Rivières atmosphériques extrêmes: à quoi ressembleront les tempêtes les plus fortes de Californie dans un climat qui se réchauffe?

Remarque:Cet article spécial de Weather West se concentre sur de nouvelles recherches scientifiques évaluées par des pairs, dirigées par Xingying Huang, que mes collègues et moi avons récemment publiées dans Science Advances.

Les rivières atmosphériques dans un contexte climatique californien

Les rivières atmosphériques (ARs) — de longs couloirs sinueux de vapeur d’eau en mouvement dans la moitié inférieure de l’atmosphère terrestre — sont un aspect clé du climat de la saison froide en Californie. Les ARS sont dans de nombreux cas assez banales lorsqu’elles sont au-dessus de l’océan ouvert, visibles sur satellite comme un ruban étroit de nébulosité et (généralement) de précipitations légères. Mais lorsque ces panaches d’humidité se fixent à des systèmes de basse pression en hiver et touchent terre le long de la côte californienne, les conséquences peuvent être dramatiques — de fortes pluies prolongées et de la neige en montagne en résultent souvent, ainsi que des vents parfois puissants. Les précipitations liées à l’AR sont fortement orographiques, ce qui signifie qu’elles ont tendance à être fortement modulées par la topographie locale. En conséquence, les totaux de précipitations les plus spectaculaires liés à la RA se produisent généralement sur les pentes au vent (orientées vers le sud et l’ouest) des chaînes de montagnes côtières et intérieures de la Californie. Les accumulations de précipitations dans ces régions lors des événements de RA les plus extrêmes sont comparables à celles reçues le long de la côte du golfe ou de la côte est lors des ouragans de décharge — et sont parfois mesurées en pieds plutôt qu’en pouces. En tant que tel, ARs peut être une bénédiction ou une malédiction, selon le contexte et les conditions antérieures: ils sont responsables de jusqu’à 50% de l’approvisionnement en eau global de la Californie, mais aussi de la grande majorité des risques d’inondation de la région.

L’approche du grand ensemble: générer de multiples passés et futurs plausibles

Étant donné que les AR sont un aspect fondamental du climat historique de la Californie, il est extrêmement important de comprendre comment de tels événements changent dans un monde en réchauffement. Les recherches existantes sur le changement climatique et l’ARS ont déjà suggéré que les événements les plus forts pourraient s’intensifier considérablement dans certaines régions. Mais presque toutes ces études à ce jour se sont appuyées exclusivement sur des modèles climatiques mondiaux — qui sont d’excellents outils pour comprendre comment le climat mondial et régional évolue dans un sens plus large, mais ne sont souvent pas assez granulaires pour évaluer les changements de phénomènes à échelle fine comme les AR. Dans l’étude que je décris dans ce billet de blog, mes collègues et moi-même avons tenté de résoudre ce défi en utilisant un modèle atmosphérique à haute résolution (le Modèle de recherche et de prévision météorologiques, ou WRF — couramment utilisé pour faire des prévisions météorologiques au jour le jour) pour simuler les « tempêtes du futur » en détail spatial et temporel. Nous le faisons en tirant les conditions atmosphériques initiales à grande échelle à partir de simulations traditionnelles de modèles climatiques à résolution grossière et en les fournissant au modèle météorologique. De cette façon, nous sommes en mesure de sélectionner systématiquement des événements de tempête AR extrêmes individuels à partir de ces simulations de modèles climatiques étendues et de les simuler à l’aide d’un outil qui représente bien mieux les variations topographiques à petite échelle qui caractérisent le climat californien. Nous nous concentrons principalement sur les AR extrêmes qui ont des impacts importants dans la Sierra Nevada, de sorte que l’étude est principalement centrée sur le centre et le nord de la Californie.

Il est important de noter que cette approche nous permet également de considérer plusieurs « passés plausibles et futurs plausibles. »Le modèle climatique fait partie d’un grand ensemble de simulations, ce qui signifie que les simulations sont répétées 40 fois pour le passé historique et 40 fois pour un avenir plus chaud. Cela nous permet de capturer un plus large éventail de séquences de tempêtes possibles dans les conditions climatiques actuelles et futures – car nous avons essentiellement créé un enregistrement de plusieurs dizaines de tempêtes extrêmes synthétiques mais physiquement plausibles au cours de chaque période. Cela signifie que nous avons une grande taille d’échantillon pour comparer les différences de caractéristiques des tempêtes entre ces deux périodes, ce qui est beaucoup plus important (d’un facteur 40!) que ce qui serait disponible en examinant uniquement le dossier historique.

