Fiumi atmosferici estremi: quali saranno le tempeste più forti della California in un clima di riscaldamento?

Nota: Questo articolo speciale Weather West si concentra sulla nuova ricerca scientifica peer-reviewed, guidata da Xingying Huang, che i miei colleghi e io abbiamo recentemente pubblicato su Science Advances.

Fiumi atmosferici in un contesto climatico della California

I fiumi atmosferici (ARs)—lunghi e sinuosi corridoi di vapore acqueo in movimento nella metà inferiore dell’atmosfera terrestre—sono un aspetto chiave del clima della stagione fredda della California. Gli AR sono in molti casi piuttosto insignificanti quando sono fuori dall’oceano aperto, visibili sul satellite come uno stretto nastro di nuvolosità e (di solito) precipitazioni leggere. Ma quando questi pennacchi di umidità si attaccano ai sistemi di bassa pressione invernale e sbarcano lungo la costa della California, le conseguenze possono essere drammatiche: la pioggia intensa prolungata e la neve di montagna spesso provocano, insieme a venti a volte potenti. La precipitazione correlata all’AR è fortemente orografica, il che significa che tende ad essere fortemente modulata dalla topografia locale. Di conseguenza, i totali di precipitazione più drammatici legati all’AR si verificano di solito sulle pendici sopravento (sud e ovest) delle catene montuose costiere e interne della California. Accumuli di precipitazioni in tali regioni durante gli eventi AR più estreme sono paragonabili a quella ricevuta lungo la costa del Golfo o Costa orientale durante gli eventi di uragano landfalling-e sono occasionalmente misurati in piedi, piuttosto che pollici. Come tale, ARs può essere sia benedizione o una maledizione, a seconda del contesto e le condizioni antecedenti: sono responsabili fino al 50% dell’approvvigionamento idrico complessivo della California, ma anche della stragrande maggioranza del rischio di inondazione della regione.

Il grande approccio ensemble: generazione di più plausibili passati e futures

Poiché ARs sono un aspetto fondamentale del clima storico della California, è di fondamentale importanza capire come tali eventi stanno cambiando in un mondo di riscaldamento. Le ricerche esistenti sul cambiamento climatico e sull’ARs hanno già suggerito che gli eventi più forti potrebbero intensificarsi considerevolmente in alcune regioni. Ma quasi tutti questi studi fino ad oggi si sono basati esclusivamente su modelli climatici globali, che sono strumenti eccellenti per capire come il clima globale e regionale sta cambiando in un senso più ampio, ma spesso non sono abbastanza granulari da valutare i cambiamenti nei fenomeni su scala fine come ARs. Nello studio che descrivo in questo post sul blog, io e i miei colleghi abbiamo tentato di risolvere questa sfida utilizzando un modello atmosferico ad alta risoluzione (il Weather Research and Forecasting Model, o WRF-comunemente usato nel fare previsioni meteorologiche quotidiane) per simulare le “tempeste del futuro” in grande dettaglio spaziale e temporale. Lo facciamo disegnando le condizioni atmosferiche iniziali su larga scala dalle tradizionali simulazioni del modello climatico a risoluzione grossolana e fornendole al modello meteorologico. In questo modo, siamo in grado di individuare sistematicamente singoli eventi di tempesta AR estremi da queste ampie simulazioni di modelli climatici e simularli utilizzando uno strumento che rappresenta molto meglio le variazioni su piccola scala stranezze topografiche che caratterizzano il clima della California. Ci concentriamo principalmente su ARS estreme che hanno grandi impatti nella Sierra Nevada, così lo studio è centrato principalmente in tutta la California centrale e settentrionale.

È importante sottolineare che questo approccio ci consente anche di considerare più “passati plausibili e futuri plausibili.”Il modello climatico fa parte di un ampio insieme di simulazioni, il che significa che le simulazioni vengono ripetute 40 volte per il passato storico e 40 volte per un futuro più caldo. Ciò ci consente di catturare una gamma più ampia di possibili sequenze di tempeste sia nelle condizioni climatiche attuali che in quelle future, poiché in sostanza abbiamo creato un record di molte dozzine di tempeste estreme sintetiche ma fisicamente plausibili durante ogni periodo. Ciò significa che abbiamo una grande dimensione del campione per confrontare le differenze nelle caratteristiche della tempesta tra questi due periodi, che è molto più grande (di un fattore di 40!) che sarebbe disponibile guardando solo il record storico.

