Megjegyzés: Ez a különleges Weather West cikk a xingying Huang által vezetett új, lektorált tudományos kutatásokra összpontosít, amelyeket kollégáimmal nemrégiben publikáltunk a Science Advances-ben.
- légköri folyók Kaliforniai éghajlati környezetben
- a nagy együttes megközelítés: több valószínű múlt és jövő generálása
- erősebb, nedvesebb légköri folyók az éghajlat melegedésével
- a legintenzívebb óránkénti felhőszakadások feltűnően nagy növekedése
- mi folyik itt? Ez (többnyire) le termodinamika.
- mit jelent mindez az árvíz-és vízgazdálkodás szempontjából Kaliforniában?
- miben különbözik ez a cikk a tipikus Weather West blogbejegyzésektől?
légköri folyók Kaliforniai éghajlati környezetben
légköri folyók (Ars)—a Föld légkörének alsó felében mozgó vízgőz hosszú, kanyargós folyosói—a kaliforniai hűvös évszak éghajlatának kulcsfontosságú szempontjai. Az AR-K sok esetben meglehetősen figyelemre méltóak, amikor a nyílt óceán felett vannak, műholdon láthatók, mint a felhősség keskeny szalagja és (általában) könnyű Csapadék. De amikor ezek a nedvességcseppek a téli alacsony nyomású rendszerekhez kötődnek, és a kaliforniai part mentén landolnak, a következmények drámaiak lehetnek—hosszan tartó heves esőzések és hegyi hó, néha erős szél mellett. Az AR-val kapcsolatos Csapadék erősen orográfiai, ami azt jelenti, hogy a helyi topográfia általában erősen modulálja. Ennek eredményeként a legdrámaibb AR-hoz kapcsolódó csapadékösszegek általában Kalifornia parti és szárazföldi hegyvonulatainak szélirányú (déli és nyugati fekvésű) lejtőin fordulnak elő. Az ilyen régiókban a legszélsőségesebb AR események során a csapadékfelhalmozódás összehasonlítható azzal, amelyet az öböl partja vagy a keleti part mentén kaptak a hurrikán—események lerakása során-alkalmanként lábakban mérik, nem pedig hüvelyk. Mint olyan, az ARs lehet áldás vagy átok, a kontextustól és az előzményektől függően: ők felelősek Kalifornia teljes vízellátásának akár 50% – áért, de a régió árvízkockázatának túlnyomó többségéért is.
a nagy együttes megközelítés: több valószínű múlt és jövő generálása
mivel az AR-K Kalifornia történelmi éghajlatának olyan alapvető szempontjai, kritikus fontosságú megérteni, hogy az ilyen események hogyan változnak a melegedő világban. Az éghajlatváltozással és az ARs-szel kapcsolatos meglévő kutatások korábban azt sugallták, hogy a legerősebb események egyes régiókban jelentősen felerősödhetnek. De szinte az összes ilyen tanulmány eddig kizárólag a globális éghajlati modellekre támaszkodott-amelyek kiváló eszközök annak megértéséhez, hogy a globális és regionális éghajlat hogyan változik tágabb értelemben, de gyakran nem elég szemcsés ahhoz, hogy felmérjék az olyan finom léptékű jelenségek változásait, mint az ARs. A tanulmányban, amelyet ebben a blogbejegyzésben ismertetek, kollégáimmal megpróbáltuk megoldani ezt a kihívást egy nagy felbontású légköri modell (az időjárási kutatási és előrejelzési modell, vagy a WRF-amelyet általában a napi időjárás—előrejelzések készítéséhez használnak) segítségével, hogy szimulálják a “jövő viharait” nagy térbeli és időbeli részletességgel. Ezt úgy tesszük, hogy a hagyományos, durva felbontású klímamodell-szimulációkból kiindulva nagy léptékű légköri viszonyokat rajzolunk ki, és ezeket az időjárási modellhez adjuk. Ily módon képesek vagyunk szisztematikusan kiválasztani az egyes extrém AR vihar eseményeket ezekből a kiterjedt éghajlati modell szimulációkból, és szimulálni őket egy olyan eszköz segítségével, amely sokkal jobban képviseli a kaliforniai éghajlatot jellemző kis léptékű variációkat. Elsősorban a szélsőséges Ar-kra összpontosítunk, amelyek nagy hatással vannak a Sierra Nevada-ra, így a tanulmány elsősorban Közép-és Észak-Kaliforniában található.
