Extreme atmospheric rivers: what will California ’ s strongest myrskyt look like in a warming climate?

Note: This special Weather West article keskittyy uuteen vertaisarvioituun tieteelliseen tutkimukseen, jota johtaa Xingying Huang, jonka kollegani ja minä äskettäin julkaisimme Science Advances-lehdessä.

ilmakehän joet Kalifornian ilmastossa

ilmakehän joet (ARs)—pitkät, mutkikkaat käytävät, joissa vesihöyry liikkuu maapallon ilmakehän alajuoksulla—ovat keskeinen osa Kalifornian viileän kauden ilmastoa. ARs ovat monissa tapauksissa melko unremarkable, kun ne ovat ulkona yli avomeren, näkyy satelliitin kapea nauha pilvisyys ja (yleensä) valo Sademäärä. Mutta kun nämä kosteuspilvet kiinnittyvät talviaikaisiin matalapainejärjestelmiin ja rantautuvat pitkin Kalifornian rannikkoa, seuraukset voivat olla dramaattiset—seurauksena on usein pitkittyneitä rankkasateita ja vuoristosateita sekä joskus voimakkaita tuulia. AR-sukuinen sadanta on voimakkaasti orografista, eli se on yleensä vahvasti paikallisen topografian moduloimaa. Tämän vuoksi dramaattisimmat AR: iin liittyvät sademäärät tapahtuvat yleensä Kalifornian rannikon ja sisämaan vuorijonojen tuulensuuntaisilla (etelään ja länteen suuntautuvilla) rinteillä. Sademäärät näillä alueilla kaikkein äärimmäisimpien AR-tapahtumien aikana ovat verrattavissa Meksikonlahden rannikolla tai itärannikolla saatuihin sademääriin kaatopaikkamyrskytapahtumien aikana-ja ne mitataan toisinaan jaloissa tuumien sijaan. Sellaisenaan ARs voi olla joko siunaus tai kirous, riippuen asiayhteydestä ja edeltävistä olosuhteista: ne ovat vastuussa jopa 50 prosentista Kalifornian kokonaisvedensaannista, mutta myös valtaosasta alueen tulvariskistä.

the large ensemble approach: useiden uskottavien menneisyyksien ja tulevaisuuksien luominen

koska ARs on niin olennainen osa Kalifornian historiallista ilmastoa, on ratkaisevan tärkeää ymmärtää, miten tällaiset tapahtumat muuttuvat lämpenevässä maailmassa. Nykyiset ilmastonmuutosta ja ARs: ää koskevat tutkimukset ovat aiemmin antaneet viitteitä siitä, että voimakkaimmat tapahtumat saattavat voimistua huomattavasti joillakin alueilla. Lähes kaikki tällaiset tutkimukset ovat kuitenkin tähän mennessä perustuneet yksinomaan maailmanlaajuisiin ilmastomalleihin—jotka ovat erinomaisia välineitä globaalin ja alueellisen ilmaston muuttumisen ymmärtämisessä laajemmassa merkityksessä, mutta eivät useinkaan ole riittävän yksityiskohtaisia ARS: n kaltaisten hienojen ilmiöiden muutosten arvioimiseksi. Tässä blogikirjoituksessa kuvaamassani tutkimuksessa kollegani ja minä olemme yrittäneet ratkaista tämän haasteen käyttämällä korkearesoluutioista ilmakehämallia (Weather Research and Forecasting Model, tai WRF—jota käytetään yleisesti päivittäisten sääennusteiden tekemisessä) simuloimaan ”tulevaisuuden myrskyjä” hyvin tilallisesti ja ajallisesti yksityiskohtaisesti. Teemme sen piirtämällä ensimmäiset suuren mittakaavan ilmakehän olosuhteet perinteisistä, karkearesoluutioisista ilmastomallisimulaatioista ja tarjoamalla ne säämallille. Tällä tavoin pystymme systemaattisesti poimimaan yksittäisiä äärimmäisiä AR-myrskytapahtumia näistä laajoista ilmastomallisimulaatioista ja simuloimaan niitä käyttämällä työkalua, joka edustaa paljon paremmin Kalifornian ilmastolle tyypillisiä pieniä topografisia variaatioita. Keskitymme pääasiassa äärimmäisiin ARs: iin, joilla on suuria vaikutuksia Sierra Nevadassa, joten tutkimus keskittyy pääasiassa keski-ja Pohjois-Kaliforniaan.

