Extreme atmospheric rivers: hur kommer Kaliforniens starkaste stormar att se ut i ett uppvärmningsklimat?

Obs: Denna speciella Weather West-artikel fokuserar på ny peer-reviewed vetenskaplig forskning, ledd av Xingying Huang, som mina kollegor och jag nyligen publicerade i Science Advances.

atmosfäriska floder i ett Klimatkontext i Kalifornien

atmosfäriska floder (ARs)—långa, slingrande korridorer av vattenånga i rörelse i den nedre halvan av jordens atmosfär—är en viktig aspekt av Kaliforniens svala säsongsklimat. ARs är i många fall ganska unremarkable när de är ute över det öppna havet, synliga på satellit som ett smalt band av molnighet och (vanligtvis) lätt nederbörd. Men när dessa fuktplymer fäster sig vid lågtryckssystem på vintern och landar längs Kaliforniens kust, konsekvenserna kan vara dramatiska—långvarigt kraftigt regn och bergsnö resulterar ofta, tillsammans med ibland kraftfulla vindar. AR-relaterad Nederbörd är starkt orografisk, vilket innebär att den tenderar att vara starkt modulerad av lokal topografi. Som ett resultat uppstår de mest dramatiska ar-relaterade nederbördstotalen vanligtvis på de vindåtgående (syd-och västläge) sluttningarna av Kaliforniens kust-och inre bergskedjor. Nederbördsansamlingar i sådana regioner under de mest extrema AR—händelserna är jämförbara med de som tas emot längs Gulf Coast eller östra kusten under landfallande orkanhändelser-och mäts ibland i fot, snarare än tum. Som sådan, ARs kan vara antingen välsignelse eller en förbannelse, beroende på sammanhang och tidigare förhållanden: De ansvarar för upp till 50% av Kaliforniens totala vattenförsörjning, men också den stora majoriteten av regionens översvämningsrisk.

den stora ensemblemetoden: generera flera troliga förflutna och terminer

eftersom ARs är en så grundläggande aspekt av Kaliforniens historiska klimat är det kritiskt viktigt att förstå hur sådana händelser förändras i en uppvärmningsvärld. Befintlig forskning om klimatförändringar och ARs har tidigare föreslagit att de starkaste händelserna kan intensifieras avsevärt i vissa regioner. Men nästan alla sådana studier hittills har uteslutande förlitat sig på globala klimatmodeller-som är utmärkta verktyg för att förstå hur globalt och regionalt klimat förändras i bredare mening, men är ofta inte tillräckligt granulära för att bedöma förändringar i finskaliga fenomen som ARs. I den studie jag beskriver i detta blogginlägg har mina kollegor och jag försökt lösa denna utmaning genom att använda en högupplöst atmosfärsmodell (Väderforsknings-och prognosmodellen, eller WRF—som vanligtvis används för att göra dagliga väderprognoser) för att simulera ”framtidens stormar” i stor rumslig och tidsmässig detalj. Vi gör det genom att rita initiala storskaliga atmosfäriska förhållanden från traditionella, grovupplösta klimatmodellsimuleringar och tillhandahålla dessa till vädermodellen. På så sätt kan vi systematiskt välja ut enskilda extrema ar-stormhändelser från dessa omfattande klimatmodellsimuleringar och simulera dem med hjälp av ett verktyg som mycket bättre representerar de småskaliga variationerna topografiska quirks som karakteriserar Kaliforniens klimat. Vi fokuserar främst på extrema ARs som har stora effekter i Sierra Nevada, så studien är centrerad främst över centrala och norra Kalifornien.

