper and Smith 1998). Με τη διαδικασία αυτή καταρτίζονται µοντέλα εκτίµησης µε καλά αποτελέσµατα, όταν όµως οι προϋποθέσεις εφαρµογής της θεωρίας της παλινδρόµησης προσεγγίζονται µε ικανοποιητική ακρίβεια. Αυτό το γεγονός σε συνδυασµό µε την ιδιαιτερότητα της ETo της οποίας οι τιµές διαµορφώνονται από πολλές και αλληλοεξαρτώµενες µετεωρολογικές µεταβλητές αποτελούν τροχοπέδη στην εύρεση ενός στατιστικά καλού µοντέλου εκτίµησης ( ιαµαντοπούλου κ.α, 2008). Σ αυτό ακριβώς το σηµείο τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα δίνουν πολλές φορές λύση. Γενικά, τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα είναι κατάλληλα για εύρεση µοντέλου εκτίµησης όταν (Bailey and Thompson, 1990): α) η εφαρµογή γίνεται σε δεδοµένα που εξαρτώνται από πολλαπλές και αλληλοεξαρτώµενες παραµέτρους, β) υπάρχει επαρκής αριθµός δεδοµένων ή παραδειγµάτων και γ) τα διαθέσιµα δεδοµένα δεν είναι πλήρη, περιέχουν σφάλµατα και περιγράφουν συγκεκριµένα παραδείγµατα. Σε αρκετές µελέτες έχει γίνει προσπάθεια εφαρµογής των τεχνητών νευρωνικών δικτύων για την εκτίµηση της ETο. Σε µία πρόσφατη έρευνα (Seema Chauhan R. K. Shrivastava, 2008), που αφορά την περιοχή Raipur στην Ινδία, έγινε εφαρµογή δύο µοντέλων των τεχνητών νευρωνικών δικτύων στην εκτίµηση της ETο, χρησιµοποιώντας δεδοµένα ελάχιστης και µέγιστη θερµοκρασίας. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε τα αντίστοιχα της µεθόδου FAO Penman-Monteith. Όπως φαίνεται και στα Σχήµατα 4.5 και 4.6 τα αποτελέσµατα είχαν πολύ καλή συσχέτιση, γεγονός που αποδεικνύει ότι τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα είναι χρήσιµα εργαλεία στην εκτίµηση της ETο. 79

89 Σχήµα 4.5: Σύγκριση µεταξύ των µεθόδων Penman -Monteith και των τεχνητών νευρωνικών δικτύων (µοντέλο ANN-1) στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς από τον Ιανουάριο 2002 έως εκέµβριο 2005, (Seema Chauhan R. K. Shrivastava, 2008). Figure 4.5: Comparison between Penman Monteith estimated grass reference evapotranspiration and ANN model-1 with configuration of (2 4 1) estimated grass reference evapotranspiration for test period from Jan 2002 to Dec 2005, (Seema Chauhan R. K. Shrivastava, 2008) Σχήµα 4.6: Σύγκριση µεταξύ των µεθόδων Penman -Monteith και των τεχνητών νευρωνικών δικτύων (µοντέλο ANN-2) στην εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς από τον Ιανουάριο 2002 έως εκέµβριο 2005, (Seema Chauhan R. K. Shrivastava, 2008). Figure 4.6: Comparison between Penman Monteith estimated grass reference evapotranspiration and ANN model-2 with configuration of (6 7 1) estimated grass reference evapotranspiration for test period from Jan 2002 to Dec 2005, (Seema Chauhan R. K. Shrivastava, 2008). 80