tärkeää on, että tämän lähestymistavan avulla voidaan tarkastella myös useita ”uskottavia menneisyyksiä ja uskottavia futuureja.”Ilmastomalli on osa suurta simulaatiokokonaisuutta, mikä tarkoittaa, että simulaatiot toistetaan 40 kertaa historialliselle menneisyydelle ja 40 kertaa lämpimämmälle tulevaisuudelle. Näin voimme kuvata laajemman kirjon mahdollisia myrskysekvenssejä sekä nykyisissä että tulevissa ilmasto—olosuhteissa-koska olemme pohjimmiltaan luoneet ennätyksen useista kymmenistä synteettisistä mutta fyysisesti uskottavista äärimmäisistä myrskyistä kunkin jakson aikana. Tämä tarkoittaa, että meillä on suuri otoskoko vertailla eroja myrskyn ominaisuudet näiden kahden jakson välillä, joka on paljon suurempi (kertoimella 40!) kuin olisi saatavissa katsomalla pelkästään historiatietoja.

on syytä huomata, että tuleva ilmastoskenaario, jota käytämme tässä työssä, on sellainen, jolle on ominaista kasvihuonekaasupäästöjen jatkuva kasvu suurimman osan 2000—luvusta (RCP8.5, for the climate wonks Out there) – kehityskaari, joka on (toivottavasti) huonompi kuin mitä itse asiassa otamme tulevina vuosikymmeninä. Silti suurin osa tässä työssä tarkastelemistamme vaikutuksista näkyy jopa pienempinä päästökehityksinä—mutta hitaammin ja vähäisemmässä määrin, mikä riippuu täysin siitä, onnistummeko lopulta rajoittamaan globaalit nettohiilipäästöt ja päästämään ne lopulta nollaan.

voimakkaammat, kosteammat ilmakehän joet ilmaston lämmetessä

raportoimme merkittävästä (20-30%) lisääntymisestä AR: iin liittyvässä integroidussa vesihöyryn kuljetuksessa, IVT: ssä. (IVT on AR-lujuuden yhteenlaskettu mitta, joka ottaa huomioon sekä ilmakehän vesihöyryn tason että kuljetustason tuulten voimakkuuden). On tärkeää pitää mielessä, että arvioimme tapahtumia, jotka ovat melko harvinaisia ja äärimmäisiä—ja on mielenkiintoista huomata, että komposiitti IVT malli sekä nykyisen aikakauden ja tulevaisuuden extreme ARs näyttää paljon kanoninen ”Pineapple Express” osajoukko ARs. Tämä viittaa siihen, että suurimmat mahdolliset AR-myrskyt Kaliforniassa ovat todennäköisesti tapahtumia, joissa on syvä subtrooppinen kosteushana, samaan aikaan suhteellisen monistunut meridionaalinen virtauskuvio pohjoisen Tyynenmeren yllä, voimakas yläjuoksun estävä harjanne Beringinmeren yllä ja syvä matalapaineen keskus aivan Kalifornian luoteispuolella.

havaitsemme, että sademäärät ovat lisääntyneet huomattavasti lämpimämmässä ilmastossa lähes kaikkialla, minne katsomme—mutta suurimmat suhteelliset muutokset eivät aina ole siellä, missä voisi odottaa. Nämä korotukset vaihtelevat 15-30% Orografisesti suosima länsirinteillä Sierra Nevada ja rannikkovuorten, 25-40% tasamailla ja sateen varjostamat alueet Central Valley ja pienempiä rannikon laaksot, ja paikallisesti 50% tai suurempi voimakkaasti sateen varjostama lee side laaksot Kaukoidän Kaliforniassa ja Länsi-Nevada. (Absoluuttiset korotukset ovat tietenkin vielä suurempia orografisesti suosimilla alueilla). Tämä äärimmäisen AR-Sademäärän spatiaalinen kasvu viittaa siihen, että tapahtumat voivat muuttua luonnossa jonkin verran vähemmän voimakkaiksi orografisiksi—mikä tarkoittaa, että muut fysikaaliset prosessit kuin yksinkertainen orografinen kohoaminen voivat tulla tärkeämmiksi lämpimämmässä tulevaisuudessa. Tämä ennakoi sademäärien mahdollisesti suurempaa kasvua paikoissa, joissa ei perinteisesti ole totuttu näkemään suuria määriä AR-sademääriä.

