Extreme atmospheric rivers: what will California’s strongest storms look like in a warming climate?

Nota: Este artigo especial Weather West foca em nova pesquisa científica revisada por pares, liderada por Xingying Huang, que meus colegas e eu recentemente publicamos em avanços científicos.

Atmosférica rios na Califórnia contexto climático

Atmosférica rios (ARs)—longos, sinuosos corredores de vapor de água em movimento na metade inferior da atmosfera da Terra—são um aspecto chave da Califórnia cool-temporada do clima. As ARs são em muitos casos bastante banais quando estão sobre o oceano aberto, visíveis em satélite como uma estreita faixa de nebulosidade e precipitação de luz (geralmente). Mas quando essas plumas de umidade se ligam a sistemas de baixa pressão no inverno e fazem “landfall” ao longo da costa da Califórnia, as consequências podem ser dramáticas—chuvas pesadas prolongadas e neve de montanha muitas vezes resultam, juntamente com ventos às vezes poderosos. A precipitação relacionada com AR é fortemente orográfica, o que significa que tende a ser fortemente modulada pela topografia local. Como resultado, os totais de precipitação mais dramáticos relacionados com a AR geralmente ocorrem nas encostas de barlavento (virado para sul e oeste) das montanhas costeiras e interiores da Califórnia. Acumulações de precipitação em tais regiões durante os eventos AR mais extremos são comparáveis aos recebidos ao longo da Costa do Golfo ou costa leste durante eventos de furacões em aterros—e são ocasionalmente medidos em pés, em vez de polegadas. Como tal, ARs pode ser uma bênção ou uma maldição, dependendo do contexto e condições prévias: eles são responsáveis por até 50% do abastecimento total de água da Califórnia, mas também a grande maioria dos riscos de inundação da região.

the large ensemble approach: gerando múltiplos passados plausíveis e futuros

Uma vez que ARs são um aspecto fundamental do clima histórico da Califórnia, é extremamente importante entender como tais eventos estão mudando em um mundo de aquecimento. A investigação existente sobre as alterações climáticas e as ARs já sugeriu que os eventos mais fortes podem intensificar-se consideravelmente em algumas regiões. Mas quase todos esses estudos até agora têm se baseado exclusivamente em modelos climáticos globais—que são excelentes ferramentas para entender como o clima global e regional está mudando em um sentido mais amplo, mas muitas vezes não são granulares o suficiente para avaliar as mudanças em fenômenos de escala fina como ARs. No estudo que descrevo neste post, meus colegas e eu temos tentado resolver este Desafio usando um modelo atmosférico de alta resolução (o modelo de pesquisa e previsão do tempo, ou WRF—comumente usado para fazer previsões do dia-a-dia) para simular as “tempestades do futuro” em grande detalhe espacial e temporal. Fazemo-lo desenhando as condições atmosféricas iniciais em larga escala a partir de simulações tradicionais de modelos climáticos de resolução grosseira e fornecendo-as ao modelo climático. Desta forma, somos capazes de sistematicamente escolher eventos de tempestade AR extremo individuais a partir destas extensas simulações de modelos climáticos e simulá-los usando uma ferramenta que representa muito melhor as variações de pequena escala topográficas peculiaridades que caracterizam o clima da Califórnia. Nós nos concentramos principalmente em ARs extremos que têm grandes impactos na Sierra Nevada, então o estudo é centrado principalmente em todo o centro e norte da Califórnia.

Importantly, this approach also lets us consider multiple “plausible pasts and plausible futures.”O modelo climático é parte de um grande conjunto de simulações, o que significa que as simulações são repetidas 40 vezes para o passado histórico e 40 vezes para um futuro mais quente. Isso nos permite capturar uma gama mais ampla de possíveis sequências de tempestades, tanto na era atual quanto nas condições climáticas futuras—uma vez que essencialmente criamos um registro de muitas dezenas de tempestades extremas sintéticas, mas fisicamente plausíveis, durante cada período. Isto significa que temos um grande tamanho de amostra para comparar diferenças nas características da tempestade entre estes dois períodos, que é muito maior (por um fator de 40!) do que estaria disponível olhando para o registro histórico sozinho.vale a pena notar que o futuro cenário climático que usamos neste trabalho é caracterizado por um aumento contínuo das emissões de gases de efeito estufa durante a maior parte do século XXI (RCP8.5, para os wonks climáticos lá fora)—uma trajetória que é (Esperemos) pior do que realmente vamos levar nas próximas décadas. Ainda assim, a maioria dos impactos que consideramos neste trabalho emergirá ainda em trajetórias de emissões mais baixas—mas mais lenta e em menor grau, dependente inteiramente de nosso eventual sucesso em limitar e, eventualmente, trazer para zero emissões líquidas globais de carbono.

