WaterAdapt: Suomen vesivarat ja ilmastonmuutos vaikutukset ja muutoksiin sopeutuminen Iijoen työraportti Noora Veijalainen, Juho Jakkila, Bertel Vehviläinen, Mika Marttunen, Teemu Nurmi, Antti Parjanne, Juha Aaltonen, Tanja Dubrovin, Merja Suomalainen Suomen Ympäristökeskus Hydrologian yksikkö Vesivarayksikkö 18.11.2010
1. Johdanto Tämä on työraportti maa- ja metsätalousministeriön vuosina 2006 2009 rahoittamasta Suomen vesivarat ja ilmastonmuutos vaikutukset ja muutoksiin sopeutuminen (supistettu WaterAdapt) hankkeen Iijoen laskennoista. WaterAdapt hankkeessa arvioidaan ilmastonmuutoksen vaikutuksia Suomen hydrologiaan, vesivaroihin ja säännöstelykäytäntöihin. Tutkimus tuottaa perustietoa ilmastonmuutoksen sopeutumistutkimukseen vesistöjen osalta ja identifioi ilmastonmuutokseen liittyviä tulvariskejä. Tutkimus toteutetaan Suomen ympäristökeskuksen (SYKE) hydrologian yksikössä ja vesivarayksikössä. WaterAdapt hankkeen loppuraportti, jossa myös Iijoen tulokset raportoidaan, julkaistaan vuoden 2011 aikana. Hydrologiset skenaariot antavat yleiskuvan vesivarojen, tulvien ja kuivien kausien muutoksista vesistöjen virtaamien ja vedenkorkeuksien muutosten kautta. Hydrologisen vertailulaskelmat ja skenaariot tehdään 30 vuoden jaksoille vertailujaksolla 1971 2000 ja tulevaisuudessa jaksoille 2010 2039 ja 2040 69. Osa skenaarioista tehdään myös jaksolle 2070 2099. Skenaarioiden perusteella saadaan tietoa tulevaisuuden keskimääräisestä hydrologisista oloista ja kerran 2-30 vuodessa toistuvien tulvien ja kuivien kausien muutoksista. Hydrologisia skenaarioita voidaan käyttää ja on jo käytettykin lähtötietoina monille eri jatkotutkimuksille, kuten mm. säännöstelyn lupaehtojen muuttamisen tarpeellisuutta arvioiville selvityksille ja muille sopeutumistutkimuksille. Tutkimuksessa arvioidaan nykyisten järvien säännöstelyohjeiden sopivuutta ilmaston muuttuessa erityisesti tulva- ja kuivakausina ja sitä, minkä tyyppiset muutokset säännöstelyohjeissa voisivat auttaa sopeutumaan muuttuneeseen tilanteeseen. Hankkeessa arvioidaan myös ilmastonmuutoksen aiheuttamien hydrologisten muutosten vaikutuksia vesistön eri käyttömuotoihin ja tilaan. 2. Menetelmät ja ilmastoskenaariot 2. 1. Hydrologinen mallinnus Tutkimuksessa käytetään SYKEn Vesistömallijärjestelmää simuloitaessa ilmastonmuutoksen vaikutuksia vesistöjen hydrologiaan. Säännöstelyn vaikutusta tutkitaan testaamalla erilaisten mahdollisten säännöstelyohjeiden vaikutusta järvien vedenkorkeuksiin. Vesistömalli koostuu hydrologisesta sadanta-valuntamallista, joki- ja järvimalleista. Hydrologinen malli on tyypiltään konseptuaalinen sadanta-valuntamalli, joka muistuttaa perusrakenteeltaan Ruotsissa kehitettyä HBV-mallia. Vesistömallin lähtötietoina ovat päivittäinen sadanta ja lämpötila. Haihdunta voidaan saada lähtötietona Class A-astian havainnoista tai laskea lämpötilan, sadannan ja päivämäärän (lyhytaaltoisen säteilypotentiaalin indeksi) perusteella, kuten tehdään ilmastonmuutoslaskennoissa. Mallin simuloimat muuttujat ovat