silmiinpistävän suuri kasvu voimakkaimmissa tuntisateissa

yksi korkean resoluution säämallin käytön eduista tässä tutkimuksessa on se, että voimme tarkastella AR-ominaisuuksia suurella spatiaalisella ja ajallisella rakeisuudella. Kun teimme niin, havaitsimme jotain varsin silmiinpistävää: voimakkaimman tuntisademäärän kasvu äärimmäisten AR-tapahtumien aikana kasvaa huomattavasti suuremmalla lisäyksellä ja alueellisesti yhtenäisemmällä tavalla kuin tapahtuma–kokonaissademäärä-30-50% lähes kaikkialla. Tämä tarkoittaa, että voimakkaimmat rankkasateet äärimmäisten AR-myrskyjen aikana tulevat huomattavasti voimakkaammiksi riippumatta siitä, oletko lounaaseen päin suuntautuvalla vuorenrinteellä tai Central Valleyssa. Tämän tuntikohtaisen maksimisademäärän kasvun spatiaalinen yhdenmukaisuus viittaa vahvasti siihen,että tämäkään ei ole orografisten prosessien ajama. Mikä se voisi olla? Vaikka emme suoraan diagnosoida mekanismeja tässä asiakirjassa, se voi olla niin, että tulevaisuuden äärimmäiset ARs lämpimämmässä maailmassa ovat hieman convectively epävakaa kuin mitä olemme tottuneet historiallisesti. Contemporaryn pystysuora stabiliteettiprofiili on yleensä ”kostea-neutraali” (meteorologeille), mikä tarkoittaa, että lentolohko nousee ilman vastusta, jos se nostetaan aktiivisesti (orografisen vuorovaikutuksen tai edestä pakottamisen avulla), mutta ei nouse spontaanisti johtuen sen luontaisesta kelluvuudesta (kuten saattaa tapahtua esimerkiksi kesän ukkosmyrskyssä). Koska alemman tason ilmakehä tulevien äärimmäisten ARs: ien aikana on paljon lämpimämpi ja kosteampi, on mahdollista, että nämä alemman tason muutokset päihittävät ylempänä ilmakehän kolonnissa tapahtuvat muutokset—mikä johtaa voimakkaampaan kosteaan konvektiiviseen epävakauteen. Tämä viimeinen osa on valistunutta spekulaatiota, – mutta aiomme ehdottomasti tarkastella sitä tarkemmin tulevassa työssä.

mitä täällä tapahtuu? Kyse on lähinnä termodynamiikasta.

suurin osa ennustetusta Sademäärän kasvusta—noin 85%–johtuu siitä yksinkertaisesta seikasta, että ilmakehän vesihöyryn pidätyskyky kasvaa nopeasti (itse asiassa eksponentiaalisesti) ilmakehän lämpötilan noustessa. Vaikka tämä ei tarkoita, että ilmakehän kosteus on aina korkeampi lämpenevässä maailmassa, se tarkoittaa, että kun olosuhteet ovat lähellä kylläisyyttä—kuten lähes aina tapahtuu AR—ympäristöissä-tämä lisääntynyt vesihöyryn pitopotentiaali toteutuu. Tämän seurauksena lämpimämpi ilmakehä itsessään on suoraan vastuussa suurimmasta osasta vesihöyryn kuljetuksen ja sitä seuraavien sateiden lisääntymisestä lämpenevän ilmaston ääri-ar-tapahtumien aikana.