90 Σε µία δεύτερη µελέτη ( ιαµαντοπούλου κ.α, 2008), έγινε εφαρµογή των τεχνητών νευρωνικών δικτύων για την εκτίµηση της ηµερήσιας ΕΤο στις εξής περιπτώσεις: α) που δεν υπήρχαν µετρήσεις καθαρής ακτινοβολίας, προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και ηλιοφάνειας και β) που υπήρχαν µόνο µετρήσεις θερµοκρασίας. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε τα αντίστοιχα της µεθόδου FAO Penman-Monteith που υπολογίστηκαν µε πλήρη µετρηµένα δεδοµένα ενός αυτόµατου τηλεµετρικού σταθµού στην Πιπεριά Αριδαίας. Από τις συγκρίσεις προέκυψε ότι οι τιµές της ηµερήσιας ETo που υπολογίστηκαν µε τα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα είναι πολύ κοντά στις αντίστοιχες τιµές της ΕΤο που υπολογίστηκαν µε τη µέθοδο FAO Penman-Monteith µε πλήρη µετρηµένα δεδοµένα και για τις δύο περιπτώσεις (Σχήµα 4.7). Σχήµα 4.7: Σύγκριση των ηµερήσιων εκτιµήσεων της ETo στο σταθµό της Πιπεριάς Αριδαίας που προκύπτουν από τη χρήση της µεθόδου FAO Penman-Monteith (ETo (P-M)) και τη χρήση των τεχνητών νευρωνικών δικτύων (EToANN), ευθεία (1:1), για τις περιπτώσεις των επτά και πέντε εισόδων, για τα έτη 1994 και 1995, ( ιαµαντοπούλου κ.α, 2008), 81

91 Figure 4. 7: Comparison of daily estimates of ETo in station Pιperια Arideas arising from use of the FAO Penman-Monteith (ETo (PM)) and the use of TND (EToANN), straight (1:1), for the years 1994 and 1995, ( ιαµαντοπούλου et al, 2008). 4.8 Η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή Η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή µιας περιοχής αποτελεί τη συνισταµένη πολλών παραγόντων, όπως του συνολικού ύψους βροχής, της κατανοµής της βροχής, της φυτικής κάλυψης, των γεωλογικών χαρακτηριστικών και των µετεωρολογικών συνθηκών που επηρεάζουν την εξάτµιση και διαπνοή. Για τον υπολογισµό της για µικρά σχετικά χρονικά διαστήµατα λαµβάνεται υπόψη το σύστηµα έδαφος-φυτόατµόσφαιρα, ενώ για µεγάλες χρονικές περιόδους η µέση πραγµατική εξατµισοδιαπνοή συνήθως υπολογίζεται, συναρτήσει των αντίστοιχων µέσων τιµών της βροχόπτωσης και της θερµοκρασίας του αέρα. Τα µοντέλα που αναπτύχθηκαν για τον υπολογισµό της πραγµατικής εξατµισοδιαπνοής είναι πολλά και διαφοροποιούνται ανάλογα µε τον τρόπο που περιγράφουν τη σχέση και εξάρτησή της από διάφορους παράγοντες. Τα µοντέλα τα οποία βασίζονται στον «φυτικό συντελεστή» χρησιµοποιούνται εκτεταµένα στον υπολογισµό των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών. Απαιτούν την εκτίµηση της εξατµισοδιαπνοής αναφοράς ΕΤο και ένα εµπειρικά προσδιορισµένο φυτικό συντελεστή kc. Η πραγµατική εξατµισοδιαπνοή είναι ίση µε την εξατµισοδιαπνοή καλλιέργειας και αντιπροσωπεύει το νερό που χρησιµοποιείται από µια καλλιέργεια κάτω από πραγµατικές συνθήκες που επικρατούν στον αγρό. Οι περισσότερες από τις επιδράσεις των διαφόρων καιρικών συνθηκών ενσωµατώνονται στην εκτίµηση της ETo. Εποµένως, δεδοµένου ότι η ETo αντιπροσωπεύει ένα κλιµατικό πλαίσιο, ο συντελεστής Kc µεταβάλλεται κυρίως ως συνάρτηση των συγκεκριµένων χαρακτηριστικών της καλλιέργειας και σε περιορισµένο βαθµό ως συνάρτηση του κλίµατος. Αυτό επιτρέπει την µεταφορά των τυπικών τιµών του Kc σε διαφορετικές θέσεις και κλίµατα. Το γεγονός αυτό αποτέλεσε έναν από τους πρωταρχικούς λόγους για την παγκόσµια αποδοχή και χρησιµότητα της προσέγγισης µε τον συντελεστή καλλιέργειας και των τιµών που αναπτύχθηκαν σε προηγούµενες µελέτες (FAO, Ch. 5: 2). 82

