extrémní atmosférické řeky: jak budou nejsilnější bouře v Kalifornii vypadat v oteplovacím klimatu?

Poznámka: Tato zvláštní Počasí West článek se zaměřuje na nový recenzovaný vědecký výzkum, vedený Xingying Huang, že moji kolegové a já nedávno zveřejněné v Science Advances.

Atmosférické řeky v Kalifornii klimatu kontextu

Atmosférické řek (ARs)—dlouhý, klikatý koridorů vodní páry v pohybu, v dolní polovině Zemské atmosféry—jsou klíčovým aspektem Kalifornie je cool-sezóna klimatu. ARs jsou v mnoha případech docela všední, když jsou venku nad otevřeným oceánem, viditelné na satelitu jako úzká stuha oblačnosti a (obvykle) lehké srážky. Ale když tyto vlhkosti chocholy připojit se k zimě nízkotlaké systémy a na pevninu podél pobřeží Kalifornie, následky mohou být dramatické—dlouhotrvající silný déšť a hory sněhu často výsledek, spolu s někdy silné větry. Srážky související s AR jsou silně orografické, což znamená, že má tendenci být silně modulován lokální topografií. Jako výsledek, nejvíce dramatické AR-související srážky součty obvykle se vyskytují na návětrné (jižní a západní straně) svazích Kalifornii pobřežních a vnitrozemských pohoří. Akumulace srážek v těchto oblastech v průběhu extrémních AR události jsou srovnatelné s tím, které obdržel podél Pobřeží mexického Zálivu a Východní Pobřeží během landfalling hurikán událostí—a jsou občas měří v nohou, spíše než palce. Jako takový, ARs může být buď požehnáním, nebo prokletím, V závislosti na kontextu a předchůdných podmínkách: jsou zodpovědné až za 50% celkového zásobování vodou v Kalifornii, ale také za drtivou většinu povodňového rizika v regionu.

the large ensemble approach: generování více věrohodné minulost i budoucnost

Od ARs jsou tak zásadní aspekt Kalifornie historického klimatu, je kriticky důležité, aby pochopili, jak tyto události se mění v oteplování světa. Stávající výzkum změny klimatu a ARs již dříve naznačil, že nejsilnější události se mohou v některých regionech výrazně zesílit. Ale téměř všechny tyto studie k dnešnímu dni se spoléhali výhradně na globální klimatické modely, které jsou vynikající nástroje pro pochopení toho, jak globální a regionální klima se mění v širším slova smyslu, ale jsou často zrnitý dostatečně posoudit změny v jemném měřítku jevů, jako je ARs. Ve studii jsem popsal v tomto blogu, já a moji kolegové se pokusili vyřešit tento problém tím, že pomocí vysokého rozlišení atmosférického modelu (Počasí pro Výzkum a Prognózy Modelu, nebo WRF—běžně se používá na den-to-denní předpověď počasí) k simulaci „bouře budoucnosti“ ve velké prostorové a časové detail. Činíme tak tím, že kreslí počáteční rozsáhlých atmosférických podmínek od tradičních, hrubé rozlišení klimatického modelu simulace a poskytuje tyto předpovědi modelu. Tímto způsobem jsme schopni systematicky vybrat jednotlivé extrémní AR bouře události z těchto rozsáhlé klimatické simulace modelu a simulovat je pomocí nástroje, který se mnohem lépe představuje drobné změny topografické zvláštnosti, které charakterizují Kalifornie klimatu. Zaměřujeme se především na extrémní ARs, které mají velké dopady v Sierra Nevada, takže studie je zaměřena především přes střední a severní Kalifornii.

