râuri atmosferice Extreme: cum vor arăta cele mai puternice furtuni din California într-un climat de încălzire?

Notă: Acest articol Special Weather West se concentrează pe noile cercetări științifice revizuite de colegi, conduse de Xingying Huang, pe care colegii mei și cu mine le-am publicat recent în Science Advances.

râurile atmosferice într—un context climatic din California

râurile atmosferice (ARs)—coridoare lungi și sinuoase de vapori de apă în mișcare în jumătatea inferioară a atmosferei Pământului-sunt un aspect cheie al climatului sezonului rece din California. ARs sunt, în multe cazuri, destul de cufundată atunci când sunt peste ocean deschis, vizibile pe satelit ca o panglică îngustă de nebulozitate și (de obicei) precipitații ușoare. Dar când aceste pene de umiditate se atașează de sistemele de joasă presiune din timpul iernii și ajung pe uscat de—a lungul coastei Californiei, consecințele pot fi dramatice-adesea rezultă ploi abundente prelungite și zăpadă montană, împreună cu vânturi uneori puternice. Precipitațiile legate de AR sunt puternic orografice, ceea ce înseamnă că tinde să fie puternic modulată de topografia locală. Drept urmare, cele mai dramatice totaluri de precipitații legate de AR apar de obicei pe versanții de vânt (orientați spre sud și vest) ai lanțurilor montane de coastă și interioare din California. Acumulările de precipitații în astfel de regiuni în timpul celor mai extreme evenimente AR sunt comparabile cu cele primite de—a lungul coastei Golfului sau a Coastei de Est în timpul evenimentelor de uragan care cad în deșeuri-și sunt ocazional măsurate în picioare, mai degrabă decât în centimetri. Ca atare, ARs poate fi fie binecuvântare, fie blestem, în funcție de context și de condițiile anterioare: acestea sunt responsabile pentru până la 50% din aprovizionarea totală cu apă din California, dar și marea majoritate a riscului de inundații din regiune.

abordarea ansamblului mare: generând mai multe trecuturi și viitoruri plauzibile

deoarece ARs sunt un aspect atât de fundamental al climatului istoric al Californiei, este extrem de important să înțelegem cum se schimbă astfel de evenimente într-o lume care se încălzește. Cercetările existente privind schimbările climatice și ARs au sugerat anterior că cele mai puternice evenimente se pot intensifica considerabil în unele regiuni. Dar aproape toate aceste studii până în prezent s—au bazat exclusiv pe modele climatice globale-care sunt instrumente excelente pentru înțelegerea modului în care climatul global și regional se schimbă într-un sens mai larg, dar adesea nu sunt suficient de granulare pentru a evalua schimbările în fenomene la scară fină, cum ar fi ARs. În studiul pe care îl descriu în această postare pe blog, colegii mei și cu mine am încercat să rezolvăm această provocare folosind un model atmosferic de înaltă rezoluție (modelul de cercetare și prognoză meteo sau WRF-utilizat în mod obișnuit în realizarea prognozelor meteo de zi cu zi) pentru a simula „furtunile viitorului” în detaliu spațial și temporal. Facem acest lucru prin extragerea condițiilor atmosferice inițiale la scară largă din simulările tradiționale ale modelului climatic cu rezoluție grosieră și furnizarea acestora modelului meteorologic. În acest fel, suntem capabili să selectăm în mod sistematic evenimente individuale extreme de furtună AR din aceste simulări extinse ale modelului climatic și să le simulăm folosind un instrument care reprezintă mult mai bine variațiile la scară mică ciudățenii topografice care caracterizează climatul din California. Ne concentrăm în principal pe ARs extreme, care au un impact mare în Sierra Nevada, astfel încât studiul este centrat în principal în centrul și nordul Californiei.