Vale la pena notare che lo scenario climatico futuro che usiamo in questo lavoro è caratterizzato da un continuo aumento delle emissioni di gas serra attraverso la maggior parte del 21 ° secolo (RCP8.5, per il clima wonks là fuori)—una traiettoria che è (si spera) peggiore di quella che prenderemo nei prossimi decenni. Tuttavia, la maggior parte degli impatti che consideriamo in questo lavoro emergerà anche su traiettorie di emissioni più basse, ma più lentamente e in misura minore, dipende interamente dal nostro eventuale successo nel limitare e portare a zero le emissioni nette di carbonio globali.

Fiumi atmosferici più forti e umidi mentre il clima si riscalda

Segnaliamo aumenti sostanziali (20-30%) nel trasporto integrato di vapore acqueo associato all’AR, IVT. (IVT è una misura aggregata della forza AR che tiene conto sia del livello di vapore acqueo atmosferico che della forza dei venti a livello di trasporto). È importante tenere a mente che stiamo valutando eventi che sono piuttosto rari ed estremi-ed è interessante notare che il modello IVT composito sia per l’era presente che per l’ARS estremo futuro assomiglia molto al sottoinsieme canonico “Pineapple Express” di ARs. Ciò suggerisce che le più grandi tempeste AR plausibili in California potrebbero essere eventi con un profondo rubinetto di umidità subtropicale, in coincidenza con un modello di flusso meridionale relativamente amplificato sul Pacifico settentrionale con una forte cresta di blocco a monte sul Mare di Bering e un profondo centro di bassa pressione a nord-ovest della California.

Troviamo un sostanziale aumento della quantità di precipitazioni che cade durante ARS estremo in un clima più caldo quasi ovunque guardiamo—ma i maggiori cambiamenti relativi non sono sempre dove ci si potrebbe aspettare. Questi aumenti vanno dal 15-30% sulle pendici occidentali orograficamente favorite della Sierra Nevada e delle montagne costiere, 25-40% nelle pianure e nelle aree ombreggiate dalla pioggia della Valle centrale e delle valli costiere più piccole, e localmente 50% o superiore nelle valli laterali lee fortemente ombreggiate dalla pioggia in estremo oriente California e Nevada occidentale. (Gli aumenti assoluti, ovviamente, sono ancora maggiori nelle aree orograficamente favorite). Questo modello spaziale di aumento estremo delle precipitazioni AR suggerisce che gli eventi possono diventare un po ‘ meno fortemente orografici in natura—il che significa che i processi fisici diversi dal semplice sollevamento orografico possono diventare più importanti in un futuro più caldo. Ciò fa presagire aumenti potenzialmente fuori misura delle precipitazioni in luoghi non storicamente abituati a vedere grandi volumi di precipitazioni associate all’AR.

Aumenti sorprendentemente grandi negli acquazzoni orari più intensi

Uno dei vantaggi dell’utilizzo di un modello meteorologico ad alta risoluzione in questa indagine è che possiamo considerare le caratteristiche AR ad alta granularità spaziale e temporale. Quando lo abbiamo fatto, abbiamo trovato qualcosa di abbastanza sorprendente: l’aumento delle precipitazioni orarie più intense durante gli eventi AR estremi aumenta di un incremento considerevolmente maggiore e in un modo più uniforme spazialmente rispetto alle precipitazioni totali degli eventi-30–50% quasi ovunque. Ciò significa che gli acquazzoni più intensi durante le tempeste AR estreme diventeranno sostanzialmente più intensi indipendentemente dal fatto che tu sia su un pendio di montagna rivolto a sud-ovest o nella Valle centrale. L’uniformità spaziale di questo aumento massimo orario delle precipitazioni suggerisce fortemente che anche questo non sia guidato da processi orografici. Cosa potrebbe essere invece? Anche se non diagnostichiamo direttamente i meccanismi in questo articolo, potrebbe essere il caso che le future AR estreme in un mondo più caldo siano un po ‘ più convettivamente instabili di quelle a cui siamo stati abituati storicamente. Il profilo di stabilità verticale di contemporary è solitamente “umido-neutro” (per i meteorologi là fuori), il che significa che un pacco d’aria salirà senza resistenza se sollevato attivamente (per interazione orografica, o forzatura frontale) ma non si alzerà spontaneamente a causa della sua intrinseca galleggiabilità (come potrebbe verificarsi durante un temporale estivo, per esempio). Poiché l’atmosfera di livello inferiore durante le future AR estreme sarà molto più calda e umida, è possibile che questi cambiamenti di livello inferiore superino quelli che si verificano più in alto nella colonna atmosferica, portando a una maggiore instabilità convettiva umida. Ora, quest’ultimo bit è una speculazione informata da parte mia, ma è qualcosa che abbiamo sicuramente intenzione di dare un’occhiata più da vicino nel lavoro futuro.

