Ríos atmosféricos extremos: ¿cómo se verán las tormentas más fuertes de California en un clima cálido?

Nota: Este artículo especial de Weather West se centra en la nueva investigación científica revisada por pares, dirigida por Xingying Huang, que mis colegas y yo publicamos recientemente en Science Advances.

Los ríos atmosféricos en un contexto climático de California

Los ríos atmosféricos (ARs), corredores largos y sinuosos de vapor de agua en movimiento en la mitad inferior de la atmósfera de la Tierra, son un aspecto clave del clima de temporada fría de California. Los ARs son en muchos casos bastante comunes cuando están en el mar abierto, visibles en el satélite como una cinta estrecha de nubosidad y (generalmente) precipitación ligera. Pero cuando estos penachos de humedad se adhieren a los sistemas de baja presión en invierno y tocan tierra a lo largo de la costa de California, las consecuencias pueden ser dramáticas: a menudo se producen fuertes lluvias prolongadas y nieve en las montañas, junto con vientos a veces poderosos. La precipitación relacionada con la RA es fuertemente orográfica, lo que significa que tiende a ser fuertemente modulada por la topografía local. Como resultado, los totales de precipitación relacionados con la RA más dramáticos generalmente ocurren en las laderas de barlovento (orientadas al sur y al oeste) de las cordilleras costeras e interiores de California. Las acumulaciones de precipitaciones en tales regiones durante los eventos de RA más extremos son comparables a las recibidas a lo largo de la Costa del Golfo o la Costa Este durante los eventos de huracanes en vertederos, y ocasionalmente se miden en pies en lugar de pulgadas. Como tal, el ARs puede ser una bendición o una maldición, dependiendo del contexto y las condiciones previas: son responsables de hasta el 50% del suministro total de agua de California, pero también de la gran mayoría del riesgo de inundación de la región.

El enfoque de conjunto grande: generando múltiples pasados y futuros plausibles

Dado que los ARs son un aspecto fundamental del clima histórico de California, es de vital importancia entender cómo están cambiando estos eventos en un mundo en calentamiento. Las investigaciones existentes sobre el cambio climático y la ARs han sugerido anteriormente que los eventos más fuertes pueden intensificarse considerablemente en algunas regiones. Sin embargo, casi todos estos estudios hasta la fecha se han basado exclusivamente en modelos climáticos globales, que son excelentes herramientas para comprender cómo el clima global y regional está cambiando en un sentido más amplio, pero a menudo no son lo suficientemente granulares para evaluar los cambios en fenómenos de escala fina como el ARs. En el estudio que describo en esta entrada de blog, mis colegas y yo hemos intentado resolver este desafío utilizando un modelo atmosférico de alta resolución (el Modelo de Investigación y Pronóstico del Tiempo, o WRF, comúnmente utilizado para hacer pronósticos meteorológicos diarios) para simular las «tormentas del futuro» con gran detalle espacial y temporal. Lo hacemos dibujando las condiciones atmosféricas iniciales a gran escala a partir de simulaciones de modelos climáticos tradicionales de resolución gruesa y proporcionándolas al modelo meteorológico. De esta manera, podemos seleccionar sistemáticamente eventos extremos de tormentas AR individuales de estas extensas simulaciones de modelos climáticos y simularlos utilizando una herramienta que representa mucho mejor las variaciones topográficas a pequeña escala que caracterizan el clima de California. Nos enfocamos principalmente en ARs extremas que tienen grandes impactos en la Sierra Nevada, por lo que el estudio se centra principalmente en el centro y el norte de California.

Es importante destacar que este enfoque también nos permite considerar múltiples «pasados plausibles y futuros plausibles».»El modelo climático es parte de un gran conjunto de simulaciones, lo que significa que las simulaciones se repiten 40 veces para el pasado histórico y 40 veces para un futuro más cálido. Esto nos permite capturar una gama más amplia de posibles secuencias de tormentas tanto en la era actual como en las condiciones climáticas futuras, ya que esencialmente hemos creado un registro de muchas docenas de tormentas extremas sintéticas pero físicamente plausibles durante cada período. Esto significa que tenemos un gran tamaño de muestra para comparar las diferencias en las características de la tormenta entre estos dos períodos, que es mucho mayor (¡por un factor de 40!) de lo que estaría disponible mirando solo el registro histórico.