important, această abordare ne permite, de asemenea, să luăm în considerare mai multe „trecuturi plauzibile și futures plauzibile.”Modelul climatic face parte dintr-un ansamblu mare de simulări, ceea ce înseamnă că simulările se repetă de 40 de ori pentru trecutul istoric și de 40 de ori pentru un viitor mai cald. Acest lucru ne permite să surprindem o gamă mai largă de secvențe de furtuni posibile atât în condițiile climatice actuale, cât și în cele viitoare-deoarece am creat, în esență, o înregistrare a multor zeci de furtuni extreme sintetice, dar plauzibile din punct de vedere fizic în fiecare perioadă. Aceasta înseamnă că avem o dimensiune mare a eșantionului pentru a compara diferențele de caracteristici ale furtunii între aceste două perioade, care este mult mai mare (cu un factor de 40!) decât ar fi disponibil uitându-se doar la înregistrarea istorică.

este demn de remarcat faptul că viitorul scenariu climatic pe care îl folosim în această lucrare este unul caracterizat de o creștere continuă a emisiilor de gaze cu efect de seră în cea mai mare parte a secolului 21 (RCP8.5, pentru climatul de acolo)—o traiectorie care este (sperăm) mai rea decât vom lua de fapt în deceniile următoare. Cu toate acestea, majoritatea impacturilor pe care le luăm în considerare în această lucrare vor apărea chiar și pe traiectorii de emisii mai mici—dar mai lent și într-o măsură mai mică, depinzând în totalitate de succesul nostru final în limitarea și, în cele din urmă, aducerea la zero a emisiilor globale nete de carbon.

râuri atmosferice mai puternice și mai umede pe măsură ce clima se încălzește

raportăm creșteri substanțiale (20-30%) ale transportului integrat de vapori de apă asociat AR, IVT. (IVT este o măsură agregată a rezistenței AR care ia în considerare atât nivelul vaporilor de apă atmosferici, cât și puterea vânturilor la nivel de transport). Este important să rețineți că evaluăm evenimente care sunt destul de rare și extreme—și este interesant de observat că modelul IVT compozit atât pentru epoca actuală, cât și pentru viitorul ARs extrem arată foarte mult ca subsetul canonic „Pineapple Express” al ARs. Acest lucru sugerează că cele mai mari furtuni ar plauzibile din California sunt probabil evenimente cu un robinet de umiditate subtropicală profundă, coincidând cu un model de flux meridional relativ amplificat peste Pacificul de Nord, cu o creastă puternică de blocare în amonte peste Marea Bering și un centru adânc de joasă presiune chiar la nord-vest de California.

găsim o creștere substanțială a cantității de precipitații care cade în timpul ARs extreme într—un climat mai cald aproape oriunde ne uităm-dar cele mai mari schimbări relative nu sunt întotdeauna acolo unde v-ați putea aștepta. Aceste creșteri variază de la 15-30% pe versanții vestici favorizați orografic din Sierra Nevada și munții de coastă, 25-40% în zonele plane și zonele umbrite de ploaie din Valea Centrală și văile de coastă mai mici și local 50% sau mai mult în văile laterale lee puternic umbrite de ploaie din Extremul Orient California și vestul Nevada. (Creșterile Absolute, desigur, sunt încă mai mari în zonele favorizate orografic). Acest model spațial de creștere extremă a precipitațiilor AR sugerează că evenimentele pot deveni oarecum mai puțin puternic orografice în natură—ceea ce înseamnă că procesele fizice, altele decât simpla ridicare orografică, pot deveni mai importante într-un viitor mai cald. Acest lucru prezintă creșteri potențial supradimensionate ale precipitațiilor în locuri care nu sunt obișnuite din punct de vedere istoric să vadă volume mari de precipitații asociate AR.