aluesadanta, evapotranspiraatio, lumivarasto, maankosteus, järvihaihdunta, pinta-, väli- ja pohjavesivarasto, valunta, virtaamat ja vedenkorkeudet tärkeimmissä järvissä ja joissa. Sadanta-valuntamallin tärkeimmät osat ovat sadanta, lumi, maankosteus- ja pintakerros- ja pohjavesivaraston mallit. (Vehviläinen ja Huttunen 2002) Virtaamien muuttumista Vesistömallijärjestelmällä arvioidaan simuloimalla Vesistömallijärjestelmällä ilmastonmuutoksen vaikutusta vedenkorkeuksiin ja virtaamiin simuloimalla päivittäiset virtaamat arvot 30 vuoden jaksoille referenssijaksolla 1971 2000 ja tarkasteltaville jaksoilla tulevaisuudessa jaksoilla. Referenssijaksolla lähtötietoina käytetään havaittuja lämpötiloja ja sadantoja. Ilmastonmuutos otetaan vesistömallissa huomioon muuttamalla havaintojen perusteella lasket-
tuja aluelämpötiloja ja -sadantoja valitun ilmastoskenaarion mukaisesti. Ilmastoskenaarioissa on annettu kullekin kuukaudelle lämpötilan muutos asteina ja sadannan muutos prosentteina. Lämpötilaa muutetaan skenaarioon mukaisella astemäärällä ja sadantaa muutetaan prosenttimuutoksen verran. Virtaamat ja vedenkorkeudet simuloidaan sitten käyttäen lähtötietoina muutettuja sadantoja ja lämpötiloja, jolloin saadaan uudet päivittäiset arvot 30 vuoden jaksolle. Edellä kuvattua menetelmää lämpötilan muutoksen huomioimiseksi on kehitetty ottamalla käyttöön lämpötilasta riippuva lämpötilan muutos (tdt). Tässä menetelmässä lämpötilan muutokset riippuvat kuukauden keskimääräisen lämpötilan muutoksen lisäksi lämpötilan jakaumassa tapahtuvasta muutoksesta. Ilmastonmuutoksen vaikutus lämpötilan jakaumaan on hydrologisten prosessien kannalta usein varsin merkittävä. Esimerkiksi muutos talvilämpötilan jakaumassa vaikuttaa huomattavasti lumen kertymiseen. Ilmastomallien tuottamissa tuloksissa kovimmat talvipakkaset lämpenevät enemmän kuin leudommat päivät. Tämän huomioiminen tdt-menetelmässä lisää lumen kertymistä verrattuna kuukausien keskimääräiseen muutokseen perustuvaan menetelmään. Lämpötilasta riippuva lämpötilan muutos on otettu käytettiin vuonna 2009 tehdyissä simuloinneissa, koska luotettavat tdt-käyrät on laskettu tänä vuonna saatujen alueellisten ilmastoskenaarioiden perusteella. Lämpötilan jakaumassa tapahtuneilla muutoksilla on todettu olevan huomattavasti pienempi merkitys Etelä-Suomen vesistöissä kuin pohjoisempana eikä eri menetelmillä tehdyissä simuloinneissa vuonna 2008 simuloiduissa vesistöissä siten pääosin ole suuria eroja. Muutokset aluesadannassa on tehty edelleen kuukauden keskimääräisistä sadannan muutoksista (prosentteina). Sadannan osalta mahdollista jakauman muutoksen vaikutusta ei ole otettu huomioon, mutta prosentuaalinen muutos jo sinänsä muuttaa jakaumaa siten että sateen absoluuttinen muutos on sitä suurempi mitä suurempi sadanta on. Tämä tukee ilmastomallien tuottamaa tulosta sateiden ääriarvojen voimistumisesta sekä rankkasateiden yleistymisestä. Raportissa esitetyissä kuvissa on kaikissa tarkasteltu 30 vuoden jaksoa ja tältä jaksolta on poimittu vuoden kullekin päivälle minimi, maksimi ja 30 vuoden keskiarvo, jotka esitetään kuvissa. Suurimmat tulvat ovat siten suuruusluokaltaan noin kerran 30 vuodessa toistuvia. Säännöstelyohjeet ovat samat koko 30 vuoden jaksolle, joten lyhytaikaista säännöstelyn optimointi ei ole. Hyydepatoja ei ole erikseen huomioitu. 