ekstreme atmosfæriske floder: hvordan vil Californiens stærkeste storme se ud i et opvarmende klima?

Bemærk: Denne specielle Vejrvestartikel fokuserer på ny fagfællebedømt videnskabelig forskning, ledet af Hingying Huang, som mine kolleger og jeg for nylig offentliggjorde i Science Advances.

atmosfæriske floder i en californisk klima kontekst

atmosfæriske floder (ARs)—lange, bugtede korridorer af vanddamp i bevægelse i den nedre halvdel af Jordens atmosfære—er et centralt aspekt af Californiens kølige sæson klima. ARs er i mange tilfælde temmelig unremarkable, når de er ude over det åbne hav, synlige på satellit som et smalt bånd af uklarhed og (normalt) let nedbør. Men når disse fugtplumer knytter sig til lavtrykssystemer om vinteren og lander langs Californiens kyst, konsekvenserne kan være dramatiske—langvarig kraftig regn og bjergsne resulterer ofte, sammen med undertiden kraftige vinde. AR-relateret nedbør er stærkt orografisk, hvilket betyder, at det har tendens til at blive stærkt moduleret af lokal topografi. Som et resultat forekommer de mest dramatiske ar-relaterede nedbørstotaler normalt på de vindvendte (syd-og vestvendte) skråninger af Californiens kyst-og indre bjergkæder. Udfældningsakkumuleringer i sådanne regioner under de mest ekstreme AR—begivenheder kan sammenlignes med dem, der modtages langs Gulf Coast eller Eastern Seaboard under deponering af orkanhændelser-og måles lejlighedsvis i fødder, snarere end inches. Som sådan, ARs kan enten være velsignelse eller en forbandelse, afhængigt af kontekst og forudgående forhold: de er ansvarlige for op til 50% af Californiens samlede vandforsyning, men også langt størstedelen af regionens oversvømmelsesrisiko.

den store ensemble tilgang: generering af flere plausible fortid og futures

da ARs er et så grundlæggende aspekt af Californiens historiske klima, er det kritisk vigtigt at forstå, hvordan sådanne begivenheder ændrer sig i en opvarmende verden. Eksisterende forskning om klimaændringer og ARs har tidligere antydet, at de stærkeste begivenheder kan intensiveres betydeligt i nogle regioner. Men næsten alle sådanne undersøgelser til dato har udelukkende været afhængige af globale klimamodeller-som er fremragende værktøjer til at forstå, hvordan det globale og regionale klima ændrer sig i bredere forstand, men er ofte ikke granulære nok til at vurdere ændringer i finskala fænomener som ARs. I den undersøgelse, jeg beskriver i dette blogindlæg, har mine kolleger og jeg forsøgt at løse denne udfordring ved at bruge en atmosfærisk model med høj opløsning (Vejrforsknings-og Prognosemodellen eller VRF—almindeligvis brugt til at lave daglige vejrudsigter) for at simulere “fremtidens storme” i stor rumlig og tidsmæssig detalje. Det gør vi ved at tegne indledende store atmosfæriske forhold fra traditionelle, grovopløsnings klimamodelsimuleringer og levere disse til vejrmodellen. På denne måde, vi er i stand til systematisk at udvælge individuelle ekstreme AR-stormhændelser fra disse omfattende klimamodelsimuleringer og simulere dem ved hjælp af et værktøj, der meget bedre repræsenterer de små variationer topografiske særheder, der kendetegner Californiens klima. Vi fokuserer primært på ekstreme ARs, der har store virkninger i Sierra Nevada, så undersøgelsen er primært centreret på tværs af det centrale og nordlige Californien.