creșteri izbitor de mari în cele mai intense averse orare

unul dintre avantajele utilizării unui model METEO de înaltă rezoluție în această investigație este că putem lua în considerare caracteristicile AR la granularitate spațială și temporală ridicată. Când am făcut acest lucru, am găsit ceva destul de izbitor: creșterea precipitațiilor orare cele mai intense în timpul evenimentelor AR extreme crește cu o creștere considerabil mai mare și într-un mod mai uniform spațial decât eveniment–precipitații totale-30-50% aproape peste tot. Aceasta înseamnă că cele mai intense averse în timpul furtunilor extreme AR vor deveni substanțial mai intense, indiferent dacă vă aflați pe o pantă montană orientată spre sud-vest sau în Valea Centrală. Uniformitatea spațială a acestei creșteri maxime orare a precipitațiilor sugerează cu tărie că și acest lucru nu este determinat de procesele orografice. Ce ar putea fi în schimb? Deși nu diagnosticăm direct mecanismele din această lucrare, s-ar putea ca viitoarele ARs extreme într-o lume mai caldă să fie un pic mai instabile convectiv decât ceea ce am fost obișnuiți istoric. Profilul de stabilitate verticală al contemporanului este de obicei” umed-neutru ” (pentru meteorologii de acolo), ceea ce înseamnă că o parcelă de aer va crește fără rezistență dacă este ridicată activ (prin interacțiune orografică sau forțare frontală), dar nu va crește spontan datorită flotabilității sale inerente (așa cum s-ar putea întâmpla în timpul unei furtuni de vară, de exemplu). Deoarece atmosfera de nivel inferior în timpul viitoarelor ARs extreme va fi mult mai caldă și mai umedă, este posibil ca aceste schimbări de nivel inferior să le depășească pe cele care apar mai sus în coloana atmosferică—ducând la instabilitate convectivă umedă mai puternică. Acum, acest ultim bit este o speculație informată din partea mea, dar este ceva ce intenționăm cu siguranță să aruncăm o privire mai atentă în lucrările viitoare.

ce se întâmplă aici? Este (mai ales) până la termodinamică.

marea majoritate a acestor precipitații proiectate crește—în jur de 85%–provine din simplul fapt că capacitatea de reținere a vaporilor de apă a atmosferei crește rapid (exponențial, de fapt) odată cu creșterea temperaturilor atmosferice. Deși acest lucru nu înseamnă că umiditatea atmosferică va fi întotdeauna mai mare într—o lume care se încălzește, înseamnă că atunci când condițiile sunt aproape de saturație—așa cum se întâmplă aproape întotdeauna în mediile AR-acest potențial crescut de reținere a vaporilor de apă va fi realizat. Ca urmare, atmosfera mai caldă în sine este direct responsabilă pentru majoritatea creșterii transportului de vapori de apă și a precipitațiilor ulterioare, în timpul evenimentelor AR extreme într-un climat de încălzire.

cealaltă ~15% din această creștere provine din creșteri modeste proiectate ale puterii vânturilor de Vest (în atmosfera mijlocie, în jurul nivelului jetului de nivel scăzut) în timpul evenimentelor AR extreme. Această contribuție suplimentară a viitoarelor schimbări de vânt este de fapt cea mai pronunțată în centrul și sudul Californiei, mai degrabă decât în nord. Această piesă a puzzle-ului rămâne un pic mai incertă decât creșterea umidității contribuită termodinamic, deoarece diferite modele climatice nu sunt de acord în mod uniform dacă aceste vânturi de Vest vor crește. Dar, deoarece creșterea umidității termodinamice este rezultatul direct al unui proces fizic fundamental și bine înțeles, toate modelele climatice sunt de acord cu această parte-oferindu—ne o încredere foarte mare că ~85% din IVT și creșterile de precipitații pe care le raportăm ar ajunge de fapt la îndeplinire într-un climat viitor mult mai cald.

alte două descoperiri sunt interesante dintr-o perspectivă termodinamică. În primul rând, simulările noastre sugerează că creșterea precipitațiilor în timpul viitoarelor ARs extreme va rămâne în urma creșterii și mai mari a IVT în timpul unor astfel de evenimente. Cu alte cuvinte: în timp ce atât precipitațiile, cât și IVT cresc considerabil, eficiența precipitațiilor (adică precipitațiile pe unitate IVT) scade de fapt într-un climat de încălzire. Aceasta înseamnă că creșterile precipitațiilor ar putea să nu fie la fel de mari pe cât ne-am putea aștepta dacă extrapolăm relațiile istorice dintre precipitații și IVT. Cu toate acestea, în mod izbitor, această scădere a eficienței precipitațiilor se limitează în cea mai mare parte la versanții de vânt și la regiunile favorizate orografic și este mult mai puțin proeminentă în Valea Centrală și în văile laterale ale lee.

