Цикл углерода в высоких широтах является ключевой обратной связью с глобальной климатической системой, однако из-за её сложности и ограниченности данных в настоящее время существуют разногласия по поводу того, является ли регион источником или поглотителем углерода. Последние достижения в области анализа «больших данных» и рост вычислительной мощности активизировали использование алгоритмов машинного обучения для повышения точности измерений экосистемных процессов на местах и, в некоторых случаях, для прогнозирования отклика этих процессов на изменение климата. Однако из-за ограниченности данных прогнозы этих процессов с помощью моделей машинного обучения почти никогда не подтверждаются независимыми наборами данных. Чтобы лучше понять и охарактеризовать ограничения этих методов, авторы разработали подход для независимой оценки масштабирования и прогнозирования машинного обучения. Они имитируют усилия по масштабированию и прогнозированию на основе данных, применяя алгоритмы машинного обучения к различным подмножествам ячеек сетки региональной модели процесса, а затем тестируют эффективность машинного обучения, используя оставшиеся ячейки сетки. В этом исследовании смоделированы потоки C и данные об окружающей среде на Аляске с использованием ecosys, модели наземной экосистемы с богатым набором учитываемых процессов, а затем применены алгоритмы машинного обучения с ускоренным регрессионным деревом для обучения конфигураций данных, отражающих и расширяющих доступность существующих данных вихревой ковариации AmeriFLUX. Сначала авторы показывают, что модель машинного обучения, использующая выходные данные ecosys с доступных в настоящее время сайтов AmeriFLUX на Аляске, неправильно предсказывает, что Аляска в настоящее время является суммарным источником углерода. Увеличенный пространственный охват обучающего набора данных улучшает прогнозы машинного обучения, уменьшая погрешность вдвое при использовании 240 смоделированных участков вместо 15. Однако даже эта более точная модель машинного обучения неправильно предсказывает потоки углерода на Аляске при изменении климата в XXI веке из-за изменений содержания в атмосфере CO₂, выбрасываемого мусора и состава растительности, влияющих на потоки углерода, которые нельзя вывести из обучающих данных. Эти результаты дают ключевое представление о будущих усилиях по масштабированию потока углерода и раскрывают потенциал неточного масштабирования машинного обучения и прогнозирования динамики углеродного цикла в высоких широтах.

Ссылка: https://www.researchgate.net/publication/366415307_Machine_learning_models_inaccurately_predict_current_and_future_high-latitude_C_balances

Океан поглотил 25 ± 2% всех антропогенных выбросов CO₂ с начала 1960-х до конца 2010-х годов, при этом темпы стока более чем утроились за этот период, при среднем поглощении

–2,7 ± 0,3 Пг C год^–1 за период 1990 - 2019 гг. Этот рост стока соответствует ожиданиям, основанным на увеличении содержания CO₂ в атмосфере, но исследования показали, что сток более изменчив, чем предполагалось ранее. В этом обзоре авторы обсуждают тенденции и изменения стока углерода в океане. В течение 1990-х годов сток стагнировал со скоростью около –2 Пг C год^-1, но снова усилился примерно после 2000 года, достигнув примерно 

–3 Пг C год^-1 в 2010–2019 гг. Наиболее заметные изменения в поглощении произошли в высоких широтах, особенно в Южном океане. Эти вариации вызваны изменениями погоды и климата, но также внесли свой вклад вызванное извержением вулкана снижение скорости роста атмосферного CO₂ и связанное с этим глобальное похолодание. Понимание изменчивости стока углерода в океане имеет решающее значение для разработки политики и прогнозирования его будущей эволюции, особенно в контексте деятельности по инвентаризации Рамочной конвенции ООН об изменении климата и развертывания методов удаления CO₂. Для достижения этой цели потребуются усилия на глобальном уровне для поддержки и расширения существующих сетей наблюдений и лучшей интеграции этих наблюдений с моделями.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00381-x