viktigt är att detta tillvägagångssätt också låter oss överväga flera ”troliga förflutna och troliga framtider.”Klimatmodellen är en del av en stor ensemble av simuleringar, vilket innebär att simuleringarna upprepas 40 gånger för det historiska förflutna och 40 gånger för en varmare framtid. Detta gör det möjligt för oss att fånga ett bredare spektrum av möjliga stormsekvenser i både nuvarande och framtida klimatförhållanden-eftersom vi i huvudsak har skapat en rekord av många dussintals syntetiska men fysiskt troliga extrema stormar under varje period. Det betyder att vi har en stor provstorlek för att jämföra skillnader i stormegenskaper mellan dessa två perioder, vilket är mycket större (med en faktor 40!) än vad som skulle vara tillgängligt genom att titta på den historiska posten ensam.

det är värt att notera att det framtida klimatscenariot vi använder i detta arbete kännetecknas av en fortsatt ökning av växthusgasutsläppen genom det mesta av det 21: a århundradet (RCP8.5, för klimatet wonks där ute)—en bana som är (förhoppningsvis) sämre än vi faktiskt tar under de kommande årtiondena. Ändå kommer de flesta av de effekter vi anser i detta arbete att uppstå även på lägre utsläppsbanor—men långsammare och i mindre grad, helt beroende av vår eventuella framgång med att begränsa och så småningom få noll netto globala koldioxidutsläpp.

starkare, våtare atmosfäriska floder när klimatet värmer

Vi rapporterar betydande (20-30%) ökningar i ar-associerad integrerad vattenångtransport, IVT. (IVT är ett aggregerat mått på AR-styrka som tar hänsyn till både nivån av atmosfärisk vattenånga och styrkan hos transportnivåvindar). Det är viktigt att komma ihåg att vi bedömer händelser som är ganska sällsynta och extrema—och det är intressant att notera att det sammansatta IVT-mönstret för både nuvarande era och framtida extrema ARs ser mycket ut som den kanoniska ”Pineapple Express” delmängden av ARs. Det antyder att de största troliga AR-stormarna i Kalifornien sannolikt kommer att vara händelser med en djup subtropisk fuktkran, som sammanfaller med ett relativt förstärkt meridionalt flödesmönster över norra Stilla havet med en stark uppströms blockerande ås över Beringhavet och ett djupt lågtryckscenter strax nordväst om Kalifornien.

vi finner en väsentlig ökning av mängden nederbörd som faller under extrema ARs i ett varmare klimat nästan överallt vi ser—men de största relativa förändringarna är inte alltid där du kan förvänta dig. Dessa ökningar sträcker sig från 15-30% på de orografiskt gynnade västra sluttningarna av Sierra Nevada och Kustbergen, 25-40% i slätterna och regnskuggade områden i Central Valley och mindre kustdalar, och lokalt 50% eller mer i de starkt regnskuggade lee-sidodalarna i fjärran östra Kalifornien och västra Nevada. (Absoluta ökningar är naturligtvis fortfarande större i de orografiskt gynnade områdena). Detta rumsliga mönster av extrem ar-nederbördsökning tyder på att händelser kan bli något mindre starkt orografiska i naturen—vilket innebär att andra fysiska processer än enkel orografisk upplyftning kan bli viktigare i en varmare framtid. Detta ger upphov till potentiellt överdrivna ökningar av nederbörd på platser som inte historiskt är vana vid att se stora volymer AR-associerad nederbörd.

