Extreme atmosphärische Flüsse: Wie werden Kaliforniens stärkste Stürme in einem sich erwärmenden Klima aussehen?

Hinweis: Dieser spezielle Weather West-Artikel konzentriert sich auf neue, von Experten begutachtete wissenschaftliche Forschung unter der Leitung von Xingying Huang, die meine Kollegen und ich kürzlich in Science Advances veröffentlicht haben.

Atmosphärische Flüsse im kalifornischen Klimakontext

Atmosphärische Flüsse (ARs) — lange, gewundene Korridore aus Wasserdampf, die sich in der unteren Hälfte der Erdatmosphäre bewegen — sind ein Schlüsselaspekt des kalifornischen Klimas in der kühlen Jahreszeit. ARs sind in vielen Fällen ziemlich unauffällig, wenn sie sich über dem offenen Ozean befinden, sichtbar auf dem Satelliten als schmales Band aus Bewölkung und (normalerweise) leichtem Niederschlag. Wenn sich diese Feuchtigkeitsfahnen jedoch an Niederdrucksysteme im Winter anlagern und entlang der kalifornischen Küste landen, können die Folgen dramatisch sein — es kommt häufig zu anhaltendem Starkregen und Bergschnee, zusammen mit manchmal starken Winden. AR-bezogene Niederschläge sind stark orographisch, was bedeutet, dass sie durch die lokale Topographie stark moduliert werden. Infolgedessen treten die dramatischsten AR-bezogenen Niederschlagssummen normalerweise an den Luv-Hängen (nach Süden und Westen ausgerichtet) der kalifornischen Küsten- und Binnengebirgszüge auf. Niederschlagsansammlungen in solchen Regionen während der extremsten AR—Ereignisse sind vergleichbar mit denen, die entlang der Golfküste oder der Ostküste während Landfalling-Hurrikanereignissen empfangen werden – und werden gelegentlich in Fuß gemessen, eher als Zoll. So wie, ARs kann entweder Segen oder Fluch sein, je nach Kontext und Vorbedingungen: sie sind für bis zu 50% der gesamten Wasserversorgung Kaliforniens verantwortlich, aber auch für die überwiegende Mehrheit des Hochwasserrisikos der Region.

Der Ansatz des großen Ensembles: erzeugung mehrerer plausibler Vergangenheiten und Zukünfte

Da ARs ein so grundlegender Aspekt des historischen Klimas in Kalifornien sind, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich solche Ereignisse in einer sich erwärmenden Welt verändern. Bestehende Forschungen zu Klimawandel und ARs haben zuvor darauf hingewiesen, dass sich die stärksten Ereignisse in einigen Regionen erheblich verstärken können. Aber fast alle dieser Studien haben sich bisher ausschließlich auf globale Klimamodelle verlassen – die ausgezeichnete Werkzeuge sind, um zu verstehen, wie sich das globale und regionale Klima im weiteren Sinne verändert, aber oft nicht granular genug sind, um Veränderungen in feinskaligen Phänomenen wie ARs zu bewerten. In der Studie, die ich in diesem Blogbeitrag beschreibe, haben meine Kollegen und ich versucht, diese Herausforderung zu lösen, indem wir ein hochauflösendes atmosphärisches Modell (das Weather Research and Forecasting Model oder WRF – häufig bei der Erstellung von täglichen Wettervorhersagen verwendet) verwendet haben, um die „Stürme der Zukunft“ in großen räumlichen und zeitlichen Details zu simulieren. Dazu zeichnen wir erste großräumige atmosphärische Bedingungen aus traditionellen, grob aufgelösten Klimamodellsimulationen und stellen diese dem Wettermodell zur Verfügung. Auf diese Weise sind wir in der Lage, einzelne extreme AR-Sturmereignisse systematisch aus diesen umfangreichen Klimamodellsimulationen herauszugreifen und sie mit einem Werkzeug zu simulieren, das die kleinräumigen topografischen Eigenheiten, die das kalifornische Klima charakterisieren, viel besser darstellt. Wir konzentrieren uns hauptsächlich auf extreme ARs, die große Auswirkungen in der Sierra Nevada haben, Daher konzentriert sich die Studie hauptsächlich auf Zentral- und Nordkalifornien.

