Vztah
mezi extremitou
atmosférické cirkulace, srážek a povodní
RNDr. Miloslav Müller, Ph.D.
Ústav fyziky atmosféry, Akademie věd České republiky
Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědecká fakulta
1
Motivace
“Extreme events are generally
easy to recognize but
difficult to define.“
(Stephenson, 2008, p. 12)
“When scanning peer-reviewed literature on weather extremes and
its impacts, it is noticeable that many different methods are used to
make inferences. However, discussions on these methods are rare.
Such discussions are important since a particular methodological
choice might substantially influence the inferences made. “
(Visser and Petersen, 2012: Clim. Past, 8, 265–286)
2
http://snehulakvparnemlete.wordpress.com/
Osnova
• Extremita
• Extremita srážek
• Extremita povodní
• Extremita atmosférické cirkulace
3
Extremity
4
Intensity
Rarity
Severity
Beniston et al. (2007)
Hejnice, 7 August 2010: 179.0 mm
5
Aspects of extremity
Seasonality
Regionality
Extent
Duration
7 August 2010
Kašpar et al. (2013)
Hejnice, 6-7 August 2010: 252.5 mm
6
Aspects of extremity
Extent
Duration
6 August 2010 7 August 2010
Kašpar et al. (2013)
7
Aspects of extremity
Seasonality
Regionality
Extent
Duration
7 August 2010
Kašpar et al. (2013)
8
Aspects of extremity
Seasonality
Seasonality
Extent
Duration
Regionality
Mean daily totals Praha-Ruzyně (1961-2010, days R > 0)
9
Aspects of extremity
Seasonality
Seasonality
Extent
Duration
Regionality
Non-stationarity
Extremita srážek
17
Extremita srážek:
nejvyšší bodový denní úhrn
1. Czechia: 345.1 mm – Nová Louka, 29 July 1897
2. Austria: 323.2 mm – Semmering, 5 July 1947
3. Germany: 312.0 mm – Zinnwald-Georgenfeld, 12 August 2002
4. Poland: 300.0 mm – Hala Gasienicowa, 30 June 1973
5. Hungary: cca 260 mm
– Dad, 9 June 1953
6. Slovakia: 231.9 mm
– Salka, 12 July 1957
„EDÚS“
11Munzar et al. (2011)
Extremita srážek:
plošný průměr
12Kašpar and Müller (2008)
11
32
61
150
1
2
5
10
15
20
30
40
50
65
80
100
Rmin
Rmax
[mm]
Rmed
17.7. 1981
18.7. 1981
19.7. 1981
20.7. 1981
Plošné RR
44Rx(18.7.)=
3 2
6
max med min
x
R R R
R
 

Extremita srážek:
doby opakování
13
Churáňov
12. 8. 2002
96,7 mm
Extremita srážek:
doby opakování
14
11. - 13. 8. 2002
Extremita srážek:
severity graphs and diagrams
15Ramos et al. (2005)
Extremita srážek:
Weather Extremity Index
16Müller and Kašpar (2014)
 
 

a
n
N
RGE
n
i
ti
tata

 1
log
log
)max( taEWEI 
Extremita srážek:
Weather Extremity Index
17Müller and Kašpar (2014)
)max( taEWEI 
 
 

a
n
N
RGE
n
i
ti
tata

 1
log
log
Abnormalita srážek
18Müller and Kašpar (2014)
Abnormalita srážek
19Müller and Kašpar (2014)
dG
dG
d
ms
P
PP 

 






Extremita povodní
20
Extremity of floods:
Severity
Barredo, 2007: Nat Hazards,
42, 125–148.
• EU + Bulgaria and Romania
• 1950 – 2005
• 70+ casualties or
0.005% of EU GDP
• 23 flash floods + 21 river
floods
21Elmer et al. (2010)
22Herschy (2003)
World Catalogue of Maximum
Observed Floods.
• Rodier, J. A., Roche, M. J.,
1984: IAHS Publ. no. 143.
• Herschy, R. (ed.), 2003:
IAHS Publ. no. 284.
Extremity of floods:
Intensity
    10 1 log 6 / log 8k Q A         
Francou index:
Extremity of floods:
Rarity
• Kvantily
• Doby opakování
23
Qkulm
[m3s-1]
N
[yrs]
VIII 2002 4770 100
IX 1890 4450 100
VI 2013 3740 20-50
VII 1954 3180 10
VII 1981 3170 10
V 1896 3100 10
Labe (Elbe) in Děčín, MJJASO
atlas.ufa.cas.cz
24Uhlemann et al. (2010)
Extremity of floods:
Trans-basin floods
Uhlemann et al., 2010:
Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1277–1295
• Weighted cumulative discharge index
Extremity of floods:
Flood Extremity Index (FEI)
25
  