Экспорт морского льда через пролив Фрама имеет решающее значение для динамической эволюции арктического морского льда и может дополнительно модулировать баланс массы арктического морского льда, а также термохалинную циркуляцию океана. В этом исследовании, основываясь на результатах оптимизированной по параметрам и полной физической модели, связанной с океаном и морским льдом, и наблюдениях за возрастом морского льда, авторы оценивают поток объёма морского льда (ОМЛ) и его возрастную эволюцию через пролив Фрама. Оценка среднегодового потока ОМЛ составляет около 1605±315 км³/год без существенного тренда в 1979-2021 гг. В сочетании с данными о периоде морского оледенения получаются вариации ледового периода и соответствующий ему поток ОМЛ для периода 1984–2020 гг. Поток ОМЛ однолетнего льда значительно увеличивается, как и ожидалось, но его вклад в общий поток в 2010-х гг. всё ещё очень мал и составляет 3,5%. Потоки ОМЛ разного возраста в многолетнем льду имеют разнообразные вариации. Доля льда 2-го и 3-го годов жизни в годовом потоке ОМЛ резко возросла с 6,8% и 25,0% в 1980-х гг. до 49,0% и 38,8% в 2010-х гг. соответственно, в то время как доля льда 4-го года и 5-летнего и старше (5+ лет) значительно уменьшается с 22,8% и 45,0% в 1980-х гг. до 7,1% и 1,6% в 2010-х гг., соответственно. Между тем, преобладающий возраст годового объёма экспорта через пролив Фрама смещается с 4-летнего и 5+ летнего льда на 2-летний и 3-летний лёд примерно в 2007/2008 гг. Стоит отметить, что изменение выноса льда из пролива Фрама модулирует изменение арктического ОМЛ до 2008 г., но после 2008 г. верно обратное, что указывает на уменьшение влияния выноса льда из пролива Фрама на изменчивость арктического ОМЛ с уменьшением ледового периода. Результаты полезны для понимания эволюции экспорта ОМЛ пролива Фрама в условиях потепления в Арктике.

Ссылка: https://www.researchgate.net/publication/366717825_The_evolution_of_the_Fram_Strait_sea_ice_volume_export_decomposed_by_age_estimating_with_parameter-optimized_sea_ice-ocean_model_outputs

Исторически сложилось так, что наблюдательная информация об атмосферной температуре была достаточно скудной. Последние достижения в области спутниковых наблюдений позволяют по-новому взглянуть на тонкую структуру свободной атмосферы, при этом верхняя тропосфера и нижняя стратосфера составляют важные компоненты климатической системы. Это необходимое условие для понимания сложных процессов в этой части атмосферы, которая, как известно, также оказывает большое влияние на приземный климат. Последние климатические наблюдения с беспрецедентным разрешением показывают резкое потепление атмосферы. Тропическая верхняя тропосфера уже прогрелась примерно на 1 К за первые два десятилетия XXI века. Тропосферное потепление распространяется на нижнюю стратосферу в тропиках и средних широтах южного полушария, формируя заметную межполушарную асимметрию в структуре температурного тренда. Вместе с сезонными трендами в стратосфере это указывает на возможное изменение стратосферной циркуляции.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-28222-x

Национальные климатические учреждения структурируют процесс разработки политики по смягчению последствий изменения климата и формируют цели и результаты климатической политики. Страны, в частности, создавали научные организации, принимали климатические законы и создавали новые агентства. Авторы приводят первое систематическое сравнение климатических учреждений по 21 стране среди крупнейших эмитентов парниковых газов. Опираясь на исходный набор данных, они идентифицируют в кластерном анализе «снизу-вверх» четыре национальные модели управления климатом: климатические технократии, сторонники климатического развития, сторонники углеродных фрагментов и «централисты» углерода. Эти национальные модели управления климатом связаны с политическими амбициями и эффективностью. Климатические технократы и сторонники развития, как правило, набирают более высокие баллы, чем сторонники углеродных фрагментов и «централисты», в отношении политических амбиций и результатов. Относительная амбициозность национальных моделей управления связана только с некоторыми макроинституциональными и макроэкономическими особенностями. Это предполагает возможность для национальных и международных директивных органов инвестировать в создание национальных климатических институтов в разных странах для укрепления потенциала климатической политики.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-022-01589-x