důležité je, že tento přístup nám také umožňuje zvážit více “ věrohodných minulostí a věrohodných futures.“Klimatický model je součástí velkého souboru simulací, což znamená, že simulace se opakují 40krát pro historickou minulost a 40krát pro teplejší budoucnost. To nám umožňuje zachytit širší škálu možných sekvencí bouří v současných i budoucích klimatických podmínkách-protože jsme v podstatě vytvořili záznam mnoha desítek syntetických, ale fyzicky věrohodných extrémních bouří během každého období. To znamená, že máme velkou velikost vzorku pro porovnání rozdílů v charakteristikách bouře mezi těmito dvěma obdobími, což je mnohem větší (faktorem 40!), než by bylo k dispozici při pohledu na historický záznam sám.

je To stojí za zmínku, že budoucí scénář změny klimatu používáme v této práci je charakterizována pokračující nárůst emisí skleníkových plynů během 21. století (RCP8.5, pro klima teoretiky tam)—trajektorie, která je (snad) ještě horší, než ve skutečnosti budeme mít v příštích desetiletích. Přesto, že většina dopadů považujeme v této práci bude objevovat i na nižší emise trajektorie—ale pomaleji a v menší míře, závislé výhradně na náš případný úspěch v omezování a nakonec přináší nulové čisté globálních emisí oxidu uhličitého.

Silnější, vlhčí atmosférické řek, jak se klima otepluje

zpráva podstatné (20-30%), zvyšuje se u AR-spojené integrovaný vodní páry dopravy, IVT. (IVT je souhrnná míra síly AR, která bere v úvahu jak úroveň atmosférické vodní páry, tak sílu větrů na úrovni dopravy). To je důležité mít na paměti, že vyhodnocujeme události, které jsou poměrně vzácné a extrémní—a to je zajímavé poznamenat, že kompozitní IVT vzor pro obě současné době a budoucnosti extrémní ARs vypadá hodně podobně jako kanonické „Pineapple Express“ podmnožinu ARs. To naznačuje, že největší věrohodné AR bouře v Kalifornii je pravděpodobné, že bude akce s hlubokým subtropické vlhkosti tap, který se shoduje s relativně zesíleny meridionální proudění nad Severním Pacifiku se silným proti proudu blokování hřeben přes Beringovo Moře a hluboké nízký tlak centru severozápadní Kalifornie.

Jsme najít podstatné zvýšení množství srážek, které spadne během extrémních ARs v teplejším podnebí téměř všude, kam se podíváme, ale největší relativní změny nejsou vždy tam, kde byste mohli očekávat. Tyto nárůsty se pohybují od 15-30% na orographically favorizovaných západních svazích Sierra Nevada a pobřežní hory, 25-40% v obydlených oblastech a déšť-zastíněných oblastech Centrálního Údolí a menších pobřežních údolích, a lokálně 50% nebo vyšší v silně pršet stínem závětrné straně údolí ve východní Kalifornii a západní Nevadě. (Absolutní nárůsty jsou samozřejmě v orograficky zvýhodněných oblastech stále větší). Tento prostorový vzorec extrémního nárůstu srážek ar naznačuje, že události se mohou stát poněkud méně silně orografické povahy-to znamená, že fyzické procesy jiné než jednoduché orografické povznesení se mohou v teplejší budoucnosti stát důležitějšími. To věští potenciálně nadměrných zvýšení srážek v místech, které nejsou historicky zvyklí vídat velké objemy AR-spojené srážky.