det er vigtigt, at denne tilgang også lader os overveje flere “plausible fortid og plausible futures.”Klimamodellen er en del af et stort ensemble af simuleringer, hvilket betyder, at simuleringerne gentages 40 gange for den historiske fortid og 40 gange for en varmere fremtid. Dette giver os mulighed for at fange en bredere vifte af mulige stormsekvenser i både nutidens og fremtidige klimaforhold-da vi i det væsentlige har skabt en oversigt over mange snesevis af syntetiske, men fysisk plausible ekstreme storme i hver periode. Dette betyder, at vi har en stor prøvestørrelse til at sammenligne forskelle i stormegenskaber mellem disse to perioder, hvilket er meget større (med en faktor på 40!) end ville være tilgængelig ved at se på den historiske rekord alene.

det er værd at bemærke, at det fremtidige klimascenarie, vi bruger i dette arbejde, er kendetegnet ved en fortsat stigning i drivhusgasemissioner gennem det meste af det 21.århundrede (RCP8.5, for klimaet vinder derude)—en bane, der (forhåbentlig) er værre, end vi faktisk vil tage i de kommende årtier. Alligevel vil de fleste af de virkninger, vi overvejer i dette arbejde, dukke op selv på lavere emissionsbaner—men langsommere og i mindre grad, helt afhængig af vores eventuelle succes med at begrænse og til sidst bringe til nul netto globale kulstofemissioner.

stærkere, vådere atmosfæriske floder, når klimaet varmer

Vi rapporterer betydelige (20-30%) stigninger i AR-associeret integreret vanddamptransport, IVT. (IVT er et samlet mål for AR-styrke, der tager højde for både niveauet af atmosfærisk vanddamp og styrken af vind på transportniveau). Det er vigtigt at huske på, at vi vurderer begivenheder, der er ret sjældne og ekstreme—og det er interessant at bemærke, at det sammensatte IVT-mønster for både nuværende æra og fremtidige ekstreme ARs ligner meget den kanoniske “Ananasekspress” – delmængde af ARs. Det antyder, at de største plausible AR-storme i Californien sandsynligvis vil være begivenheder med en dyb subtropisk fugthane, sammenfaldende med et relativt forstærket meridionalt strømningsmønster over det nordlige Stillehav med en stærk opstrøms blokerende højderyg over Beringhavet og et dybt lavtrykscenter lige nordvest for Californien.

Vi finder en betydelig stigning i mængden af nedbør, der falder under ekstreme ARs i et varmere klima næsten overalt, hvor vi ser—men de største relative ændringer er ikke altid, hvor du kunne forvente. Disse stigninger spænder fra 15-30% på de orografisk favoriserede vestlige skråninger af Sierra Nevada og kystbjergene, 25-40% i fladlandet og regnskyggede områder i Central Valley og mindre kystdale og lokalt 50% eller derover i de stærkt regnskyggede lee side-dale i Fjernøsten Californien og vestlige Nevada. (Absolutte stigninger er naturligvis stadig større i de orografisk favoriserede områder). Dette rumlige mønster med ekstrem AR-nedbørsforøgelse antyder, at begivenheder kan blive noget mindre stærkt orografiske—hvilket betyder, at andre fysiske processer end simpel orografisk løft kan blive vigtigere i en varmere fremtid. Dette varsler potentielt store stigninger i nedbør på steder, der ikke historisk er vant til at se store mængder AR-associeret nedbør.

