Ekstreme atmosfæriske elver: hva Vil Californias sterkeste stormer se ut i et oppvarmingsklima?

Merk: Denne spesielle Weather West-artikkelen fokuserer på ny peer-reviewed vitenskapelig forskning, ledet Av Xingying Huang, som mine kolleger og jeg nylig publiserte I Science Advances.

Atmosfæriske elver i California klima sammenheng

Atmosfæriske elver (ARs)—lange, svingete korridorer av vanndamp i bevegelse i den nedre halvdelen Av Jordens atmosfære—er en viktig del Av Californias kjølige sesong klima. ARs er i mange tilfeller ganske unremarkable når de er ute over det åpne hav, synlig på satellitt som et smalt bånd av skyighet og (vanligvis) lett nedbør. Men når disse fuktighetsplumes feste seg til vinteren lavtrykkssystemer og gjøre landfall langs California kysten—konsekvensene kan være dramatisk-langvarig kraftig regn og fjell snø ofte resultere, sammen med noen ganger kraftig vind. Ar-relatert nedbør er sterkt orografisk, noe som betyr at den har en tendens til å bli sterkt modulert av lokal topografi. Som et resultat oppstår de mest dramatiske AR-relaterte nedbørstallene vanligvis på vindsiden (sør og vestvendt) skråninger Av Californias kyst-og innlandsfjellkjeder. Nedbørsakkumuleringer i slike regioner under de mest ekstreme AR-hendelsene er sammenlignbare med det som mottas langs Gulfkysten eller Østkysten under deponering av orkanhendelser—og måles av og til i fot, i stedet for tommer. Som sådan, ARs kan være enten velsignelse eller en forbannelse, avhengig av kontekst og forutgående forhold: De er ansvarlige for opptil 50% Av Californias samlede vannforsyning, men også det store flertallet av regionens flomrisiko.

den store ensemble-tilnærmingen: generere flere plausible fortid og futures

Siden ARs er et så grunnleggende aspekt av Californias historiske klima, er det kritisk viktig å forstå hvordan slike hendelser endrer seg i en oppvarmingsverden. Eksisterende forskning på klimaendringer og ARs har tidligere antydet at de sterkeste hendelsene kan intensivere betydelig i enkelte regioner. Men nesten alle slike studier hittil har utelukkende støttet seg på globale klimamodeller – som er gode verktøy for å forstå hvordan globalt og regionalt klima endrer seg i bredere forstand, men er ofte ikke granulært nok til å vurdere endringer i finskala fenomener som ARs. I studien jeg beskriver i dette blogginnlegget, har mine kolleger og jeg forsøkt å løse denne utfordringen ved å bruke en høyoppløselig atmosfærisk modell (Værforsknings—Og Prognosemodellen, ELLER WRF-som ofte brukes til å lage daglige værmeldinger) for å simulere «fremtidens stormer» i stor romlig og tidsmessig detalj. Vi gjør det ved å tegne innledende store atmosfæriske forhold fra tradisjonelle, grovoppløselige klimamodellsimuleringer og gi disse til værmodellen. På denne måten kan vi systematisk plukke ut individuelle ekstreme AR-stormhendelser fra disse omfattende klimamodellsimuleringene og simulere dem ved hjelp av et verktøy som mye bedre representerer de småskala variasjonene topografiske quirks som karakteriserer California klima. Vi fokuserer hovedsakelig på ekstreme ARs som har store konsekvenser I Sierra Nevada, så studien er sentrert primært over sentrale Og nordlige California.