Cosa sta succedendo qui? È (principalmente) verso il basso per la termodinamica.

La stragrande maggioranza di questi aumenti di precipitazione previsti—circa l ‘ 85%–deriva dal semplice fatto che la capacità di trattenere il vapore acqueo dell’atmosfera aumenta rapidamente (in modo esponenziale, infatti) con l’aumento delle temperature atmosferiche. Mentre questo non significa che l’umidità atmosferica sarà sempre più alta in un mondo di riscaldamento, significa che quando le condizioni sono vicine alla saturazione—come quasi sempre si verifica in ambienti AR—questo aumento del potenziale di ritenzione del vapore acqueo sarà realizzato. Di conseguenza, l’atmosfera più calda stessa è direttamente responsabile della maggior parte dell’aumento del trasporto di vapore acqueo e delle successive precipitazioni, durante eventi AR estremi in un clima di riscaldamento.

L’altro ~15% di questo aumento deriva da modesti aumenti previsti della forza dei venti occidentali (nell’atmosfera centrale, intorno al livello del getto di basso livello) durante eventi AR estremi. Questo contributo aggiuntivo da futuri cambiamenti del vento è in realtà più pronunciato in tutta la California centrale e meridionale, piuttosto che nel nord. Questo pezzo del puzzle rimane un po ‘ più incerto dell’aumento dell’umidità termodinamicamente contribuito, poiché i diversi modelli climatici non concordano uniformemente sul fatto che questi venti occidentali aumenteranno. Ma poiché l’aumento dell’umidità termodinamica è il risultato diretto di un processo fisico fondamentale e ben compreso, tutti i modelli climatici concordano su questa parte-dandoci molta fiducia che ~85% dell’IVT e degli aumenti delle precipitazioni che riportiamo sarebbe effettivamente realizzato in un clima futuro molto più caldo.

Altri due risultati sono interessanti dal punto di vista termodinamico. In primo luogo, le nostre simulazioni suggeriscono che l’aumento delle precipitazioni durante i futuri AR estremi ritarderà l’aumento IVT ancora più grande durante tali eventi. In altre parole: mentre sia le precipitazioni che l’IVT aumentano considerevolmente, l’efficienza delle precipitazioni (cioè le precipitazioni per unità IVT) diminuisce effettivamente in un clima di riscaldamento. Ciò significa che gli aumenti delle precipitazioni potrebbero non essere così grandi come ci si potrebbe aspettare se si estrapolano le relazioni storiche tra precipitazione e IVT. Sorprendentemente, tuttavia, questa diminuzione dell’efficienza delle precipitazioni è per lo più limitata ai pendii sopravento e alle regioni orograficamente favorite, ed è molto meno prominente in tutta la Valle centrale e nelle valli laterali di lee.

