Extreme atmosferische rivieren: hoe zullen de sterkste stormen van Californië eruit zien in een opwarmend klimaat?

Opmerking: Dit Special Weather West artikel richt zich op Nieuw peer-reviewed wetenschappelijk onderzoek, geleid door Xingying Huang, dat mijn collega ‘ s en ik onlangs gepubliceerd in Science Advances.

Atmosferische rivieren in een Klimaatcontext

Atmosferische rivieren (Ars)—lange, bochtige corridors van waterdamp in beweging in de onderste helft van de atmosfeer van de aarde—zijn een belangrijk aspect van het klimaat in Californië. ARs zijn in veel gevallen vrij onopvallend als ze boven de open oceaan zijn, zichtbaar op Satelliet als een smal lint van bewolking en (meestal) lichte neerslag. Maar wanneer deze vochtpluimen zich hechten aan winterse lagedruksystemen en aan land komen langs de Californische kust, kunnen de gevolgen dramatisch zijn—langdurige zware regen en bergsneeuw resulteren vaak, samen met soms krachtige wind. AR-gerelateerde neerslag is sterk orografisch, wat betekent dat het sterk wordt gemoduleerd door lokale topografie. Als gevolg hiervan komen de meest dramatische ar-gerelateerde neerslagtotalen meestal voor op de windwaartse (Zuid-en westgerichte) hellingen van de Californische kust-en binnenlandse bergketens. Neerslag accumulaties in dergelijke regio ‘ s tijdens de meest extreme ar gebeurtenissen zijn vergelijkbaar met die langs de Golfkust of oostkust tijdens landfalling orkaan gebeurtenissen—en worden af en toe gemeten in voeten, in plaats van inches. Als zodanig, ARs kan ofwel zegen of een vloek, afhankelijk van context en antecedent voorwaarden: ze zijn verantwoordelijk voor tot 50% van de totale watervoorziening in Californië, maar ook voor het overgrote deel van het overstromingsrisico in de regio.

de benadering met grote ensembles: het genereren van meerdere plausibele geschiedenissen en toekomsten

aangezien ARs zo ‘ n fundamenteel aspect zijn van het historische klimaat van Californië, is het van cruciaal belang om te begrijpen hoe dergelijke gebeurtenissen veranderen in een opwarmende wereld. Bestaand onderzoek naar klimaatverandering en ARs heeft eerder gesuggereerd dat de sterkste gebeurtenissen in sommige regio ‘ s aanzienlijk kunnen intensiveren. Maar bijna al deze studies tot nu toe zijn uitsluitend gebaseerd op globale klimaatmodellen—die uitstekende instrumenten zijn om te begrijpen hoe mondiaal en regionaal klimaat verandert in een bredere zin, maar zijn vaak niet korrelig genoeg om veranderingen in kleinschalige fenomenen zoals ARs te beoordelen. In de studie die ik in deze blogpost beschrijf, hebben mijn collega ‘ s en ik geprobeerd om deze uitdaging op te lossen door gebruik te maken van een atmosferisch model met hoge resolutie (het Weeronderzoek en voorspellings Model, of WRF-vaak gebruikt in het maken van dagelijkse weersvoorspellingen) om de “stormen van de toekomst” in grote ruimtelijke en temporele details te simuleren. Dit doen we door de eerste grootschalige atmosferische omstandigheden te putten uit traditionele klimaatmodellen met grove resolutie en deze aan het weermodel te leveren. Op deze manier zijn we in staat om systematisch individuele extreme ar storm gebeurtenissen uit deze uitgebreide klimaat model simulaties en simuleren ze met behulp van een tool die veel beter vertegenwoordigt de kleinschalige variaties topografische eigenaardigheden die het klimaat in Californië karakteriseren. We richten ons vooral op extreme ARs die grote inslagen hebben in de Sierra Nevada, dus de studie is voornamelijk gecentreerd in Centraal-en Noord-Californië.

belangrijk is dat we met deze benadering ook rekening houden met meerdere “plausibele verleden’ s en plausibele futures.”Het klimaatmodel maakt deel uit van een groot ensemble van simulaties, wat betekent dat de simulaties 40 keer herhaald worden voor het historische verleden en 40 keer voor een warmere toekomst. Dit stelt ons in staat om een breder scala van mogelijke stormsequenties vast te leggen in zowel het huidige tijdperk als de toekomstige klimaatomstandigheden, aangezien we in wezen een record hebben gemaakt van vele tientallen synthetische maar fysiek plausibele extreme stormen gedurende elke periode. Dit betekent dat we een grote steekproefgrootte hebben om verschillen in stormeigenschappen tussen deze twee perioden te vergelijken, die veel groter is (met een factor 40!) dan zou beschikbaar zijn door alleen naar de historische gegevens te kijken.