fontos, hogy ez a megközelítés lehetővé teszi számunkra, hogy több “hihető múltat és hihető jövőt is figyelembe vegyünk.”Az éghajlati modell a szimulációk nagy együttesének része, ami azt jelenti, hogy a szimulációkat 40-szer ismételjük meg a történelmi múltban és 40-szer a melegebb jövőben. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a lehetséges viharszekvenciák szélesebb körét rögzítsük mind a jelenlegi, mind a jövőbeli éghajlati viszonyok között-mivel lényegében több tucat szintetikus, de fizikailag elfogadható szélsőséges vihar rekordját hoztuk létre minden időszakban. Ez azt jelenti, hogy nagy mintaméretünk van a vihar jellemzőinek különbségeinek összehasonlítására e két időszak között, ami sokkal nagyobb (40-szeresére!), mint lenne elérhető nézi a történelmi rekord egyedül.
érdemes megjegyezni, hogy a jövőbeni éghajlati forgatókönyvet, amelyet ebben a munkában használunk, az üvegházhatású gázok kibocsátásának folyamatos növekedése jellemzi a 21.század nagy részében (RCP8.5, az éghajlat wonks odakint)—ez a pálya (remélhetőleg) rosszabb, mint amit az elkövetkező évtizedekben ténylegesen megteszünk. Ennek ellenére a legtöbb hatás, amelyet ebben a munkában figyelembe veszünk, még az alacsonyabb kibocsátási pályákon is megjelenik—de lassabban és kisebb mértékben, teljes mértékben attól függően, hogy végül sikerül-e korlátoznunk és végül nullára csökkentenünk a nettó globális szén-dioxid-kibocsátást.
erősebb, nedvesebb légköri folyók az éghajlat melegedésével
az AR-hoz kapcsolódó integrált vízgőz-szállítás, IVT jelentős (20-30%) növekedéséről számolunk be. (Az IVT az AR szilárdság összesített mértéke, amely figyelembe veszi mind a légköri vízgőz szintjét, mind a szállítási szintű szél erősségét). Fontos szem előtt tartani, hogy olyan eseményeket értékelünk, amelyek meglehetősen ritkák és szélsőségesek—és érdekes megjegyezni, hogy az összetett IVT minta mind a jelen korszak, mind a jövőbeli extreme ARs számára nagyon hasonlít az ARs kanonikus “Pineapple Express” részhalmazára. Ez arra utal, hogy Kaliforniában a legnagyobb valószínű AR viharok valószínűleg mély szubtrópusi nedvességcsapokkal járó események, egybeesik a Csendes-óceán északi részén viszonylag felerősített meridionális áramlási mintázattal, a Bering-tenger feletti erős felfelé blokkoló gerincvel és egy mély alacsony nyomású központtal, Kaliforniától északnyugatra.
a szélsőséges ARs során eső csapadék mennyiségének jelentős növekedését tapasztaljuk melegebb éghajlaton, szinte mindenhol, ahová nézünk—de a legnagyobb relatív változások nem mindig ott vannak, ahol várható. Ezek a növekedés 15-30% között mozog a Sierra Nevada és a parti hegyek orográfiailag kedvelt nyugati lejtőin, 25-40% a közép-völgy és a kisebb parti völgyek síkvidékein és esőárnyékos területein, és helyileg 50% vagy annál nagyobb az erősen esőárnyékos lee oldalsó völgyekben a Távol-Kelet-Kaliforniában és Nyugat-Nevadában. (Az abszolút növekedés természetesen még mindig nagyobb az orográfiailag kedvelt területeken). A szélsőséges AR csapadéknövekedésnek ez a térbeli mintázata arra utal, hogy az események valamivel kevésbé erősen orográfiai jellegűek lehetnek—ami azt jelenti, hogy a melegebb jövőben az egyszerű orográfiai emelkedéstől eltérő fizikai folyamatok fontosabbá válhatnak. Ez a csapadék potenciálisan túlméretezett növekedését jelzi azokon a helyeken, amelyek történelmileg nem szoktak nagy mennyiségű AR-asszociált csapadékhoz.