92 Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον φυτικό συντελεστή kc αναφέρονται αναλυτικά παρακάτω: Τύπος της καλλιέργειας Λόγω των διαφορών στη λευκαύγεια, το ύψος της καλλιέργειας, τις αεροδυναµικές ιδιότητες, και τις ιδιότητες των φύλλων και των στοµάτων, η εξατµισοδιαπνοή µιας καλλιέργειας διαφέρει από την ETo. Κλίµα Οι τυπικές τιµές που δίνονται για τον συντελεστή Kc αποτελούν µέσες τιµές που αναµένονται σε τυπικές κλιµατικές συνθήκες, οι οποίες καθορίζονται ως υγρό κλίµα µε µέση ελάχιστη σχετική υγρασία κατά την διάρκεια της ηµέρας RHmin 45% και µικρές µε µέτριες ταχύτητες ανέµου µέσου όρου 2 m/s. Η σχετική επίδραση του κλίµατος στον συντελεστή Kc για πλήρως ανεπτυγµένες καλλιέργειες απεικονίζεται στο Σχήµα 4.8. Τα ανώτερα όρια αντιπροσωπεύουν τις εξαιρετικά ξηρές και θυελλώδεις συνθήκες, ενώ τα κατώτερα όρια ισχύουν στις πολύ υγρές και ήρεµες καιρικές συνθήκες. Οι διακυµάνσεις που αναµένονται για τον συντελεστή Kc όταν µεταβάλλονται οι κλιµατικές και καιρικές συνθήκες είναι αρκετά µικρές για τις χαµηλές καλλιέργειες αλλά µεγάλες για τις ψηλές καλλιέργειες. Σχήµα 4.8: Ακραίες διακυµάνσεις που αναµένονται για τον συντελεστή Kc για πλήρως ανεπτυγµένες καλλιέργειες όταν µεταβάλλονται οι κλιµατικές και καιρικές συνθήκες (Πηγή: FAO, Ch. 5: 4) Figure 4.8: Extreme fluctuations that are expected for the factor Kc for completely developed cultures under climate change and weather conditions (Source: FAO, Ch. 5:4) 83

93 Εδαφική εξάτµιση Η επίδραση της εξάτµισης στον συντελεστή Kc απεικονίζεται στο Σχήµα 4.9. Η οριζόντια γραµµή αντιπροσωπεύει τον συντελεστή Kc όταν η εδαφική επιφάνεια διατηρείται συνεχώς υγρή. Η καµπύλη γραµµή αντιστοιχεί στον συντελεστή Kc όταν η εδαφική επιφάνεια διατηρείται ξηρή αλλά η καλλιέργεια λαµβάνει επαρκές νερό για να διατηρείται πλήρης διαπνοή. Σχήµα 4.9 : Η επίδραση της εξάτµισης στον συντελεστή Kc (Πηγή: FAO, Ch. 5: 5) Figure 4.9: The effect of evaporation in the factor Kc (Source: FAO, Ch. 5:5) Στάδια ανάπτυξης της καλλιέργειας Καθώς η καλλιέργεια αναπτύσσεται, η κάλυψη του εδάφους, το ύψος της καλλιέργειας και η επιφάνεια των φύλλων αλλάζουν. Λόγω διαφορών στην εξατµισοδιαπνοή κατά τη διάρκεια των διαφόρων σταδίων ανάπτυξης, ο συντελεστής Kc για δεδοµένη καλλιέργεια θα κυµαίνεται κατά την διάρκεια της περιόδου ανάπτυξης. Η περίοδος ανάπτυξης µπορεί να διαιρεθεί σε τέσσερα διακριτά στάδια: 1) αρχικό στάδιο 2) στάδιο ανάπτυξης της καλλιέργειας 3) στάδιο µέσης εποχής 4) στάδιο τέλους εποχής Στο Σχήµα 4.10 παρουσιάζεται η γενική ακολουθία και η αναλογία αυτών των σταδίων για διαφορετικούς τύπους καλλιέργειας. 84