Il convient de noter que le scénario climatique futur que nous utilisons dans ce travail se caractérise par une augmentation continue des émissions de gaz à effet de serre pendant la majeure partie du 21e siècle (RCP8.5, pour le climat) — une trajectoire qui est (espérons-le) pire que ce que nous prendrons réellement dans les décennies à venir. Néanmoins, la plupart des impacts que nous examinons dans ce travail se manifesteront même sur des trajectoires d’émissions plus faibles — mais plus lentement et dans une moindre mesure, en fonction entièrement de notre succès éventuel à limiter et éventuellement à ramener à zéro les émissions nettes mondiales de carbone.

Des rivières atmosphériques plus fortes et plus humides à mesure que le climat se réchauffe

Nous rapportons des augmentations substantielles (20-30%) du transport intégré de vapeur d’eau associé à la RA, IVT. (IVT est une mesure globale de la force de la RA qui prend en compte à la fois le niveau de vapeur d’eau atmosphérique et la force des vents au niveau du transport). Il est important de garder à l’esprit que nous évaluons des événements assez rares et extrêmes — et il est intéressant de noter que le modèle IVT composite pour les ARS extrêmes actuels et futurs ressemble beaucoup au sous-ensemble canonique « Pineapple Express » des ARs. Cela suggère que les plus grandes tempêtes de RA plausibles en Californie sont susceptibles d’être des événements avec un robinet d’humidité subtropical profond, coïncidant avec un schéma d’écoulement méridional relativement amplifié sur le Pacifique Nord avec une forte crête de blocage en amont sur la mer de Béring et un centre de basse pression profond juste au nord-ouest de la Californie.

Nous constatons une augmentation substantielle de la quantité de précipitations qui tombe lors d’AR extrêmes dans un climat plus chaud à peu près partout où nous regardons — mais les changements relatifs les plus importants ne sont pas toujours là où vous pourriez vous attendre. Ces augmentations vont de 15 à 30% sur les pentes occidentales privilégiées orographiquement de la Sierra Nevada et des montagnes côtières, de 25 à 40% dans les plaines et les zones ombragées par la pluie de la Vallée centrale et des petites vallées côtières, et localement 50% ou plus dans les vallées latérales fortement ombragées par la pluie en extrême-est de la Californie et dans l’ouest du Nevada. (Les augmentations absolues, bien sûr, sont encore plus importantes dans les zones orographiques favorisées). Ce modèle spatial d’augmentation extrême des précipitations AR suggère que les événements peuvent devenir un peu moins fortement de nature orographique — ce qui signifie que des processus physiques autres que le simple soulèvement orographique peuvent devenir plus importants dans un avenir plus chaud. Cela laisse présager des augmentations potentiellement démesurées des précipitations dans des endroits qui n’étaient pas traditionnellement habitués à voir de grands volumes de précipitations associées à la RA.