2022 год запомнится как третий год подряд в условиях Ла-Нинья. Необычайно разрушительные наводнения произошли в Пакистане, а многолетняя засуха на востоке Южной Америки, западе США и на Африканском Роге ещё более усилилась. 

В глобальном круговороте воды преобладали более тёплые, чем в среднем, океанские воды в западной части Тихого океана и холодные воды - в восточной в сочетании с отрицательным диполем Индийского океана, с относительно тёплой морской водой в восточной и северной частях Индийского океана и прохладной - в его западной части. 

В результате в начале года в Южной Азии образовалась волна тепла, за которой последовал мощный муссон с необычно обильными осадками, вызвавший наводнения и оползни в Пакистане, Афганистане, Индии, Таиланде, Камбодже, Австралии и ряде других стран. 

Между тем количество осадков в Северной и Южной Америке, Африке и Центральной Азии было ниже среднего, что усугубило засушливые условия на западе США, в центре Южной Америки и на Африканском Роге. 

Летом 2022 года в Западной Европе и большей части Китая жара и засуха были отмечены волнами тепла и засухой, когда реки и озёра высохли, прежде чем вернуться к близким к средним условиям в конце года. 

Глобальные осадки — усреднённые за год и по всей площади суши — были очень близки к средним значениям примерно за 2000 год. Однако в последние два десятилетия наблюдались повышение температуры и снижение влажности воздуха, увеличение теплового стресса и потребности в воде для людей, сельскохозяйственных культур, равно как и для экосистем. 

В конце 2022 года засушливые условия сохранялись в Центральной Азии, некоторых частях Северной и Южной Америки и на некоторых островах в западной части Тихого океана, что указывает на риск усиления или нового развития засух.

Полный текст доклада можно найти по адресу: https://wenfo.org/globalwater/wp-content/uploads/2018/09/GlobalWaterMonitor_2022_SummaryReport.pdf

Ссылка: https://wenfo.org/globalwater/2022report/

Описываются два новых метода, которые в сочетании друг с другом могут использоваться для пространственно-временного анализа скорости ветра и высоты волн, тем самым способствуя глобальным исследованиям климата. Во-первых, авторы предлагают уникальный подход к обеспечению надёжности, особенно подходящий для многомерных структурных и экологических динамических системных откликов, численно смоделированных или наблюдавшихся в течение значительного временного диапазона, что даёт репрезентативные эргодические временные ряды. Далее в этой работе представлен новый метод экстраполяции деконволюции*, применимый к широкому спектру экологических и инженерных приложений. Классические подходы к надёжности не могут справиться с динамическими системами высокой размерности и откликами со сложной взаимной корреляцией. Общеизвестно, что совместное изучение скорости ветра и высоты волны представляет собой очень сложную, многомерную, нелинейную систему в окружающей среде. Кроме того, глобальное потепление является важным элементом, влияющим на океанские волны на протяжении многих лет. Кроме того, метод обеспечения надёжности экологических систем имеет решающее значение для конструкций, работающих в любом конкретном регионе и в реальных и часто суровых погодных условиях. Это исследование демонстрирует эффективность предложенного подхода, применяя его к одновременному прогнозированию скорости ветра и высоты волн у буёв NOAA в северной части Тихого океана. Это исследование направлено на оценку современного подхода, извлекающего важную информацию об экстремальных откликах из наблюдаемых временных диаграмм.