2. 2. Ilmastoskenaariot Tarkasteltavat aikajaksot ovat: Kontrollijakso 1971 2000 2010 2039 2040 2069 2070 2099 osa simuloinneista Kuten kuvasta 1 nähdään muodostuvat ilmastoskenaariot päästöskenaariosta ja globaalista ilmastomallista sekä mahdollisesti alueellisesta ilmastomallista. Päästöskenaariot ovat oletuksia ilmakehän kasvihuonekaasujen määrän kehittymisestä tulevaisuudessa (Kuva 2). Nykyiset ns. SRES (Special Report on Emission Scenarios)-päästöskenaariot ovat IPCC:n vuonna 2000 julkaisemia (IPCC, 2000). Päästöjen kehitys riippuu maapallon väestön, talouden ja tekniikan kehityksestä ja päästöjenhillintätoimista, joiden ennakointi on vaikeaa. Siksi eri päästöskenaariot voivat poiketa toisistaan merkittävästi. Kuitenkin, kuten kuvasta 2 nähdään, hiilidioksidin pitoisuus on kaikilla skenaarioilla lähes sama aina 2050-luvulle asti. Päästöskenaarioiden merkitys kasvaa vuosisadan lopulle mennessä, mutta lähitulevaisuuden arvioille ilmastonmuutoksen suuruudesta niiden merkitys on melko pieni.
Suurimmat erot etenkin lähitulevaisuudessa eri ilmastoskenaarioissa johtuvat niiden laskentaan käytetyistä erilaisista ilmastomalleista. Nämä mallit kuvaavat ilmastojärjestelmää tietokoneohjelman muotoon puettujen fysiikan lakien avulla. Tietokoneitten rajallisen suorituskyvyn takia monet ilmiöt joudutaan kuvaamaan malleissa yksinkertaistettuina. Eri malleissa tämä ongelma on ratkaistu eri tavoin, ja pääasiassa juuri tästä syystä mallien tulokset poikkeavat toisistaan. (Ruosteenoja 2007) Etenkin lähitulevaisuudessa lämpötilan ja sadannan luontainen vaihtelu on vielä ilmastosignaaliin verrattuna suurta, joten osa ilmastomallien eroista selittyy myös tällä luontaisen vaihtelun eli sattuman vaikutuksella. Globaalit mallit ovat koko maapallon kattavia ilmastomalleja. Alueelliset mallit taas kattavat vain tietyn alueen, mutta globaaleja malleja tarkemmin. Alueelliset mallit käyttävät kuitenkin aina globaalia ilmastomallia reunaehtona kattamansa alueen rajoilla ja niiden tulokset ovat siten riippuvaisia reunaehtona käytetystä globaalista mallista. Globaalien ilmastomalleista on WaterAdapt projektissa käytetty 12 skenaariota ja alueellisista ilmastomalleista viittä skenaariota. Alueellisten ilmastomallien tulokset ovat peräisin EU:n EN- SEMBLES projektista ja ne ovat tulleet tämän vuoden aikana saataville. Alueellisten mallien etuna on niiden parempi alueellinen resoluutio. Heikkoutena on että niitä on yhä saatavilla rajoitettu määrä ja vain yhdellä päästöskenaariolla, A1B. Iijoen jatkotarkasteluja varten 17 lasketusta skenaariosta valittiin neljä, jotka edustivat ilmastonmuutoksen erilaisia vaikutuksia. Mukana on ns. keskiarvoskenaario (19 globaalin ilmastomallin keskiarvo A1B päästöskenaariolla, Ka a1b), ja sen