rios atmosféricos mais fortes e húmidos à medida que o clima aquece

reportamos aumentos substanciais (20-30%) no transporte integrado de vapor de água associado a AR, IVT. (IVT é uma medida agregada de resistência AR que leva em conta tanto o nível de vapor de água atmosférica e a força dos ventos do nível de transporte). É importante ter em mente que estamos avaliando eventos que são bastante raros e extremos—e é interessante notar que o padrão composto de IVT para a era atual e futura Ars extremos se parece muito com o subconjunto canônico de Ars “Pineapple Express”. Isso sugere que as maiores tempestades ar plausíveis na Califórnia são provavelmente eventos com uma torneira de umidade subtropical profunda, coincidindo com um padrão de fluxo meridiional relativamente amplificado sobre o Pacífico Norte com uma forte crista de bloqueio a montante sobre o mar de Bering e um centro de baixa pressão a noroeste da Califórnia.

encontramos um aumento substancial na quantidade de precipitação que cai durante extremas de ARs em um clima mais quente, quase todos os lugares que olhamos—mas a maior em relação as alterações não são sempre onde você pode esperar. Estes aumentos variam de 15-30% nas encostas orograficamente favorecidas do Oeste da Sierra Nevada e das montanhas costeiras, 25-40% nas planícies e áreas sombreadas pela chuva do Vale Central e vales costeiros menores, e localmente 50% ou mais nas fortes chuvas sombreadas lee side valleys no extremo leste da Califórnia e oeste do Nevada. (Aumentos absolutos, é claro, são ainda maiores nas áreas orograficamente favorecidas). Este padrão espacial de aumento de precipitação AR extremo sugere que os eventos podem se tornar um pouco menos fortemente orográficos na natureza—o que significa que os processos físicos que não a simples elevação orográfica pode se tornar mais importante em um futuro mais quente. Isto representa um aumento potencialmente maior do que o esperado da precipitação em locais historicamente não acostumados a ver grandes volumes de precipitação associada a AR.

aumentos notavelmente grandes nas poeiras horárias mais intensas

uma das vantagens do uso de um modelo meteorológico de alta resolução nesta investigação é que podemos considerar as características AR em granularidade espacial e temporal elevada. Quando o fizemos, encontramos algo bastante impressionante: o aumento da precipitação horária mais intensa durante eventos AR extremos aumenta em um incremento consideravelmente maior e de uma forma mais uniforme espacialmente do que o evento-precipitação total–30-50% em quase todos os lugares. Isto significa que as chuvas mais intensas durante tempestades extremas de AR se tornarão substancialmente mais intensas, independentemente de você estar em uma encosta de montanha virada a sudoeste ou no Vale Central. A uniformidade espacial deste aumento de precipitação horária máxima sugere fortemente que isso, também, não é impulsionado por processos orográficos. O que poderia ser em vez disso? Embora não diagnosticemos diretamente os mecanismos neste artigo, pode ser o caso de que as futuras ARs extremas em um mundo mais quente são um pouco mais convectivamente instáveis do que o que temos sido acostumados historicamente. A estabilidade vertical do perfil do contemporâneo é geralmente “úmido neutro” (para os meteorologistas lá fora), o que significa que uma parcela de ar vai subir sem resistência se ativamente levantada (por orográfica interação, frontais ou forçar), mas não subir espontaneamente, devido à sua inerente de flutuação (como pode ocorrer durante uma tempestade de verão, por exemplo). Uma vez que a atmosfera de nível mais baixo durante o futuro Ars extremo será muito mais quente e mais quente, é possível que essas mudanças de nível mais baixo superem as que ocorrem mais acima na coluna atmosférica—levando a uma maior instabilidade convectiva húmida. Agora, esta última parte é especulação informada da minha parte, mas é algo que definitivamente planejamos dar uma olhada mais de perto no trabalho futuro.

What’s going here? É quase tudo por causa da termodinâmica.

a grande maioria destes aumentos de precipitação projetados–cerca de 85% – deriva do simples fato de que a capacidade de retenção de vapor de água da atmosfera aumenta rapidamente (exponencialmente, de fato) com temperaturas atmosféricas crescentes. Embora isso não signifique que a umidade atmosférica será sempre maior em um mundo de aquecimento, significa que quando as condições estão perto de saturação—como quase sempre ocorre em ambientes AR—este potencial de retenção de vapor de água aumentado será realizado. Como resultado, a atmosfera mais quente em si é diretamente responsável por uma maioria do aumento do transporte de vapor de água, e subsequente precipitação, durante eventos AR extremos em um clima de aquecimento.