muut ~15% tästä noususta johtuvat läntisten tuulten (Keski-ilmakehässä, matalan tason suihkukoneen tason tienoilla) lievistä ennustetuista voimistumisista äärimmäisten AR-tapahtumien aikana. Tämä tulevien tuulivirtausten tuoma lisävaikutus on itse asiassa voimakkain Keski-ja Etelä-Kaliforniassa eikä pohjoisessa. Tämä palapelin pala jää hieman epävarmemmaksi kuin termodynaamisesti aikaansaatu kosteuden lisääntyminen, sillä eri ilmastomallit eivät ole yhtenäisesti yksimielisiä siitä, voimistuvatko nämä länsituulet. Mutta koska termodynaaminen kosteuden kasvu on suora seuraus perustavanlaatuisesta ja hyvin ymmärretystä fysikaalisesta prosessista, kaikki ilmastomallit ovat samaa mieltä tästä osasta—antaen meille erittäin suuren luottamuksen siihen, että ~85% RAPORTOIMASTAMME IVT: stä ja sademäärien kasvusta todella toteutuisi paljon lämpimämmässä tulevaisuuden ilmastossa.

kaksi muuta löydöstä ovat termodynaamisesta näkökulmasta kiinnostavia. Ensinnäkin simulaatiomme viittaavat siihen, että sademäärä kasvaa tulevien äärimmäisten ARs-tapahtumien aikana viiveellä vielä suuremmasta IVT-kasvusta tällaisten tapahtumien aikana. Toisin sanoen: vaikka sekä sademäärä että IVT lisääntyvät huomattavasti, sademäärätehokkuus (eli sademäärä IVT-yksikköä kohti) itse asiassa pienenee lämpenevässä ilmastossa. Tämä tarkoittaa, että sademäärä ei ehkä ole aivan niin suuri kuin voisi olettaa, jos ekstrapoloidaan historiallisia suhteita Sademäärä ja IVT. Silmiinpistävää on kuitenkin, että tämä Sademäärän väheneminen rajoittuu enimmäkseen tuulensuuntaisiin rinteisiin ja orografisesti suosimiin alueisiin, ja se on paljon vähäisempää Central Valleyn ja lee siden laaksoissa.

toiseksi huomaamme, että tulevat Kalifornian Arit ovat paljon lämpimämpiä kuin historiallisesti tapahtuneet. Vaikka tämä ei sinänsä ole tavattoman yllättävä havainto, kiehtovampaa on se, että ääri-ARs itse asiassa lämpenee vähemmän kuin tausta-ilmasto-olosuhteet (toisin sanoen lämpeneminen ei-AR-jaksoissa on voimakkaampaa kuin AR-tapahtumissa). Viimeaikainen työmme on osoittanut, että nykyiset ARs ovat jo lämpenemässä merkittävästi Kaliforniassa, vaikka vähemmän kuin taustalla lämpeneminen nopeudella (Gonzales et al. 2019) – ehdottaa johdonmukaisuutta viimeaikaisten havaintojen ja tulevien malliennusteiden välillä tältä osin. Kuitenkin: ennustettu 3-5 + F lämpeneminen näiden äärimmäisten ARs: ien aikana olisi enemmän kuin tarpeeksi muuttamaan perusteellisesti sade—/lumitasapainoa korkeammilla korkeuksilla-mikä tarkoittaa, että valtaosa tulevien ARs: ien sademääristä saattaa tulla nestemäisenä sateena (lumen sijaan) jopa melko korkeilla korkeuksilla.

mitä tämä kaikki tarkoittaa Kalifornian tulva-ja vesitaloudelle?