valittiin kolme alueellisten ilmastomallien skenaariota, jotka olivat keskimääräistä märempiä, kuivempia ja kylmempiä (Taulukko 2). Nimestään huolimatta keskiarvoskenaario on Iijoella itse asiassa melko lämmin muihin skenaarioihin verrattuna. Tämä johtuu siitä että 19 mallissa on mukana myös hyvin suuria lämpötilan nousuja antavia malleja, jotka kuitenkaan eivät kaikilta osin ole kovin realistisia eikä niitä siten ole valittu yksittäisiksi malleiksi. Tutkimuksessa käytetään useaa eri ilmastoskenaariota, jotta ilmastonmuutokseen liittyvät epävarmuudet voidaan ottaa huomioon. Käytetyt ilmastomallit ovat: IL keskiarvo 19 globaalista ilmastomallista A1B päästöskenaariolla (No 2 Taulukko 2) SMHI Ech5 A1B (SME A1B) (No 15 Taulukko 2); ns. "kylmä" skenaario SMHI Had A1B (SMH A1B) (No 17 Taulukko 2), ns. "märkä" skenaario DMI ARP A1B (DMA A1B) (No 19 Taulukko 2), ns. "kuiva" skenaario
Taulukko 2. WaterAdapt projektissa käytetyt ilmastoskenaariot (IPCC 2007) ja niiden antama lämpötilan ja sadannan keskimääräinen muutos Suomessa 2040 69 referenssijaksoon 1971 2000 verrattuna. Iijoella jatkotarkasteluun valitut neljä skenaariota lihavoituna No Globaali ilmastomalli Alueellinen malli Päästöskenaario Lyhenne T muutos (ºC) 1 19 GCM keskiarvo - A2 Ka A2 3.15 10.9 2 19 GCM keskiarvo - A1B Ka A1B 3.18 11.5 3 19 GCM keskiarvo - B1 Ka B1 2.48 8.5 4 ECHAM5/MPI-OM - A2 Ech5 A2 2.45 8.1 5 ECHAM5/MPI-OM - A1B Ech5 A1B 2.73 9.7 6 ECHAM5/MPI-OM - B1 Ech5 B1 2.39 8.1 7 UKMO-HadCM3-Q0* - A2 Had A2 3.33 9.6 8 UKMO-HadCM3-Q0* - A1B Had A1B 3.38 8.4 9 UKMO-HadCM3-Q0* - B1 Had B1 2.29 5.6 10 CCSM3 (NCAR) - A2 Ncar A2 3.27 8.5 11 CCSM3(NCAR) - A1B Ncar A1B 3.04 9.4 12 CCSM3(NCAR) - B1 Ncar B1 2.40 6.8 P muutos (%) 13 UKMO-HadCM3-Q16 RCA3 (C41) A1B C4H A1B 2.86 20.2 (suuri herkkyys) 14 ECHAM5/MPI-OM RCA3 (SMHI), 50 A1B SME A1B km resoluutio 2.02 9.9 15 ECHAM5/MPI-OM RCA3 (SMHI) 25 A1B SME2 A1B km resoluutio 2.11 12.0 16 ECHAM5/MPI-OM REMO (MPI) A1B MPIE A1B 2.01 8.3 17 UKMO-HadCM3-Q3 (pieni herkkyys) RCA3 (SMHI) A1B SMH A1B 2.53 16.2 18 UKMO-HadCM3-Q0* HadRM? (Had) A1B HadH A1B 4.10 15.1 19 CNMR/ARPEGE HIRHAM (DMI) A1B DMIA A1B 2.58 4.7 * keskimääräinen herkkyys Kuvissa 3 ja 4 on kuvattu 19 eri globaalin ilmastomallin tuloksiin pohjautuvat, Ilmatieteen laitoksen laskemat, keskilämpötilan ja keskisadannan muutokset Suomessa jaksolta 1971 2000 jaksolle 2070 99. Kuvista nähdään että vuosisadan loppupuolella ilmastonmuutokseen liittyvät epävarmuudet ovat varsin suuria ja eri ilmastomallien ja skenaarioiden antama lämpötilan ja sadannan muutoksen vaihteluväli on laaja. Lämpötila nousee kuitenkin kaikissa skenaarioissa ja eniten talvella ja myös talven sadanta kasvaa kaikissa skenaarioissa. Iijoella jatkotarkasteluun valittu A1B päästöskenaario on muihin päästöskenaarioihin nähden varsin keskimääräinen. Lisätietoja ilmastoskenaarioista on saatavilla Ilmatieteen laitokselta, mm. julkaisusta Ruosteenoja ja Jylhä, 2007 ja Ruosteenoja 2007. Päästöskenaarioiden oletukset löytyvät mm. IPCC:n raportista (IPCC, 2007).