Wichtig ist, dass wir mit diesem Ansatz auch mehrere „plausible Vergangenheiten und plausible Zukünfte“ berücksichtigen können.“ Das Klimamodell ist Teil eines großen Ensembles von Simulationen, was bedeutet, dass die Simulationen 40 Mal für die historische Vergangenheit und 40 Mal für eine wärmere Zukunft wiederholt werden. Dies ermöglicht es uns, ein breiteres Spektrum möglicher Sturmsequenzen sowohl unter den gegenwärtigen als auch unter den zukünftigen Klimabedingungen zu erfassen – da wir im Wesentlichen eine Aufzeichnung von vielen Dutzenden synthetischer, aber physikalisch plausibler extremer Stürme während jeder Periode erstellt haben. Dies bedeutet, dass wir eine große Stichprobengröße haben, um Unterschiede in den Sturmmerkmalen zwischen diesen beiden Perioden zu vergleichen, die viel größer ist (um den Faktor 40!), als dies allein durch die Betrachtung der historischen Aufzeichnungen möglich wäre.Es ist erwähnenswert, dass das zukünftige Klimaszenario, das wir in dieser Arbeit verwenden, durch einen anhaltenden Anstieg der Treibhausgasemissionen während des größten Teils des 21.Jahrhunderts gekennzeichnet ist (RCP8.5, für die Climate Wonks da draußen) — eine Flugbahn, die (hoffentlich) schlimmer ist, als wir es in den kommenden Jahrzehnten tatsächlich tun werden. Dennoch werden die meisten Auswirkungen, die wir in dieser Arbeit berücksichtigen, auch auf niedrigeren Emissionskurven auftreten — aber langsamer und in geringerem Maße, abhängig von unserem Erfolg bei der Begrenzung und schließlich auf Null der globalen Netto-Kohlenstoffemissionen.

Stärkere, feuchtere atmosphärische Flüsse, wenn sich das Klima erwärmt

Wir berichten von einem erheblichen Anstieg (20-30%) des AR-assoziierten integrierten Wasserdampftransports, IVT. (IVT ist ein aggregiertes Maß für die AR-Stärke, das sowohl das Niveau des atmosphärischen Wasserdampfs als auch die Stärke der Winde auf Transportebene berücksichtigt). Es ist wichtig zu bedenken, dass wir Ereignisse bewerten, die ziemlich selten und extrem sind — und es ist interessant festzustellen, dass das zusammengesetzte IVT-Muster sowohl für die gegenwärtige Ära als auch für zukünftige extreme ARs der kanonischen „Pineapple Express“ -Teilmenge von ARs sehr ähnlich sieht. Dies deutet darauf hin, dass die größten plausiblen AR-Stürme in Kalifornien wahrscheinlich Ereignisse mit einem tiefen subtropischen Feuchtigkeitshahn sind, der mit einem relativ verstärkten meridionalen Strömungsmuster über dem Nordpazifik mit einem starken stromaufwärts gelegenen Blockierungskamm über dem Beringmeer und einem tiefen Tiefdruckzentrum nordwestlich von Kalifornien zusammenfällt.

Wir finden einen erheblichen Anstieg der Niederschlagsmenge, die während extremer ARs in einem wärmeren Klima fällt fast überall, wo wir hinschauen— aber die größten relativen Veränderungen sind nicht immer, wo man erwarten könnte. Diese Zuwächse reichen von 15-30% an den orographisch begünstigten Westhängen der Sierra Nevada und der Küstenberge, 25-40% im Flachland und in regenschattigen Gebieten des Central Valley und kleinerer Küstentäler und lokal 50% oder mehr in den stark regenschattigen Lee-Seitentälern im fernen Osten Kaliforniens und im Westen Nevadas. (Absolute Zunahmen sind natürlich in den orographisch begünstigten Gebieten noch größer). Dieses räumliche Muster extremer AR-Niederschlagszunahme deutet darauf hin, dass Ereignisse in der Natur etwas weniger stark orografisch werden können — was bedeutet, dass andere physikalische Prozesse als die einfache orographische Anhebung in einer wärmeren Zukunft wichtiger werden könnten. Dies deutet auf einen potenziell übergroßen Anstieg des Niederschlags an Orten hin, die historisch nicht daran gewöhnt sind, große Mengen an AR-assoziiertem Niederschlag zu sehen.