a
a
h
j
jti
a
a
a
aN
F


1
log
Müller et al. (2015)
)max( aFFEI 
Vzájemný vztah
povodní a srážek
CZ
27
Rank-
ings
First day
[yyyy-mm-dd]
Duration
[days] WEI
Area
[103
km2
]
Ce
[%]
First day
[yyyy-mm-dd]
Duration
[days] WAI
Area
[103
km2
]
Ca
[%]
First day
[yyyy-mm-dd] FEI
Area
[103
km2
]
1 1997-07-04 4 180.6 37.9 69 1997-07-03 5 133.6 28.4 93 2002-08-12 180.9 35.8
2 1981-07-17 4 177.1 45.0 39 1981-07-18 3 130.9 31.0 53 2006-03-28 139.4 48.2
3 2002-08-11 3 172.3 55.2 105 2010-09-25 3 126.4 29.1 22 1997-07-07 124.3 20.2
4 1983-08-01 5 148.3 39.6 8 2002-08-11 3 126.3 43.0 143 1981-03-10 77.5 19.5
5 2007-09-05 2 116.0 35.5 25 1979-09-21 4 117.6 33.1 0 1981-07-20 69.4 16.7
6 1977-07-31 3 113.5 44.2 35 1986-12-28 5 109.0 42.1 42 2010-05-17 65.9 7.6
7 1979-06-15 4 113.4 33.1 31 2007-09-05 3 105.2 27.0 28 2002-12-30 62.4 18.5
8 1985-08-06 4 109.3 35.6 41 1983-08-01 5 101.2 32.2 12 2002-08-07 60.8 9.1
9 2002-08-06 2 104.2 20.7 58 2010-01-08 3 96.8 33.5 0 1988-03-26 59.0 16.9
10 1979-09-21 4 97.0 37.9 0 2005-01-20 1 86.1 45.6 0 2010-06-02 48.2 8.2
11 2010-09-25 3 91.6 31.4 31 1998-10-28 5 85.5 48.3 34 2000-03-09 48.1 6.7
12 2006-08-05 3 87.3 34.6 21 1987-12-16 5 84.7 37.7 9 2005-03-17 47.3 11.1
13 1978-08-07 2 86.2 26.0 32 1970-02-20 4 81.3 47.6 23 1982-01-06 47.0 9.9
14 1977-08-18 5 82.5 53.3 53 1964-10-08 2 79.9 18.0 0 1993-12-21 46.0 5.9
15 2001-07-16 5 78.0 38.1 11 1978-05-07 1 78.9 17.9 49 1986-12-30 45.5 10.4
16 1964-08-08 3 73.6 18.2 22 1993-12-19 2 78.5 34.3 59 1985-08-07 44.7 8.3
17 2010-08-05 3 71.2 22.3 62 2002-08-06 2 77.3 14.3 79 2010-08-07 44.2 4.9
18 2006-05-26 2 65.7 17.6 60 1979-06-17 1 76.8 17.0 45 1980-07-21 43.9 6.2
19 1997-07-17 5 63.0 43.8 31 1974-12-05 4 75.0 19.0 40 1977-08-22 43.8 10.6
20 1991-07-31 3 61.2 30.8 22 2002-12-29 5 74.3 42.4 84 2006-06-30 43.3 4.0
21 1985-05-17 5 57.1 9.9 75 1991-11-16 5 72.3 32.4 0 1985-05-20 43.0 5.9
22 2009-06-22 5 56.5 14.8 67 1979-03-29 2 72.1 17.8 0 1965-06-05 41.3 5.7
23 1968-06-08 3 56.2 16.1 28 2005-12-30 5 71.8 17.6 0 1962-05-14 40.5 7.4
24 1992-06-23 1 53.5 10.5 8 1985-08-06 4 69.3 27.6 64 1977-08-01 39.6 5.1
25 1986-12-28 5 50.6 19.2 90 2002-03-19 5 68.9 19.0 23 2006-05-27 39.3 5.8
EPEs + APEs + EFEs
EPEs APEs EFEs
EPEs + APEs
APEs + EFEs
Müller et al. (2015)
28
Meziroční variabilita
• Extrémní
srážky
• Abnormální
srážky
• Extrémní
povodně
Müller et al. (2015)
29
Sezonalita
• Povodně
• Extrémní
srážky
• (Abnormální
srážky)
Müller et al. (2015)
30
Míra hydrologické odezvy
WEI
FEI
Ce 100
Müller et al. (2015)
Köhler and Linsley (1951):
Antecedent Precipitation Index
31
Vliv předchozí
nasycenosti
1
1


 in
n
i
in kPAPI
atlas.ufa.cas.cz
Köhler and Linsley (1951):
Antecedent Precipitation Index
32
Vliv předchozí
nasycenosti
1
1


 in
n
i
in kPAPI
atlas.ufa.cas.cz
Köhler and Linsley (1951):
Antecedent Precipitation Index
33
Vliv předchozí
nasycenosti
1
1