Kuva 2. Hiilidioksidin päästöjen (vasen kuva) ja pitoisuuden (oikea kuva) arvioitu kehitys kuudella SRES-päästöskenaariolla. Eri skenaariot poikkeavat toisistaan mm. väestönkasvun, tekniikan kehityksen ja ympäristönsuojeluun panostamisen suhteen. (Ruosteenoja, 2007) Kuva 3. Keskilämpötilojen muutos Suomessa jaksolta 1971 2000 jaksolle 2070 2099 vuoden eri kuukausina A2 päästöskenaariolla (vasen) ja B1 päästöskenaariolla (oikea). Käyrä esittää 19 eri ilmastomallin ennustamien muutosten keskiarvoa, pystypalkit muutoksen 90 % todennäköisyysväliä. Kaikki luvut ovat koko Suomen keskiarvoja. (Ruosteenoja, 2007) Kuva 4. Sademäärän muutos prosentteina Suomessa keskimäärin jaksolta 1971 2000 jaksolle 2070 99 A2 ja B1 skenaarioilla (vertaa edellinen kuva) (Ruosteenoja, 2007)
3. Iijoki Iijoen vesistössä lämpötilan muutos on tärkeä tekijä ilmastonmuutoksen vaikutuksen määrittelyssä. Niinpä suurimmat muutokset virtaamissa syntyvät skenaarioilla, joissa lämpötilan nousu on melko suurta, ja vastaavasti pienimmät muutokset skenaariolla, joissa lämpötilan nousu on vähäistä. Erityisesti jaksolla 2010 39 ns. "kylmässä" skenaariossa (SME A1B), virtaamien keskimääräinen muutos referenssijaksoon 1971 2000 nähden on varsin vähäistä, kevättulva lähinnä aikaistuu muutaman päivän (Kuva 5). Sen sijaan suurempia lämpötilan nousuja sisältävässä skenaariossa (mm. "keskiarvoskenaario") talven, kevään ja alkukesän virtaamat eroavat jo merkittävästi referenssijaksosta. Talven ja alkukevään virtaamat kasvavat, kevättulva aikaistuu ja keskimäärin pienenee selvästi ja alkukesän virtaamat puolestaan pienenevät. Vastaavat tulokset ovat nähtävissä jaksolla 2040 69, mutta nyt muutokset ovat nähtävissä jo "kylmässä" skenaariossakin ja lämpimämmässä skenaariossa muutokset ovat jo hyvin voimakkaita. Keskimääräinen lumen vesiarvo pienenee ilmastonmuutoksen vaikutuksesta, mutta runsaslumisia talvia esiintyy yhä 2040 69 jaksollakin. Muutokset ovat pienimpiä elokuun ja lokakuun välisenä aikana. Vastaavia tuloksia on laskettu myös muille Iijoen virtaamapisteille, Pahkakoskelle, Kierikille, Maalismaalle, Haapakoskelle ja Kipinälle. Iijoen suurimmat säännöstellyt järvet ovat Kostonjärvi ja Irnijärvi. Laskennat tehtiin useilla erilaisilla oletuksilla näiden järvien säännöstelyistä, jotta voidaan arvioida mahdollisuuksia ja tarvetta sopeutua ilmastonmuutoksen säännöstelykäytäntöjä tai lupia muuttamalla. Lähinnä säännöstelyn muuttamisella voidaan vaikuttaa kyseisten järvien vedenkorkeuksien kehittymiseen. Kostonjärven ja Irnijärven säännöstely vaikuttaa kyllä jonkin verran myös Iijoen alajuoksun virtaamiin, mutta koska järvet sijaitsevat Iijoen latva-alueilla on vaikutus varsin vähäinen. Nyt esitetyt laskennat on tehty oletuksella että järvien säännöstely on melko lähellä nykyistä, mutta tarvittaessa säännöstelyä on sopeutettu ilmastonmuutokseen, jotta järvien vedenkorkeudet pysyisivät nykyisten säännöstelyrajojen sisällä. Tulokset Irni- ja Kostonjärven tuloksista esitetään työraportin seuraavassa versiossa. 1800 1600 1400 1971-2000 Keskiarvo, Min ja Max 2010-39 "Keskiarvo skenaario" 2010-39 "Kylmä skenaario" 1200 Virtaama (m 3 /s) 1000 800 600 400 200 0 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. Kuva 5. Iijoen Raasakan virtaamien keskiarvo, minimi ja maksimi referenssijaksolla 1971 2000 ja jaksolla 2010 39 kahdella eri skenaariolla (ns. "keskiarvoskenaario" ja "kylmä" skenaario).