påfallande stora ökningar i de mest intensiva timmars nedgångar

en av fördelarna med att använda en högupplöst vädermodell i denna undersökning är att vi kan överväga AR-egenskaper vid hög rumslig och tidsmässig granularitet. När vi gjorde det fann vi något ganska slående: ökningen av den mest intensiva timliga nederbörden under extrema AR-händelser ökar med en betydligt större ökning och på ett mer rumsligt enhetligt sätt än händelse–total nederbörd-30-50% nästan överallt. Detta innebär att de mest intensiva skyfall under extrema ar stormar kommer att bli betydligt mer intensiv oavsett om du är på en sydvästläge bergssluttning eller i Central Valley. Den rumsliga likformigheten i denna maximala nederbördsökning per timme tyder starkt på att detta också inte drivs av orografiska processer. Vad kan det vara istället? Medan vi inte direkt diagnostiserar mekanismerna i detta dokument kan det vara så att framtida extrema ar i en varmare värld är lite mer konvektivt instabila än vad vi har varit vana vid historiskt. Den vertikala stabilitetsprofilen för samtida är vanligtvis” fuktigneutral ” (för meteorologerna där ute), vilket innebär att ett luftpaket kommer att stiga utan motstånd om det aktivt lyfts (genom orografisk interaktion eller frontaltvingning) men kommer inte att stiga spontant på grund av dess inneboende flytkraft (som kan uppstå under en sommar åskväder, till exempel). Eftersom atmosfären på lägre nivå under framtida extrema ar kommer att bli mycket varmare och fuktigare är det möjligt att dessa lägre nivåförändringar överstiger de som förekommer högre upp i atmosfärskolonnen—vilket leder till starkare fuktig konvektiv instabilitet. Nu är den här sista biten informerad spekulation från min sida, men det är något vi definitivt planerar att titta närmare på i framtida arbete.

vad händer här? Det är (mestadels) ner till termodynamik.

den stora majoriteten av dessa projicerade nederbördsökningar—cirka 85%–härrör från det enkla faktum att atmosfärens vattenånga håller kapacitet ökar snabbt (exponentiellt faktiskt) med stigande atmosfäriska temperaturer. Även om detta inte betyder att luftfuktigheten alltid kommer att vara högre i en uppvärmningsvärld, betyder det att när förhållandena är nära mättnad—som nästan alltid uppstår i AR—miljöer-kommer denna ökade vattenångapotential att realiseras. Som ett resultat är den varmare atmosfären i sig direkt ansvarig för en majoritet av ökningen av vattenångtransport och efterföljande nederbörd under extrema AR-händelser i ett uppvärmningsklimat.

den andra ~15% av denna ökning härrör från blygsamma projicerade ökningar i styrkan hos västliga vindar (i mitten atmosfären, runt nivån på lågnivåstrålen) under extrema AR-händelser. Detta ytterligare bidrag från framtida vindskift är faktiskt mest uttalat över centrala och södra Kalifornien, snarare än i norr. Denna pusselbit är fortfarande lite mer osäker än den termodynamiskt bidragande fuktökningen, eftersom olika klimatmodeller inte är överens om huruvida dessa västliga vindar kommer att öka. Men eftersom den termodynamiska fuktökningen är det direkta resultatet av en grundläggande och väl förstådd fysisk process, är alla klimatmodeller överens om den delen-vilket ger oss mycket högt förtroende för att ~85% av IVT och nederbördsökningarna vi rapporterar skulle faktiskt komma till nytta i ett mycket varmare framtida klimat.

två andra fynd är intressanta ur ett termodynamiskt perspektiv. För det första tyder våra simuleringar på att nederbördsökningen under framtida extrema ARs kommer att släpa den ännu större IVT-ökningen under sådana händelser. Med andra ord: medan både nederbörd och IVT ökar avsevärt minskar nederbördseffektiviteten (dvs. nederbörd per enhet IVT) faktiskt i ett uppvärmningsklimat. Detta innebär att nederbördsökningarna kanske inte är lika stora som man kan förvänta sig om man extrapolerar historiska förhållanden mellan nederbörd och IVT. Påfallande är dock denna minskning av nederbördseffektiviteten mestadels begränsad till vindbackarna och orografiskt gynnade regioner och är mycket mindre framträdande över Central Valley och lee Side dalar.