Uusi teoksemme lisää kasvavaa tutkimusjoukkoa, joka viittaa siihen, että Kalifornia kohtaa lämpenevässä ilmastossa lämpimämpiä, kosteampia myrskyjä. Tästä johtuva äärimmäisten sademäärien lisääntyminen ja Sademäärän murto-osa, joka laskee sateena eikä lumena korkeammilla korkeuksilla, tapahtuu todennäköisesti silloinkin, kun keskimääräisessä kokonaissademäärässä ei tapahdu suuria muutoksia. Itse asiassa vuonna 2018 julkaistussa työssä (ja sitä käsiteltiin yksityiskohtaisesti aiemmassa blogikirjoituksessa) huomasimme, että suhteellisen vaatimattomat ennustetut trendit alueellisissa keskimääräisissä sademäärissä peittävät paljon paljon dramaattisemman kasvun ”sademäärässä whiplash” lisääntyvien märkien ja kuivien ääripäiden välillä. Tämän lisäksi lämpenevät lämpötilat lisäävät jo hydrologisia kuivuusolosuhteita, jotka johtuvat haihtumisen lisääntymisestä sekä Kaliforniassa että koko Amerikan länsiosassa—mikä lisää entisestään nykyisiä vesihuollon haasteita ja ekosysteemien kuormitusta.

”wetter wet” – ja ”drier dry” – olosuhteiden yhdistäminen lämpenevien lämpötilojen päälle aiheuttaa erityisiä haasteita Kaliforniassa. Lämpenevät lämpötilat lisäävät jo nyt sekä ihmisten että luonnon ekosysteemien vedentarvetta samaan aikaan, kun lämpeneminen vähentää käytettävissä olevan veden määrää—mikä lisää pitkällä aikavälillä niukkuutta. Kalifornian moderni vesiinfrastruktuuri perustuu vahvasti siihen, että Sierra Nevadassa on ”aikapurkaus” lumipeite, joka historiallisesti tarjosi asteittaisen täydennyksen altaiden pintavesivarastoille suuren osan kuivasta kaudesta. Lämpenemisen, määrä ja luotettavuus veden peräisin tämän korkean korkeuden ”snowpack säiliö” laskee-rajoittaa veden saanti. Toisaalta lisääntyvä Sademäärä ja kokonaisvoimakkuus sekä tuntuvasti suurempi sateen ja lumen suhde vuoristossa lisäävät todennäköisesti myrskyvuoksia ja lisäävät merkittävästi tulvariskiä useimmissa vesistöissä. Tällä voi olla paradoksaalinen vaikutus, sillä se lisää lyhyen aikavälin tulvariskiä mutta myös pitkän aikavälin veden niukkuutta, koska padoilla on säilytettävä laajemmat turvallisuus-ja tulvasuojelumarginaalit, jolloin näiden rakenteiden takana on vähemmän märkäkauden varastointikapasiteettia. Erityisen huomattava on lyhytkestoisten rankkasateiden erityisen suuri lisääntyminen lämpenevässä ilmastossa jo ennestään äärimmäisten AR-tapahtumien yhteydessä. Suuremmat tuntikohtaiset sademäärät lisäisivät mieluiten äkillisten tulvien ja roskavirtojen riskiä herkillä alueilla sen lisäksi, että lisääntyvä kokonaissademäärä aiheuttaisi suurempia vesistöjä.

yksi mahdollisesti lupaava lähestymistapa näiden kilpailevien riskien lieventämiseksi on periaatteessa pelata toinen toisiaan vastaan. Toisin sanoen: kuivuutta voi olla mahdollista torjua tulvalla ja päinvastoin. Miten tämä voisi toimia? Kalifornian Department of Water Resources (ja muut julkiset & yksityiset organisaatiot) tutkivat jo uusia paradigmoja, kuten ”flood-managed aquifer recharge” (FloodMAR). Perusajatuksena on ottaa suuria vesipulsseja isoista myrskyistä ja antaa sen levittäytyä ennalta määritetyille, strategisesti sijoitetuille tulvatasangoille. Joissakin tapauksissa tämä voi sekä vähentää kaupunkialueille aiheutuvaa tulvariskiä (poistamalla patojen ja tulvavallien painetta) että vähentää tulevan veden niukkuuden riskiä (sallimalla osan pintavesialtaista/padoista vapautuvasta vedestä varastoimisen maanalaisiin pohjavesiesiintymiin, jotka ovat käytettävissä myöhempää käyttöä varten). Nämä ajoittain tulvivat tulvatasangot toimivat sopivasti kotoperäisten ja uhanalaisten lajien ”ponnahduslautoina”. Jos olet joskus ajanut Interstate 80 Causeway bridge välillä Davis ja Sacramento, olet nähnyt laajamittaisen hallittu tulva-alue toiminnassa: Yolo Bypass. Vaikka tätä erityistä esimerkkiä käytetään pääasiassa tulvariskin vähentämiseen (eikä pohjavesiesiintymien lataamiseen), keskustelut ovat aktiivisesti käynnissä siitä, miten menestyksekkäät nykyiset hankkeet, kuten Yolo Bypass, voisivat toimia mallina tuleville ilmastonmuutokseen sopeutumistoimille lämpimämmässä ja vaihtelevammassa Kaliforniassa.

