Ekstremalne rzeki atmosferyczne: jak będą wyglądały najsilniejsze burze w Kalifornii w ocieplającym się klimacie?

Uwaga: Ten specjalny artykuł Weather West koncentruje się na nowych recenzowanych badaniach naukowych, prowadzonych przez Xingying Huang, które ostatnio opublikowaliśmy wraz z kolegami w Science Advances.

rzeki atmosferyczne w kontekście klimatu Kalifornijskiego

rzeki atmosferyczne (ARS)—długie, kręte korytarze pary wodnej w ruchu w dolnej połowie ziemskiej atmosfery—są kluczowym aspektem klimatu Kalifornii w sezonie chłodnym. ARs są w wielu przypadkach dość nijakie, gdy są na otwartym oceanie, widoczne na satelicie jako wąska Wstęga zachmurzenia i (zwykle) lekkie opady. Ale kiedy te smugi wilgoci przyczepiają się do zimowych systemów niskiego ciśnienia i lądują wzdłuż wybrzeża Kalifornii, konsekwencje mogą być dramatyczne—często powodują długotrwałe ulewy i górski śnieg, a czasem silne wiatry. Opady związane z AR są silnie orograficzne, co oznacza, że są silnie modulowane przez lokalną topografię. W rezultacie najbardziej dramatyczne sumy opadów związane z AR występują zwykle na Zawietrznych (południowych i zachodnich) zboczach przybrzeżnych i śródlądowych pasm górskich Kalifornii. Nagromadzenia opadów w takich regionach podczas najbardziej ekstremalnych zdarzeń AR są porównywalne z tymi otrzymywanymi wzdłuż wybrzeża Zatoki Perskiej lub wschodniego wybrzeża podczas huraganów-i czasami są mierzone w stopach, a nie calach. Jako takie, ARs może być albo błogosławieństwem lub przekleństwem, w zależności od kontekstu i warunków poprzedzających: są one odpowiedzialne za do 50% całkowitego zaopatrzenia Kalifornii w wodę, ale także za zdecydowaną większość zagrożenia powodziowego w regionie.

podejście do dużego zespołu: generowanie wielu wiarygodnych przeszłości i przyszłości

ponieważ ARs są tak podstawowym aspektem historycznego klimatu Kalifornii, niezwykle ważne jest zrozumienie, jak takie Wydarzenia zmieniają się w ocieplającym się świecie. Istniejące badania dotyczące zmian klimatu i ARs sugerowały wcześniej, że najsilniejsze wydarzenia mogą się znacznie nasilić w niektórych regionach. Ale prawie wszystkie takie badania do tej pory opierały się wyłącznie na globalnych modelach klimatycznych – które są doskonałymi narzędziami do zrozumienia, jak globalny i regionalny klimat zmienia się w szerszym znaczeniu, ale często nie są wystarczająco ziarniste, aby ocenić zmiany w zjawiskach o drobnej skali, takich jak ARs. W badaniu, które opisuję w tym poście na blogu, moi koledzy i ja próbowaliśmy rozwiązać to wyzwanie, wykorzystując model atmosferyczny o wysokiej rozdzielczości (Model badań i prognozowania pogody lub WRF—powszechnie stosowany w codziennych prognozach pogody), aby symulować „burze przyszłości” w wielkich szczegółach przestrzennych i czasowych. Robimy to, rysując początkowe Warunki Atmosferyczne na dużą skalę z tradycyjnych symulacji modelu klimatu o grubej rozdzielczości i dostarczając je do modelu pogody. W ten sposób jesteśmy w stanie systematycznie wybierać poszczególne ekstremalne zdarzenia burzowe AR z tych rozległych symulacji modelu klimatu i symulować je za pomocą narzędzia, które znacznie lepiej reprezentuje małe wariacje topograficzne, które charakteryzują klimat Kalifornii. Skupiamy się głównie na ekstremalnych ARs, które mają duży wpływ w Sierra Nevada, więc badanie koncentruje się głównie w środkowej i północnej Kalifornii.

co ważne, takie podejście pozwala nam również rozważyć wiele „prawdopodobnych przeszłości i prawdopodobnych kontraktów terminowych.”Model klimatu jest częścią dużego zespołu symulacji, co oznacza, że symulacje są powtarzane 40 razy dla przeszłości historycznej i 40 razy dla cieplejszej przyszłości. Pozwala nam to uchwycić Szerszy zakres możliwych sekwencji burz zarówno w obecnych, jak i przyszłych warunkach klimatycznych – ponieważ zasadniczo stworzyliśmy zapis wielu dziesiątek syntetycznych, ale fizycznie wiarygodnych ekstremalnych burz w każdym okresie. Oznacza to, że mamy dużą próbkę, aby porównać różnice w charakterystyce burzy między tymi dwoma okresami, która jest znacznie większa (o współczynnik 40!), niż byłoby dostępne, patrząc tylko na zapis historyczny.