slående store stigninger i de mest intense timers regnvejr

en af fordelene ved at bruge en vejrmodel med høj opløsning i denne undersøgelse er, at vi kan overveje AR-egenskaber ved høj rumlig og tidsmæssig granularitet. Da vi gjorde det, fandt vi noget ganske slående: stigningen i den mest intense timefældning under ekstreme AR-begivenheder stiger med en betydeligt større stigning og på en mere rumligt ensartet måde end begivenhed–total nedbør-30-50% næsten overalt. Det betyder, at de mest intense regnskyl under ekstreme ar storme vil blive væsentligt mere intens, uanset om du er på en sydvestvendt bjergskråning eller i Central Valley. Den rumlige ensartethed af denne maksimale nedbørsforøgelse hver time antyder kraftigt, at dette også ikke drives af orografiske processer. Hvad kunne det være i stedet? Selvom vi ikke direkte diagnosticerer mekanismerne i dette papir, kan det være tilfældet, at fremtidige ekstreme ARs i en varmere verden er lidt mere konvektivt ustabile end hvad vi har været vant til historisk. Den vertikale stabilitetsprofil for moderne er normalt” fugtig-neutral ” (for meteorologerne derude), hvilket betyder, at en luftpakke vil stige uden modstand, hvis den aktivt løftes (ved orografisk interaktion eller frontal tvang), men vil ikke stige spontant på grund af dens iboende opdrift (som f.eks. Da atmosfæren på lavere niveau under fremtidige ekstreme ARs vil være meget varmere og fugtigere, er det muligt, at disse ændringer på lavere niveau overstiger dem, der forekommer højere op i den atmosfæriske søjle—hvilket fører til stærkere fugtig konvektiv ustabilitet. Nu er denne sidste bit informeret spekulation fra min side, men det er noget, vi helt sikkert planlægger at se nærmere på i det fremtidige arbejde.

Hvad sker der her? Det er (for det meste) ned til termodynamik.

langt størstedelen af disse forventede nedbørsstigninger—omkring 85%–stammer fra den enkle kendsgerning, at atmosfærens vanddampholdekapacitet stiger hurtigt (eksponentielt faktisk) med stigende atmosfæriske temperaturer. Selvom dette ikke betyder, at atmosfærisk fugtighed altid vil være højere i en opvarmningsverden, betyder det, at når forholdene er nær mætning—som næsten altid forekommer i AR—miljøer-vil dette øgede vanddampholdingspotentiale blive realiseret. Som et resultat er den varmere atmosfære i sig selv direkte ansvarlig for et flertal af stigningen i vanddamptransport og efterfølgende nedbør under ekstreme AR-begivenheder i et opvarmningsklima.

den anden ~15% af denne stigning stammer fra beskedne forventede stigninger i styrken af vestlige vinde (i den midterste atmosfære, omkring niveauet af lavt niveau jet) under ekstreme AR-begivenheder. Dette yderligere bidrag fra fremtidige vindskift er faktisk mest udtalt over det centrale og sydlige Californien snarere end i nord. Dette stykke af puslespillet forbliver lidt mere usikkert end den termodynamisk bidrog fugtforøgelse, da forskellige klimamodeller ikke ensartet er enige om, hvorvidt disse vestlige vinde vil stige. Men da den termodynamiske fugtforøgelse er det direkte resultat af en grundlæggende og velforståelig fysisk proces, er alle klimamodeller enige om den del-hvilket giver os meget stor tillid til, at ~85% af IVT og nedbørsstigninger, vi rapporterer, faktisk ville komme til at virke i et meget varmere fremtidigt klima.

to andre fund er interessante fra et termodynamisk perspektiv. For det første antyder vores simuleringer, at nedbørsstigningen under fremtidige ekstreme ARs vil forsinke den endnu større IVT-stigning under sådanne begivenheder. Med andre ord: mens både nedbør og IVT stiger betydeligt, falder nedbørseffektiviteten (dvs.nedbør pr. Dette betyder, at nedbørsstigninger måske ikke er så store, som man kunne forvente, hvis man ekstrapolerer historiske forhold mellem Nedbør og IVT. Påfaldende, imidlertid, dette fald i nedbørseffektivitet er for det meste begrænset til de vindskråninger og orografisk favoriserede regioner, og er meget mindre fremtrædende over Central Valley og lee side Dale.