os outros ~15% deste aumento surgem de modestos aumentos projetados na força dos ventos do oeste (na atmosfera média, em torno do nível do jato de baixo nível) durante eventos AR extremos. Esta contribuição adicional por futuras mudanças de vento é na verdade mais pronunciada em todo o centro e sul da Califórnia, em vez de no norte. Esta peça do quebra-cabeça permanece um pouco mais incerta do que o aumento da umidade com a contribuição termodinâmica, já que diferentes modelos climáticos não concordam uniformemente se esses ventos do Oeste irão aumentar. Mas uma vez que o aumento da umidade termodinâmica é o resultado direto de um processo físico fundamental e bem compreendido, todos os modelos climáticos concordam nessa parte-dando—nos uma confiança muito alta de que ~85% do aumento da FIV e da precipitação que relatamos viria realmente a se realizar em um clima futuro muito mais quente.

dois outros achados são interessantes de uma perspectiva termodinâmica. Em primeiro lugar, as nossas simulações sugerem que o aumento da precipitação durante as futuras ARs extremas irá atrasar o aumento ainda maior da IVT durante tais eventos. Em outras palavras: enquanto tanto a precipitação quanto a TIV aumentam consideravelmente, a eficiência da precipitação (ou seja, precipitação por unidade TIV) realmente diminui em um clima de aquecimento. Isto significa que os aumentos de precipitação podem não ser tão grandes como se poderia esperar se extrapolando as relações históricas entre precipitação e TIV. Notavelmente, no entanto, esta diminuição na eficiência da precipitação está confinada principalmente às encostas de barlavento e regiões orograficamente favorecidas, e é muito menos proeminente através do Vale Central e vales laterais de lee.em segundo lugar, descobrimos que as futuras Ars da Califórnia serão muito mais quentes do que as que ocorreram historicamente. Enquanto isso, em si, não é uma descoberta tremendamente surpreendente, mais intrigante é o fato de que Ars extremos realmente quente menos do que as condições climáticas de fundo (ou seja, o aquecimento durante períodos Não AR é mais forte do que durante eventos AR). Nosso trabalho recente tem demonstrado que as ARs contemporâneas já estão se aquecendo substancialmente na Califórnia, embora a menos do que a taxa de aquecimento de fundo (Gonzales et al. 2019) – sugerindo coerência entre observações recentes e futuras projecções de modelos a este respeito. Entanto: o aquecimento projetado de 3-5+ F durante estas Ars extremas seria mais do que suficiente para alterar fundamentalmente o equilíbrio chuva/neve em elevações mais altas—o que significa que a grande maioria da precipitação durante as futuras ARs pode cair como chuva líquida (em vez de neve) mesmo em elevações bastante altas.

