В этой статье представлены обзор и демонстрация новых поплавковых методов количественной оценки валовой первичной продукции (gross primary production, GPP) и чистой продукции сообществ (net community production, NCP) с использованием данных буёв Biogeochemical-Argo (BGC-Argo). В недавних публикациях описаны методы оценки GPP, основанные на обнаружении суточных колебаний концентрации кислорода или твёрдых частиц органического углерода в верхних слоях океана с использованием одиночных профилографов или комбинации буёв BGC-Argo. Методы оценки NCP основаны на расчётах бюджета для разделения наблюдаемых изменений индикаторов на физические или биологические процессы, происходящие в течение времени, превышающего 1 день. В настоящее время многолетние временные ряды NCP возможны с разрешением, близким к еженедельному, с использованием последовательного или одновременного поплавкового развёртывания в локальных масштабах. Результаты, однако, чувствительны к выбору индикатора, используемого в бюджетных расчётах, и к неопределённостям в параметризации бюджета, применяемой в различных подходах оценки NCP. Десятилетние расчёты GPP для всего бассейна в настоящее время возможны с использованием данных, собранных со всего массива BGC-Argo, но более точное пространственное и временное разрешение требует большего количества развёртываний буёв для построения кривых суточных трассеров. Прогнозируемого глобального массива BGC-Argo из 1000 поплавков должно быть достаточно для получения годовых оценок GPP с разрешением по широте 10°, если буи имеют профиль с нецелыми интервалами (например, 5,2 или 10,2 дней). Устранение текущих ограничений поплавковых методов должно обеспечить расширенный пространственный и временной охват морских измерений GPP и NCP, способствуя определению в глобальном масштабе потенциала экспорта углерода, обучению спутниковых алгоритмов первичного производства и оценке биогеохимических численных моделей. Целью данной работы является содействие более широкому использованию поплавковых методов оценки GPP и NCP как отдельных или комбинированных инструментов океанографическим сообществом и содействие их дальнейшему развитию.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/21/13/2024/

Данные наблюдений и результаты экспериментов с климатическими моделями предполагают замедление Атлантической меридиональной термохалинной циркуляции (АМТЦ) с середины 1990-х годов. Считается, что увеличение выбросов парниковых газов и снижение количества антропогенных аэрозолей над Северной Америкой и Европой способствуют замедлению АМТЦ. Содержание азиатских антропогенных аэрозолей продолжает расти, но связанное с этим влияние остается неясным. Используя совокупность климатических моделей, авторы показывают, что радиационное охлаждение, возникающее в результате увеличения количества азиатских антропогенных аэрозолей, приводит к сокращению АМТЦ. Усиление антропогенных аэрозолей над Азией порождает окологлобальные стационарные волны Россби в северных средних широтах, смещающие западное струйное течение на юг и ослабляющие субполярные западные ветра Северной Атлантики. Следовательно, уменьшение переноса холодного воздуха из Северной Америки препятствует трансформации водных масс в Лабрадорском море и тем самым способствует замедлению АМТЦ. Связь между увеличением содержания азиатских антропогенных аэрозолей и замедлением АМТЦ подтверждается разными моделями с разными конфигурациями. Таким образом, сокращение выбросов азиатских антропогенных аэрозолей не только снизит загрязнение местного воздуха, но и поможет стабилизировать АМТЦ.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-44597-x

Целью работы является разработка региональной аэрозольной модели Среднего Урала (модель MUrA) на основе совместного анализа долговременных наземных фотометрических измерений Aerosol Robotic NETwork (AERONET) и результатов лидарных измерений CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation), опирающийся на информацию о воздушных траекториях на разных высотах, рассчитанную с использованием программного пакета HYSPLIT (гибридная лагранжева интегрированная модель траектории одной частицы). Модель MUrA содержит параметры нормированных объёмных распределений по размерам (Normalized Volume Size Distributions, NVSD), характеризующие подтипы тропосферных аэрозолей, обнаруженные спутником CALIPSO. При сравнении оценок модели MUrA с глобальной моделью аэрозолей CALIPSO (CAMel) авторы обнаружили значительные различия в NVSD для повышенного задымления и типов чистых континентальных аэрозолей. NVSD для типов пыли и загрязнённых континентальных/дымовых аэрозолей в глобальной и региональной моделях различаются гораздо меньше. Суммарные объёмы аэрозольных частиц в столбе атмосферы, восстановленные по спутниковым измерениям коэффициента затухания на длине волны 532 нм на основе региональной модели MUrA и глобальной CAMel, сравниваются с данными инверсии AERONET. Средняя ошибка смещения для региональной модели составляет 0,016 мкм³/мкм², а для глобальной модели — 0,043 мкм³/мкм².