for det andet finder vi, at fremtidige Californien ARs vil være meget varmere end dem, der skete historisk. Selvom det i sig selv ikke er et enormt overraskende fund, er det mere spændende, at ekstreme ARs faktisk varmer mindre end baggrundsklimaforhold (dvs.opvarmningen i ikke-AR-perioder er stærkere end under AR-begivenheder). Vores nylige arbejde har vist, at nutidige ARs allerede opvarmer betydeligt i Californien, dog mindre end baggrundsopvarmningshastigheden. 2019) – hvilket tyder på sammenhæng mellem nylige observationer og fremtidige modelfremskrivninger i den henseende. Desto: den 3-5 + F forventede opvarmning under disse ekstreme ARs ville være mere end nok til fundamentalt at ændre regn/snebalancen ved højere højder—hvilket betyder, at langt størstedelen af nedbør i fremtidige ARs kan falde som flydende regn (snarere end sne) selv ved ganske høje højder.

hvad betyder alt dette for oversvømmelse og vandforvaltning i Californien?

vores nye arbejde tilføjer til en voksende mængde forskning, der tyder på, at Californien vil stå over for varmere, vådere storme i et opvarmende klima. Den resulterende stigning i ekstrem nedbør og i den brøkdel af nedbør, der falder som regn snarere end sne i højere højder, vil sandsynligvis forekomme, selv i fravær af store ændringer i den samlede gennemsnitlige nedbør. I arbejde, der blev offentliggjort i 2018 (og diskuteret detaljeret i et tidligere blogindlæg), fandt vi faktisk, at relativt beskedne forventede tendenser i regional gennemsnitlig nedbør maskerer meget en meget mere dramatisk stigning i “nedbør piskesmæld” mellem stigende våde og tørre ekstremer. Oven i købet, opvarmningstemperaturer driver allerede en stigning i hydrologiske tørkeforhold på grund af øget fordampning både i Californien og over det amerikanske vest—yderligere forstærkning af eksisterende vandforvaltningsudfordringer og økosystemspændinger.

kombinationen af” vådere våde “og” tørrere tørre ” forhold overlejret ved opvarmningstemperaturer udgør særlige udfordringer i Californien. Opvarmningstemperaturer øger allerede vandbehovet både til menneskelig brug og af naturlige økosystemer på samme tid som opvarmning reducerer mængden af tilgængeligt vand—stigende knaphed i det lange løb. Californiens moderne vandinfrastruktur er stærkt baseret på eksistensen af en “tidsudgivelse” snepakke i Sierra Nevada, som historisk tilvejebragte gradvis genopfyldning af overfladevandopbevaring i reservoirer gennem store dele af den tørre sæson. Ved opvarmning vil mængden og pålideligheden af vand med oprindelse i dette høje “snepakkereservoir” falde—hvilket begrænser vandforsyningen. På den anden side vil kombinationen af stigende nedbørsvolumen og intensitet generelt plus et meget højere forhold mellem regn og sne i bjergene sandsynligvis give en stor stigning i stormafstrømning og en betydelig stigning i oversvømmelsesrisiko i de fleste vandområder. Dette kan have den paradoksale effekt af stigende kortvarig oversvømmelsesrisiko, men også langvarig vandknaphed, fordi bredere sikkerheds-og oversvømmelseskontrolmargener ved dæmninger skal opretholdes—hvilket giver mulighed for mindre lagringskapacitet i vådsæsonen bag disse strukturer. Af særlig note er den særligt store stigning i kortvarige regnskyl inden for allerede ekstreme AR-begivenheder i et opvarmningsklima. Højere nedbørsmængder pr. time vil fortrinsvis øge risikoen for oversvømmelse af flash og affaldsstrømme i modtagelige områder ud over de risici, der er forbundet med større vandområder som følge af øget nedbør i alt.