Des augmentations étonnamment importantes des averses horaires les plus intenses

L’un des avantages de l’utilisation d’un modèle météorologique à haute résolution dans cette enquête est que nous pouvons considérer les caractéristiques de la RA à une granularité spatiale et temporelle élevée. Lorsque nous l’avons fait, nous avons trouvé quelque chose d’assez frappant: l’augmentation des précipitations horaires les plus intenses lors d’événements extrêmes de RA augmente considérablement et de manière plus uniforme spatialement que les précipitations totales d’événement – 30 à 50% à peu près partout. Cela signifie que les averses les plus intenses pendant les orages extrêmes deviendront beaucoup plus intenses, que vous soyez sur une pente de montagne orientée au sud-ouest ou dans la vallée centrale. L’uniformité spatiale de cette augmentation horaire des précipitations maximales suggère fortement que cela n’est pas non plus dicté par des processus orographiques. Que pourrait-il être à la place? Bien que nous ne diagnostiquions pas directement les mécanismes dans cet article, il se peut que les futurs AR extrêmes dans un monde plus chaud soient un peu plus instables convectivement que ce à quoi nous avons été habitués historiquement. Le profil de stabilité verticale de contemporary est généralement « neutre en humidité » (pour les météorologues), ce qui signifie qu’une parcelle d’air s’élèvera sans résistance si elle est soulevée activement (par interaction orographique ou forçage frontal) mais ne s’élèvera pas spontanément en raison de sa flottabilité inhérente (comme cela peut se produire lors d’un orage d’été, par exemple). Étant donné que l’atmosphère de niveau inférieur lors des futures AR extrêmes sera beaucoup plus chaude et plus humide, il est possible que ces changements de niveau inférieur dépassent ceux qui se produisent plus haut dans la colonne atmosphérique, ce qui entraîne une instabilité convective humide plus forte. Maintenant, ce dernier élément est une spéculation éclairée de ma part, mais c’est quelque chose que nous prévoyons certainement d’examiner de plus près dans les travaux futurs.

Que se passe-t-il ici? C’est (surtout) à la thermodynamique.

La grande majorité de ces augmentations de précipitations projetées – environ 85% – provient du simple fait que la capacité de rétention de vapeur d’eau de l’atmosphère augmente rapidement (de manière exponentielle, en fait) avec l’augmentation des températures atmosphériques. Bien que cela ne signifie pas que l’humidité atmosphérique sera toujours plus élevée dans un monde en réchauffement, cela signifie que lorsque les conditions sont proches de la saturation — comme cela se produit presque toujours dans les environnements AR — ce potentiel accru de rétention de vapeur d’eau sera réalisé. En conséquence, l’atmosphère plus chaude elle-même est directement responsable de la majorité de l’augmentation du transport de vapeur d’eau et des précipitations subséquentes lors d’événements extrêmes de RA dans un climat de réchauffement.

Les autres ~15% de cette augmentation proviennent d’augmentations modestes prévues de la force des vents d’ouest (dans l’atmosphère moyenne, autour du niveau du jet de bas niveau) lors d’événements extrêmes de RA. Cette contribution supplémentaire par les futurs changements de vent est en fait plus prononcée dans le centre et le sud de la Californie, plutôt que dans le nord. Cette pièce du puzzle reste un peu plus incertaine que l’augmentation de l’humidité due à la thermodynamique, car les différents modèles climatiques ne s’accordent pas uniformément sur la question de savoir si ces vents d’ouest augmenteront. Mais puisque l’augmentation de l’humidité thermodynamique est le résultat direct d’un processus physique fondamental et bien compris, tous les modèles climatiques sont d’accord sur cette partie – ce qui nous donne une très grande confiance que ~ 85% de l’augmentation de l’IVT et des précipitations que nous rapportons se réaliserait dans un climat futur beaucoup plus chaud.

Deux autres résultats sont intéressants du point de vue thermodynamique. Tout d’abord, nos simulations suggèrent que l’augmentation des précipitations pendant les futures AR extrêmes sera à la traîne de l’augmentation encore plus importante de l’IVT pendant de tels événements. En d’autres termes: Alors que les précipitations et l’IVT augmentent considérablement, l’efficacité des précipitations (c’est-à-dire les précipitations par unité IVT) diminue en fait dans un climat de réchauffement. Cela signifie que l’augmentation des précipitations pourrait ne pas être aussi importante qu’on pourrait s’y attendre si l’on extrapolait les relations historiques entre les précipitations et l’IVT. De manière frappante, cependant, cette diminution de l’efficacité des précipitations se limite principalement aux pentes au vent et aux régions favorisées par l’orographie, et est beaucoup moins importante dans la vallée centrale et les vallées latérales de la Lee.