a legintenzívebb óránkénti felhőszakadások feltűnően nagy növekedése
a nagy felbontású időjárási modell alkalmazásának egyik előnye ebben a vizsgálatban az, hogy figyelembe vehetjük az AR jellemzőit nagy térbeli és időbeli szemcsézettség mellett. Amikor ezt tettük, találtunk valami egészen feltűnő: a növekedés a legintenzívebb óránkénti Csapadék extrém AR események növekszik egy lényegesen nagyobb növekmény és egy térben egységesebb módon, mint az esemény – teljes Csapadék–30-50% majdnem mindenhol. Ez azt jelenti, hogy a szélsőséges AR viharok során a legintenzívebb felhőszakadások lényegesen intenzívebbé válnak, függetlenül attól, hogy délnyugatra néző hegy lejtőjén vagy a Közép-völgyben tartózkodik-e. Ennek az óránkénti maximális csapadéknövekedésnek a térbeli egységessége erősen azt sugallja, hogy ezt sem az orográfiai folyamatok vezérlik. Mi lehet helyette? Bár nem közvetlenül diagnosztizálni a mechanizmusokat ebben a cikkben, lehet, hogy a helyzet, hogy a jövőben extrém ARs egy melegebb világban egy kicsit konvektíven instabil, mint amit már megszoktuk történelmileg. A kortárs függőleges stabilitási profilja általában “nedves-semleges” (az ottani meteorológusok számára), ami azt jelenti, hogy egy légi csomag ellenállás nélkül emelkedik, ha aktívan felemelik (orográfiai interakcióval vagy frontális kényszerítéssel), de spontán módon nem emelkedik a benne rejlő felhajtóerő miatt (mint például a nyári zivatar). Mivel az alacsonyabb szintű légkör a jövőbeli szélsőséges ARs során sokkal melegebb és nedvesebb lesz, lehetséges, hogy ezek az alacsonyabb szintű változások meghaladják a légköri oszlopban magasabb szinteket—ami erősebb nedves konvektív instabilitáshoz vezet. Nos, ez az utolsó rész tájékozott spekuláció részemről, de ez valami, amit határozottan tervezünk, hogy egy közelebbi pillantást a jövőbeni munka.
mi folyik itt? Ez (többnyire) le termodinamika.
ezeknek a várható csapadéknövekedéseknek a túlnyomó többsége—körülbelül 85%–abból az egyszerű tényből fakad, hogy a légkör vízgőz-visszatartó képessége gyorsan növekszik (valójában exponenciálisan) az emelkedő légköri hőmérsékletekkel. Bár ez nem jelenti azt, hogy a légköri páratartalom mindig magasabb lesz a felmelegedő világban, ez azt jelenti, hogy amikor a körülmények közel telítettség—mint szinte mindig előfordul AR környezetben—ez a megnövekedett vízgőz-tartási potenciál valósul meg. Ennek eredményeként maga a melegebb légkör közvetlenül felelős a vízgőz-szállítás növekedésének többségéért, majd az azt követő Csapadék, szélsőséges AR események során melegedő éghajlaton.
ennek a növekedésnek a másik ~15%-a a nyugati szél erősségének mérsékelt előrejelzett növekedéséből származik (a középső légkörben, az alacsony szintű sugár szintje körül) extrém AR események során. Ez a további hozzájárulás a jövőbeli széleltolódásoktól valójában leginkább Közép-és Dél-Kaliforniában jelentkezik, nem pedig északon. A rejtvénynek ez a darabja kissé bizonytalanabb, mint a termodinamikailag hozzájáruló nedvességnövekedés, mivel a különböző éghajlati modellek nem egyeznek meg egységesen abban, hogy ezek a nyugati szelek növekedni fognak-e. De mivel a termodinamikai nedvességnövekedés egy alapvető és jól megértett fizikai folyamat közvetlen eredménye, minden éghajlati modell egyetért ebben a részben—nagyon nagy bizalmat adva nekünk abban, hogy az általunk jelentett IVT és csapadéknövekedés ~85% – a valóban megvalósul egy sokkal melegebb jövőbeli éghajlaton.
két másik eredmény termodinamikai szempontból érdekes. Első, szimulációink azt sugallják, hogy a csapadék növekedése a jövőbeli extrém ARs során elmarad a még nagyobb IVT növekedéstől az ilyen események során. Más szavakkal: míg mind a csapadék, mind az IVT jelentősen növekszik, a csapadék hatékonysága (azaz az IVT egységenkénti Csapadék) valójában csökken a melegedő éghajlatban. Ez azt jelenti, hogy a csapadék növekedése nem lehet olyan nagy, mint amire számítani lehet, ha extrapoláljuk a csapadék és az IVT közötti történelmi kapcsolatokat. Meglepő módon azonban a csapadékhatékonyság csökkenése leginkább a szélirányú lejtőkre és az orografikusan kedvelt régiókra korlátozódik, és sokkal kevésbé feltűnő a Central Valley és a lee side völgyeiben.