Auffallend große Zunahme der intensivsten stündlichen Regengüsse

Einer der Vorteile der Verwendung eines hochauflösenden Wettermodells in dieser Untersuchung besteht darin, dass wir AR-Eigenschaften bei hoher räumlicher und zeitlicher Granularität berücksichtigen können. Dabei fanden wir etwas ziemlich Auffälliges: Die Zunahme des intensivsten stündlichen Niederschlags bei extremen AR-Ereignissen nimmt um ein deutlich größeres Inkrement und räumlich gleichmäßiger zu als der Ereignisgesamtniederschlag – 30-50% fast überall. Dies bedeutet, dass die intensivsten Regengüsse bei extremen AR-Stürmen wesentlich intensiver werden, unabhängig davon, ob Sie sich an einem südwestlich ausgerichteten Berghang oder im Central Valley befinden. Die räumliche Gleichförmigkeit dieses stündlichen maximalen Niederschlagsanstiegs deutet stark darauf hin, dass auch dies nicht durch orographische Prozesse angetrieben wird. Was könnte es stattdessen sein? Obwohl wir die Mechanismen in diesem Artikel nicht direkt diagnostizieren, kann es sein, dass zukünftige extreme ARs in einer wärmeren Welt etwas konvektiver instabil sind als das, was wir historisch gewohnt sind. Das vertikale Stabilitätsprofil von Wolken ist normalerweise „feuchtneutral“ (für die Meteorologen da draußen), was bedeutet, dass ein Luftpaket ohne Widerstand ansteigt, wenn es aktiv angehoben wird (durch orographische Wechselwirkung oder Frontalantrieb), aber aufgrund seines inhärenten Auftriebs nicht spontan ansteigt (wie es beispielsweise bei einem Sommergewitter auftreten kann). Da die Atmosphäre auf niedrigerer Ebene während zukünftiger extremer ARs viel wärmer und feuchter sein wird, ist es möglich, dass diese Änderungen auf niedrigerer Ebene diejenigen übertreffen, die höher in der atmosphärischen Säule auftreten — was zu einer stärkeren feuchten konvektiven Instabilität führt. Nun, das letzte Stück ist informierte Spekulation meinerseits, aber es ist etwas, was wir definitiv planen, in zukünftigen Arbeiten genauer zu betrachten.

Was ist hier los? Es liegt (hauptsächlich) an der Thermodynamik.

Die überwiegende Mehrheit dieser prognostizierten Niederschlagszunahmen — etwa 85% – beruht auf der einfachen Tatsache, dass die Wasserdampfhaltekapazität der Atmosphäre mit steigenden atmosphärischen Temperaturen schnell (exponentiell) zunimmt. Dies bedeutet zwar nicht, dass die Luftfeuchtigkeit in einer sich erwärmenden Welt immer höher sein wird, aber wenn die Bedingungen nahe der Sättigung liegen — wie es in AR—Umgebungen fast immer der Fall ist -, wird dieses erhöhte Wasserdampfhaltepotential realisiert. Infolgedessen ist die wärmere Atmosphäre selbst direkt für einen Großteil des Anstiegs des Wasserdampftransports und der nachfolgenden Niederschläge während extremer AR-Ereignisse in einem sich erwärmenden Klima verantwortlich.Die anderen ~ 15% dieses Anstiegs ergeben sich aus bescheidenen projizierten Zunahmen der Stärke der Westwinde (in der mittleren Atmosphäre, um das Niveau des Low-Level-Jets) während extremer AR-Ereignisse. Dieser zusätzliche Beitrag zukünftiger Windverschiebungen ist in Zentral- und Südkalifornien und nicht im Norden am stärksten ausgeprägt. Dieses Puzzleteil bleibt etwas unsicherer als der thermodynamisch bedingte Feuchtigkeitsanstieg, da sich verschiedene Klimamodelle nicht einheitlich darüber einig sind, ob diese Westwinde zunehmen werden. Aber da der thermodynamische Feuchtigkeitsanstieg das direkte Ergebnis eines fundamentalen und gut verstandenen physikalischen Prozesses ist, stimmen alle Klimamodelle in diesem Teil überein — was uns sehr hohe Zuversicht gibt, dass ~ 85% der IVT- und Niederschlagszunahmen, die wir berichten, tatsächlich in einem viel wärmeren zukünftigen Klima zum Tragen kommen würden.