Viktigere, denne tilnærmingen lar oss også vurdere flere » plausible fortid og plausible futures.»Klimamodellen er en del av et stort ensemble av simuleringer, noe som betyr at simuleringene gjentas 40 ganger for den historiske fortiden og 40 ganger for en varmere fremtid. Dette gjør at vi kan fange et bredere spekter av mulige stormsekvenser i både nåværende og fremtidige klimaforhold-siden vi i hovedsak har skapt en oversikt over mange dusinvis av syntetiske, men fysisk troverdige ekstreme stormer i hver periode. Dette betyr at vi har en stor utvalgsstørrelse for å sammenligne forskjeller i stormegenskaper mellom disse to periodene, noe som er mye større (med en faktor på 40!) enn ville være tilgjengelig ved å se på den historiske posten alene.Det er verdt å merke seg at det fremtidige klimascenariet vi bruker i dette arbeidet, er preget av en fortsatt økning i klimagassutslipp gjennom det meste av det 21.århundre (RCP8.5, for klimaet wonks der ute)—en bane som er (forhåpentligvis) verre enn vi faktisk vil ta i de kommende tiårene. Likevel vil de fleste av konsekvensene vi vurderer i dette arbeidet oppstå selv på lavere utslippsbaner—men langsommere og i mindre grad, avhengig av vår eventuelle suksess i å begrense og til slutt bringe til null netto globale karbonutslipp.

Sterkere, våtere atmosfæriske elver som klimaet varmer

vi rapporterer betydelige (20-30%) økninger I ar-assosiert integrert vanndamptransport, IVT. (IVT ER et samlet mål PÅ AR-styrke som tar hensyn til både nivået av atmosfærisk vanndamp og styrken av transportnivå vind). Det er viktig å huske på at vi vurderer hendelser som er ganske sjeldne og ekstreme—og det er interessant å merke seg at det sammensatte IVT-mønsteret for både nåtid og fremtidige ekstreme ARs ser mye ut som Den kanoniske «Pineapple Express» – delen Av ARs. Det antyder at De største plausible ar-stormene i California sannsynligvis vil være hendelser med en dyp subtropisk fuktighetskran, sammenfallende med et relativt forsterket meridionalt strømningsmønster over Nord-Stillehavet med en sterk oppstrøms blokkerende ås over Beringhavet og et dypt lavtrykkssenter like nordvest for California.

vi finner en betydelig økning i mengden nedbør som faller under ekstreme ARs i et varmere klima omtrent overalt vi ser—men de største relative endringene er ikke alltid der du kan forvente. Disse økningene varierer fra 15-30% på orografisk favoriserte vestlige skråninger Av Sierra Nevada og kystfjellene, 25-40% i flatland og regnskyggede områder I Central Valley og mindre kystdaler, og lokalt 50% eller større i de sterkt regnskyggede lee side-dalene i det fjerne Østlige California og vestlige Nevada. (Absolutt økning, selvfølgelig, er fortsatt større i de orografisk favoriserte områdene). Dette romlige mønsteret av ekstrem ar-nedbørsøkning tyder på at hendelser kan bli noe mindre sterkt orografisk i naturen-noe som betyr at fysiske prosesser annet enn enkel orografisk oppløfting kan bli viktigere i en varmere fremtid. Dette gir potensielt store økninger i nedbør på steder som ikke er historisk vant til å se store mengder AR-assosiert nedbør.