warto zauważyć, że przyszły scenariusz klimatyczny, którego używamy w tej pracy, charakteryzuje się ciągłym wzrostem emisji gazów cieplarnianych przez większość XXI wieku (RCP8. 5, ponieważ klimat tam zawodzi)-trajektoria, która jest (miejmy nadzieję) gorsza niż w nadchodzących dziesięcioleciach. Mimo to większość skutków, które rozważamy w tej pracy, pojawi się nawet na niższych trajektoriach emisji-ale wolniej i w mniejszym stopniu, w zależności całkowicie od naszego ostatecznego sukcesu w ograniczaniu i ostatecznie doprowadzeniu do zera globalnej emisji dwutlenku węgla netto.

silniejsze, bardziej wilgotne rzeki atmosferyczne wraz z ociepleniem klimatu

zgłaszamy znaczny (20-30%) wzrost zintegrowanego transportu pary wodnej związanego z AR, IVT. (IVT jest zbiorczą miarą siły AR, która bierze pod uwagę zarówno poziom atmosferycznej pary wodnej, jak i siłę wiatrów na poziomie transportowym). Ważne jest, aby pamiętać, że oceniamy zdarzenia, które są dość rzadkie i ekstremalne—i warto zauważyć, że złożony wzór IVT zarówno dla obecnej ery, jak i przyszłej ekstremalnej ARs wygląda bardzo podobnie do kanonicznego podzbioru „Pineapple Express” ARS. Sugeruje to, że największe prawdopodobne burze AR w Kalifornii mogą być wydarzeniami z głębokim podzwrotnikowym kurkiem wilgoci, zbiegającymi się ze stosunkowo wzmocnionym wzorem przepływu południkowego nad północnym Pacyfikiem z silnym grzbietem blokującym górę nad Morzem Beringa i głębokim centrum niskiego ciśnienia na północny zachód od Kalifornii.

zauważamy znaczny wzrost ilości opadów, które spadają podczas ekstremalnych ARs w cieplejszym klimacie prawie wszędzie, gdzie spojrzymy—ale największe względne zmiany nie zawsze są tam, gdzie można się spodziewać. Wzrost ten waha się od 15-30% na orograficznie preferowanych zachodnich zboczach Sierra Nevada i gór przybrzeżnych, 25-40% na płaskowyżach i obszarach ocienionych deszczowo w Dolinie Środkowej i mniejszych dolinach przybrzeżnych, a lokalnie 50% lub więcej w silnie zacienionych deszczowo dolinach bocznych lee w dalekiej wschodniej Kalifornii i zachodniej Nevadzie. (Bezwzględne wzrosty, oczywiście, są jeszcze większe w obszarach orograficznie uprzywilejowanych). Ten przestrzenny wzór ekstremalnego wzrostu opadów AR sugeruje, że wydarzenia mogą stać się nieco mniej silnie orograficzne w przyrodzie—co oznacza, że procesy fizyczne inne niż proste orograficzne uplift może stać się ważniejsze w cieplejszej przyszłości. Oznacza to potencjalnie ponadwymiarowy wzrost opadów w miejscach, które historycznie nie są przyzwyczajone do dużych ilości opadów związanych z AR.