Zwei weitere Erkenntnisse sind aus thermodynamischer Sicht interessant. Erstens legen unsere Simulationen nahe, dass der Niederschlagsanstieg während zukünftiger extremer ARs den noch größeren IVT-Anstieg während solcher Ereignisse verzögern wird. Mit anderen Worten: Während sowohl Niederschlag als auch IVT erheblich zunehmen, nimmt die Niederschlagseffizienz (d. H. Niederschlag pro Einheit IVT) in einem sich erwärmenden Klima tatsächlich ab. Dies bedeutet, dass der Niederschlagsanstieg möglicherweise nicht ganz so groß ist, wie man es erwarten könnte, wenn man historische Beziehungen zwischen Niederschlag und IVT extrapoliert. Auffallend, jedoch, Diese Abnahme der Niederschlagseffizienz beschränkt sich hauptsächlich auf die Luvhänge und orografisch bevorzugten Regionen, und ist im Central Valley und in den Lee-Seitentälern viel weniger ausgeprägt.Zweitens finden wir, dass zukünftige kalifornische ARs viel wärmer sein werden als die, die historisch aufgetreten sind. Während das an sich kein ungeheuer überraschender Befund ist, ist die Tatsache, dass extreme ARs tatsächlich weniger warm sind als die Hintergrundklimabedingungen (dh die Erwärmung während Nicht-AR-Perioden ist stärker als während AR-Ereignissen), faszinierender. Unsere jüngsten Arbeiten haben gezeigt, dass sich zeitgenössische ARs in Kalifornien bereits erheblich erwärmen, wenn auch mit weniger als der Hintergrunderwärmungsrate (Gonzales et al. 2019) – was auf Konsistenz zwischen jüngsten Beobachtungen und zukünftigen Modellprojektionen in dieser Hinsicht hindeutet. Dennoch: die 3-5 + F projizierte Erwärmung während dieser extremen ARs wäre mehr als genug, um das Regen / Schnee—Gleichgewicht in höheren Lagen grundlegend zu verändern – was bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Niederschläge während zukünftiger ARs selbst in recht hohen Lagen als flüssiger Regen (und nicht als Schnee) fallen könnte.

Was bedeutet das alles für das Hochwasser- und Wassermanagement in Kalifornien?

Unsere neue Arbeit ergänzt eine wachsende Zahl von Forschungsergebnissen, die darauf hindeuten, dass Kalifornien in einem sich erwärmenden Klima wärmeren, feuchteren Stürmen ausgesetzt sein wird. Die daraus resultierende Zunahme extremer Niederschläge und des Anteils der Niederschläge, die in höheren Lagen eher als Regen als als Schnee fallen, wird wahrscheinlich auch ohne große Veränderungen des durchschnittlichen Gesamtniederschlags auftreten. In der Tat haben wir in einer 2018 veröffentlichten Arbeit (und in einem früheren Blogbeitrag ausführlich erörtert) festgestellt, dass relativ bescheidene projizierte Trends bei regionalen mittleren Niederschlägen einen viel dramatischeren Anstieg des „Niederschlagsschleudertraumas“ zwischen zunehmenden nassen und trockenen Extremen maskieren. Hinzu kommt, dass die Erwärmungstemperaturen aufgrund der erhöhten Verdunstung sowohl in Kalifornien als auch im gesamten amerikanischen Westen bereits zu einem Anstieg der hydrologischen Dürrebedingungen führen — was die bestehenden Herausforderungen im Wassermanagement und die Belastungen des Ökosystems weiter verstärkt.