en potentielt lovende tilgang til at afbøde disse konkurrerende risici er i det væsentlige at spille den ene mod den anden. Med andre ord: det kan være muligt at bekæmpe tørke med Oversvømmelse og omvendt. Hvordan kan dette arbejde? Nå, Californiens afdeling for vandressourcer (og andre offentlige & private organisationer) udforsker allerede nye paradigmer, herunder “flood-managed akvifer recharge” (FloodMAR). Grundtanken er at tage store pulser af vand fra store storme og lade det sprede sig over forudbestemte, strategisk placerede flodsletter. I nogle tilfælde kan dette tjene til både at reducere oversvømmelsesrisikoen for byområder (ved at fjerne tryk fra dæmninger og dæmninger) og reducere risikoen for fremtidig vandknaphed (ved at lade en del af vandet, der frigives fra overfladevandreservoirer/dæmninger, opbevares i underjordiske akviferer, der er tilgængelige til senere brug). Bekvemt tjener disse periodisk oversvømmede flodsletter ofte som “pop-up” levesteder for indfødte og truede arter. Hvis du nogensinde har kørt på Interstate 80 dæmning bro mellem Davis og Sacramento, du har set en storstilet lykkedes flodslette i aktion: Yolo Bypass. Mens dette særlige eksempel hovedsageligt bruges til at reducere oversvømmelsesrisikoen (snarere end at genoplade akviferer), foregår der aktivt samtaler om, hvordan vellykkede eksisterende projekter, såsom Yolo Bypass, kan tjene som model for fremtidige klimatilpasningsforanstaltninger i et varmere, mere variabelt Californien.

hvor meget vil oversvømmelsesrisikoen stige på grund af disse varmere, vådere storme? Stay tuned – vi har yderligere arbejde i øjeblikket i gennemgang (som dette skrives) om netop dette emne. Og vi er i øjeblikket i gang med en ny, storstilet ekstrem storm beredskabsøvelse for Californien-ArkStorm 2.0. Denne statslige bestræbelse-som bruger den store ensemble nedskalering tilgang beskrevet i Huang et al. 2020 for at udvikle fysisk plausible atmosfæriske flodstormsekvenser-lanceres senere på året og vil involvere mange af de samme folk, der var involveret i de originale “ARkStorm” og “ShakeOut” øvelser. Meget har ændret sig i de atmosfæriske og klimavidenskabelige samfund i løbet af det sidste årti, så vi føler, at det er kritisk vigtigt at give en opdatering, der er i overensstemmelse med videnskabens udviklende tilstand (og verdens tilstand). Mange detaljer skal stadig bestemmes, men hold øje med mere i de kommende måneder!

hvordan er denne artikel forskellig fra typiske vejr Vest blogindlæg?

denne særlige vejr Vest artikel fokuserer på fagfællebedømt videnskabelig forskning af mine kolleger og mig, der for nylig er blevet offentliggjort i Science Advances, og diskuterer også fagfællebedømt arbejde af andre forskere. Dette betyder, at indholdet af dette stykke er baseret på fund fra formelle videnskabelige undersøgelser foretaget af forskerhold, der står i kontrast til mere typiske Vejrvestindlæg, der primært er baseret på mine egne uformelle tanker og analyser. Jeg vil gerne takke mine medforfattere i dette arbejde for deres vedvarende indsats for at bringe dette projekt til afslutning. (Dette arbejde udviklede sig over flere år fra dets oprindelige konceptualisering til den endelige offentliggørelse.) Finansiering til mit bidrag til denne forskning blev ydet gennem et partnerskab mellem UCLAs Institut for Miljø og bæredygtighed, Kapacitetscentret for klima og vejr ekstremer ved National Center for Atmospheric Research og Nature Conservancy of California.

en fuldt åben adgang version af papiret (frit tilgængelig for alle!) kan ses her . den internetdelbare infografik, der illustrerer nøglepunkter fra vores ekstreme atmosfæriske flodarbejde, der findes i begyndelsen af dette blogindlæg, kan gengives til ethvert formål med korrekt tilskrivning. Jeg vil gerne takke videnskabskommunikator Katharine Reich og grafisk designer Rebecca Hume for at gøre dette muligt!

Citat: Huang, S., Svain, D. L. og A. Hall. Stor ensemble nedskalering af ekstreme atmosfæriske flodstorme i Californien afslører stor stigning i finskala nedbør, Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.