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/1/48

Вариации в распределении солнечной радиации, обусловленные ~10⁵-летним циклом Миланковича, связанные с изменением эксцентриситета Земли, не могут объяснить резкое падение температуры на 6°C ÷ 10°C, знаменующее переход от межледниковья к ледниковому периоду, зарегистрированный за последние ~5,5×10⁶ лет в ходе изменения температуры. Более конкретно, пренебрегая другими эффектами, к этому циклу можно отнести только изменение температуры на 0,2°C ÷ 0,3°C и, следовательно, для объяснения зарегистрированного эффекта следует учитывать эффекты положительной обратной связи. В настоящей работе выполнен сравнительный вейвлет-Фурье-анализ восстановленной температуры из архива данных станции «Восток», для которого учтены различные шаги дискретизации. Затем рассматривается и обсуждается исследование эффектов экспоненциальной обратной связи в модели параметрического резонанса климата. Полученные данные свидетельствуют об экспоненциальном усилении изменений температуры от межледниковья к ледниковому периоду, что подтверждает гипотезу о том, что энергизация системы связана с периодическими изменениями внутренних параметров Солнечной системы. Более подробно показано, что, следуя параметрической резонансной модели климата, даже небольшие колебания увеличиваются со временем пропорционально самой энергии системы, т.е. экспоненциально, и, следовательно, серия связанных резонансов способна возбудить климатическую систему.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-50350-7

Дефицит давления водяного пара отражает разницу между тем, сколько влаги может удерживать атмосфера и сколько она действительно содержит, — фактор, который фундаментально влияет на суммарное испарение, функционирование экосистемы и поглощение углерода растительностью. Его пространственная изменчивость и долгосрочные тенденции в условиях естественного или антропогенного климата плохо известны, несмотря на то, что они необходимы для прогнозирования будущих последствий для природных экосистем и человеческого общества, таких как урожайность сельскохозяйственных культур, лесные пожары и здоровье. Авторы объединили региональные реконструкции изменчивости доиндустриального летнего дефицита давления водяного пара из крупнейшей в Европе сети изотопов кислорода древесно-кольцевой целлюлозы с данными наблюдений и оценками моделей системы Земли с учётом и без вмешательства человека. Показано, что усиление высыхания атмосферы в последние десятилетия в различных европейских целевых регионах является беспрецедентным в доиндустриальном контексте и что оно с вероятностью более 98% объясняется влиянием человека. Величина этого тренда является наибольшей в Западной и Центральной Европе, регионе Альп и Пиренеев и наименьшей в южной Фенноскандии. Ввиду сильной засухи и сложных явлений последних лет дальнейшее высыхание атмосферы представляет повышенный риск для растительности, особенно в густонаселённых районах европейских низменностей с умеренным климатом.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01335-8

Глобальный нагрев системы Земли бесспорен. Однако обнаружение его ускорения до сих пор остаётся невозможным, несмотря на убедительные доказательства потенциального увеличения скорости нагрева. В этом исследовании показано, что с 1960 года потепление Мирового океана ускорялось с относительно постоянной скоростью 0,15 ± 0,05 (Вт/м²)/десятилетие, в то время как суша, криосфера и атмосфера демонстрировали темп с ускорением 0,013 ± 0,003 (Вт/м²)/десятилетие. Это привело к существенному увеличению потепления океана с величиной 0,91 ± 0,80 Вт/м² в период с 1960–1970 по 2010–2020 гг., что перекрывает значительную десятилетнюю изменчивость потепления океана, составляющую до 0,6 Вт/м². Эти результаты выдерживают широкий спектр анализов чувствительности и согласуются с различными наборами данных, основанных на наблюдениях. Долгосрочное ускорение потепления Земли качественно согласуется с ростом концентрации CO₂ и снижением концентрации аэрозолей в тот же период, но необходимы дальнейшие исследования, чтобы правильно объяснить эти изменения.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-49353-1

Методы, основанные на данных, широко применяются для прогнозирования состава атмосферы. Здесь исследуются возможности модели глубокого обучения для прогнозирования содержания озона (O₃) на континентах в Китае, США и Европе. Модель глубокого обучения была настроена и проверена с помощью приземных наблюдений содержания O₃ в Китае и США в 2015–2018 гг. Модель глубокого обучения применялась для прогнозирования почасового содержания O₃ на поверхности трёх континентов в 2015–2022 гг. По сравнению с базовым моделированием с использованием модели GEOS-Chem, анализ показывает средние отклонения 2,6 и 4,8 мкг/м³ с коэффициентами корреляции 0,94 и 0,93 (модель глубокого обучения); и средние отклонения 3,7 и 5,4 мкг/м³ с коэффициентами корреляции 0,95 и 0,92 (модель GEOS-Chem) в Европе в 2015–2018 и 2019–2022 гг. соответственно. Сопоставимые характеристики моделей глубокого обучения и GEOS-Chem указывают на потенциал модели глубокого обучения делать надёжные прогнозы в пространственных и временных областях, где множество локальных наблюдений для обучения недоступно.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL104928

Сокращение выбросов метана в атмосферу является неотложным приоритетом для замедления краткосрочных изменений климата. Спутники обладают уникальными возможностями для точного определения источников метана с целью поддержки действий по борьбе с изменением климата, но нынешняя система наблюдений полностью находится на низкой околоземной орбите и, следовательно, испытывает трудности с выявлением и количественной оценкой переходных выбросов. Авторы демонстрируют непрерывный пятиминутный мониторинг крупных точечных источников метана с помощью геостационарных операционных спутников окружающей среды США (GOES). Это применено для количественной оценки экстремального выброса метана за три часа из газопровода в Дуранго, Мексика. Обнаружены другие крупные выбросы продолжительностью менее одного часа из нефтегазовой инфраструктуры. Эти результаты демонстрируют потенциал непрерывного мониторинга крупных точечных источников метана с геостационарной орбиты.