Nápadně velký nárůst v nejintenzivnější hodinové lijáky

Jednou z výhod použití s vysokým rozlišením počasí model v tomto šetření je, že můžeme uvažovat AR vlastnosti při vysoké prostorové a časové granularity. Když jsme to udělali tak, že jsme našli něco velmi zarážející: nárůst nejintenzivnější hodinové srážky během extrémních AR událostí se zvyšuje o podstatně větší přírůstek a ve více prostorově jednotným způsobem, než událost-úhrn srážek–30-50% skoro všude. To znamená, že nejintenzivnější lijáky během extrémních ar bouří budou podstatně intenzivnější bez ohledu na to, zda jste na jihozápadním svahu nebo v centrálním údolí. Prostorová rovnoměrnost tohoto hodinového maximálního nárůstu srážek silně naznačuje, že to také není poháněno orografickými procesy. Co by to mohlo být místo toho? I když nemáme přímo diagnostikovat mechanismy v tomto článku, to může být případ, že budoucí extrémní ARs v teplejším světě jsou trochu konvektivně nestabilní, než to, co jsme byli zvyklí historicky. Vertikální stabilitu profil současného je obvykle „vlhké neutrální“ (pro meteorologové tam), což znamená, že letecký balíček bude vzestup bez odporu, pokud aktivně se zvedla (o orografické interakce, nebo čelní nutit), ale nebude vzniknout spontánně díky svým přirozeným vztlakem (jako tomu může dojít během letní bouřka, například). Vzhledem k nižší úrovni atmosféry během budoucnost extrémní ARs bude mnohem teplejší a vlhčí, je možné, že tyto nižší úrovni změny rychlejší než ty, vyskytující se vyšší až do atmosférické kolony—což vede k silnější vlhký konvektivní nestability. Nyní, tento poslední kousek je z mé strany informovaná spekulace, ale je to něco, na co se rozhodně plánujeme blíže podívat v budoucí práci.

co se tady děje? Je to (většinou) až na termodynamiku.

drtivá většina těchto předpokládaných srážek se zvyšuje—kolem 85%–vyplývá z prostého faktu, že vodní pára drží kapacitu atmosféře rychle zvyšuje (exponenciálně, ve skutečnosti), s rostoucí atmosférické teploty. Zatímco to neznamená, že atmosférické vlhkosti bude vždy vyšší v oteplování světa, to znamená, že když jsou podmínky v blízkosti nasycení—jako téměř vždy se vyskytuje v prostředí AR—tato zvýšená vodní páry držení potenciál být realizován. Výsledkem je, že teplejší atmosféra sama o sobě je přímo zodpovědný za většinu nárůst vodní páry dopravy, a následné srážky, při extrémní AR akce v oteplování klimatu.

další ~15% tohoto zvýšení vznikají skromné předpokládá se zvyšuje v síle západní větry (ve střední atmosféře, kolem úrovně low-level jet) při extrémní AR akcích. Tento dodatečný příspěvek budoucích směn větru je ve skutečnosti nejvýraznější ve střední a jižní Kalifornii, spíše než na severu. Tento kousek puzzle zůstává trochu více nejistá než termodynamicky-přispěl vlhkost zvýšit, jak různé klimatické modely nemají jednotně shodují na tom, zda tyto západní větry se bude zvyšovat. Ale od termodynamické vlhkosti nárůst je přímým důsledkem základní a dobře rozumí fyzikální proces, všechny klimatické modely se shodují na tom, že část nám dává velmi vysokou důvěru, že ~85% z IVT a srážek zvyšuje máme zprávy, by mohli vlastně přijít k uskutečnění v mnohem teplejším klimatu budoucnosti.

další Dva nálezy jsou zajímavé z termodynamického hlediska. Za prvé, naše simulace naznačují, že nárůst srážek během budoucích extrémních ARs bude během těchto událostí zaostávat ještě větší nárůst IVT. Jinými slovy: zatímco srážky i IVT se značně zvyšují, účinnost srážek (tj. To znamená, že úhrn srážek se zvyšuje nemusí být tak velký, jak by se dalo očekávat, pokud extrapolace historických vztahů mezi srážkami a IVT. Překvapivě, nicméně, tento pokles srážek účinnost je většinou omezena na návětrné svahy a orographically-oblíbené regiony, a je mnohem méně prominentní v celé Centrální Údolí a lee straně údolí.