kuinka paljon tulvariski kasvaa näiden lämpimämpien, kosteampien myrskyjen takia? Pysy kuulolla – meillä on parhaillaan tarkastelussa (tätä kirjoitettaessa) juuri tästä aiheesta. Olemme aloittamassa uutta, laajamittaista äärimmäisten myrskyjen varautumisharjoitusta Kaliforniaan-ArkStorm 2.0. Tämä osavaltion laajuinen pyrkimys-joka käyttää suurta ensemble downscaling lähestymistapaa kuvattu Huang et al. 2020 kehittää fyysisesti uskottava ilmakehän river storm sekvenssit-käynnistetään myöhemmin tänä vuonna, ja siihen liittyy monia samoja ihmisiä, jotka olivat mukana alkuperäisen ”ARkStorm” ja ”ShakeOut” harjoitukset. Paljon on muuttunut ilmakehän ja ilmaston tiedeyhteisöissä viimeisen vuosikymmenen aikana, kuitenkin, joten mielestämme on ratkaisevan tärkeää tarjota päivitys, joka vastaa tieteen kehittyvää tilaa (ja maailman tilaa). Monet yksityiskohdat ovat vielä määrittelemättä, mutta pysy kuulolla lisää tulevina kuukausina!

miten tämä artikkeli eroaa tyypillisistä sää Lännen blogikirjoituksista?

tässä erityisessä Weather Westin artikkelissa keskitytään kollegojeni ja minun vertaisarvioituun tieteelliseen tutkimukseen, joka on äskettäin julkaistu Science Advances-lehdessä, ja käsitellään myös muiden tutkijoiden vertaisarvioitua työtä. Tämä tarkoittaa sitä, että tämän teoksen sisältö perustuu tutkijaryhmien tekemien muodollisten tieteellisten tutkimusten tuloksiin, mikä on ristiriidassa Tyypillisempien Weather Westin julkaisujen kanssa, jotka perustuvat pääasiassa omiin epävirallisiin ajatuksiini ja analyyseihini. Haluan kiittää tämän työn tekijöitä-Xingying Huangia ja Alex Hallia-heidän jatkuvista ponnisteluistaan tämän hankkeen saattamiseksi päätökseen. (Tämä teos kehittyi useiden vuosien aikana sen alkuperäisestä käsitteellistämisestä lopulliseen julkaisuun.) Rahoitus panokselleni tähän tutkimukseen annettiin kumppanuuden kautta UCLA: n Institute of the Environment and Sustainability, Capacity Center for Climate and Weather Extremes at the National Center for Atmospheric Research, ja Nature Conservancy of California.

täysin avoin versio paperista (vapaasti kaikkien saatavilla!) voi katsoa täältä.

tämän blogikirjoituksen alussa oleva web-sharable infographic, joka havainnollistaa keskeisiä kohtia äärimmäisen tunnelmallisesta jokiteoksestamme, voidaan kopioida mihin tahansa tarkoitukseen asianmukaisin nimityksin. Haluan kiittää tiedekommunikaattori Katharine Reichiä ja graafikko Rebecca Humea tämän mahdollistamisesta!

sitaatit: Huang, X., Swain, D. L. ja A. Hall. Ilmakehän äärimmäisten jokimyrskyjen suuri ensemble downscaling Kaliforniassa paljastaa suuren määrän lisääntyneen sakon mittakaavan sademäärissä, Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.