másodszor azt találjuk, hogy a jövőbeli Kaliforniai ARs sokkal melegebb lesz, mint azok, amelyek történelmileg történtek. Bár ez önmagában nem rendkívül meglepő megállapítás, érdekesebb az a tény, hogy a szélsőséges ARs valójában kevésbé melegszik, mint a háttér éghajlati viszonyok (azaz a nem AR időszakokban a felmelegedés erősebb, mint az AR események során). Legutóbbi munkánk kimutatta, hogy a kortárs AR-K már jelentősen felmelegednek Kaliforniában, bár kevesebb, mint a háttér felmelegedési sebessége (Gonzales et al. 2019) – a közelmúltbeli megfigyelések és a jövőbeli modellel kapcsolatos előrejelzések közötti összhangra utal e tekintetben. Mindazonáltal: a 3-5 + F előrejelzett felmelegedés ezekben a szélsőséges Ar-kban több mint elegendő ahhoz, hogy alapjaiban megváltoztassa az eső/hó egyensúlyt magasabb magasságokban—ami azt jelenti, hogy a jövőbeli AR-K csapadékának túlnyomó többsége folyékony esőként eshet (nem pedig hó) még meglehetősen magas magasságokban is.
mit jelent mindez az árvíz-és vízgazdálkodás szempontjából Kaliforniában?
új munkánk egyre több olyan kutatáshoz járul hozzá, amelyek arra utalnak, hogy Kaliforniának melegebb, nedvesebb viharokkal kell szembenéznie a melegedő éghajlatban. Az ebből eredő szélsőséges csapadéknövekedés, valamint a csapadék nagyobb hányadában eső helyett hó esik, valószínűleg akkor is bekövetkezik, ha a teljes átlagos csapadékmennyiség nem változik. Valójában a 2018-ban megjelent munkában (és egy korábbi blogbejegyzésben részletesen megvitattuk) azt tapasztaltuk, hogy a regionális átlagos csapadékmennyiség viszonylag szerény előrejelzett tendenciái sokkal drámaibb növekedést mutatnak a “csapadékcsapás” között a növekvő nedves és száraz szélsőségek között. Ráadásul a melegedő hőmérsékletek már most is növelik a hidrológiai aszályviszonyokat a megnövekedett párolgás miatt mind Kaliforniában, mind az amerikai Nyugat—szerte-tovább erősítve a meglévő vízgazdálkodási kihívásokat és az ökoszisztéma-feszültségeket.
a “nedvesebb nedves” és a “szárazabb száraz” körülmények kombinációja a felmelegedési hőmérsékletek mellett különleges kihívásokat jelent Kaliforniában. A melegedő hőmérsékletek már növelik a vízigényt mind az emberi felhasználás, mind a természetes ökoszisztémák számára, ugyanakkor a felmelegedés csökkenti a rendelkezésre álló víz mennyiségét—hosszú távon növekvő hiány. Kalifornia modern vízinfrastruktúrája erősen támaszkodik egy “time release” hótakaró létezésére a Sierra Nevada-ban, amely történelmileg a száraz évszak nagy részén keresztül biztosította a felszíni víz tárolásának fokozatos feltöltését a tározókban. A felmelegedéssel az ebből a magas magasságú “snowpack reservoir”—ból származó víz mennyisége és megbízhatósága csökkenni fog-korlátozva a vízellátást. Másrészt a növekvő csapadékmennyiség és intenzitás kombinációja, valamint a hegyekben az eső és a hó sokkal magasabb aránya valószínűleg a vihar lefolyásának jelentős növekedését és az árvízkockázat jelentős növekedését eredményezi a legtöbb vízgyűjtőben. Ennek Paradox hatása lehet a rövid távú árvízkockázat növekedése, de a hosszú távú vízhiány is, mivel a gátaknál szélesebb biztonsági és árvízvédelmi határértékeket kell fenntartani—lehetővé téve az ilyen építmények mögötti kevesebb nedves évszakos tárolókapacitást. Különös figyelmet érdemel a rövid időtartamú felhőszakadások különösen nagy növekedése a már szélsőséges AR eseményeken belül a melegedő éghajlaton. A magasabb óránkénti csapadékmennyiség előnyösen növelné a villámáradások és a törmelékáramlás kockázatát a fogékony területeken, a nagyobb vízgyűjtőkre jelentett kockázatok mellett a megnövekedett esemény-teljes csapadék miatt.