 in
n
i
in kPAPI
atlas.ufa.cas.cz
Extremita atmosférické cirkulace
17
35
Atmosférická cirkulace:
Typy povětrnostních situací
1. NEc 2160 8. 7. 1997
2. NEc 1050 9. 8. 1985
3. C 936 22. 8. 1972
4. C 890 26. 7. 1960
5. B 818 12. 5. 1951
6. C 765 4. 8. 1977
7. Ec 718 26. 7. 1966
8. B 697 8. 9. 1996
9. B 687 19. 7. 1970
10. NEc 608 3. 7. 1949
Brázdil a kol. (2005)
www.chmi.cz / historická data / počasí / typizace
Typ ČHMÚ Qk [m3.s-1] Datum
12
800
Povodeň
Bez povodně
1946 – 1965, LHP,
Brádka (1967), Kakos (1974)
Odra v Bohumíně (1946 – 2000)
Dny D-1 při Q > Q2 (MJJASO)
36
Extremita cirkulace:
Absolutní odchylky od normálu
http://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/getpage.pl
37
Extremita cirkulace:
Kumulativní distribuční funkce
FQV [kg.m-2.s-1]
Absolute topography 850 hPa, 19/7/1981, 00UTC
F
 
1

n
i
xF i
38
Extremita cirkulace:
Doby opakování
Kašpar et al. (2013)
Pravděpodobnost překročení
velikosti výstupné rychlosti
Pa s-1
Vertikální rychlost
12. 8. 2002
39
Extremita cirkulace:
Anomálie meteorologických veličin
B
B
j
ja FE 

1
Kašpar and Müller (2014)
Vzájemný vztah
srážek a cirkulace
CZ
41
Anomálie charakteristické pro silné srážky
Spatial correspondence in a subarea
Probability of
not-exceeding
LEFT:
Zonal gradient
of meridional
wind component
(700 hPa)
RIGHT:
Meridional
component
of moisture
flux (850 hPa)
2002
August
12th
1997
July
6th
1977
August
1st
42
Anomálie charakteristické pro silné srážky
GVU850
(3-day mean)
PV500 (3-day mean)
GTB700 (1st day)
Ca
DIV300 (1st day)
DIV850 (1st day) W700 (1st day)
cold
warm
43
Cirkulační varianty srážkových událostí
18–20/7 1981 22–24/9 1979 31/7 – 2/8 1977 6–8/8 2002
• Divizivní shlukování podle vektorů toku vlhkosti
Kašpar and Müller (2010)
• Optimalizovaná kombinace většího počtu typických anomálií
44
Extremita cirkulace při silných srážkách:
Circulation Extremity Index
Kašpar and Müller (2014)
pořadí
hodnoty
podle
velikosti




 n
k
k
n
k
kk
W
WE
CEI
1
1
45
Podmíněnost srážek cirkulací
Kašpar and Müller (2014)


28
1
45
28
1
´
i iz
CEI
• Extremita cirkulace: anomálie charakteristické
pro silné srážky, několik synoptických variant
46
Závěr
• Extremita srážek: aspekty intenzity,
plošného rozsahu, doby trvání atd.
• Extremita povodní: dána intenzitou příčinných
srážek, vliv předchozí nasycenosti i roční doby
47
Literatura
• Herschy, R. W. (Ed.), 2003: World catalogue of maximum observed floods, IAHS-AISH Publ.
284, IAHS Press, Wallingford.
• Kašpar, M., Müller, M., 2010: Variants of synoptic patterns inducing heavy rains in
the Czech Republic. Phys. Chem. Earth, 35, 477–483.
• Kašpar, M., Müller, M., Pecho, J., 2013: Comparison of meteorological conditions
during May and August 2010 floods in Central Europe. AUC Geographica, 48, 27–34.
• Kašpar, M., Müller, M., 2014: Combinations of large-scale circulation anomalies conducive
to precipitation extremes in the Czech Republic. Atmos. Res., 138, 205-212.
• Köhler, M. A. and Linsley, R. K., 1941: Predicting the runoff from storm rainfall. U.S. Weather
Bureau Research Paper no. 34., Washington, 9 pp.
• Müller, M. and Kašpar, M., 2014: Event-adjusted evaluation of weather and climate
extremes, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 473–483.
• Müller, M., Kašpar, M., Valeriánová, A., Crhová, L., Holtanová, E., 2015: Evaluation
of precipitation extremes and floods and comparison between their temporal
distributions. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 12, 281-310.
• Ramos, M.H., Creutin, J.D., Leblois, E. 2005: Visualization of storm severity. Journal of
Hydrology, 315, 295–307.
• Uhlemann, S., Thieken, A. H., and Merz, B., 2010: A consistent set of trans-basin floods in
Germany between 1952–2002, Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1277–1295.
CZ
Děkuji za pozornost