Påfallende store økninger i de mest intense timeløpene

en av fordelene ved å bruke en høyoppløselig værmodell i denne undersøkelsen er at VI kan vurdere ar-egenskaper ved høy romlig og tidsmessig granularitet. Da vi gjorde det, fant vi noe ganske slående: økningen i den mest intense timenedbør under ekstreme AR-hendelser øker med en betydelig større økning og på en mer romlig jevn måte enn hendelsen–total nedbør-30-50% omtrent overalt. Dette betyr at de mest intense regnskyllene under ekstreme ar-stormer vil bli vesentlig mer intense, uansett om du er på en sørvestvendt fjellskråning eller I Central Valley. Den romlige ensartethet av denne time maksimal nedbør økning sterkt foreslå dette, også, er ikke drevet av orografiske prosesser. Hva kan det være i stedet? Selv om vi ikke direkte diagnostiserer mekanismene i dette papiret, kan det være tilfelle at fremtidige ekstreme ARs i en varmere verden er litt mer konvektivt ustabil enn det vi har vært vant til historisk. Den vertikale stabilitetsprofilen til contemporary er vanligvis «fuktig-nøytral» (for meteorologene der ute), noe som betyr at en luftpakke vil stige uten motstand hvis den aktivt løftes (ved orografisk interaksjon eller frontal tvinge), men vil ikke stige spontant på grunn av sin iboende oppdrift (som kan oppstå under en sommer tordenvær, for eksempel). Siden atmosfæren på lavere nivå under fremtidige ekstreme ARs vil bli mye varmere og fuktigere, er det mulig at disse lavere nivåendringene overgår de som skjer høyere opp i atmosfærisk kolonne—noe som fører til sterkere fuktig konvektiv ustabilitet. Nå er denne siste biten informert spekulasjon fra min side, men det er noe vi definitivt planlegger å se nærmere på i fremtidig arbeid.

Hva skjer her? Det er (for det meste) ned til termodynamikk.

de aller fleste av disse forventede nedbørene øker-rundt 85% – stammer fra det enkle faktum at vanndampholdingskapasiteten i atmosfæren øker raskt (eksponentielt, faktisk) med stigende atmosfæriske temperaturer. Selv om dette ikke betyr at atmosfærisk fuktighet alltid vil være høyere i en oppvarmingsverden, betyr det at når forholdene er nær metning—som nesten alltid forekommer I ar—miljøer-vil dette økte vanndampholdingspotensialet bli realisert. Som et resultat er den varmere atmosfæren selv direkte ansvarlig for et flertall av økningen i vanndamptransport og påfølgende nedbør under ekstreme AR-hendelser i et oppvarmingsklima.

den andre ~15% av denne økningen skyldes beskjedne forventede økninger i styrken av vestlige vinder (i den midterste atmosfæren, rundt nivået av lavnivå jet) under ekstreme AR-hendelser. Dette ekstra bidraget av fremtidige vindskift er faktisk mest uttalt over sentrale Og sørlige California, i stedet for i nord. Dette stykket av puslespillet forblir litt mer usikkert enn den termodynamisk bidro til fuktighetsøkning, da forskjellige klimamodeller ikke er enige om hvorvidt disse vestlige vindene vil øke. Men siden den termodynamiske fuktøkningen er det direkte resultatet av en grunnleggende og godt forstått fysisk prosess, er alle klimamodeller enige om den delen-noe som gir oss svært høy tillit til at ~85% AV IVT og nedbør øker vi rapporterer, faktisk vil komme til å bli oppfylt i et mye varmere fremtidig klima.

To andre funn er interessante fra et termodynamisk perspektiv. For det første tyder våre simuleringer på at nedbørsøkningen under fremtidige ekstreme ARs vil forsinke den enda større IVT-økningen under slike hendelser. Med andre ord: mens både nedbør og IVT øker betydelig, reduseres nedbørseffektiviteten (dvs. nedbør per ENHET IVT) faktisk i et oppvarmingsklima. Dette betyr at nedbørsøkningen kanskje ikke er så stor som man kunne forvente hvis man ekstrapolerer historiske forhold mellom nedbør og IVT. Påfallende, derimot, denne nedgangen i nedbørseffektivitet er for det meste begrenset til windward bakker og orografisk favoriserte regioner, og er mye mindre fremtredende over Central Valley og lee side daler.For Det Andre finner vi at fremtidige California ARs vil bli mye varmere enn de som skjedde historisk. Selv om det i seg selv ikke er et enormt overraskende funn, er det mer spennende at ekstreme ARs faktisk varmer mindre enn bakgrunnsklimaforhold (dvs.oppvarming under ikke-AR-perioder er sterkere enn UNDER ar-hendelser). Vårt siste arbeid har vist at moderne ARs allerede oppvarmer vesentlig i California ,men på mindre enn bakgrunnsoppvarmingshastigheten (Gonzales et al. 2019) – tyder på konsistens mellom nyere observasjoner og fremtidige modellprognoser i den forbindelse. Likevel: den 3-5 + F projiserte oppvarmingen under disse ekstreme ARs vil være mer enn nok til å fundamentalt endre regn/snøbalansen i høyere høyder—noe som betyr at det store flertallet av nedbør i fremtidige ARs kan falle som flytende regn (i stedet for snø) selv ved ganske høye høyder.