Авторы демонстрируют результаты крупных точечных источников метана с помощью геостационарных оперативных экологических спутников США (GOES). GOES обеспечивает непрерывное покрытие Северной и Южной Америки в течение 5–10 минут с разрешением надира от 1 до 2 км в двух коротковолновых инфракрасных спектральных диапазонах, из которых можно извлечь большие шлейфы метана. Авторы отслеживают полную динамику экстремального выброса метана из газопровода Эль-Энсино-Ла-Лагуна в Дуранго, Мексика, 12 мая 2019 года. Выброс длился три часа с переменной скоростью от 260 до 550 метрических тонн метана в час и составил от 1130 до 1380 метрических тонн. Сообщается о нескольких других случаях обнаружения переходных точечных источников в нефтегазовой инфраструктуре, из которых делается вывод о пределе обнаружения от 10 до 100 т/ч. Эти результаты показывают, что экстремальные выбросы метана могут длиться менее часа, например, в результате преднамеренного выброса, и поэтому их будет трудно идентифицировать и количественно оценить с помощью спутников на низкой околоземной орбите.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310797120

Климатические прогнозы, полученные с помощью глобальных климатических моделей, подвержены неопределённостям из-за множества источников. Существующая структура, основанная на дисперсионном анализе для разделения таких неопределённостей, не может учитывать эффект взаимодействия между глобальными климатическими моделями и внутренней изменчивостью климата, который по значимости занимает лишь второе место после основного эффекта глобальных климатических моделей. В этой работе представлена трёхфакторная структура дисперсионного анализа и исследованы все основные эффекты и эффекты взаимодействия. Результаты показывают, что, хотя общая неопределённость в основном обусловлена основными эффектами, эффекты взаимодействия значительны. В частности, в XXI веке глобальные средние (рассчитанные на уровне ячеек сетки, а затем усреднённые) относительные вклады всех основных эффектов составляют 54% для осадков и 82% для температуры; таковые для всех эффектов взаимодействия составляют соответственно 46% и 18%. Поскольку трёхфакторный дисперсионный анализ не может исследовать компоненты неопределённости, возникающие из источников неопределённости, он улучшается за счёт определения взаимосвязи между её компонентами, обусловленными источниками неопределённости, и компонентами, возникающими в результате основных эффектов и эффектов взаимодействия. С помощью улучшенного трёхфакторного дисперсионного анализа общая неопределённость разлагается на компоненты неопределённости, возникающие в результате сценария выбросов (S), глобальных климатических моделей (M) и внутренней изменчивости климата (V). Результаты показывают, что вклад в общую неопределённость в основном вносится M в XXI веке для осадков и M до 2060-х годов, а затем S для температуры. Надёжность характеристики V оценивается путём исследования изменения V в зависимости от числа включённых членов ансамбля. Степень недооценки вклада V составляет примерно в среднем 4% для осадков и 1% для температуры.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/37/2/JCLI-D-23-0064.1.xml

Авторы разрабатывают модель многолетней мерзлоты с подвижной сеткой, содержащую модуль расчёта проседания грунта для оценки его влияния на моделирование многолетней мерзлоты при различных сценариях потепления. Включение процесса проседания грунта в моделирование многолетней мерзлоты приводит лишь к относительно небольшому улучшению воспроизведения поля температуры грунта, что подтверждается наблюдениями с двух точек на Цинхай-Тибетском нагорье. Показано, что игнорирование проседания грунта приводит к большей толщине активного слоя, но меньшей исходной толщине оттаявшей многолетней мерзлоты при моделировании её изменений в условиях потепления климата. Тепло, потребляемое изменениями многолетней мерзлоты, будет недооценено в моделях, не учитывающих проседание грунта. Эффекты, которые оказывает проседание грунта при моделировании многолетней мерзлоты, чётко демонстрируются в сценарии сильного потепления, которое повлияет на глобальный энергетический бюджет. Прогнозы показывают, что температура многолетней мерзлоты в зоне сплошной многолетней мерзлоты Цинхай-Тибетского нагорья может быть близка к температуре фазового перехода и стать нулевым температурным градиентом в 2030–2040 гг. по сценарию SSP5-8.5, и к этому времени возникнет большой риск проседания грунта. В регионах многолетней мерзлоты с богатым подземным льдом распространяющиеся вниз температурные сигналы, вызванные проседанием грунта, более ослаблены. Однако ошибка расчёта тепла будет больше в моделировании, не учитывающем проседание грунта. В этом исследовании количественно оцениваются последствия проседания грунта, что может обеспечить лучшее понимание таяния многолетней мерзлоты и энергетического баланса на Цинхай-Тибетском нагорье.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/1/12