94 Σχήµα 4.10: Τυπικές διακυµάνσεις που αναµένονται για τον συντελεστή Kc στα τέσσερα στάδια ανάπτυξης (Πηγή: FAO, Ch. 5: 7) Figure 4.10: Formal fluctuations that are expected for the factor Kc in the four stages of growth (Source: FAO, Ch. 5:7) Φυτικοί συντελεστές για τις Ελληνικές συνθήκες Ο προσδιορισµός φυτικών συντελεστών προσαρµοσµένων στις Ελληνικές συνθήκες (Παπαζαφειρίου, 1999), έγινε στα πλαίσια ερευνητικού προγράµµατος, που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Υδραυλικής, του Τµήµατος Γεωπονίας, του Α.Π.Θ., µε επιστηµονικό υπεύθυνο τον καθηγητή Ζαφείρη Παπαζαφειρίου, µε εγκατάσταση πειραµατικών σε όλη την Ελλάδα και σε διάφορες καλλιέργειες. Οι αναθεωρηµένοι µε βάση τη συνδυασµένη µέθοδο Penman-Monteith κατά FAO φυτικοί συντελεστές προσαρµοσµένοι στις κλιµατικές συνθήκες της Ελλάδας, κατά µήνα για τα φυλλοβόλα οπωροφόρα, τα εσπεριδοειδή, τους ελαιώνες και τους αµπελώνες και για καθένα από τα τέσσερα στάδια ανάπτυξης, για τέσσερις βασικές ετήσιες καλλιέργειες (αραβόσιτος, βαµβάκι, ζαχαρότευτλα, βιοµηχανική ντοµάτα) δίνονται στους πίνακες 4.4 και 4.5, (Παπαζαφειρίου, 1999). Oι αντίστοιχοι φυτικοί συντελεστές για την τροποποιηµένη µέθοδο Penman κατά FAO-24 δίνονται στους πίνακες 4.6 και 4.7, (Παπαζαφειρίου, 1999). 85

95 Πίνακας 4.4: Φυτικοί συντελεστές κατά µήνα, K c, δενδρωδών καλλιεργειών και αµπελώνων, προσαρµοσµένων στις κλιµατικές συνθήκες της Ελλάδος, για χρήση µε τη συνδυασµένη µέθοδο Penman-Monteith κατά FAO. Table 4.4: Plant factors at month, Kc, arborised cultures and vineyards, adapted in the climatic conditions of Greece, for use with the combined method FAO Penman-Monteith. Πίνακας 4.5: Φυτικοί συντελεστές κατά στάδιο ανάπτυξης, K c, τεσσάρων βασικών ετήσιων καλλιεργειών, προσαρµοσµένων στις κλιµατικές συνθήκες της Ελλάδος, για χρήση µε τη συνδυασµένη µέθοδο Penman-Monteith κατά FAO. Table 4.5: Plant factors at stage of growth, Kc, four major annual crops, adapted in the climatic conditions of Greece, for use with the combined method FAO Penman-Monteith. 86

96 Πίνακας 4.6: Φυτικοί συντελεστές κατά µήνα, Kc, δενδρωδών καλλιεργειών και αµπελώνων, προσαρµοσµένων στις κλιµατικές συνθήκες της Ελλάδος, για χρήση µε την τροποποιηµένη µέθοδο Penman κατά FAO-24. Table 4.6: Plant factors at month, Kc, arborised cultures and vineyards, adapted in the climatic conditions of Greece, for use with the modified method Penman FAO-24. Πίνακας 4.7 Φυτικοί συντελεστές κατά στάδιο ανάπτυξης, Kc, τεσσάρων βασικών ετήσιων καλλιεργειών, προσαρµοσµένων στις κλιµατικές συνθήκες της Ελλάδος, για χρήση µε την τροποποιηµένη µέθοδο Penman κατά FΑΟ-24. Table 4.7: Plant factors at stage of growth, Kc, four major annual crops, adapted in the climatic conditions of Greece, for use with the modified method Penman FAO