hva betyr alt dette for flom og vannforvaltning I California? Vårt nye arbeid legger til en voksende mengde forskning som tyder på At California vil møte varmere, våtere stormer i et oppvarmende klima. Den resulterende økningen i ekstrem nedbør, og i fraksjonen av nedbør som faller som regn i stedet for snø i høyereliggende områder, vil trolig oppstå selv i fravær av store endringer i samlet gjennomsnittlig nedbør. Faktisk, i arbeid publisert i 2018 (og diskutert i detalj i et tidligere blogginnlegg), fant vi at relativt beskjedne projiserte trender i regional gjennomsnittlig nedbør maskerer mye en mye mer dramatisk økning i «nedbør whiplash» mellom økende våte og tørre ekstremer. På toppen av dette driver oppvarmingstemperaturer allerede en økning i hydrologiske tørkeforhold på grunn av økt fordampning både i California og over Det Amerikanske Vesten—ytterligere forsterkning av eksisterende vannforvaltningsutfordringer og økosystemspenninger.kombinasjonen av» våtere våte «og» tørrere tørre » forhold lagt på oppvarmingstemperaturer utgjør spesielle utfordringer i California. Oppvarmingstemperaturer øker allerede vannbehovet både for menneskelig bruk og av naturlige økosystemer samtidig som oppvarming reduserer mengden vann tilgjengelig—økende knapphet i det lange løp. Californias moderne vanninfrastruktur er sterkt basert på eksistensen av en» time release » snowpack I Sierra Nevada, som historisk ga gradvis etterfylling av overflatevann lagring i reservoarer gjennom mye av den tørre sesongen. Ved oppvarming vil mengden og påliteligheten av vann som kommer fra denne høye høyden «snowpack reservoar» avta-begrense vannforsyningen. På den annen side vil kombinasjonen av økende nedbørsmengde og intensitet generelt, pluss et mye høyere forhold mellom regn og snø i fjellet, trolig gi en stor økning i stormavrenning og en betydelig økning i flomrisiko i de fleste vannområder. Dette kan ha den paradoksale effekten av å øke kortsiktig flomrisiko, men også langsiktig vannknaphet, fordi bredere sikkerhets-og flomkontrollmarginer ved dammer må opprettholdes—noe som gir mindre våt sesonglagringskapasitet bak disse strukturene. Spesielt er den spesielt store økningen i kortvarige nedturer innen allerede ekstreme AR-hendelser i et oppvarmingsklima. Høyere timebaserte nedbørsmengder vil fortrinnsvis øke risikoen for flashflom og ruskstrømmer i følsomme områder, i tillegg til risikoen for større vannområder fra økt hendelse-total nedbør.en potensielt lovende tilnærming for å redusere disse konkurrerende risikoene er å i hovedsak spille mot hverandre. Med andre ord: det kan være mulig å bekjempe tørke med flom, og omvendt. Hvordan kan dette fungere? Vel, Californias Department Of Water Resources (Og andre offentlige & private organisasjoner) utforsker allerede nye paradigmer, inkludert «flood-managed aquifer recharge» (FloodMAR). Den grunnleggende ideen er å ta store pulser med vann fra store stormer og la det spre seg over forhåndsbestemte, strategisk plasserte flomfelt. I noen tilfeller kan dette tjene til både å redusere flomrisiko for byområder (ved å ta trykk av dammer og diker) og redusere risikoen for fremtidig vannknaphet (ved å la en del av vannet som slippes ut fra overflatevann reservoarer/dammer lagres i underjordiske akviferer, tilgjengelig for senere bruk). Beleilig, disse periodisk oversvømt flomslettene ofte tjene som «pop-up» habitater for innfødte og truede arter. Hvis du noen gang har kjørt På Interstate 80 causeway bridge mellom Davis og Sacramento, har du sett en storstilt flomfelt i aksjon: Yolo Bypass. Selv om dette eksemplet hovedsakelig brukes til å redusere flomrisiko (i stedet for å lade opp akviferer), er det aktivt pågående samtaler om hvordan vellykkede eksisterende prosjekter, Som Yolo Bypass, kan tjene som en modell for fremtidige klimatilpasningstiltak i et varmere, mer variabelt California.