För det andra finner vi att framtida Kalifornien ARs kommer att vara mycket varmare än de som inträffade historiskt. Medan det i sig inte är ett oerhört överraskande resultat, är det mer spännande att extrema ARs faktiskt värmer mindre än bakgrundsklimatförhållandena (dvs uppvärmningen under icke-AR-perioder är starkare än under AR-händelser). Vårt senaste arbete har visat att samtida ar redan värmer väsentligt i Kalifornien, men vid mindre än bakgrundsuppvärmningshastigheten (Gonzales et al. 2019) – föreslår överensstämmelse mellan de senaste observationerna och framtida modellprognoser i det avseendet. Ändå: den 3-5 + F-projicerade uppvärmningen under dessa extrema ARs skulle vara mer än tillräckligt för att fundamentalt förändra regn/snöbalansen vid högre höjder, vilket innebär att den stora majoriteten av nederbörd under framtida ARs kan falla som flytande regn (snarare än snö) även vid ganska höga höjder.

vad betyder allt detta för översvämning och vattenhantering i Kalifornien?

vårt nya arbete lägger till en växande mängd forskning som tyder på att Kalifornien kommer att möta varmare, våtare stormar i ett uppvärmningsklimat. Den resulterande ökningen av extrem nederbörd, och i fraktionen av nederbörd som faller som regn snarare än snö vid högre höjder, kommer sannolikt att inträffa även i avsaknad av stora förändringar i den totala genomsnittliga nederbörden. I arbetet som publicerades 2018 (och diskuterades i detalj i ett tidigare blogginlägg) fann vi faktiskt att relativt blygsamma projicerade trender i regional genomsnittlig nederbörd maskerar mycket en mycket mer dramatisk ökning av ”nederbördspisk” mellan ökande våta och torra ytterligheter. Utöver detta driver uppvärmningstemperaturerna redan en ökning av hydrologiska torkförhållanden på grund av ökad avdunstning både i Kalifornien och över det amerikanska väst—vilket ytterligare förstärker befintliga vattenhanteringsutmaningar och ekosystemspänningar.

kombinationen av” våtare våta ”och” torrare torra ” förhållanden som läggs på uppvärmningstemperaturer innebär speciella utmaningar i Kalifornien. Uppvärmningstemperaturer ökar redan vattenbehovet både för mänskligt bruk och av naturliga ekosystem samtidigt som uppvärmningen minskar mängden tillgängligt vatten—ökande knapphet på lång sikt. Kaliforniens moderna vatteninfrastruktur är starkt baserad på förekomsten av en ”time release” snowpack i Sierra Nevada, som historiskt gav gradvis påfyllning av ytvattenlagring i reservoarer under mycket av den torra säsongen. Med uppvärmning kommer mängden och tillförlitligheten av vatten som härrör från denna höga höjd ”snowpack reservoir” att minska—vilket begränsar vattenförsörjningen. Å andra sidan kommer kombinationen av ökande nederbördsvolym och intensitet totalt sett, plus ett mycket högre förhållande mellan regn och snö i bergen, sannolikt att ge en stor ökning av stormavrinningen och en betydande ökning av översvämningsrisken i de flesta vattendrag. Detta kan ha den paradoxala effekten av ökad kortvarig översvämningsrisk men också långvarig vattenbrist, eftersom bredare säkerhets-och översvämningskontrollmarginaler vid dammar kommer att behöva bibehållas—vilket möjliggör mindre lagringskapacitet för våt säsong bakom dessa strukturer. Av särskilt intresse är den särskilt stora ökningen av kortvariga nedgångar inom redan extrema AR-händelser i ett uppvärmningsklimat. Högre nederbörd per timme skulle företrädesvis öka risken för översvämningar och skräpflöden i mottagliga områden, utöver riskerna för större vattendrag från ökad händelse-Total nederbörd.