Het is vermeldenswaard dat het toekomstige klimaatscenario dat we in dit werk gebruiken, gekenmerkt wordt door een voortdurende toename van de uitstoot van broeikasgassen gedurende het grootste deel van de 21e eeuw (RCP8.5, for the climate wonks out there)—een traject dat (hopelijk) slechter is dan we in de komende decennia daadwerkelijk zullen nemen. Toch zullen de meeste effecten die we in dit werk overwegen, zelfs op lagere emissietrajecten ontstaan—maar langzamer en in mindere mate, volledig afhankelijk van ons uiteindelijke succes bij het beperken en uiteindelijk brengen tot nul netto wereldwijde koolstofemissies.

sterkere, nattere atmosferische rivieren naarmate het klimaat opwarmt

we melden aanzienlijke (20-30%) stijgingen van AR-geassocieerd geïntegreerd waterdamptransport, IVT. (IVT is een geaggregeerde maat voor de AR-sterkte die rekening houdt met zowel het niveau van atmosferische waterdamp als de sterkte van transportwinden). Het is belangrijk om in gedachten te houden dat we gebeurtenissen beoordelen die vrij zeldzaam en extreem zijn—en het is interessant om op te merken dat het samengestelde IVT-patroon voor zowel het huidige tijdperk als toekomstige extreme ARs veel lijkt op de canonieke “Pineapple Express” subset van ARs. Dat suggereert dat de grootste plausibele AR-stormen in Californië waarschijnlijk gebeurtenissen zijn met een diepe subtropische vochttap, die samenvalt met een relatief versterkt meridionaal stromingspatroon over de noordelijke Stille Oceaan met een sterke stroomopwaartse blokkerende bergkam over de Beringzee en een diep lagedrukcentrum net ten noordwesten van Californië.

we vinden een aanzienlijke toename van de hoeveelheid neerslag die valt tijdens extreme ARs in een warmer klimaat zowat overal waar we kijken—maar de grootste relatieve veranderingen zijn niet altijd waar je zou verwachten. Deze stijgingen variëren van 15-30% op de orografisch favoriete westelijke hellingen van de Sierra Nevada en de coastal mountains, 25-40% in de vlakke en regenschaduw gebieden van de Central Valley en kleinere kustvalleien, en lokaal 50% of meer in de sterk regenschaduwde lee side valleien in het Verre Oosten van Californië en West Nevada. (Absolute stijgingen zijn natuurlijk nog groter in de orografisch begunstigde gebieden). Dit ruimtelijke patroon van extreme toename van AR-neerslag suggereert dat gebeurtenissen iets minder sterk orografisch van aard kunnen worden-wat betekent dat andere fysische processen dan eenvoudige orografische opleving belangrijker kunnen worden in een warmere toekomst. Dit voorspelt potentieel buitenmaatse toenames in neerslag op plaatsen die historisch niet gewend zijn aan het zien van grote hoeveelheden ar-geassocieerde neerslag.