Hvor mye vil flomrisikoen øke på grunn av disse varmere, våtere stormer? Stay tuned-vi har videre arbeid for tiden i gjennomgang (som i skrivende stund) på nettopp det emnet. Og vi er for tiden fatt på ny, storstilt ekstrem storm beredskap øvelse For California-ArkStorm 2.0. Dette statewide forsøke – som bruker den store ensemble nedskalering tilnærming beskrevet I Huang et al. 2020 for å utvikle fysisk plausible atmosfæriske elv stormsekvenser-vil lansere senere i år—og vil involvere mange av de samme folkene som var involvert i de opprinnelige «ARkStorm» og «ShakeOut» øvelsene. Mye har endret seg i atmosfæriske og klimavitenskapelige samfunn i løpet av det siste tiåret, men vi føler at det er kritisk viktig å gi en oppdatering som er i samsvar med vitenskapens utviklende tilstand (og verdens tilstand). Mange detaljer er fortsatt å bli bestemt, men følg med for mer i månedene som kommer!

hvordan er denne artikkelen forskjellig fra typiske Weather West blogginnlegg?

denne spesielle Weather West-artikkelen fokuserer på peer-reviewed vitenskapelig forskning av mine kolleger og meg som nylig har blitt publisert I Science Advances, og diskuterer også peer-reviewed arbeid av andre forskere. Dette betyr at innholdet i dette stykket er basert på funn fra formelle vitenskapelige undersøkelser av forskerteam, som står i kontrast til mer typiske Weather West-innlegg som hovedsakelig er basert på mine egne uformelle tanker og analyser. Jeg vil gjerne takke Mine medforfattere I dette arbeidet—Xingying Huang Og Alex Hall—For deres vedvarende innsats for å fullføre dette prosjektet. (Dette arbeidet utviklet seg over flere år fra sin første konseptualisering til endelig publisering. Finansiering for mitt bidrag til denne forskningen ble gitt gjennom et partnerskap MELLOM UCLAS Institutt For Miljø og Bærekraft, Kapasitetssenteret For Klima Og Vær Ekstremer Ved Nasjonalt Senter for Atmosfærisk Forskning og Nature Conservancy Of California.

en helt åpen tilgang versjon av papiret (fritt tilgjengelig for alle!) kan sees her.den web-delbare infografikken som illustrerer viktige punkter fra vårt ekstreme atmosfæriske elvearbeid som finnes i begynnelsen av dette blogginnlegget, kan gjengis for ethvert formål med riktig attribusjon. Jeg vil gjerne takke science communicator Katharine Reich Og grafisk designer Rebecca Hume for å gjøre dette mulig!I Tillegg til Å være en del av det norske samfunnet, er Det En del av Det norske samfunnet. Stor ensemble nedskalering av ekstreme atmosfæriske elvestormer i California avslører stor økning i finskala nedbør, Vitenskap Fremskritt, doi: 10.1126 / sciadv.aba1323.