Die Kombination von „feuchter nass“ und „trockener trocken“ Bedingungen auf Erwärmung Temperaturen überlagert stellt besondere Herausforderungen in Kalifornien. Die Erwärmungstemperaturen erhöhen bereits den Wasserbedarf sowohl für den menschlichen Gebrauch als auch für natürliche Ökosysteme, während die Erwärmung die verfügbare Wassermenge verringert — was auf lange Sicht die Verknappung erhöht. Kaliforniens moderne Wasserinfrastruktur basiert stark auf der Existenz einer „Time Release“ -Schneedecke in der Sierra Nevada, die historisch gesehen eine allmähliche Auffüllung der Oberflächenwasserspeicherung in Stauseen während eines Großteils der Trockenzeit ermöglichte. Mit der Erwärmung werden die Menge und Zuverlässigkeit des Wassers, das aus diesem hoch gelegenen „Schneedeckenreservoir“ stammt, abnehmen — was die Wasserversorgung einschränkt. Andererseits wird die Kombination aus zunehmendem Niederschlagsvolumen und -intensität insgesamt sowie einem viel höheren Verhältnis von Regen zu Schnee in den Bergen wahrscheinlich zu einem starken Anstieg des Sturmabflusses und einem erheblichen Anstieg des Hochwasserrisikos in den meisten Wassereinzugsgebieten führen. Dies kann den paradoxen Effekt haben, dass das kurzfristige Hochwasserrisiko, aber auch die langfristige Wasserknappheit zunimmt, da größere Sicherheits- und Hochwasserschutzmargen an Staudämmen aufrechterhalten werden müssen – was eine geringere Speicherkapazität für die Regenzeit hinter diesen Strukturen ermöglicht. Besonders hervorzuheben ist die besonders starke Zunahme von kurzzeitigen Regengüssen innerhalb bereits extremer AR-Ereignisse in einem sich erwärmenden Klima. Höhere stündliche Niederschlagsraten würden bevorzugt das Risiko von Sturzfluten und Murgängen in anfälligen Gebieten erhöhen, zusätzlich zu den Risiken, die für größere Wassereinzugsgebiete durch erhöhte ereignisbedingte Niederschläge bestehen.Ein potenziell vielversprechender Ansatz zur Minderung dieser konkurrierenden Risiken besteht darin, im Wesentlichen gegeneinander zu spielen. Mit anderen Worten: Es kann möglich sein, Dürre mit Flut zu bekämpfen und umgekehrt. Wie könnte das funktionieren? Nun, das kalifornische Department of Water Resources (und andere öffentliche & private Organisationen) erforschen bereits neue Paradigmen, einschließlich „Flood-Managed Aquifer Recharge“ (FloodMAR). Die Grundidee besteht darin, große Wassermassen aus großen Stürmen zu entnehmen und sich über vorgegebene, strategisch gelegene Auen ausbreiten zu lassen. In einigen Fällen kann dies dazu dienen, sowohl das Hochwasserrisiko für städtische Gebiete zu verringern (indem Dämme und Deiche entlastet werden) als auch das Risiko einer zukünftigen Wasserknappheit zu verringern (indem ein Teil des aus Oberflächenwasserreservoirs / Dämmen freigesetzten Wassers in unterirdischen Grundwasserleitern gespeichert werden kann, die für eine spätere Verwendung verfügbar sind). Praktischerweise dienen diese periodisch überschwemmten Auen oft als „Pop-up“ -Lebensräume für einheimische und gefährdete Arten. Wenn Sie jemals auf der Interstate 80 Causeway Bridge zwischen Davis und Sacramento gefahren sind, haben Sie eine großflächig bewirtschaftete Aue in Aktion gesehen: Die Yolo Bypass. Während dieses spezielle Beispiel hauptsächlich zur Verringerung des Hochwasserrisikos (und nicht zur Wiederauffüllung von Grundwasserleitern) verwendet wird, laufen derzeit Gespräche darüber, wie erfolgreiche bestehende Projekte wie die Yolo-Umgehung als Modell für zukünftige Klimaanpassungsmaßnahmen in einem wärmeren, variableren Kalifornien dienen könnten.