În al doilea rând, vom găsi că viitorul California ARs va fi mult mai cald decât cele care au avut loc istoric. Deși acest lucru, în sine, nu este o constatare extrem de surprinzătoare, mai interesant este faptul că ARs-urile extreme se încălzesc de fapt mai puțin decât condițiile climatice de fond (adică încălzirea în perioadele non-AR este mai puternică decât în timpul evenimentelor AR). Lucrările noastre recente au demonstrat că ars contemporane se încălzesc deja substanțial în California, deși la mai puțin decât rata de încălzire de fond (Gonzales și colab. 2019) – sugerând coerența între observațiile recente și proiecțiile viitoare ale modelului în această privință. Cu toate acestea: încălzirea proiectată de 3-5 + F în timpul acestor ARs extreme ar fi mai mult decât suficientă pentru a modifica fundamental echilibrul ploaie/zăpadă la altitudini mai mari—ceea ce înseamnă că marea majoritate a precipitațiilor în timpul ars viitoare ar putea cădea ca ploaie lichidă (mai degrabă decât zăpadă) chiar și la altitudini destul de mari.

ce înseamnă toate acestea pentru gestionarea inundațiilor și a apei în California?

noua noastră lucrare se adaugă unui număr tot mai mare de cercetări care sugerează că California se va confrunta cu furtuni mai calde și mai umede într-un climat de încălzire. Creșterea rezultată a precipitațiilor extreme și a fracțiunii de precipitații care cad sub formă de ploaie, mai degrabă decât zăpadă la altitudini mai mari, va avea loc probabil chiar și în absența unor modificări mari ale precipitațiilor medii globale. Într-adevăr, în lucrările publicate în 2018 (și discutate în detaliu într-o postare anterioară pe blog), am constatat că tendințele proiectate relativ modeste în precipitațiile medii regionale maschează mult o creștere mult mai dramatică a „ploii de precipitații” între creșterea extremelor umede și uscate. În plus, temperaturile de încălzire determină deja o creștere a condițiilor de secetă hidrologică din cauza evaporării crescute atât în California, cât și în vestul American—amplificând în continuare provocările existente de gestionare a apei și stresul ecosistemului.

combinația dintre condițiile „umed umed” și „uscat uscat” suprapuse temperaturilor de încălzire reprezintă provocări speciale în California. Temperaturile de încălzire cresc deja cererea de apă atât pentru uz uman, cât și pentru ecosistemele naturale, în același timp în care încălzirea reduce cantitatea de apă disponibilă—crescând deficitul pe termen lung. Infrastructura modernă de apă din California se bazează puternic pe existența unui pachet de zăpadă „time release” în Sierra Nevada, care a furnizat istoric reaprovizionarea treptată a stocării apei de suprafață în rezervoare în mare parte a sezonului uscat. Odată cu încălzirea, cantitatea și fiabilitatea apei originare din acest „rezervor de zăpadă” de înaltă altitudine vor scădea—reducerea alimentării cu apă. Pe de altă parte, combinația dintre creșterea volumului și intensității precipitațiilor în general, plus un raport mult mai mare de ploaie și zăpadă în munți, va produce probabil o creștere mare a scurgerilor de furtună și o creștere substanțială a riscului de inundații în majoritatea bazinelor hidrografice. Acest lucru poate avea efectul paradoxal al creșterii riscului de inundații pe termen scurt, dar și a deficitului de apă pe termen lung, deoarece vor trebui menținute marje mai largi de siguranță și control al inundațiilor la baraje-permițând o capacitate mai mică de stocare a sezonului umed în spatele acestor structuri. O notă deosebită este creșterea deosebit de mare a ploilor de scurtă durată în cadrul evenimentelor AR deja extreme într-un climat de încălzire. Ratele mai ridicate ale precipitațiilor orare ar crește în mod preferențial riscul de inundații rapide și fluxuri de resturi în zonele sensibile, pe lângă riscurile pe care le prezintă bazinele hidrografice mai mari din cauza precipitațiilor totale crescute.