Vale la pena señalar que el escenario climático futuro que utilizamos en este trabajo se caracteriza por un aumento continuo de las emisiones de gases de efecto invernadero durante la mayor parte del siglo XXI (RCP8.5, para los problemas climáticos que existen), una trayectoria que es (con suerte) peor de lo que realmente tomaremos en las próximas décadas. Sin embargo, la mayoría de los impactos que consideramos en este trabajo surgirán incluso en trayectorias de emisiones más bajas, pero más lentamente y en menor grado, dependiendo completamente de nuestro éxito final en limitar y, finalmente, llevar a cero las emisiones netas de carbono globales.

Ríos atmosféricos más fuertes y húmedos a medida que el clima se calienta

Reportamos aumentos sustanciales (20-30%) en el transporte integrado de vapor de agua asociado a AR, IVT. (IVT es una medida agregada de la fuerza de AR que tiene en cuenta tanto el nivel de vapor de agua atmosférico como la fuerza de los vientos a nivel de transporte). Es importante tener en cuenta que estamos evaluando eventos que son bastante raros y extremos—y es interesante notar que el patrón de IVT compuesto para ARs extremos de la era presente y del futuro se parece mucho al subconjunto canónico de ARs «Pineapple Express». Eso sugiere que las tormentas de RA más grandes plausibles en California probablemente sean eventos con un grifo de humedad subtropical profundo, coincidiendo con un patrón de flujo meridional relativamente amplificado sobre el Pacífico Norte con una fuerte cresta de bloqueo río arriba sobre el Mar de Bering y un centro de baja presión profundo justo al noroeste de California.

Encontramos un aumento sustancial en la cantidad de precipitación que cae durante el ARs extremo en un clima más cálido en casi todas partes, pero los cambios relativos más grandes no siempre están donde cabría esperar. Estos aumentos oscilan entre el 15 y el 30% en las laderas occidentales orográficamente favorecidas de Sierra Nevada y las montañas costeras, entre el 25 y el 40% en las tierras planas y las áreas con sombra de lluvia del Valle Central y los valles costeros más pequeños, y localmente el 50% o más en los valles laterales de lee con sombra de lluvia en el extremo este de California y el oeste de Nevada. (Los aumentos absolutos, por supuesto, son aún mayores en las áreas orográficamente favorecidas). Este patrón espacial de aumento extremo de la precipitación AR sugiere que los eventos pueden volverse algo menos orográficos en la naturaleza, lo que significa que los procesos físicos que no sean el levantamiento orográfico simple pueden volverse más importantes en un futuro más cálido. Esto augura aumentos potencialmente enormes en las precipitaciones en lugares que no están acostumbrados históricamente a ver grandes volúmenes de precipitaciones asociadas a la RA.