uderzająco duży wzrost najbardziej intensywnych godzinowych ulew

jedną z zalet zastosowania modelu pogody o wysokiej rozdzielczości w tym badaniu jest to, że możemy rozważyć charakterystykę AR przy wysokiej ziarnistości przestrzennej i czasowej. Kiedy to zrobiliśmy, odkryliśmy coś dość uderzającego: wzrost najbardziej intensywnych godzinowych opadów podczas ekstremalnych zdarzeń AR zwiększa się o znacznie większy przyrost i w bardziej równomierny przestrzennie sposób niż Zdarzenie-całkowite opady-30-50% prawie wszędzie. Oznacza to, że najbardziej intensywne ulewy podczas ekstremalnych burz AR staną się znacznie bardziej intensywne, niezależnie od tego, czy jesteś na południowo-zachodnim zboczu góry, czy w centralnej Dolinie. Jednorodność przestrzenna tego godzinnego maksymalnego wzrostu opadów zdecydowanie sugeruje, że nie jest to spowodowane procesami orograficznymi. Co to może być zamiast tego? Chociaż nie diagnozujemy bezpośrednio mechanizmów w tym artykule, może być tak, że przyszłe Ekstremalne ARs w cieplejszym świecie są nieco bardziej niestabilne konwekcyjnie niż to, do czego byliśmy przyzwyczajeni historycznie. Pionowy profil stabilności Współczesnej jest zwykle „wilgotny-neutralny” (dla meteorologów tam), co oznacza, że paczka powietrza wzrośnie bez oporu, jeśli jest aktywnie podnoszona (przez interakcję orograficzną lub wymuszanie czołowe), ale nie wzrośnie spontanicznie ze względu na nieodłączną pływalność (jak może wystąpić podczas letniej burzy, na przykład). Ponieważ atmosfera niższego poziomu podczas przyszłych ekstremalnych ARs będzie znacznie cieplejsza i bardziej wilgotna, możliwe jest, że te niższe zmiany poziomu przewyższają te występujące wyżej w kolumnie atmosferycznej—co prowadzi do silniejszej wilgotnej niestabilności konwekcyjnej. Ten ostatni fragment to spekulacje z mojej strony, ale zdecydowanie planujemy przyjrzeć się temu bliżej w przyszłych pracach.

co tu się dzieje? Chodzi (głównie) o termodynamikę.

zdecydowana większość przewidywanych wzrostów opadów—około 85%–wynika z prostego faktu, że zdolność zatrzymywania pary wodnej w atmosferze gwałtownie wzrasta (wykładniczo) wraz ze wzrostem temperatury atmosfery. Chociaż nie oznacza to, że wilgotność atmosferyczna zawsze będzie wyższa w ocieplającym się świecie, oznacza to, że gdy warunki są bliskie nasycenia—jak prawie zawsze występuje w środowiskach AR—ten zwiększony potencjał zatrzymywania pary wodnej zostanie zrealizowany. W rezultacie sama cieplejsza atmosfera jest bezpośrednio odpowiedzialna za większość wzrostu transportu pary wodnej, a następnie opadów, podczas ekstremalnych zdarzeń AR w ocieplającym się klimacie.

pozostałe ~15% tego wzrostu wynika ze skromnego prognozowanego wzrostu siły wiatrów zachodnich (w środkowej atmosferze, wokół poziomu odrzutowca niskiego poziomu) podczas ekstremalnych zdarzeń AR. Ten dodatkowy wkład przyszłych zmian wiatru jest najbardziej widoczny w środkowej i południowej Kalifornii, a nie na północy. Ta część układanki pozostaje nieco bardziej niepewna niż wzrost wilgotności spowodowany termodynamicznie, ponieważ różne modele klimatyczne nie zgadzają się jednolicie co do tego, czy te wiatry zachodnie będą rosły. Ale ponieważ termodynamiczny wzrost wilgoci jest bezpośrednim wynikiem fundamentalnego i dobrze zrozumiałego procesu fizycznego, wszystkie modele klimatyczne zgadzają się co do tej części-dając nam bardzo dużą pewność, że ~85% IVT i wzrostu opadów, o których informujemy, faktycznie dojdzie do skutku w znacznie cieplejszym przyszłym klimacie.

dwa inne odkrycia są interesujące z punktu widzenia termodynamiki. Po pierwsze, nasze symulacje sugerują, że wzrost opadów podczas przyszłych ekstremalnych ARs będzie opóźniać jeszcze większy wzrost IVT podczas takich wydarzeń. Innymi słowy: podczas gdy zarówno opady, jak i IVT znacznie rosną, wydajność opadów (tj. opadów na jednostkę IVT) faktycznie zmniejsza się w ocieplającym się klimacie. Oznacza to, że wzrost opadów może nie być tak duży, jak można się spodziewać, jeśli ekstrapoluje historyczne relacje między opadami a IVT. Co zaskakujące, ten spadek wydajności opadów ogranicza się głównie do nawietrznych stoków i regionów preferowanych orograficznie i jest znacznie mniej widoczny w Dolinie Środkowej i dolinach bocznych lee.

