Soil drought variability in Central Europe and its circulation drivers

Mgr. Jan Řehoř, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Půdní sucho je jedním z nejpodstatnějších přírodních rizik ve střední Evropě a zasa-huje jak přírodní, tak socioekonomické systémy. V posledních dekádách se ve střed-ní Evropě vyskytuje stále častěji a obzvláště nebezpečné může být v případě neob-vykle rychlého nástupu a intenzity, kdy mluvíme o tzv. bleskovém suchu. Přesto byl zatím výzkum půdního sucha ve střední Evropě a jeho cirkulačních příčin poměrně omezený. V této disertační práci byla ke studiu časoprostorové variability půdního sucha použita data o půdní vlhkosti z modelu SoilClim pro region zahrnující Českou republiku, Slovensko a severní část Rakouska od roku 1961. Bylo testováno pět ver-zí modelu SoilClim, které se lišily vstupními meteorologickými proměnnými, půdními daty a modelovým schématem. Disertační práce také implementovala modifikované verze zavedených metod detekce bleskového sucha pro provedení jejich komplexní analýzy a rozdělení zkoumaného regionu do čtyřech klastrů. Byly vymezeny jednot-livé epizody půdního i bleskového sucha, které byly rozděleny do tří fází (nástup, průběh, ukončení). Dále byly analyzovány příčiny jejich vzniku mezi meteorologic-kými veličinami a typy atmosférické cirkulace podle objektivní klasifikace (odvozené ze síly a směru proudění vzduchu, a vorticity tlakového pole) a subjektivní klasifika-ce Českého hydrometeorologického ústavu. Četnost výskytu půdního sucha narostla od roku 1961 v letním půlroce na celém studovaném území, zejména pak v České republice (s výjimkou severozápadu), zatímco v zimním půlroce nebyly zjištěny žád-né statisticky významné změny. Četnost bleskového sucha v zimním půlroce mírně poklesla, zato v letním půlroce vzrostla, zejména v období dubna až června. Na vý-stupy jednotlivých verzí modelu SoilClim měla menší vliv půdní data a větší vliv mo-delové schéma a vstupní meteorologické proměnné. Nicméně většina epizod půdní-ho sucha se objevila ve všech modelových verzích. Nejpodstatnější prostorové dife-rence ve vlivu cirkulačních typů na srážky byly v zimě zjištěny v západovýchodním transektu, zatímco v létě to bylo v severojižním transektu. Cirkulační typy s jihozá-padním prouděním přinášely obecně více srážek do západní části studovaného území, zatímco typy se severovýchodním prouděním vzduchu do jeho východní čás-ti. Zvýšená četnost anticyklonálních cirkulačních typů a snížená četnost směrových a cyklonálních cirkulačních typů byly nejdůležitějšími faktory pro nástup a průběh epizod půdního sucha. Epizody bleskového sucha byly v zimním půlroce většinou způsobeny srážkovým deficitem, zatímco v letním půlroce především vysokými kladnými odchylkami maximálních denních teplot. Anomálie v četnosti cirkulačních typů během bleskového sucha byly obecně vyšší v letním půlroce a průběh epizod bleskového sucha byl spojen s vyšší četností anticyklonálních typů. Rostoucí frek-vence sucha v letním půlroce ve střední Evropě v souvislosti s probíhajícím růstem teplot ukazuje na potřebu cíleného hospodaření s vodními zdroji, mitigace klimatické změny a zavádění adaptačních opatření.

Abstract:

Soil drought belongs among the most impactful natural hazards in Central Europe, affecting both natural and socioeconomic systems. Droughts has become more fre-quent within Central Europe in recent decades and can be particularly dangerous in the form of events with unusually rapid onset and intensification, called flash droughts. The research oriented on their spatiotemporal variability and major driv-ers represented by large-scale atmospheric circulation patterns in Central Europe has been limited so far. This thesis used gridded soil moisture data from the SoilClim model for the region consisting of the Czech Republic, Slovakia and the northern part of Austria since 1961 to study spatiotemporal variability of soil drought. Five setups of the SoilClim model, differing in inputs of meteorological variables, soil data and a model scheme, were tested. The thesis also adapted and implemented estab-lished methods of flash drought detection to conduct their comprehensive analysis and to divide the studied region into four clusters. Individual soil and flash drought episodes were delimited and divided into three phases (onset, course, end) to be investigated separately in terms of drivers, represented by meteorological variables and atmospheric circulation types based on an objective classification (derived from flow strength, direction and vorticity) and a subjective classification of the Czech Hydrometeorological Institute. Frequency of soil drought increased in the summer half-year in the entire study area since 1961, particularly in the Czech Republic (ex-cept for its northwest part), while no significant changes were found in the winter half-year. The frequency of flash droughts slightly decreased in the winter half-year and slightly increased in the summer half-year, with substantial amplification during April–June. Among SoilClim setups, different soil input data had less effect than dif-ferent modelling schemes or different input of meteorological variables, however, the majority of soil drought episodes appeared in all model setups. The west-east transect bore the main spatial differences in circulation effect on precipitation dur-ing winter, while these effects were shifted more towards the north-south transect during summer. Generally, the types with a southwestern airflow transported more precipitation to the western part of the study area, while those with a northeastern airflow brought more precipitation to its eastern part. Increased frequencies of anti-cyclonic types and decreased frequencies of directional and cyclonic types were the most important factors for the origin and course of soil drought episodes. Flash droughts were mostly driven by precipitation deficits in the winter half-year and by large positive anomalies in daily maximum temperatures in the summer half-year. Anomalies in the frequencies of circulation types during flash droughts were larger in the summer half-year. The course of flash drought episodes was driven by a higher frequency of anticyclonic types. The revealed increasing frequency of droughts in the summer half-year in Central Europe during the recent warming un-derlines the urgent need for targeted water resource management, climate change mitigation and adaptation strategies.

Keywords

půdní sucho, půdní vlhkost, bleskové sucho, časoprostorová variabilita, střední Evropa, atmosférická cirkulace, cirkulační typy, objektivní klasifikace, soil drought, soil moisture, flash drought, spatiotemporal variability, Central Europe, atmospheric circulation, circulation types, objective classification

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 11. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 19. 2. 2024
• Supervisor: prof. RNDr. Rudolf Brázdil, DrSc.
• Reader: Prof. Josef Eitzinger, prof. Ing. Zdeněk Žalud, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physical geography / Physical geography