1800 1600 1400 1971-2000 Keskiarvo, Min ja Max 2040-69 "Keskiarvo skenaario" 2040-69 "Kylmä skenaario" 1200 Virtaama (m 3 /s) 1000 800 600 400 200 0 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. Kuva 6. Iijoen Raasakan virtaamien keskiarvo, minimi ja maksimi referenssijaksolla 1971 2000 ja jaksolla 2040 69 kahdella eri skenaariolla (ns. "keskiarvoskenaario" ja "kylmä" skenaario).
4. Viitteet IPCC, 2007: Climate Change 2007: The physical science basis Summary for policy makers. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Rummukainen, M., Bergström, S., Källen, E., Moen, L., Rodhe, J. & Tjernström, M. 2000. SWECLIM-The first three years. SMHI, Norrköping. Reports Meteorology and Climatology 94. 87 s. ISSN 0347-2116. Ruosteenoja, 2007. Maailmanlaajuisiin malleihin perustuvia lämpötila- ja sademääräskenaarioita. Saatavilla Ilmatieteen laitoksen www-sivuilta. http://www.ilmatieteenlaitos.fi/kuvat/acclim_ltila_sadeskenaariot_verkko.pdf [25.9.2007] Ruosteenoja K. & K. Jylhä, 2007. Temperature and precipitation projections for Finland based on climate models employed in the IPCC 4th Assessment Report. Third International Conference on Climate and Water, Helsinki, Finland, 3-6 September 2007. Proceedings, p. 404-406. Silander, J., Vehviläinen, B., Niemi, J., Arosilta, A., Dubrovin, T., Jormola, J., Keskisarja, V., Keto, A., Lepistö, A., Mäkinen, R., Ollila, M., Pajula, H., Pitkänen, H., Sammalkorpi, I., Suomalainen, M. & Veijalainen, N. 2006. Climate change adaptation for hydrology and water resources. FINADAPT Working Paper 6, Finnish Environment Institute Mimeographs 336, Helsinki, 54 pp. Tarvainen, A., Verta, O-M., Marttunen, M., Nykänen, J., Korhonen, T., Pönkkä, H. & Höytämö, J. 2006. Koitereen säännöstelyn vaikutukset ja kehittämismahdollisuudet. Yhteenveto ja suositukset. Suomen ympäristö 37/2006, Suomen ympäristökeskus. Vehviläinen, B. & Huttunen, M. 1997. Climate change and Water Resources in Finland. Boreal Environment Research 2, 3-18. Vehviläinen, B. & Huttunen, M. 2002. The Finnish watershed simulation and forecasting system (WSFS). Publication of the 21 st conference of Danube countries on the hydrological forecasting and hydrological bases of water management. Vehviläinen, B., Huttunen, M. & Huttunen, I. 2005. Hydrological forecasting and real time monitoring in Finland: The watershed simulation and forecasting system (WSFS). In Innovation, Advances and Implementation of Flood Forecasting Technology, conference papers, Tromso, Norway, 17 to 19 October 2005. ISBN Book 1-898485-13-5.