In secondo luogo, troviamo che il futuro ARS California sarà molto più caldo di quelli che si sono verificati storicamente. Mentre questo, di per sé, non è una scoperta tremendamente sorprendente, più intrigante è il fatto che l’ARS estremo in realtà riscalda meno delle condizioni climatiche di fondo (cioè, il riscaldamento durante i periodi non AR è più forte che durante gli eventi AR). Il nostro recente lavoro ha dimostrato che le AR contemporanee si stanno già riscaldando sostanzialmente in California, anche se a meno del tasso di riscaldamento di fondo (Gonzales et al. 2019)—suggerendo la coerenza tra osservazioni recenti e proiezioni future del modello a tale riguardo. Ciononostante: il riscaldamento previsto da 3-5+ F durante questi AR estremi sarebbe più che sufficiente per alterare fondamentalmente l’equilibrio pioggia/neve a quote più elevate, il che significa che la stragrande maggioranza delle precipitazioni durante i futuri AR potrebbe cadere come pioggia liquida (piuttosto che neve) anche a quote piuttosto elevate.

Cosa significa tutto questo per la gestione delle inondazioni e delle acque in California?

Il nostro nuovo lavoro si aggiunge a un crescente corpo di ricerca che suggerisce che la California dovrà affrontare tempeste più calde e umide in un clima di riscaldamento. Il conseguente aumento delle precipitazioni estreme, e nella frazione di precipitazioni che cadono come pioggia piuttosto che neve a quote più elevate, si verificherà probabilmente anche in assenza di grandi cambiamenti nelle precipitazioni medie complessive. Infatti, nel lavoro pubblicato in 2018 (e discusso in dettaglio in un precedente post sul blog), abbiamo scoperto che le tendenze proiettate relativamente modeste nelle precipitazioni medie regionali mascherano un aumento molto più drammatico del “colpo di frusta delle precipitazioni” tra l’aumento degli estremi umidi e secchi. Inoltre, le temperature di riscaldamento stanno già determinando un aumento delle condizioni di siccità idrologica a causa dell’aumento dell’evaporazione sia in California che in tutto l’ovest americano, amplificando ulteriormente le sfide di gestione delle acque esistenti e gli stress dell’ecosistema.

La combinazione di condizioni “wetter wet” e “drier dry” sovrapposte alle temperature di riscaldamento pone sfide speciali in California. Le temperature di riscaldamento stanno già aumentando la domanda di acqua sia per uso umano che per gli ecosistemi naturali, mentre il riscaldamento sta riducendo la quantità di acqua disponibile, aumentando la scarsità a lungo termine. La moderna infrastruttura idrica della California è fortemente basata sull’esistenza di un manto nevoso “a rilascio di tempo” nella Sierra Nevada, che storicamente ha fornito un graduale rifornimento dello stoccaggio delle acque superficiali nei serbatoi attraverso gran parte della stagione secca. Con il riscaldamento, la quantità e l’affidabilità dell’acqua proveniente da questo “serbatoio del manto nevoso” ad alta quota diminuiranno, riducendo l’approvvigionamento idrico. D’altra parte, la combinazione di aumentare il volume delle precipitazioni e l’intensità complessiva, oltre a un rapporto molto più elevato tra pioggia e neve in montagna, produrrà probabilmente un grande aumento del deflusso delle tempeste e un sostanziale aumento del rischio di inondazione nella maggior parte dei bacini idrografici. Ciò può avere l’effetto paradossale di aumentare il rischio di inondazioni a breve termine, ma anche la scarsità d’acqua a lungo termine, perché sarà necessario mantenere margini più ampi di sicurezza e di controllo delle inondazioni alle dighe, consentendo una minore capacità di stoccaggio per la stagione delle piogge dietro queste strutture. Di particolare nota è l’aumento particolarmente elevato degli acquazzoni di breve durata all’interno di eventi AR già estremi in un clima di riscaldamento. Tassi di pioggia orari più elevati aumenterebbero preferenzialmente il rischio di inondazioni improvvise e flussi di detriti nelle aree sensibili, oltre ai rischi posti ai bacini idrografici più grandi dall’aumento delle precipitazioni totali degli eventi.