opvallend grote stijgingen in de meest intense neergang per uur

een van de voordelen van het gebruik van een weermodel met hoge resolutie in dit onderzoek is dat we ar-kenmerken kunnen beschouwen bij hoge ruimtelijke en temporele granulariteit. Toen we dat deden, vonden we iets heel opvallends: de toename van de meest intense neerslag per uur tijdens extreme AR gebeurtenissen neemt toe met een aanzienlijk grotere toename en op een ruimtelijk meer uniforme manier dan event-totale neerslag–30-50% zowat overal. Dit betekent dat de meest intense stortbuien tijdens extreme AR stormen aanzienlijk intenser zullen worden, ongeacht of je op een zuidwestelijke berghelling of in de Centrale Vallei bent. De ruimtelijke uniformiteit van deze maximale neerslagstijging per uur wijst er sterk op dat ook dit niet wordt gedreven door orografische processen. Wat kan het in plaats daarvan zijn? Hoewel we de mechanismen in dit artikel niet direct diagnosticeren, kan het zo zijn dat toekomstige extreme AR ‘ s in een warmere wereld een beetje meer convectief onstabiel zijn dan wat we historisch gezien gewend zijn. Het verticale stabiliteitsprofiel van contemporary is meestal “vochtig-neutraal” (voor de meteorologen die er zijn), wat betekent dat een luchtpakket zal stijgen zonder weerstand als actief opgeheven (door orografische interactie, of frontale forcering), maar zal niet spontaan stijgen als gevolg van zijn inherente drijfvermogen (zoals kan gebeuren tijdens een zomer onweer, bijvoorbeeld). Aangezien de atmosfeer op een lager niveau tijdens toekomstige extreme ARs veel warmer en vochtig zal zijn, is het mogelijk dat deze veranderingen op een lager niveau groter zijn dan die welke hoger in de atmosferische kolom voorkomen—wat leidt tot sterkere vochtige convectieve instabiliteit. Nu, dit laatste deel is geïnformeerde speculatie van mijn kant, maar het is iets wat we zeker van plan om een kijkje te nemen in de toekomst werk.

Wat gebeurt hier? Het is (meestal) neer op thermodynamica. het overgrote deel van deze voorspelde toename van de neerslag—ongeveer 85%–is het gevolg van het simpele feit dat de waterdampcapaciteit van de atmosfeer snel toeneemt (exponentieel in feite) bij stijgende atmosferische temperaturen. Hoewel dit niet betekent dat de luchtvochtigheid altijd hoger zal zijn in een opwarmende wereld, betekent het wel dat wanneer de omstandigheden dicht bij verzadiging zijn—zoals bijna altijd gebeurt in AR—omgevingen-dit verhoogde waterdamphoudpotentieel zal worden gerealiseerd. Hierdoor is de warmere atmosfeer zelf direct verantwoordelijk voor een groot deel van de toename van het waterdamptransport en de daaropvolgende neerslag tijdens extreme AR-gebeurtenissen in een opwarmend klimaat.

de andere ~15% van deze toename is het gevolg van bescheiden geprojecteerde stijgingen van de sterkte van de westenwind (in de middelste atmosfeer, rond het niveau van de low-level jet) tijdens extreme ar gebeurtenissen. Deze extra bijdrage door toekomstige windverschuivingen is eigenlijk het meest uitgesproken in Centraal-en Zuid-Californië, in plaats van in het noorden. Dit stukje van de puzzel blijft een beetje onzekerder dan de thermodynamisch-bijdragende vochtverhoging, omdat verschillende klimaatmodellen het niet uniform eens zijn over de vraag of deze westenwind zal toenemen. Maar aangezien de thermodynamische vochtverhoging het directe resultaat is van een fundamenteel en goed begrepen fysisch proces, zijn alle klimaatmodellen het daar wel over eens-wat ons zeer veel vertrouwen geeft dat ~85% van de initieel beroepsonderwijs en neerslagverhoging in een veel warmer toekomstig klimaat daadwerkelijk tot bloei zou komen.

twee andere bevindingen zijn interessant vanuit een thermodynamisch perspectief. Ten eerste, onze simulaties suggereren dat de toename van de neerslag tijdens toekomstige extreme ARs de nog grotere toename van IVT tijdens dergelijke gebeurtenissen zal vertragen. Met andere woorden: terwijl zowel de precipitatie als de IVT aanzienlijk toenemen, neemt de precipitatie-efficiëntie (d.w.z. neerslag per eenheid IVT) eigenlijk af in een opwarmend klimaat. Dit betekent dat de toename van de neerslag misschien niet zo groot is als je zou verwachten als je de historische relaties tussen neerslag en IVT extrapoleert. Opvallend is echter dat deze daling van de neerslagefficiëntie meestal beperkt is tot de Bovenwindse hellingen en orografisch begunstigde regio ‘ s, en veel minder prominent is in de Central Valley en lee side valleys.