Aumentos sorprendentemente grandes en los aguaceros horarios más intensos

Una de las ventajas de usar un modelo meteorológico de alta resolución en esta investigación es que podemos considerar características de RA con granularidad espacial y temporal alta. Cuando lo hicimos, encontramos algo bastante sorprendente: el aumento en la precipitación horaria más intensa durante eventos extremos de RA aumenta en un incremento considerablemente mayor y de una manera más uniforme espacialmente que la precipitación total de eventos: 30-50% en casi todas partes. Esto significa que los aguaceros más intensos durante las tormentas de realidad aumentada extremas se volverán sustancialmente más intensos, independientemente de si se encuentra en una ladera de montaña orientada al suroeste o en el Valle Central. La uniformidad espacial de este aumento de precipitación máxima por hora sugiere fuertemente que esto, también, no es impulsado por procesos orográficos. ¿Qué podría ser en su lugar? Si bien no diagnosticamos directamente los mecanismos en este documento, puede darse el caso de que las futuras AR extremas en un mundo más cálido sean un poco más inestables convectivamente de lo que hemos estado acostumbrados históricamente. El perfil de estabilidad vertical de contemporary suele ser «neutro húmedo» (para los meteorólogos), lo que significa que una parcela de aire se elevará sin resistencia si se levanta activamente (por interacción orográfica o forzamiento frontal), pero no se elevará espontáneamente debido a su flotabilidad inherente (como podría ocurrir durante una tormenta eléctrica de verano, por ejemplo). Dado que la atmósfera de nivel inferior durante el futuro ARs extremo será mucho más cálida y húmeda, es posible que estos cambios de nivel inferior superen a los que ocurren más arriba en la columna atmosférica, lo que conduce a una inestabilidad convectiva húmeda más fuerte. Ahora, esta última parte es especulación informada de mi parte, pero es algo que definitivamente planeamos examinar más de cerca en el trabajo futuro.

¿Qué está pasando aquí? Se debe (principalmente) a la termodinámica.

La gran mayoría de estos aumentos de precipitación proyectados–alrededor del 85% – se debe al simple hecho de que la capacidad de retención de vapor de agua de la atmósfera aumenta rápidamente (exponencialmente, de hecho) con el aumento de las temperaturas atmosféricas. Si bien esto no significa que la humedad atmosférica siempre será más alta en un mundo en calentamiento, sí significa que cuando las condiciones están cerca de la saturación, como casi siempre ocurre en entornos de RA, se realizará este mayor potencial de retención de vapor de agua. Como resultado, la atmósfera más cálida en sí es directamente responsable de la mayor parte del aumento en el transporte de vapor de agua y las precipitaciones posteriores durante eventos extremos de RA en un clima de calentamiento.

El otro ~15% de este aumento surge de aumentos modestos proyectados en la fuerza de los vientos del oeste (en la atmósfera media, alrededor del nivel del chorro de bajo nivel) durante eventos extremos de RA. Esta contribución adicional de futuros cambios de viento es en realidad más pronunciada en el centro y el sur de California, en lugar de en el norte. Esta pieza del rompecabezas sigue siendo un poco más incierta que el aumento de humedad contribuido termodinámicamente, ya que los diferentes modelos climáticos no coinciden de manera uniforme sobre si estos vientos del oeste aumentarán. Pero dado que el aumento de humedad termodinámica es el resultado directo de un proceso físico fundamental y bien entendido, todos los modelos climáticos están de acuerdo en esa parte, lo que nos da una confianza muy alta de que ~85% de los aumentos de IVT y precipitación que reportamos en realidad se materializarían en un clima futuro mucho más cálido.

Otros dos hallazgos son interesantes desde una perspectiva termodinámica. En primer lugar, nuestras simulaciones sugieren que el aumento de la precipitación durante el futuro ARs extremo retrasará el aumento aún mayor de la IVT durante tales eventos. En otras palabras: Mientras tanto la precipitación como la IVT aumentan considerablemente, la eficiencia de precipitación (es decir, precipitación por unidad IVT) en realidad disminuye en un clima de calentamiento. Esto significa que los aumentos de precipitación podrían no ser tan grandes como cabría esperar si se extrapolaran las relaciones históricas entre la precipitación y la TIV. Sorprendentemente, sin embargo, esta disminución en la eficiencia de la precipitación se limita principalmente a las laderas de barlovento y las regiones favorecidas orográficamente, y es mucho menos prominente en el Valle Central y los valles laterales de lee.