*Деконволюция (обратная свёртка) — в математике операция, обратная свёртке сигналов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-28136-8 

Выгоды лесонасаждения, связанные с климатом, зависят от баланса зачастую противоречащих друг другу эффектов - биогеохимических (поглощение углерода) и биогеофизических (радиационный баланс). Известно, что эти эффекты варьируются в континентальном масштабе (например, от бореальных до тропических регионов). Авторы показывают в четырёхлетнем исследовании, что биогеохимический и биогеофизический баланс в парных лесных и нелесных экосистемах на коротких расстояниях (примерно 200 км) и при чрезмерном градиенте засушливости (индекс засушливости от 0,64 до 0,18) может резко измениться. Время, необходимое для того, чтобы эффект охлаждения лесов за счет секвестрации углерода превзошел эффекты потепления, связанные с уменьшением альбедо лесов и подавлением длинноволнового излучения, сократилось с 213 лет в самых засушливых местах до 73 лет в промежуточных и 43 лет в самых влажных местах. Связанные с климатом преимущества лесонасаждений, которые ранее рассматривались в больших пространственных масштабах, должны учитываться при высоком пространственном разрешении в программах смягчения последствий изменения климата, направленных на использование преимуществ обширных нелесных засушливых регионов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-00678-9

Минеральные пылевые аэрозоли влияют на энергетический баланс Земли посредством взаимодействия с радиацией, облаками, химическим составом атмосферы, криосферой и биогеохимическими процессами. В этом обзоре обобщены указанные взаимодействия и оценены результирующие воздействия пыли и изменений в ней на глобальный климат и его изменение. Суммарный эффект взаимодействия пыли на глобальный энергетический баланс Земли — эффективное радиационное воздействие пыли — составляет −0,2 ± 0,5 Вт м⁻² (доверительный интервал 90%), что позволяет предположить, что пыль в итоге имеет охлаждающий эффект. Глобальная масса пыли увеличилась на 55 ± 30% с доиндустриальных времен, в основном за счёт увеличения её из Азии и Северной Африки, что привело к изменениям в энергетическом балансе Земли. Действительно, это увеличение количества пыли привело к глобальному среднему эффективному радиационному воздействию, равному −0,07 ± 0,18 Вт м⁻², что несколько противодействует парниковому потеплению. Существующие климатические модели и оценки климата не отражают историческое увеличение содержания пыли и, таким образом, не учитывают результирующее радиационное воздействие, искажающее прогнозы изменения климата и оценки чувствительности климата. Модельные оценки будущих изменений массы пыли сильно расходятся и являются очень неопределёнными. Таким образом, необходима дальнейшая работа по уточнению радиационного воздействия пыли на климат и улучшению учёта пыли в климатических моделях.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00379-5

Оксиды азота (NOx = NO₂ + NO) играют центральную роль в каталитическом образовании тропосферного озона. Двуокись азота (NO₂) недавно вновь стала ключевым объектом мер по контролю за загрязнением воздуха, и данные наблюдений указывают на ограниченное понимание поведения озона в средах с высоким содержанием NOx. Таким образом, полное понимание механизмов, контролирующих быстрые атмосферные циклы между озоном (O₃)–оксидом азота (NO)–NO₂ в режимах с высоким содержанием NOx на поверхности, имеет первостепенное значение, но остаётся сложным из-за конкурирующих динамических и химических эффектов. Авторы представляют долгосрочные измерения методом вихревой ковариации O₃, NO и NO₂ над городской территорией, позволяющие выделить важные физические и химические процессы. В обобщённом виде полученные результаты показывают, что осадочный поток O₃ вблизи поверхности в городской среде ничтожен по сравнению с потоком, обусловленным химическими превращениями O₃. Это приводит к недооценке соотношения Лейтона* и является ключевым процессом для изменения отношения смеси NO2 в городах. Как следствие, первичные выбросы NO₂ были значительно завышены.  

*Соотношение Лейтона представляет собой уравнение, определяющее концентрацию тропосферного озона в районах, загрязнённых присутствием оксидов азота.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add2365