97 Κεφάλαιο 5 Εφαρµογή: Εκτίµηση και αξιολόγηση της κλιµατικής αλλαγής στην περιοχή των Μουδανιών 5.1 Σύντοµη περιγραφή της εφαρµογής Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας εστιάζεται κυρίως ο ρόλος της γεωργικής χρήσης της γης στο υδατικό ισοζύγιο και ειδικότερα η συνιστώσα της εξατµισοδιαπνοής. Για το λόγω αυτό, υπολογίστηκε η πραγµατική και δυνητική εξατµισοδιαπνοή κατά την διάρκεια της περιόδου για την περιοχή της λεκάνης απορροής των Μουδανιών. Οι µέθοδοι που χρησιµοποιήθηκαν αναφέρθηκαν αναλυτικά στο τέταρτο κεφάλαιο ενώ η µέθοδος FAO Penman - Monteith (FAO, 1998), αποτέλεσε την µέθοδο αναφοράς. Ως περιοχή µελέτης επιλέχτηκε η λεκάνη απορροής της ευρύτερης περιοχής των Μουδανιών, στο νοτιοδυτικό τµήµα του Νοµού Χαλκιδικής, δεδοµένου ότι αποτελεί περιοχή µεγάλης και εντατικής γεωργικής δραστηριότητας. Με βάση παρατηρήσεις για την χρονική κατανοµή των θερµοκρασιών και των βροχοπτώσεων στην περιοχή, και µε τη βοήθεια του περιοχικού µοντέλου KNMI-RACMO2, επιχειρείται η αξιολόγηση των κλιµατικών εκτιµήσεων µέχρι το Επιπλέον, εκτιµώνται οι αλλαγές στο υδατικό ισοζύγιο της λεκάνης απορροής. 5.2 Περιγραφή της περιοχής µελέτης Γενικά στοιχεία Η λεκάνη απορροής η οποία εξετάζεται βρίσκεται νοτιοδυτικά στο Νοµό Χαλκιδικής, στην ευρύτερη περιοχή των Μουδανιών, και εκτείνεται προς το βορρά µέχρι και το ηµοτικό ιαµέρισµα Βάβδου (Σχήµα 5.1). Η περιοχή έρευνας είναι προς το βορρά λοφώδης και ορεινή, ενώ προσεγγίζοντας τη θάλασσα η περιοχή είναι επίπεδη και πεδινή. Η συνολική έκταση της λεκάνης είναι km 2, µε µέσο ύψος εδάφους m και µέση εδαφική κλίση 1.8%, (Λατινόπουλος, 2003). 88

98 Σχήµα 5.1: Η λεκάνη απορροής της περιοχής έρευνας (Λατινόπουλος, 2003). Figure 5.1: The region of research (Latinopoulos, 2003). Η λεκάνη παρουσιάζει γενικά µικρές κλίσεις και έχει αραιή φυτική βλάστηση λόγω των γεωργικών καλλιεργειών, ενώ τα δάση περιορίζονται στο ορεινό της τµήµα. Τα προηγούµενα χαρακτηριστικά, σε συνδυασµό µε τις σχετικά διαπερατές εδαφικές κλίσεις, επηρεάζουν σηµαντικά την απορροή της λεκάνης. Το 80% της λεκάνης απορροής είναι καλλιεργήσιµη έκταση και το 20% είναι δασική, ενώ η λεκάνη χαρακτηρίζεται από πυκνό υδρογραφικό δίκτυο, (Λατινόπουλος, 2003) Κλιµατικά στοιχεία Η λεκάνη των Μουδανιών εντάσσεται στο ανατολικό τµήµα της ευρύτερης λεκάνης της Μεσογείου. Στη Μεσόγειο επιδρούν οι κυρίαρχοι µηχανισµοί που επιδρούν και στη διαµόρφωση του παγκόσµιου κλίµατος και είναι ουσιαστικά µια µεταβατική ζώνη ανάµεσα στις περιοχές των υποτροπικών υψηλών και στις περιοχές των µέσων γεωγραφικών πλατών (Tolika, 2005). 89