En segundo lugar, encontramos que los futuros AR de California serán mucho más cálidos que los que ocurrieron históricamente. Si bien eso, en sí mismo, no es un hallazgo tremendamente sorprendente, más intrigante es el hecho de que las AR extremas en realidad se calientan menos que las condiciones climáticas de fondo (es decir, el calentamiento durante períodos no AR es más fuerte que durante los eventos de AR). Nuestro trabajo reciente ha demostrado que los AR contemporáneos ya se están calentando sustancialmente en California, aunque a una tasa de calentamiento inferior a la de fondo(Gonzales et al. 2019) – sugiriendo coherencia entre las observaciones recientes y las proyecciones de modelos futuros en ese sentido. Obstante: el calentamiento proyectado de 3-5 + F durante estos ARs extremos sería más que suficiente para alterar fundamentalmente el equilibrio lluvia/nieve en elevaciones más altas, lo que significa que la gran mayoría de las precipitaciones durante los ARs futuros podrían caer como lluvia líquida (en lugar de nieve) incluso a elevaciones bastante altas.

¿Qué significa todo esto para la gestión de inundaciones y agua en California?

Nuestro nuevo trabajo se suma a un creciente cuerpo de investigación que sugiere que California enfrentará tormentas más cálidas y húmedas en un clima cálido. El aumento resultante en las precipitaciones extremas, y en la fracción de precipitación que cae como lluvia en lugar de nieve en elevaciones más altas, probablemente ocurrirá incluso en ausencia de grandes cambios en la precipitación media general. De hecho, en un trabajo publicado en 2018 (y discutido en detalle en una publicación de blog anterior), encontramos que las tendencias proyectadas relativamente modestas en la precipitación media regional enmascaran un aumento mucho más dramático en el «latigazo cervical de precipitación» entre el aumento de los extremos húmedos y secos. Además de esto, el calentamiento de las temperaturas ya está impulsando un aumento en las condiciones de sequía hidrológica debido al aumento de la evaporación tanto en California como en todo el oeste de Estados Unidos, lo que amplifica aún más los desafíos existentes de gestión del agua y las tensiones en los ecosistemas.

La combinación de condiciones» más húmedas «y» más secas » superpuestas a temperaturas más cálidas plantea desafíos especiales en California. El calentamiento de las temperaturas ya está aumentando la demanda de agua, tanto para uso humano como para los ecosistemas naturales, al mismo tiempo que el calentamiento está reduciendo la cantidad de agua disponible, aumentando la escasez a largo plazo. La infraestructura de agua moderna de California se basa fuertemente en la existencia de una capa de nieve de «liberación temporal» en la Sierra Nevada, que históricamente proporcionó una reposición gradual del almacenamiento de agua superficial en los embalses durante gran parte de la estación seca. Con el calentamiento, la cantidad y la fiabilidad del agua que se origina en este «depósito de nieve» de alta elevación disminuirá, reduciendo el suministro de agua. Por otro lado, la combinación del aumento del volumen y la intensidad de las precipitaciones en general, más una proporción mucho mayor de lluvia a nieve en las montañas, probablemente producirá un gran aumento de la escorrentía de tormentas y un aumento sustancial del riesgo de inundaciones en la mayoría de las cuencas hidrográficas. Esto puede tener el efecto paradójico de aumentar el riesgo de inundaciones a corto plazo, pero también la escasez de agua a largo plazo, porque se necesitarán márgenes de seguridad y control de inundaciones más amplios en las presas, lo que permitirá una menor capacidad de almacenamiento en temporada de lluvias detrás de estas estructuras. De particular interés es el aumento especialmente grande de aguaceros de corta duración dentro de eventos de RA ya extremos en un clima de calentamiento. Las mayores tasas de precipitación por hora aumentarían preferentemente el riesgo de inundaciones repentinas y flujos de escombros en áreas susceptibles, además de los riesgos que supone para las cuencas más grandes el aumento de la precipitación total de eventos.