druhý, zjistíme, že budoucí Kalifornie ARs bude mnohem teplejší než ty, které se vyskytly historicky. I když to samo o sobě není nesmírně překvapivým zjištěním, zajímavější je skutečnost, že extrémní ARs ve skutečnosti zahřívá méně než klimatické podmínky na pozadí (tj. Naše nedávná práce ukázala, že současné Ar se již v Kalifornii podstatně oteplují, i když méně než míra oteplování pozadí (Gonzales et al . 2019— – navrhování konzistence mezi nedávnými pozorováními a projekcemi budoucích modelů v tomto ohledu. Přesto: 3-5+ F předpokládané oteplování v těchto extrémních ARs by bylo více než dost zásadně změnit déšť/sníh rovnováhu ve vyšších nadmořských výškách, což znamená, že drtivá většina srážek v budoucnosti ARs může spadnout jako tekuté déšť (spíše než sníh) i v poměrně vysokých nadmořských výškách.

co to všechno znamená pro povodňové a vodní hospodářství v Kalifornii?

naše nová práce přispívá k rostoucímu počtu výzkumů, které naznačují, že Kalifornie bude čelit teplejším, vlhčím bouřím v oteplovacím klimatu. Výsledný nárůst extrémních srážek, a ve zlomku srážky padající jako déšť, spíše než sníh ve vyšších nadmořských výškách, bude pravděpodobně dojít i v nepřítomnosti velké změny v celkové průměrné srážky. Opravdu, v práci publikované v roce 2018 (a je podrobně diskutována v předchozí blog post), jsme zjistili, že relativně skromný předpokládané trendy v regionální říct srážek masku mnohem mnohem více dramatický nárůst „srážky whiplash“ mezi rostoucí mokré a suché extrémy. Na vrcholu tohoto, oteplování teploty jsou již jízdní zvýšení hydrologického sucha v důsledku zvýšené odpařování oba v Kalifornii a přes Americký Západ—další zesilování stávajících vodohospodářských problémů a ekosystému, zdůrazňuje.

kombinace „wetter mokré“ a „sušší suché“ podmínky položený na oteplování představuje zvláštní výzvy v Kalifornii. Oteplovací teploty již zvyšují poptávku po vodě jak pro lidské použití, tak pro přírodní ekosystémy současně s tím, že oteplování snižuje množství dostupné vody—z dlouhodobého hlediska zvyšuje nedostatek. California je moderní vodní infrastruktura je silně založena na existenci „time release“ sněhová pokrývka v Sierra Nevada, který historicky poskytl postupné doplňování povrchová voda skladování ve vodních nádržích po většinu období sucha. S oteplováním se sníží množství a spolehlivost vody pocházející z této vysokohorské „sněhové nádrže“ – omezení dodávek vody. Na druhou stranu, kombinace zvyšování objemu a intenzity srážek celkové, plus mnohem vyšší poměr déšť sníh na horách, bude pravděpodobně produkovat velký nárůst bouře odtoku a podstatné zvýšení povodňových rizik ve většině povodí. To může mít paradoxní efekt zvýšení krátkodobých povodňových rizik, ale také dlouhodobý nedostatek vody, protože větší bezpečnost a ochrana před povodněmi marže u přehrady bude muset být zachována—což pro méně dešťů skladovací kapacity za těchto struktur. Za zmínku stojí zejména velký nárůst krátkodobých lijáků v již extrémních AR událostech v oteplovacím klimatu. Vyšší hodinové srážky sazby by přednostně zvýšit riziko záplavy a suťové proudy v citlivých oblastech, kromě rizik, která pro větší povodí z větší události-celkové srážky.