Deuxièmement, nous constatons que les futures ARS californiennes seront beaucoup plus chaudes que celles qui se sont produites historiquement. Bien que cela ne soit pas en soi une découverte extrêmement surprenante, le fait que les AR extrêmes réchauffent moins que les conditions climatiques de fond (c’est-à-dire que le réchauffement pendant les périodes non AR est plus fort que pendant les événements AR) est plus intrigant. Nos travaux récents ont démontré que les AR contemporaines se réchauffent déjà considérablement en Californie, mais à un taux de réchauffement inférieur au taux de réchauffement de fond (Gonzales et al. 2019) — suggérant une cohérence entre les observations récentes et les projections futures du modèle à cet égard. Néanmoins: le réchauffement projeté de 3 à 5 + F pendant ces AR extrêmes serait plus que suffisant pour modifier fondamentalement l’équilibre pluie / neige à des altitudes plus élevées — ce qui signifie que la grande majorité des précipitations pendant les AR futures pourraient tomber sous forme de pluie liquide (plutôt que de neige) même à des altitudes assez élevées.

Qu’est-ce que tout cela signifie pour la gestion des inondations et de l’eau en Californie?

Nos nouveaux travaux s’ajoutent à un nombre croissant de recherches suggérant que la Californie fera face à des tempêtes plus chaudes et plus humides dans un climat qui se réchauffe. L’augmentation qui en résulte des précipitations extrêmes et de la fraction des précipitations tombant sous forme de pluie plutôt que de neige à des altitudes plus élevées se produira probablement même en l’absence de changements importants dans les précipitations moyennes globales. En effet, dans des travaux publiés en 2018 (et discutés en détail dans un précédent billet de blog), nous avons constaté que les tendances projetées relativement modestes des précipitations moyennes régionales masquent une augmentation beaucoup plus spectaculaire du « coup de fouet aux précipitations » entre les extrêmes humides et secs croissants. De plus, le réchauffement des températures entraîne déjà une augmentation des conditions de sécheresse hydrologique en raison de l’augmentation de l’évaporation à la fois en Californie et dans l’Ouest américain, ce qui amplifie encore les défis existants en matière de gestion de l’eau et les stress des écosystèmes.

La combinaison de conditions « plus humides » et « plus sèches » superposées au réchauffement des températures pose des défis particuliers en Californie. Le réchauffement des températures augmente déjà la demande d’eau à la fois pour l’utilisation humaine et par les écosystèmes naturels, en même temps que le réchauffement réduit la quantité d’eau disponible — augmentant la rareté à long terme. L’infrastructure moderne de l’eau en Californie repose fortement sur l’existence d’un manteau neigeux « à libération prolongée » dans la Sierra Nevada, qui fournissait historiquement un réapprovisionnement progressif du stockage des eaux de surface dans les réservoirs pendant une grande partie de la saison sèche. Avec le réchauffement, la quantité et la fiabilité de l’eau provenant de ce « réservoir de manteau neigeux » à haute altitude diminueront — réduisant l’approvisionnement en eau. D’un autre côté, la combinaison de l’augmentation du volume et de l’intensité des précipitations dans l’ensemble, ainsi que d’un rapport pluie / neige beaucoup plus élevé dans les montagnes, entraînera probablement une augmentation importante du ruissellement des tempêtes et une augmentation substantielle du risque d’inondation dans la plupart des bassins hydrographiques. Cela peut avoir pour effet paradoxal d’accroître le risque d’inondation à court terme, mais aussi la pénurie d’eau à long terme, car des marges de sécurité et de contrôle des inondations plus larges aux barrages devront être maintenues, ce qui permettra de réduire la capacité de stockage de la saison des pluies derrière ces structures. Il convient de noter en particulier l’augmentation particulièrement importante des averses de courte durée dans le cadre d’événements RA déjà extrêmes dans un climat de réchauffement. Des taux de précipitations horaires plus élevés augmenteraient préférentiellement le risque d’inondations soudaines et de coulées de débris dans les zones sensibles, en plus des risques que l’augmentation des précipitations totales par événement présente pour les bassins hydrographiques plus importants.