a Versengő kockázatok enyhítésének egyik potenciálisan ígéretes megközelítése az, hogy lényegében egymás ellen játszunk. Más szavakkal: lehetséges az Aszály Elleni küzdelem áradással, és fordítva. Hogy működhet ez? Nos, a kaliforniai Vízügyi Minisztérium (és más nyilvános & magánszervezetek) már új paradigmákat vizsgálnak, beleértve az “árvíz által kezelt víztartó feltöltést” (FloodMAR). Az alapötlet az, hogy a nagy viharokból nagy vízimpulzusokat vesznek fel, és lehetővé teszik, hogy az előre meghatározott, stratégiailag elhelyezkedő árterületeken elterjedjen. Bizonyos esetekben ez egyrészt csökkentheti a városi területek árvízkockázatát (a gátak és a gátak nyomásának levételével), másrészt csökkentheti a jövőbeni vízhiány kockázatát (lehetővé téve a felszíni víztározókból/gátakból felszabaduló víz egy részének földalatti víztartó rétegekben történő tárolását, amelyek későbbi felhasználásra rendelkezésre állnak). Kényelmesen ezek az időszakosan elárasztott árterek gyakran “pop-up” élőhelyként szolgálnak az őshonos és veszélyeztetett fajok számára. Ha valaha is hajtott Interstate 80 causeway híd között Davis és Sacramento, láttál egy nagyszabású kezelt ártéri akcióban: a Yolo Bypass. Míg ezt a konkrét példát elsősorban az árvízkockázat csökkentésére használják (a víztartó rétegek újratöltése helyett), aktívan folynak a beszélgetések arról, hogy a meglévő projektek, például a Yolo Bypass, mennyire szolgálhatnak modellként a jövőbeni éghajlatváltozáshoz való alkalmazkodási intézkedésekhez egy melegebb, változóbb Kaliforniában.
mennyivel nő az árvízkockázat a melegebb, nedvesebb viharok miatt? Stay tuned-van további munka jelenleg felülvizsgálat (mint az írás) pontosan ebben a témában. És jelenleg egy új, nagyszabású extrém vihar készenléti gyakorlatba kezdünk Kaliforniában-ArkStorm 2.0. Ez az egész országra kiterjedő törekvés-amely a Huang et al. 2020-ban a fizikailag elfogadható légköri folyami vihar szekvenciák kifejlesztése-még ebben az évben elindul, és sok olyan embert fog bevonni, akik részt vettek az eredeti “ARkStorm” és “ShakeOut” gyakorlatokban. Az elmúlt évtizedben azonban sok minden megváltozott a légköri és éghajlati tudományos közösségekben, ezért úgy érezzük, hogy kritikus fontosságú a tudomány (és a világ állapotának) változó állapotának megfelelő frissítés biztosítása. Sok részletet még meg kell határozni, de az elkövetkező hónapokban maradjon velünk!
miben különbözik ez a cikk a tipikus Weather West blogbejegyzésektől?
Ez a különleges Weather West cikk a kollégáim és én lektorált tudományos kutatására összpontosít, amely a közelmúltban megjelent a Science Advances-ben, és más tudósok lektorált munkáját is tárgyalja. Ez azt jelenti, hogy ennek a darabnak a tartalma a kutatócsoportok hivatalos tudományos vizsgálatainak megállapításain alapul, ami ellentétben áll a tipikusabb időjárási nyugati bejegyzésekkel, amelyek elsősorban a saját informális gondolataimon és elemzésemen alapulnak. Szeretnék köszönetet mondani a munka társszerzőinek-Xingying Huang és Alex Hall-a folyamatos erőfeszítéseikért, hogy ezt a projektet befejezzék. (Ez a munka több év alatt fejlődött a kezdeti konceptualizációtól a végleges publikációig.) A kutatáshoz való hozzájárulásom finanszírozását az UCLA Környezetvédelmi és fenntarthatósági Intézete, a Nemzeti légköri Kutatási Központ éghajlati és időjárási szélsőségek Kapacitásközpontja és a kaliforniai természetvédelmi Intézet közötti partnerség biztosította.
a papír teljesen nyílt hozzáférésű változata (mindenki számára szabadon hozzáférhető!) megtekinthető itt.
a web-megosztható infografika, amely a blogbejegyzés elején található extrém légköri folyami munkánk legfontosabb pontjait szemlélteti, bármilyen célra reprodukálható, megfelelő hozzárendeléssel. Szeretném megköszönni Katharine Reich tudományos kommunikátornak és Rebecca Hume grafikusnak, hogy ezt lehetővé tették!idézet: Huang, X., Swain, D. L. és A. Hall. A kaliforniai szélsőséges légköri folyami viharok nagy együttes méretarányának csökkentése a finom csapadékmennyiség nagy növekedését tárja fel, a Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.