ett potentiellt lovande tillvägagångssätt för att mildra dessa konkurrerande risker är att i huvudsak spela en mot den andra. Med andra ord: det kan vara möjligt att bekämpa torka med översvämning och vice versa. Hur kan detta fungera? Tja, Kaliforniens avdelning för vattenresurser (och andra offentliga & privata organisationer) utforskar redan nya paradigmer inklusive ”flood-managed aquifer recharge” (FloodMAR). Grundtanken är att ta stora pulser av vatten från stora stormar och låta det sprida sig över förutbestämda, strategiskt placerade flodslätter. I vissa fall kan detta både minska översvämningsrisken för stadsområden (genom att ta bort tryck från dammar och vallar) och minska risken för framtida vattenbrist (genom att låta en del av vattnet som släpps ut från ytvattenreservoarer/dammar lagras i underjordiska akviferer, tillgängliga för senare användning). Bekvämt fungerar dessa periodiskt översvämmade floodplains ofta som” pop-up ” livsmiljöer för inhemska och hotade arter. Om du någonsin har kört på Interstate 80 causeway bridge mellan Davis och Sacramento, har du sett en storskalig hanterad flodslätt i aktion: Yolo Bypass. Medan detta speciella exempel används främst för att minska översvämningsrisken (snarare än att ladda upp vatten), pågår samtal aktivt om hur framgångsrika befintliga projekt, som Yolo Bypass, kan fungera som en modell för framtida klimatanpassningsåtgärder i ett varmare, mer varierande Kalifornien.

hur mycket kommer översvämningsrisken att öka på grund av dessa varmare, våtare stormar? Håll dig uppdaterad – Vi har ytterligare arbete för närvarande i granskning (när detta skrivs) på just det ämnet. Och vi inleder för närvarande en ny storskalig extrem stormberedskapsövning för Kalifornien-ArkStorm 2.0. Denna statewide strävan-som använder den stora ensemble nedskalning strategi som beskrivs i Huang et al. 2020 för att utveckla fysiskt troliga atmosfäriska flodstormsekvenser-kommer att lanseras senare i år och kommer att involvera många av samma personer som var involverade i de ursprungliga ”ARkStorm” och ”ShakeOut” – övningarna. Mycket har förändrats i de atmosfäriska och klimatvetenskapliga samhällena under det senaste decenniet, men vi anser att det är kritiskt viktigt att tillhandahålla en uppdatering som överensstämmer med vetenskapens utvecklande tillstånd (och världens tillstånd). Många detaljer är fortfarande att bestämma, men håll ögonen öppna för mer under de kommande månaderna!

hur skiljer sig den här artikeln från typiska Weather West-blogginlägg?

denna speciella Weather West-artikel fokuserar på peer-reviewed vetenskaplig forskning av mina kollegor och jag som nyligen har publicerats i Science Advances, och diskuterar också peer-reviewed arbete av andra forskare. Det innebär att innehållet i detta stycke är baserat på resultat från formella vetenskapliga undersökningar av forskargrupper, vilket står i kontrast till mer typiska Vädervästposter som främst bygger på mina egna informella tankar och analyser. Jag vill tacka mina medförfattare i detta arbete—Xingying Huang och Alex Hall—för deras fortsatta ansträngningar för att slutföra detta projekt. (Detta arbete utvecklades under flera år från dess ursprungliga konceptualisering till slutlig publicering.) Finansiering för mitt bidrag till denna forskning tillhandahölls genom ett partnerskap mellan UCLA: s institut för miljö och hållbarhet, Capacity Center for Climate and Weather Extremes vid National Center for Atmospheric Research och Nature Conservancy of California.

en helt öppen version av papperet (fritt tillgänglig för alla!) kan ses här.

den webbdelbara infografiken som illustrerar viktiga punkter från vårt extrema atmosfäriska flodarbete som hittades i början av detta blogginlägg kan reproduceras för vilket ändamål som helst med korrekt tillskrivning. Jag vill tacka science communicator Katharine Reich och grafisk formgivare Rebecca Hume för att göra detta möjligt!

citat: Huang, X., Swain, D. L. och A. Hall. Stor ensemble nedskalning av extrema atmosfäriska flodstormar i Kalifornien avslöjar stor ökning av finskalig nederbörd, Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.aba1323.