Une approche potentiellement prometteuse pour atténuer ces risques concurrents consiste essentiellement à jouer les uns contre les autres. En d’autres termes: il peut être possible de lutter contre la sécheresse avec les inondations, et vice versa. Comment cela pourrait-il fonctionner? Eh bien, le département des Ressources en eau de Californie (et d’autres organisations privées publiques &) explorent déjà de nouveaux paradigmes, notamment la « recharge des aquifères gérés par les inondations » (FloodMAR). L’idée de base est de prélever de grandes impulsions d’eau provenant de grosses tempêtes et de leur permettre de s’étendre sur des plaines inondables prédéterminées et stratégiquement situées. Dans certains cas, cela peut servir à la fois à réduire le risque d’inondation pour les zones urbaines (en supprimant la pression des barrages et des digues) et à réduire le risque de pénurie future d’eau (en permettant qu’une partie de l’eau libérée des réservoirs / barrages d’eau de surface soit stockée dans des aquifères souterrains, disponibles pour une utilisation ultérieure). Idéalement, ces plaines inondables périodiquement inondées servent souvent d’habitats « éphémères » pour les espèces indigènes et menacées. Si vous avez déjà conduit sur l’Interstate 80 causeway bridge entre Davis et Sacramento, vous avez vu une plaine inondable gérée à grande échelle en action: le contournement de Yolo. Bien que cet exemple particulier soit principalement utilisé pour réduire les risques d’inondation (plutôt que de recharger les aquifères), des conversations sont en cours sur la manière dont des projets existants réussis, tels que le contournement de Yolo, pourraient servir de modèle pour les futures mesures d’adaptation au climat dans une Californie plus chaude et plus variable.

À quel point le risque d’inondation augmentera-t-il en raison de ces tempêtes plus chaudes et plus humides? Restez à l’écoute — nous avons d’autres travaux en cours (à ce jour) sur ce sujet précisément. Et nous nous lançons actuellement dans un nouvel exercice de contingence de tempête extrême à grande échelle pour la Californie – ArkStorm 2.0. Cette entreprise à l’échelle de l’État — qui utilise l’approche de réduction d’échelle à grand ensemble décrite dans Huang et al. 2020 pour développer des séquences de tempêtes atmosphériques physiquement plausibles – sera lancé plus tard cette année et impliquera de nombreuses personnes qui ont participé aux exercices originaux « ARkStorm » et « ShakeOut ». Cependant, beaucoup de choses ont changé dans les communautés des sciences de l’atmosphère et du climat au cours de la dernière décennie, nous pensons donc qu’il est extrêmement important de fournir une mise à jour cohérente avec l’évolution de la science (et de l’état du monde). De nombreux détails restent à déterminer, mais restez à l’écoute pour en savoir plus dans les mois à venir!

En quoi cet article est-il différent des articles de blog typiques de Weather West?

Cet article spécial de Weather West se concentre sur la recherche scientifique évaluée par mes collègues et moi-même qui a récemment été publiée dans Science Advances, et traite également des travaux évalués par d’autres scientifiques. Cela signifie que le contenu de cette pièce est basé sur les résultats d’enquêtes scientifiques formelles menées par des équipes de chercheurs, ce qui contraste avec les messages météorologiques plus typiques de l’Ouest qui sont principalement basés sur mes propres pensées et analyses informelles. Je tiens à remercier mes coauteurs de ce travail – Xingying Huang et Alex Hall – pour leurs efforts soutenus pour mener ce projet à bien. (Ce travail a évolué sur plusieurs années, de sa conceptualisation initiale à sa publication finale.) Le financement de ma contribution à cette recherche a été fourni grâce à un partenariat entre l’Institut de l’environnement et de la durabilité de l’UCLA, le Centre de capacité pour les extrêmes climatiques et météorologiques du Centre national de Recherche atmosphérique et The Nature Conservancy of California.

Une version entièrement en libre accès du document (librement accessible à tous !) peut être consulté ici.

L’infographie partageable sur le Web illustrant les points clés de notre travail sur les rivières atmosphériques extrêmes trouvé au début de cet article de blog peut être reproduite à n’importe quelle fin avec une attribution appropriée. J’aimerais remercier la communicatrice scientifique Katharine Reich et la graphiste Rebecca Hume d’avoir rendu cela possible!

Citation : Huang, X., Swain, D.L. et A. Hall. La réduction à grande échelle d’ensemble des tempêtes fluviales atmosphériques extrêmes en Californie révèle une forte augmentation des précipitations à échelle fine, Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.aba1323.