o abordare potențial promițătoare pentru a atenua aceste riscuri concurente este de a juca în esență unul împotriva celuilalt. Cu alte cuvinte: poate fi posibilă combaterea secetei cu inundații și invers. Cum ar putea funcționa asta? Ei bine, Departamentul de resurse de apă din California (și alte organizații publice & private) explorează deja noi paradigme, inclusiv „reîncărcarea acviferelor gestionate de inundații” (FloodMAR). Ideea de bază este de a lua impulsuri mari de apă din furtuni mari și de a le permite să se răspândească în zonele inundabile predeterminate, amplasate strategic. În unele cazuri, acest lucru poate servi atât la reducerea riscului de inundații pentru zonele urbane (prin eliminarea presiunii barajelor și digurilor), cât și la reducerea riscului de deficit de apă viitor (permițând o porțiune din apa eliberată din rezervoarele de apă de suprafață/Barajele să fie depozitate în acvifere subterane, disponibile pentru utilizare ulterioară). În mod convenabil, aceste câmpii inundate periodic servesc adesea ca habitate „pop-up” pentru speciile native și pe cale de dispariție. Dacă ați condus vreodată pe Interstate 80 Causeway bridge între Davis și Sacramento, ați văzut o câmpie inundabilă gestionată pe scară largă în acțiune: Yolo Bypass. În timp ce acest exemplu special este utilizat în principal pentru a reduce riscul de inundații (mai degrabă decât pentru a reîncărca acviferele), conversațiile sunt în curs de desfășurare în mod activ cu privire la modul în care proiectele existente de succes, cum ar fi Yolo Bypass, ar putea servi drept model pentru viitoarele măsuri de adaptare la climă într-o California mai caldă și mai variabilă.

cât de mult va crește riscul de inundații din cauza acestor furtuni mai calde și mai umede? Stay tuned—avem de lucru în continuare în prezent în revizuire (ca de acest scris) pe exact acest subiect. Și suntem în prezent se îmbarcă pe noi, pe scară largă extreme storm exercițiu de urgență pentru California-ArkStorm 2.0. Acest efort la nivel de stat-care folosește abordarea de reducere a ansamblului mare descrisă în Huang și colab. 2020 pentru a dezvolta secvențe de furtuni atmosferice plauzibile din punct de vedere fizic—va fi lansat mai târziu în acest an și va implica mulți dintre aceiași oameni care au fost implicați în exercițiile originale „ARkStorm” și „ShakeOut”. Cu toate acestea, multe s-au schimbat în comunitățile științifice atmosferice și climatice în ultimul deceniu, așa că considerăm că este extrem de important să oferim o actualizare în concordanță cu starea în evoluție a științei (și starea lumii). Multe detalii sunt încă de determinat, dar stay tuned pentru mai multe în lunile următoare!

cum este acest articol diferit de posturi tipice weather West blog?

Acest articol Special Weather West se concentrează pe cercetarea științifică revizuită de colegii mei și de mine, care a fost publicată recent în Science Advances și discută, de asemenea, lucrările revizuite de alți oameni de știință. Acest lucru înseamnă că conținutul acestei piese se bazează pe constatările din investigațiile științifice formale efectuate de echipe de cercetători, care contrastează cu postările mai tipice Weather West, care se bazează în primul rând pe propriile mele gânduri și analize informale. Aș dori să mulțumesc coautorilor mei în această lucrare-Xingying Huang și Alex Hall—pentru eforturile susținute depuse în finalizarea acestui proiect. (Această lucrare a evoluat de-a lungul mai multor ani de la conceptualizarea sa inițială până la publicarea finală. Finanțarea contribuției mele la această cercetare a fost asigurată printr-un parteneriat între Institutul de mediu și durabilitate al UCLA, Centrul de capacitate pentru Climă și vreme extreme de la Centrul Național de cercetare atmosferică și Conservarea Naturii din California.

o versiune cu acces complet deschis a lucrării (accesibilă în mod liber tuturor!) pot fi vizualizate aici.

infografia care poate fi partajată pe web care ilustrează punctele cheie din lucrările noastre extreme atmospheric river găsite la începutul acestei postări pe blog poate fi reprodusă în orice scop cu o atribuire adecvată. Aș dori să mulțumesc comunicatorului științific Katharine Reich și designerului grafic Rebecca Hume pentru că au făcut acest lucru posibil!

citare: Huang, X., Swain, D. L. și A. Hall. Downscaling ansamblu mare de furtuni extreme fluviale atmosferice din California relevă o creștere mare a precipitațiilor la scară fină, progrese științifice, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.