ten tweede vinden we dat toekomstige Californische AR ‘ s veel warmer zullen zijn dan die welke historisch plaatsvonden. Hoewel dat op zich geen enorm verrassende bevinding is, intrigerender is het feit dat extreme AR ‘ s eigenlijk minder warm zijn dan achtergrondklimaatcondities (dat wil zeggen dat de opwarming tijdens niet-AR periodes sterker is dan tijdens AR gebeurtenissen). Ons recente werk heeft aangetoond dat hedendaagse ARs al aanzienlijk opwarmen in Californië, hoewel op minder dan de achtergrond opwarmingssnelheid (Gonzales et al. 2019) – Het suggereren van consistentie tussen recente waarnemingen en toekomstige modelprojecties in dat opzicht. Toch: de 3-5 + F voorspelde opwarming tijdens deze extreme ARs zou meer dan genoeg zijn om de regen/sneeuwbalans op hogere hoogtes fundamenteel te veranderen-wat betekent dat de overgrote meerderheid van de neerslag tijdens toekomstige ARs zou kunnen vallen als vloeibare regen (in plaats van sneeuw), zelfs op vrij hoge hoogtes.

wat betekent dit allemaal voor overstromings – en waterbeheer in Californië?

ons nieuwe werk voegt toe aan een groeiende hoeveelheid onderzoek dat suggereert dat Californië warmere, nattere stormen zal ondergaan in een opwarmend klimaat. De resulterende toename van extreme neerslag, en in de fractie van neerslag vallen als regen in plaats van sneeuw op hogere hoogtes, zal waarschijnlijk optreden, zelfs bij afwezigheid van grote veranderingen in de algemene gemiddelde neerslag. Inderdaad, in werk gepubliceerd in 2018 (en in detail besproken in een vorige blog post), vonden we dat relatief bescheiden geprojecteerde trends in regionale gemiddelde neerslag maskeren veel een veel meer dramatische toename van “neerslag whiplash” tussen toenemende natte en droge extremen. Bovendien zorgen de opwarming van de temperatuur al voor een toename van de hydrologische droogteomstandigheden als gevolg van de toegenomen verdamping in zowel Californië als in het Amerikaanse Westen—wat de bestaande uitdagingen op het gebied van waterbeheer en ecosysteemstress verder versterkt.

De combinatie van “natter wet” en “droger dry” omstandigheden bovenop opwarmende temperaturen levert speciale uitdagingen op in Californië. Opwarming van de temperatuur verhoogt nu al de vraag naar water, zowel voor menselijk gebruik als voor natuurlijke ecosystemen, terwijl opwarming de beschikbare hoeveelheid water vermindert—en op de lange termijn de schaarste vergroot. De moderne waterinfrastructuur van Californië is sterk gebaseerd op het bestaan van een “time release” snowpack in de Sierra Nevada, die historisch voorzag in geleidelijke aanvulling van oppervlaktewateropslag in reservoirs gedurende een groot deel van het droge seizoen. Met de opwarming, de hoeveelheid en de betrouwbaarheid van het water afkomstig uit deze hoge hoogte “snowpack reservoir” zal afnemen—het verminderen van de watervoorziening. Aan de andere kant zal de combinatie van een toenemend neerslagvolume en intensiteit in het algemeen, plus een veel hogere verhouding regen / sneeuw in de bergen, waarschijnlijk leiden tot een grote toename van het afvloeien van stormen en een aanzienlijke toename van het overstromingsrisico in de meeste stroomgebieden. Dit kan het paradoxale effect hebben van een toename van het overstromingsrisico op korte termijn, maar ook van de waterschaarste op lange termijn, omdat grotere marges voor veiligheid en overstromingsbeheersing bij Dammen moeten worden gehandhaafd-waardoor minder opslagcapaciteit in het natte seizoen achter deze structuren mogelijk is. Van bijzonder belang is de bijzonder grote toename van kortdurende stortbuien binnen toch al extreme AR-gebeurtenissen in een opwarmend klimaat. Hogere neerslagpercentages per uur zouden bij voorkeur het risico op overstroming en afvalstromen in kwetsbare gebieden verhogen, naast de risico ‘ s voor grotere stroomgebieden als gevolg van de toegenomen totale neerslag.