99 Τα διαθέσιµα βροχοµετρικά στοιχεία (Λατινόπουλος, 2003) προέρχονται από το σταθµό του Αγίου Μάµα, ο οποίος βρίσκεται νοτιοανατολικά της λεκάνης απορροής και σε απόσταση 2 km από την περίµετρό της. Στον πίνακα 5.1 παρουσιάζονται οι µέσες µηνιαίες τιµές ύψους βροχής και θερµοκρασιών για την περίοδο , καθώς και η µέση ετήσια τιµή της θερµοκρασίας και η µέση τιµή του ετήσιου ύψους βροχής. Πίνακας 5.1 : Μέσες µηνιαίες τιµές θερµοκρασίας και ύψους βροχής για την περίοδο σταθµού Αγίου Μάµα. Table 5.1: Average monthly temperature and rainfall amount for the period Station of St. Mamas. Μήνας Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαϊ Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε εκ ΕΤΗΣΙΑ Τ ( o C) P(mm) Παρατηρούµε ότι ο πιο θερµός µήνας είναι ο Αύγουστος µε C και ψυχρότερος ο Ιανουάριος µε 6.45 C, µε µέση ετήσια θερµοκρασία C. Αντίστοιχα, µεγαλύτερο ύψος βροχής παρατηρείται το Νοέµβριο µε 60.11mm, ενώ µικρότερο τον Αύγουστο µε 17.11mm, και το ετήσιο ύψος βροχής είναι mm. 5.3 Εκτίµηση των κλιµατικών αλλαγών στη λεκάνη των Μουδανιών µε τη βοήθεια του περιοχικού κλιµατικου µοντέλου KNMI - RACMO Εισαγωγή Το κλίµα διαφέρει από περιοχή σε περιοχή. Αυτό οφείλεται στην άνιση κατανοµής της ηλιακής ενέργειας, στις µεµονωµένες αποκρίσεις της ατµόσφαιρας, των ωκεανών και της επιφάνειας του εδάφους και τις αλληλεπιδράσεις τους, και στα φυσικά χαρακτηριστικά της κάθε περιοχής. Οι διαταραχές στη χηµική σύσταση της ατµόσφαιρας έχουν κάποιες επιπτώσεις σε ορισµένες από αυτές τις αλληλεπιδράσεις και µπορούν να οδηγήσουν σε παγκόσµιες αλλαγές, (IPCC, 2007). 90

100 Ορισµένοι ανθρωπογενείς παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στο κλίµα είναι παγκόσµιας εµβέλειας, ενώ άλλοι διαφέρουν από τη µια περιοχή στην άλλη. Για παράδειγµα, το διοξείδιο του άνθρακα, που προκαλεί τη θέρµανση του πλανήτη, κατανέµεται οµοιόµορφα σε όλα τα µήκη και πλάτη, ανεξάρτητα από που προέρχονται οι εκποµπές του, ενώ τα θειικά αερολύµατα, που προκαλούν ένα µέρος της θέρµανσης αυτής, τείνουν να είναι τοπικού χαρακτήρα, (IPCC, 2007). Η γεωγραφική τοποθεσία, όσον αφορά στους ωκεανούς και τις οροσειρές, είναι επίσης ένας σηµαντικός παράγοντας. Σύµφωνα µε προγνώσεις, το εσωτερικό των ηπείρων θα θερµανθεί περισσότερο από τις παράκτιες περιοχές. Οι βροχοπτώσεις εξαρτώνται όχι µόνο από την ηπειρωτική κατανοµή, αλλά και από τη δοµή των κοντινών οροσειρών και την κατεύθυνση των ανέµων. Επίσης, οι βροχοπτώσεις εκτιµάται ότι θα αυξηθούν στους πόλους και θα µειωθούν στις τροπικές περιοχές, ενώ η ποσότητα της εκτιµώµενης θέρµανσης αυξάνεται από τις τροπικές περιοχές προς το Βόρειο Πόλο, (IPCC, 2007). Όσον αφορά στον ελλαδικό χώρο, οι φυσικο-γεωγραφικοί παράγοντες που επηρεάζουν τα κλιµατικά χαρακτηριστικά του είναι τα όρη στη δύση και την ανατολή, οι αλληλεπιδράσεις εδάφους-θάλασσας, η κατανοµή της θερµοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας στη Μεσόγειο, η επανυγροποίηση των αερίων µαζών που διατρέχουν το Αιγαίο και η ατµοσφαιρική κυκλοφορία. υστυχώς, το έντονο ανάγλυφο και το πλήθος των νησιών δηµιουργούν σύνθετες συνθήκες, δυσκολεύοντας ακόµη περισσότερο την κλιµατική πρόβλεψη, ειδικά σε ότι αφορά στις βροχοπτώσεις, (Tolika et al., 2006) Χρήση περιοχικών κλιµατικών µοντέλων στην περιοχή των Μουδανιών Παρά τις κλιµατικές εκτιµήσεις των παγκόσµιων ή περιοχικών µοντέλων που εστιάζουν στην Ευρώπη, είναι απαραίτητη η εξέταση της απόκρισης του τοπικού κλιµατικού συστήµατος στον ελλαδικό χώρο για την απόκτηση πιο λεπτοµερειακών δεδοµένων. Αυτό έχει γίνει δυνατό τα τελευταία χρόνια µε τη χρήση διαφόρων µεθόδων υποβιβασµού κλίµακας, (Tolika et al.2006, Tolika et al.2008). Τα περιοχικά κλιµατικά µοντέλα, παρά τις δυσκολίες που παρουσιάζει η εφαρµογή τους, έχουν εξελιχθεί πολύ. Ως δεδοµένα για την εκτίµηση των κλιµατικών αλλαγών και των µελλοντικών ισοζυγίων στην λεκάνη απορροής της περιοχής έρευνας των Μουδανιών, χρησιµοποιούνται τα αποτελέσµατα του περιοχικού 91