Po Drugie, stwierdzamy, że przyszłe kalifornijskie ARs będą znacznie cieplejsze niż te, które miały miejsce historycznie. Chociaż to samo w sobie nie jest niezwykle zaskakującym odkryciem, bardziej intrygujący jest fakt, że ekstremalne ARs faktycznie ciepłe mniej niż warunki klimatyczne tła (tj. ocieplenie podczas okresów nie-AR jest silniejsze niż podczas wydarzeń AR). Nasze ostatnie prace wykazały, że współczesne ARs są już znacznie ocieplenie w Kalifornii, choć na mniej niż tempo ocieplenia tła(Gonzales et al. 2019) – sugerując spójność ostatnich obserwacji i przyszłych prognoz modelu w tym zakresie. Niemniej jednak: 3-5 + f prognozowane ocieplenie podczas tych ekstremalnych ARs byłoby więcej niż wystarczająco, aby zasadniczo zmienić bilans deszcz / śnieg na wyższych wysokościach-co oznacza, że zdecydowana większość opadów podczas przyszłych ARs może spaść jako płynny deszcz (zamiast śniegu) nawet na dość wysokich wysokościach.

Co to wszystko oznacza dla gospodarki powodziowej i wodnej w Kalifornii?

nasza nowa praca dodaje do rosnącej liczby badań sugerujących, że Kalifornia będzie miała cieplejsze, bardziej wilgotne burze w ocieplającym się klimacie. Wynikający z tego wzrost ekstremalnych opadów i frakcji opadów spadających jako deszcz, a nie śnieg na wyższych wysokościach, prawdopodobnie wystąpi nawet przy braku dużych zmian w ogólnych średnich opadach. Rzeczywiście, w pracy opublikowanej w 2018 r. (i omówionej szczegółowo w poprzednim poście na blogu) odkryliśmy, że stosunkowo skromne przewidywane trendy w regionalnych średnich opadach maska znacznie znacznie bardziej dramatyczny wzrost „opadu whiplash” między rosnącymi skrajnościami mokrymi i suchymi. Ponadto, ocieplenie temperatury już teraz prowadzi do wzrostu warunków hydrologicznych suszy z powodu zwiększonego parowania zarówno w Kalifornii, jak i na zachodzie Ameryki, co jeszcze bardziej wzmacnia istniejące wyzwania związane z gospodarką wodną i stresy ekosystemowe.

połączenie warunków „wetter wet” I „dryer dry” nałożonych na ocieplenie temperatury stwarza szczególne wyzwania w Kalifornii. Ocieplenie temperatury już teraz zwiększa zapotrzebowanie na wodę zarówno do użytku przez ludzi, jak i przez naturalne ekosystemy, jednocześnie ocieplenie zmniejsza ilość dostępnej wody-zwiększając jej niedobór w dłuższej perspektywie. Nowoczesna infrastruktura wodna Kalifornii jest silnie oparta na istnieniu” uwolnienia czasu ” śniegu w Sierra Nevada, który historycznie zapewniał stopniowe uzupełnianie zapasów wód powierzchniowych w zbiornikach przez większą część pory suchej. Wraz z ociepleniem zmniejszy się ilość i niezawodność wody pochodzącej z tego wysokiego „zbiornika śnieżnego” – ograniczając dopływ wody. Z drugiej strony, połączenie zwiększającej się ilości i intensywności opadów, a także znacznie wyższego stosunku opadów deszczu do śniegu w górach, prawdopodobnie spowoduje znaczny wzrost odpływu sztormów i znaczny wzrost ryzyka powodziowego w większości zlewni. Może to mieć paradoksalny wpływ na zwiększenie krótkoterminowego zagrożenia powodziowego, ale także długoterminowego niedoboru wody, ponieważ konieczne będzie utrzymanie szerszych marginesów bezpieczeństwa i kontroli przeciwpowodziowej na zaporach, co pozwoli na zmniejszenie pojemności magazynowej w porze deszczowej za tymi strukturami. Na szczególną uwagę zasługuje szczególnie duży wzrost krótkotrwałych ulew w ramach już ekstremalnych zdarzeń AR w ocieplającym się klimacie. Wyższe godzinowe stawki opadów preferencyjnie zwiększałyby ryzyko gwałtownych powodzi i przepływu gruzu w obszarach podatnych na zagrożenia, oprócz ryzyka związanego z większymi zlewniami spowodowanego zwiększonymi opadami ogółem.