een potentieel veelbelovende aanpak om deze concurrerende risico ‘ s te beperken is in wezen het ene tegen het andere uit te spelen. Met andere woorden: het kan mogelijk zijn om droogte te bestrijden met overstromingen, en vice versa. Hoe kan dit werken? Wel, California ‘ s Department of Water Resources (en andere publieke & private organisaties) onderzoeken al nieuwe paradigma ‘ s, waaronder “flood-managed aquifer recharge” (FloodMAR). Het basisidee is om grote pulsen van water uit grote stormen te nemen en het te laten verspreiden over vooraf bepaalde, strategisch gelegen uiterwaarden. In sommige gevallen kan dit zowel het overstromingsrisico voor stedelijke gebieden verminderen (door de druk van dammen en dijken te verminderen) als het risico op toekomstige waterschaarste verminderen (door toe te staan dat een deel van het water dat vrijkomt uit oppervlaktewaterreservoirs/dammen wordt opgeslagen in ondergrondse aquifers, die beschikbaar zijn voor later gebruik). Gemakshalve dienen deze periodiek overstroomde uiterwaarden vaak als “pop – up” habitats voor inheemse en bedreigde soorten. Als je ooit hebt gereden op de Interstate 80 causeway bridge tussen Davis en Sacramento, heb je een grootschalige beheerde overstromingsvlakte in actie gezien: de Yolo Bypass. Terwijl dit specifieke voorbeeld vooral wordt gebruikt om het overstromingsrisico te verminderen (in plaats van watervoerende lagen op te laden), zijn er actief gesprekken gaande over hoe succesvolle bestaande projecten, zoals de Yolo Bypass, als model zouden kunnen dienen voor toekomstige klimaatadaptatiemaatregelen in een warmer, variabeler Californië.

hoeveel zal het overstromingsrisico toenemen als gevolg van deze warmere, nattere stormen? Stay tuned-we hebben verder werk momenteel in bespreking (vanaf dit schrijven) over precies dat onderwerp. En we beginnen op dit moment aan een nieuwe, grootschalige Extreme Storm rampenoefening voor Californië-ArkStorm 2.0. Deze staatsbreed streven-die gebruik maakt van de grote ensemble downscaling aanpak beschreven in Huang et al. 2020 om fysiek plausibele atmosferische river storm sequenties te ontwikkelen-zal later dit jaar worden gelanceerd, en zal veel van dezelfde mensen betrekken die betrokken waren bij de originele” ARkStorm “en” ShakeOut ” oefeningen. Er is echter veel veranderd in de atmosferische en klimaatwetenschappelijke gemeenschappen in de afgelopen tien jaar, dus we vinden het van cruciaal belang om een update te leveren die consistent is met de evoluerende staat van de wetenschap (en de staat van de wereld). Veel details moeten nog worden bepaald, maar blijf op de hoogte voor meer in de komende maanden!

hoe verschilt dit artikel van typische Weather West blog posts?

dit speciale Weather West-artikel richt zich op peer-reviewed wetenschappelijk onderzoek door mijn collega ‘ s en mij dat onlangs is gepubliceerd in Science Advances, en bespreekt ook peer-reviewed werk van andere wetenschappers. Dit betekent dat de inhoud van dit stuk is gebaseerd op bevindingen van formele wetenschappelijke onderzoeken door teams van onderzoekers, wat contrasteert met meer typische Weather West posts die voornamelijk gebaseerd zijn op mijn eigen informele gedachten en analyse. Ik wil mijn coauteurs in dit werk-Xingying Huang en Alex Hall—bedanken voor hun aanhoudende inspanningen om dit project te voltooien. (Dit werk evolueerde in de loop van een aantal jaren van de eerste conceptualisatie tot de uiteindelijke publicatie.) Financiering voor mijn bijdrage aan dit onderzoek werd verstrekt door een partnerschap tussen UCLA ‘ s Institute of the Environment and Sustainability, het Capacity Center for Climate and Weather Extremes bij het National Center for Atmospheric Research, en de Nature Conservancy of California.

een volledig open-access versie van het papier (vrij toegankelijk voor iedereen!) kunt u hier bekijken.

de infographic die op het web kan worden gedeeld en die de belangrijkste punten van ons extreme atmospheric river-werk aan het begin van deze blogpost illustreert, kan worden gereproduceerd voor elk doel met de juiste attributie. Ik wil wetenschapscommunicator Katharine Reich en grafisch ontwerper Rebecca Hume bedanken voor het mogelijk maken van dit!

Citation: Huang, X., Swain, D. L., and A. Hall. Grote ensemble downscaling van extreme atmosferische rivierstormen in Californië onthult grote toename van fijn-schaal neerslag, Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.aba1323.