101 µοντέλου KNMI-RACMO2, (Πηγή: European Commission ENSEMBLES project Επιστηµονικός Υπεύθυνος κ. Παναγιώτης Μαχαίρας, Καθηγητής Κλιµατολογίας Α.Π.Θ.). Πρόκειται για µοντέλο δυναµικού υποβιβασµού κλίµακας, το οποίο έχει χωρική ανάλυση 25x25 km, αλλά διαφοροποίειται ως προς τον «γονέα» µοντέλο γενικής κυκλοφορίας και ως προς το σενάριο εκποµπών SRES που εφαρµόζει. Παρακάτω παρουσιάζεται αναλυτικά το µοντέλο (Tolika et al., 2008) Μοντέλο KNMI-RACMO2 To Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI) δηµιούργησε το δυναµικό µοντέλο (ΚΝΜΙ-RACMO2) µε «γονέα» µοντέλο γενικής κυκλοφορίας το ECHAM5. Τα δεδοµένα καλύπτουν τη χρονική περίοδο και για τις µελλοντικές προβολές του χρησιµοποιήθηκε το σενάριο εκποµπών SRES A1B. Το RACMO2 βασίστηκε στις φυσικές παραµετροποιήσεις (23r4) του ΕCMWF (European Centre for Medium Range Weather Forecasts ( ECMWF the centre) οι οποίες εφαρµόστηκαν και κατά τη δηµιουργία της βάσης δεδοµένων re-analysis ERA-40 ( Πιο αναλυτικά το παρόν µοντέλο χρησιµοποιεί βελτιωµένες παραµετροποιήσεις ροής µάζας και παραµετροποιήσεις φυσικής και πρόγνωσης νεφών κατά Tiedtke (1989), καθώς και εξισώσεις TESSEL για την προσοµοίωση των επιφανειακών και επιεδάφιων διεργασιών, συµπεριλαµβανοµένων τεσσάρων επιπέδων εδάφους (τόσο για την υγρασία όσο και για τη θερµοκρασία του εδάφους) και της επιεδάφιας θερµοκρασίας. Το RACMO2 χρησιµοποιεί ηµι-λαγκρασιανό δυναµικό πυρήνα και η χωρική του ανάλυση είναι 25x25km. Η περιοχή που καλύπτει (ευρωπαϊκός χώρος) παρουσιάζει 114 σηµεία πλέγµατος κατά γεωγραφικό µήκος και 124 κατά γεωγραφικό πλάτος. Τα κατακόρυφα επίπεδά του φτάνουν σε αριθµό τα 40. Αξίζει να αναφερθεί ότι έχει γίνει βελτίωση όσον αφορά στις οριζόντιες συνιστώσες του ανέµου, ώστε να γίνεται καλύτερη αναπαραγωγή των µέσων πεδίων των πιέσεων στην περιοχή που καλύπτει το µοντέλο. 92