jedním z potenciálně slibných přístupů ke zmírnění těchto konkurenčních rizik je v podstatě hrát jeden proti druhému. Jinými slovy: může být možné bojovat se suchem povodněmi a naopak. Jak by to mohlo fungovat? No, Kalifornie Katedra Vodních Zdrojů (a dalších veřejných & soukromé organizace) jsou již zkoumá nová paradigmata, včetně „povodeň-podařilo aquifer recharge“ (FloodMAR). Základní myšlenkou je vzít velké impulsy vody z velkých bouří a umožnit jí šířit se po předem určených strategicky umístěných nivách. V některých případech, to může sloužit jak snížit rizika povodní do městských oblastí (tím, že tlak z přehrad a hrází) a snížení rizika budoucího nedostatku vody (tím, že část vody se uvolňuje z povrchu vodní nádrže/přehrady být uloženy v podzemních kolektorů, k dispozici pro pozdější použití). Tyto periodicky zaplavované nivy často slouží jako“ vyskakovací “ stanoviště pro původní a ohrožené druhy. Pokud jste někdy jeli na Interstate 80 causeway bridge mezi Davisem a Sacramentem, viděli jste v akci rozsáhlou nivu: Yolo Bypass. I když tento konkrétní příklad je použit především ke snížení povodňových rizik (spíše než doplňování zvodní), rozhovory jsou aktivně probíhající o tom, jak stávajících úspěšných projektů, jako je Yolo Bypass, by mohla sloužit jako model pro budoucí přizpůsobení se změně klimatu opatření v teplejší, více variabilní Kalifornii.

kolik se zvýší povodňové riziko v důsledku těchto teplejších, vlhčích bouří? Zůstaňte naladěni – máme další práce v současné době v recenzi (od tohoto psaní) na přesně toto téma. A v současné době se pustíme do nového rozsáhlého mimořádného cvičení extreme storm pro Kalifornii-ArkStorm 2.0. Toto celostátní úsilí-které využívá velký soubor downscaling přístup popsaný v Huang et al. 2020 rozvíjet fyzicky věrohodné atmosférické řeky bouře sekvence—zahájí později v tomto roce, a bude zahrnovat mnoho ze stejných lidí, kteří byli zapojeni s původní „ARkStorm“ a „Zeštíhlování“ cvičení. V posledních deseti letech se však v komunitách vědy o atmosféře a klimatu hodně změnilo, takže se domníváme, že je kriticky důležité poskytnout aktualizaci v souladu s vyvíjejícím se stavem vědy (a stavem světa). Mnoho podrobností je ještě třeba určit,ale zůstaňte naladěni na další měsíce!

jak se tento článek liší od typických blogových příspěvků Weather West?

tento speciální článek Weather West se zaměřuje na recenzovaný vědecký výzkum mých kolegů a mě, který byl nedávno publikován v Science Advances, a také pojednává o recenzované práci jiných vědců. To znamená, že obsah tohoto kusu je na základě zjištění z formálního vědeckého výzkumu tím, že týmy výzkumných pracovníků, což kontrastuje s více typické Počasí Západního příspěvky, které jsou primárně založené na mé vlastní neformální myšlenky a analýzy. Chtěl bych poděkovat svým spoluautorům v této práci-Xingying Huang a Alex Hall – za jejich trvalé úsilí o dokončení tohoto projektu. (Tato práce se vyvíjela v průběhu několika let od počáteční konceptualizace až po konečnou publikaci.) Finanční prostředky pro svůj přínos pro tento výzkum byla poskytnuta prostřednictvím partnerství mezi UCLA Ústav pro životní Prostředí a Udržitelnost, Kapacita Centrum pro otázky Klimatu a Extrémy Počasí v Národním Centru pro Výzkum Atmosféry, a The Nature Conservancy of California.

plně otevřená verze papíru (volně přístupná všem!) si můžete prohlédnout zde.

web-dělitelný infografika znázorňující klíčové body z našeho extrémní atmosférické řeky práci zjistil, že na začátku tohoto blogu mohou být použity pro jakýkoli účel, s řádným uvedením zdroje. Chtěl bych poděkovat věda komunikátor Katharine Říše a grafický designer Rebecca Hume pro výrobu to možné!

citace: Huang, X., Swain, D. L., and a. Hall. Velký soubor downscaling extrémních atmosférických říčních bouří v Kalifornii odhaluje velký nárůst jemných srážek, Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.aba1323.