Un enfoque potencialmente prometedor para mitigar estos riesgos competitivos es esencialmente jugar uno contra el otro. En otras palabras: puede ser posible combatir la sequía con inundaciones, y viceversa. ¿Cómo podría funcionar esto? Bueno, el Departamento de Recursos Hídricos de California (y otras organizaciones privadas públicas &) ya están explorando nuevos paradigmas, incluida la» recarga de acuíferos gestionados por inundaciones » (FloodMAR). La idea básica es tomar grandes pulsos de agua de grandes tormentas y permitir que se extiendan a través de planicies aluviales predeterminadas y estratégicamente ubicadas. En algunos casos, esto puede servir tanto para reducir el riesgo de inundación en las zonas urbanas (eliminando la presión de las presas y diques) como para reducir el riesgo de escasez de agua en el futuro (permitiendo que una parte del agua liberada de los embalses/presas de agua superficial se almacene en acuíferos subterráneos, disponibles para su uso posterior). Convenientemente, estas llanuras inundadas periódicamente a menudo sirven como hábitats «emergentes» para especies nativas y en peligro de extinción. Si alguna vez ha conducido por el puente de la carretera interestatal 80 entre Davis y Sacramento, ha visto una llanura de inundación administrada a gran escala en acción: La circunvalación de Yolo. Si bien este ejemplo en particular se utiliza principalmente para reducir el riesgo de inundación (en lugar de recargar acuíferos), hay conversaciones activas en curso sobre cómo los proyectos existentes exitosos, como el Bypass de Yolo, podrían servir como modelo para futuras medidas de adaptación al clima en una California más cálida y variable.

¿Cuánto aumentará el riesgo de inundación debido a estas tormentas más cálidas y húmedas? Manténgase atento-tenemos más trabajo actualmente en revisión (al momento de escribir este artículo) sobre precisamente ese tema. Y actualmente nos estamos embarcando en un nuevo ejercicio de contingencia de tormentas extremas a gran escala para California-ArkStorm 2.0. Este esfuerzo a nivel estatal, que utiliza el enfoque de reducción de escala de ensamble grande descrito en Huang et al. 2020 para desarrollar secuencias de tormentas de río atmosféricas físicamente plausibles, se lanzará a finales de este año, e involucrará a muchas de las mismas personas que participaron en los ejercicios originales «ARkStorm» y «ShakeOut». Sin embargo, mucho ha cambiado en las comunidades de la ciencia atmosférica y climática en la última década, por lo que creemos que es de vital importancia proporcionar una actualización coherente con el estado evolutivo de la ciencia (y el estado del mundo). Muchos detalles aún están por determinar, ¡pero estén atentos para más en los próximos meses!

¿En qué se diferencia este artículo de las publicaciones de blog típicas de Weather West?

Este artículo especial de Weather West se centra en la investigación científica revisada por pares realizada por mis colegas y por mí que se ha publicado recientemente en Science Advances, y también discute el trabajo revisado por pares de otros científicos. Esto significa que el contenido de esta pieza se basa en hallazgos de investigaciones científicas formales realizadas por equipos de investigadores, lo que contrasta con publicaciones más típicas de Weather West que se basan principalmente en mis propios pensamientos y análisis informales. Me gustaría agradecer a mis coautores en este trabajo, Xingying Huang y Alex Hall, por sus esfuerzos sostenidos para completar este proyecto. (Este trabajo evolucionó a lo largo de varios años desde su conceptualización inicial hasta su publicación final. Los fondos para mi contribución a esta investigación se proporcionaron a través de una asociación entre el Instituto de Medio Ambiente y Sostenibilidad de la UCLA, el Centro de Capacidad para los Extremos Climáticos y Meteorológicos del Centro Nacional de Investigación Atmosférica y The Nature Conservancy of California.

Una versión totalmente de acceso abierto del documento (¡de libre acceso para todos!) se puede ver aquí.

La infografía que se puede compartir en la web que ilustra los puntos clave de nuestro trabajo sobre ríos atmosféricos extremos que se encuentra al principio de esta publicación de blog se puede reproducir para cualquier propósito con la atribución adecuada. Me gustaría agradecer a la comunicadora científica Katharine Reich y a la diseñadora gráfica Rebecca Hume por hacer esto posible.

Cita: Huang, X., Swain, D. L., y A. Hall. La reducción de escala de grandes conjuntos de tormentas atmosféricas extremas en los ríos en California revela un gran aumento en la precipitación a escala fina, Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.