Un approccio potenzialmente promettente per mitigare questi rischi concorrenti è essenzialmente giocare l’uno contro l’altro. In altre parole: potrebbe essere possibile combattere la siccità con le inondazioni e viceversa. Come potrebbe funzionare? Bene, il Dipartimento delle Risorse idriche della California (e altre organizzazioni private pubbliche &) stanno già esplorando nuovi paradigmi tra cui “flood-managed aquifer recharge” (FloodMAR). L’idea di base è quella di prendere grandi impulsi d’acqua da grandi tempeste e permetterle di diffondersi attraverso pianure alluvionali predeterminate e strategicamente posizionate. In alcuni casi, ciò può servire sia a ridurre il rischio di inondazioni nelle aree urbane (riducendo la pressione delle dighe e degli argini) sia a ridurre il rischio di futura scarsità d’acqua (consentendo di immagazzinare una parte dell’acqua rilasciata dai serbatoi/dighe superficiali in falde acquifere sotterranee, disponibili per un uso successivo). Convenientemente, queste pianure alluvionali periodicamente inondate spesso servono come habitat “pop-up” per specie autoctone e in via di estinzione. Se hai mai guidato sull’Interstate 80 causeway bridge tra Davis e Sacramento, hai visto una pianura alluvionale gestita su larga scala in azione: la Yolo Bypass. Mentre questo particolare esempio viene utilizzato principalmente per ridurre il rischio di inondazioni (piuttosto che ricaricare le falde acquifere), le conversazioni sono attivamente in corso su come progetti esistenti di successo, come il bypass di Yolo, potrebbero servire da modello per future misure di adattamento climatico in una California più calda e variabile.

Quanto aumenterà il rischio di inondazioni a causa di queste tempeste più calde e umide? Restate sintonizzati-abbiamo ulteriori lavori attualmente in revisione (al momento della stesura di questo articolo) proprio su questo argomento. E stiamo attualmente intraprendendo un nuovo esercizio di emergenza per tempeste estreme su larga scala per la California-ArkStorm 2.0. Questo sforzo in tutto lo stato-che utilizza il grande approccio downscaling ensemble descritto in Huang et al. 2020 per sviluppare sequenze di tempeste atmosferiche fisicamente plausibili-lancerà entro la fine dell’anno e coinvolgerà molte delle stesse persone che sono state coinvolte con gli esercizi originali “ARkStorm” e “ShakeOut”. Molto è cambiato nelle comunità di scienze atmosferiche e climatiche negli ultimi dieci anni, tuttavia, quindi riteniamo che sia di fondamentale importanza fornire un aggiornamento coerente con lo stato in evoluzione della scienza (e lo stato del mondo). Molti dettagli sono ancora da determinare, ma rimanete sintonizzati per ulteriori nei mesi a venire!

In che modo questo articolo è diverso dai tipici post del blog Weather West?

Questo articolo speciale Weather West si concentra sulla ricerca scientifica peer-reviewed dai miei colleghi e me che è stato recentemente pubblicato in Science Advances, e discute anche il lavoro peer-reviewed da altri scienziati. Ciò significa che il contenuto di questo pezzo si basa sui risultati di indagini scientifiche formali da parte di team di ricercatori, che contrasta con i post più tipici di Weather West che si basano principalmente sui miei pensieri e analisi informali. Vorrei ringraziare i miei coautori in questo lavoro-Xingying Huang e Alex Hall-per i loro sforzi sostenuti nel portare a termine questo progetto. (Questo lavoro si è evoluto nel corso di diversi anni dalla sua concettualizzazione iniziale alla pubblicazione finale. Il finanziamento per il mio contributo a questa ricerca è stato fornito attraverso una partnership tra UCLA Institute of the Environment and Sustainability, il Capacity Center for Climate and Weather Extremes presso il National Center for Atmospheric Research e la Nature Conservancy of California.

Una versione completamente open-access della carta (liberamente accessibile a tutti!) può essere visualizzato qui.

L’infografica condivisibile sul web che illustra i punti chiave del nostro lavoro sul fiume atmosferico estremo trovato all’inizio di questo post del blog può essere riprodotta per qualsiasi scopo con una corretta attribuzione. Vorrei ringraziare la comunicatrice scientifica Katharine Reich e la graphic designer Rebecca Hume per averlo reso possibile!

Citazione: Huang, X., Swain, DL, e A. Hall. Grande ensemble downscaling di tempeste atmosferiche estreme del fiume in California rivela un grande aumento delle precipitazioni su scala fine, Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.