What does this all mean for flood and water management in California? nosso novo trabalho acrescenta a um crescente corpo de pesquisa sugerindo que a Califórnia enfrentará tempestades mais quentes e úmidas em um clima de aquecimento. O aumento resultante na precipitação extrema, e na fração da precipitação caindo como chuva em vez de neve em altas elevações, provavelmente ocorrerá mesmo na ausência de grandes mudanças na precipitação média global. De fato, em trabalho publicado em 2018 (e discutido em detalhes em um post anterior), verificamos que relativamente modesto projecções de tendências regionais média de precipitação máscara muito muito mais dramático aumento no “precipitação whiplash” entre o aumento de secos e molhados extremos. Além disso, as temperaturas de aquecimento já estão impulsionando um aumento nas condições de seca hidrológica devido ao aumento da evaporação, tanto na Califórnia como em todo o oeste americano—ampliando ainda mais os desafios de gestão de água existentes e tensões do ecossistema.a combinação de condições mais úmidas e secas sobrepostas às temperaturas de aquecimento coloca desafios especiais na Califórnia. As temperaturas de aquecimento já estão a aumentar a procura de água tanto para uso humano como pelos ecossistemas naturais, ao mesmo tempo que o aquecimento está a reduzir a quantidade de água disponível—aumentando a escassez a longo prazo. A moderna infra-estrutura de água da Califórnia é fortemente baseada na existência de um snowpack “time release” na Sierra Nevada, que historicamente forneceu a reposição gradual do armazenamento de água superficial em reservatórios durante grande parte da estação seca. Com o aquecimento, a quantidade e confiabilidade da água originária deste alto “reservatório de neve” vai diminuir—cerceando o fornecimento de água. Por outro lado, a combinação do aumento do volume de precipitação e da intensidade global, mais uma relação muito mais elevada entre a chuva e a neve nas montanhas, irá provavelmente produzir um grande aumento no escoamento das tempestades e um aumento substancial do risco de inundação na maioria das bacias hidrográficas. Isto pode ter o efeito paradoxal de aumentar o risco de inundações a curto prazo, mas também a escassez de água a longo prazo, porque será necessário manter margens de segurança e de controlo das inundações nas barragens-permitindo uma menor capacidade de armazenamento na estação húmida por detrás destas estruturas. É de salientar, em particular, o aumento especialmente significativo das chuvas torrenciais de curta duração, no contexto de acontecimentos AR já extremos num clima de aquecimento. Taxas de precipitação horária mais elevadas aumentariam preferencialmente o risco de inundações repentinas e de fluxos de detritos em zonas sensíveis, para além dos riscos que representam para as maiores bacias hidrográficas o aumento da precipitação total dos eventos.uma abordagem potencialmente promissora para mitigar estes riscos concorrentes é essencialmente jogar um contra o outro. Por outras palavras: pode ser possível combater a seca com inundações, e vice-versa. Como é que isto pode funcionar? Bem, o Departamento de Recursos Hídricos da Califórnia (e outros públicos & organizações privadas) já estão explorando novos paradigmas, incluindo “recarga aquífera gerenciada por inundações” (FloodMAR). A ideia básica é pegar grandes pulsos de água de grandes tempestades e permitir que ela se espalhe por planícies de inundação pré-determinadas e estrategicamente localizadas. Em alguns casos, isso pode servir tanto para reduzir o risco de inundação para as áreas urbanas (pelo tirando a pressão de barragens e diques) e reduzir o risco de um futuro de escassez de água (permitindo que uma parte da água que sai da superfície da água de reservatórios/barragens para ser armazenada em aqüíferos subterrâneos, disponível para uso posterior). Convenientemente, estas planícies inundadas periodicamente servem como habitats “pop-up” para espécies nativas e ameaçadas. Se você já conduziu na ponte Interstate 80 causeway entre Davis e Sacramento, você viu uma grande planície de inundação em ação: o Bypass Yolo. Embora este exemplo particular seja usado principalmente para reduzir o risco de inundação (em vez de recarregar aquíferos), as conversas estão ativamente em curso sobre como projetos existentes bem sucedidos, como o Bypass Yolo, poderia servir como um modelo para futuras medidas de adaptação climática em uma Califórnia mais quente e mais variável.

apenas quanto irá aumentar o risco de inundação devido a estas tempestades mais quentes e úmidas? Fique atento—temos mais trabalho atualmente em revisão (a partir desta escrita) sobre precisamente esse tópico. E nós estamos embarcando em um novo exercício de contingência de tempestade extrema em grande escala para Califórnia-ArkStorm 2.0. This statewide endeavor-which uses the large ensemble downscaling approach described in Huang et al. 2020 para desenvolver sequências de tempestades atmosféricas fisicamente plausíveis-será lançado no final deste ano, e envolverá muitas das mesmas pessoas que estavam envolvidas com os exercícios originais “ARkStorm” e “ShakeOut”. Muita coisa mudou nas comunidades de Ciências Atmosféricas e climáticas ao longo da última década, no entanto, sentimos que é extremamente importante fornecer uma atualização consistente com o estado em evolução da ciência (e o estado do mundo). Muitos detalhes ainda estão para ser determinados, mas fique sintonizado para mais nos próximos meses!

como é que este artigo é diferente dos posts típicos do Weather West blog? este artigo especial do Weather West centra-se na investigação científica por mim e pelos meus colegas que foi recentemente publicada no Science Advances, e também discute o trabalho revisto por outros cientistas. Isso significa que o conteúdo desta peça é baseado em descobertas de investigações científicas formais por equipes de pesquisadores, que contrasta com postagens mais típicas do Weather West que são principalmente baseadas em meus próprios pensamentos informais e análise. Gostaria de agradecer aos meus co-autores neste trabalho—Xingying Huang e Alex Hall—pelos seus esforços sustentados para levar este projecto à conclusão. (Este trabalho evoluiu ao longo de vários anos desde a sua conceptualização inicial até à publicação final. O financiamento para a minha contribuição para esta pesquisa foi fornecido através de uma parceria entre o Instituto do ambiente e Sustentabilidade da UCLA, o centro de capacidade para clima e clima extremos no Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica, e a conservação da natureza da Califórnia.

uma versão totalmente aberta do papel (livremente acessível a todos!) pode ser visto aqui.

a infografia web-sharable ilustrando pontos-chave de nosso trabalho no Rio atmosférico extremo encontrado no início deste post pode ser reproduzida para qualquer propósito com atribuição adequada. Gostaria de agradecer à comunicadora científica Katharine Reich e à designer gráfica Rebecca Hume por tornar isto possível!

Citation: Huang, X., Swain, D. L., and A. Hall. Uma grande escala de tempestades atmosféricas extremas na Califórnia revela um grande aumento na precipitação em grande escala, avanços científicos, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.