jednym z potencjalnie obiecujących podejść do ograniczenia tych konkurencyjnych zagrożeń jest zasadniczo gra jeden przeciwko drugiemu. Innymi słowy: można walczyć z suszą z powodzią i odwrotnie. Jak to może działać? Cóż, Kalifornijski Departament Zasobów Wodnych (i inne publiczne& prywatne organizacje) już badają nowe paradygmaty, w tym „Flood-managed aquifer recharge” (FloodMAR). Podstawową ideą jest pobranie dużych impulsów wody z wielkich burz i umożliwienie jej rozprzestrzeniania się po wcześniej określonych, strategicznie położonych obszarach zalewowych. W niektórych przypadkach może to służyć zarówno zmniejszeniu zagrożenia powodziowego dla obszarów miejskich (poprzez odciążenie zapór i wałów przeciwpowodziowych), jak i zmniejszeniu ryzyka przyszłego niedoboru wody (poprzez umożliwienie przechowywania części wody uwolnionej ze zbiorników/zapór powierzchniowych w podziemnych warstwach wodonośnych, dostępnych do późniejszego wykorzystania). Dogodnie, te okresowo zalewane tereny zalewowe często służą jako” pop-up ” siedliska dla rodzimych i zagrożonych gatunków. Jeśli kiedykolwiek jeździłeś na moście Interstate 80 causeway między Davis i Sacramento, widziałeś w akcji zarządzany na dużą skalę obszar zalewowy: obwodnicę Yolo. Chociaż ten konkretny przykład jest wykorzystywany głównie w celu zmniejszenia ryzyka powodziowego (zamiast ładowania warstw wodonośnych), aktywnie trwają rozmowy na temat tego, jak udane istniejące projekty, takie jak Obwodnica Yolo, mogą służyć jako model dla przyszłych działań adaptacyjnych w cieplejszej, bardziej zmiennej Kalifornii.

ile wzrośnie ryzyko powodziowe z powodu tych cieplejszych, wilgotniejszych burz? Stay tuned – mamy obecnie dalsze prace w przeglądzie (w chwili pisania tego tekstu) na dokładnie ten temat. I właśnie rozpoczynamy nowe, wielkoskalowe ćwiczenia ekstremalnej burzy dla Kalifornii-ArkStorm 2.0. To przedsięwzięcie w całym stanie-które wykorzystuje duże podejście zmniejszania zespołu opisane w Huang et al. 2020 opracowanie fizycznie wiarygodnych sekwencji burzy rzecznej-rozpocznie się jeszcze w tym roku i obejmie wielu tych samych ludzi, którzy byli zaangażowani w oryginalne ćwiczenia „ARkStorm” i „ShakeOut”. W ciągu ostatniej dekady wiele się zmieniło w środowiskach naukowych zajmujących się klimatem i klimatem, dlatego uważamy, że niezwykle ważne jest dostarczanie aktualizacji zgodnych z ewoluującym stanem nauki (i stanem świata). Wiele szczegółów wciąż pozostaje do ustalenia, ale w nadchodzących miesiącach spodziewajcie się kolejnych!

czym różni się ten artykuł od typowych wpisów na blogu pogodowym?

Ten specjalny artykuł Weather West skupia się na recenzowanych badaniach naukowych moich kolegów i mnie, które niedawno zostały opublikowane w Science Advances, a także omawia recenzowane prace innych naukowców. Oznacza to, że treść tego artykułu opiera się na ustaleniach z formalnych badań naukowych prowadzonych przez zespoły badaczy, co kontrastuje z bardziej typowymi postami pogodowymi na Zachodzie, które opierają się przede wszystkim na moich własnych nieformalnych przemyśleniach i analizach. Chciałbym podziękować moim współautorom tej pracy-Xingying Huang i Alex Hall – za ich ciągłe wysiłki w doprowadzeniu tego projektu do końca. (Praca ta ewoluowała w ciągu kilku lat od początkowej koncepcji do ostatecznej publikacji.) Finansowanie mojego wkładu w te badania zostało zapewnione poprzez partnerstwo między Instytutem środowiska i Zrównoważonego Rozwoju UCLA, Centrum zdolności do ekstremalnych warunków klimatycznych i pogodowych w National Center for Atmospheric Research oraz Nature Conservancy of California.

w pełni otwarta wersja artykułu (ogólnodostępna dla wszystkich!) można obejrzeć tutaj.

infografika, którą można udostępnić w Internecie, ilustrująca kluczowe punkty z naszej ekstremalnej atmosferycznej pracy nad rzeką, znaleziona na początku tego wpisu na blogu, może być powielona w dowolnym celu z odpowiednim przypisaniem. Chciałbym podziękować popularyzatorce Nauki Katharine Reich i grafice Rebecce Hume za umożliwienie tego!

cytat: Huang, X., Swain, D. L., and A. Hall. Duży zespół downscaling ekstremalnych burz rzecznych atmosferycznych w Kalifornii ujawnia duży wzrost opadów w drobnej skali, Science Advances, Doi: 10.1126/sciadv.aba1323