102 5.4 Εφαρµογή του περιοχικού κλιµατικού µοντέλου στη λεκάνη των Μουδανιών Εισαγωγή Για τη διερεύνηση του κλίµατος της περιοχής έρευνας, επιλέχθηκαν τέσσερα σηµεία πλέγµατος (grid points), τα οποία καλύπτουν την ευρύτερη περιοχή της Χαλκιδικής, εφόσον τα µοντέλα έχουν χωρική ανάλυση 25x25km. Οι συντεταγµένες τους παρουσιάζονται στον Πίνακα 5.2, ενώ η τοποθεσία τους φαίνεται στο Σχήµα 5.2 Είναι λογικό τα σηµεία πλέγµατος να µην εφαρµόζουν ακριβώς στην περιοχή έρευνας, γι αυτό και λαµβάνεται το µεσοποιηµένο σηµείο πλέγµατος, δηλαδή ο µέσος όρος των αντίστοιχων µετεωρολογικών παραµέτρων των τεσσάρων σηµείων. Πίνακας 5.2 : Συντεταγµένες των τεσσάρων σηµείων πλέγµατος Table 5.2: Coordinates of four grid points Σηµείο πλέγµατος Γεωγραφικό µήκος Γεωγραφικό πλάτος Grid point 1 Grid point 2 Grid point 3 Grid point 4 Μεσοποιηµένο Κασσανδρινό Ν. Πλάγια Γερακινή Γαλάτιστα Grid point 23,45 23,19 23,47 23,21 23,33 40,03 40,27 40,25 40,49 40,26 Τα δεδοµένα του µοντέλου ΚΝΜΙ-RACMO2 είναι ηµερήσια και περιλαµβάνουν: 1. Το ύψος της βροχής, 2. Την µέγιστη και ελάχιστη θερµοκρασία, 3. Την ατµοσφαιρική πίεση, 4. Την σχετική υγρασία, 5. Την ηλιοφάνεια, 6. Την ταχύτητα του ανέµου, 7. Την καθαρή ηλιακή ακτινοβολία Οι χρονικές περίοδοι οι οποίες εξετάζονται στην παρούσα εργασία είναι η περίοδος και η περίοδος για το µοντέλο KNMI-RACMO2. Το µοντέλο, χάριν συντοµίας, θα αναφέρεται παρακάτω ως KNMI. Στο Σχήµα 5.2 εµφανίζεται η τοποθεσία των τεσσάρων σηµείων πλέγµατος. 93

103 Σχήµα 5.2: Τοποθεσία των τεσσάρων σηµείων πλέγµατος. Figure 5.2: Location of four grid points Περίοδος Η περίοδος µελετάται µε την παρακολούθηση των κατανοµών των εφτά παραπάνω µηνιαίων παραµέτρων ανά δεκαετία και των µεταβολών για όλη την τριακονταετία. Οι τιµές υπολογίστηκαν για το µεσοποιηµένο σηµείο πλέγµατος. Τα πραγµατικά διαθέσιµα στοιχεία, (Λατινόπουλος, 2003) προέρχονται από το σταθµό του Αγίου Μάµα όπως προαναφέρθηκε και αφορούν, τις µέσες µηνιαίες τιµές ύψους βροχής και θερµοκρασιών για την περίοδο Παρακάτω παρουσιάζονται οι πίνακες µε τις µηνιαίες τιµές των εφτά µετεωρολογικών παραµέτρων ανά δεκαετία για το µοντέλο KNMI, (Πίνακες 5.3, 5.4, 5.5 ). Για µια συγκεκριµένη περιοχή και για ορισµένη περίοδο, τα αποτελέσµατα του µοντέλου θα πρέπει να βρίσκονται σε συµφωνία µε τις ήδη υπάρχουσες παρατηρήσεις. Προς το σκοπό αυτό, επιχειρείται η σύγκριση των µηνιαίων 94