Wie stark wird das Hochwasserrisiko aufgrund dieser wärmeren, feuchteren Stürme zunehmen? Bleiben Sie dran – wir haben derzeit weitere Arbeiten (zum Zeitpunkt des Schreibens) zu genau diesem Thema in der Überprüfung. Und wir beginnen derzeit mit einer neuen, groß angelegten Notfallübung für extreme Stürme in Kalifornien – ArkStorm 2.0. Dieses landesweite Unterfangen – das den in Huang et al. 2020, um physikalisch plausible atmosphärische Flusssturmsequenzen zu entwickeln – wird später in diesem Jahr starten und viele der gleichen Leute einbeziehen, die an den ursprünglichen „ARkStorm“ – und „ShakeOut“ -Übungen beteiligt waren. In den letzten zehn Jahren hat sich jedoch viel in der Atmosphären- und Klimawissenschaft verändert, daher halten wir es für äußerst wichtig, ein Update bereitzustellen, das dem sich entwickelnden Stand der Wissenschaft (und dem Zustand der Welt) entspricht. Viele Details müssen noch festgelegt werden, aber bleiben Sie dran für mehr in den kommenden Monaten!

Wie unterscheidet sich dieser Artikel von typischen Weather West Blog Posts?

Dieser spezielle Weather West-Artikel konzentriert sich auf Peer-Review-wissenschaftliche Forschung von meinen Kollegen und mir, die kürzlich in Science Advances veröffentlicht wurde, und diskutiert auch Peer-Review-Arbeit von anderen Wissenschaftlern. Dies bedeutet, dass der Inhalt dieses Artikels auf Erkenntnissen aus formellen wissenschaftlichen Untersuchungen von Forscherteams basiert, Dies steht im Gegensatz zu typischeren Weather West-Beiträgen, die hauptsächlich auf meinen eigenen informellen Gedanken und Analysen basieren. Ich möchte meinen Co-Autoren in dieser Arbeit — Xingying Huang und Alex Hall — für ihre nachhaltigen Bemühungen danken, dieses Projekt zum Abschluss zu bringen. (Diese Arbeit entwickelte sich über mehrere Jahre von der ersten Konzeptualisierung bis zur endgültigen Veröffentlichung. Die Finanzierung meines Beitrags zu dieser Forschung wurde durch eine Partnerschaft zwischen dem UCLA Institute of the Environment and Sustainability, dem Capacity Center for Climate and Weather Extremes am National Center for Atmospheric Research und der Nature Conservancy of California bereitgestellt.

Eine vollständig frei zugängliche Version des Papiers (frei zugänglich für alle!) kann hier eingesehen werden.

Die Web-sharable Infografik Schlüsselpunkte aus unserer extremen atmosphärischen Fluss Arbeit am Anfang dieses Blog-Post gefunden veranschaulicht, kann für jeden Zweck mit der richtigen Zuordnung reproduziert werden. Ich möchte der Wissenschaftskommunikatorin Katharine Reich und der Grafikdesignerin Rebecca Hume dafür danken, dass sie dies möglich gemacht haben!

Zitat: Huang, X., Swain, D.L. und A. Hall. Downscaling extremer atmosphärischer Flussstürme in Kalifornien mit großem Ensemble zeigt einen starken Anstieg der Niederschläge im feinen Maßstab, Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.aba1323.