Летнее Североатлантическое колебание является основным режимом атмосферной изменчивости в североатлантическом регионе и оказывает значительное влияние на региональный летний климат Европы, Северной Америки и Азии. Однако современные системы динамического сезонного прогнозирования не демонстрируют значительных успехов в прогнозировании летнего Североатлантического колебания, в результате чего общество оказывается плохо подготовленным к экстремальным летам. Здесь показана неожиданная роль стратосферы в возникновении летнего Североатлантического колебания как в системах наблюдений, так и в системах прогнозирования климата. Обнаружено, что аномальная сила полярного вихря нижней стратосферы поздней весной распространяется вниз и влияет на летнее Североатлантическое колебание. Определены окна возможностей для полезных уровней качества прогнозирования летнего Североатлантического колебания как в 50% лет, когда поздневесенний полярный вихрь аномально силен/слаб, так и, возможно, раньше, если в конце зимы произойдёт внезапное потепление в стратосфере. Однако авторы показывают, что динамические сигналы модели являются ложно слабыми, и для получения надёжных сигналов требуются большие ансамбли, и идентифицируют летний «парадокс сигнала к шуму», обнаруженный в зимней атмосферной циркуляции. Эти результаты открывают возможности для ряда новых летних климатических услуг, в том числе для сельского хозяйства, водного хозяйства и здравоохранения.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-01063-2

В условиях продолжающегося уплотнения городов выявление воздействия городских структур на тепловую среду необходимо для проектирования, адаптивного к климату. В этом исследовании использовались графики «случайного леса» и частичных разностей, чтобы отобразить относительную важность и взаимозависимые эффекты сложной морфологии зданий на изменчивость температуры поверхности Земли. Были рассчитаны шесть пространственных факторов: плотность застройки, средняя высота здания, разница высот зданий, коэффициент площади этажа, объёмная плотность здания и средний коэффициент компактности на сетках 90, 300, 600 и 900 м. Результаты показали, что плотность застройки, средний коэффициент компактности и средняя высота здания оказывали стабильное и значительное влияние на температуры поверхности Земли с самой высокой точностью прогноза в масштабе окрестности 600 м, а коэффициент площади этажа и объёмная плотность здания наименее коррелировали с изменениями температуры поверхности Земли. Между тем, влияющие факторы имели разные структуры корреляции с температурой поверхности Земли. Среди них увеличение плотности застройки оказало положительное линейное влияние на температуру поверхности Земли. Средний коэффициент компактности и средняя высота здания нелинейно коррелировали с изменением температуры поверхности Земли, а также были идентифицированы их пороговые значения охлаждающего эффекта. В дополнение к контролю над плотностью застройки было также высказано предположение, что комплексное обустройство большего числа зданий небольшого объёма, а также увеличение высоты зданий для роста теневого покрытия в большей степени способствуют смягчению воздействия тепла на Землю.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-46437-w

Фракция морского льда над морями Росса/Амундсена/Беллинсгаузена изучается с использованием современного ретроспективного анализа для исследований и применения MERRA-2, с упором на различия во временной реакции на Эль-Ниньо – Южное Колебание (ЭНЮК) между концом ХХ (1980–2000 гг., L20) и началом XXI века (2001–2021 гг., E21). Результаты показывают, что типичная реакция Антарктики на ЭНЮК зависит от изменений типа/интенсивности ЭНЮК, что подчёркивает необходимость осторожности при исследовании антарктической удалённой связи. Регрессии с задержкой по времени на зрелую фазу Эль-Ниньо показывают, что снижение фракции морского льда и увеличение температуры поверхности моря по сравнению с морями Росса/Амундсена/Беллинсгаузена относительно слабее в E21 и наиболее выражено при лаге 0–4 месяца. И наоборот, фракция морского льда в L20 продолжает снижаться и достигает своего пика с двухсезонным лагом (5–7 месяцев). Тропосферный ветер, давление и волновая активность в ответ на Эль-Ниньо в L20 демонстрируют зонально ориентированные области высокого/низкого давления с двухсезонным лагом, усиливая поток, направленный к полюсу, играющий ключевую роль в таянии морского льда в морях Росса/Амундсена/Беллинсгаузена, в то время как эта закономерность в Е21 незначительна при том же лаге. Это исследование предполагает, что более сильные (более слабые) и более восточные (центральные) ЭНЮК Тихого океана в среднем в L20 (E21) связаны с этим десятилетним изменением реакции фракции морского льда на ЭНЮК.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/11/1659

Глобальное потепление в XXI веке изменит частоту экстремальных климатических явлений, таких как высокотемпературные аномалии и «волны тепла». Наблюдения за экстремально высокими температурами в течение последних десятилетий выявили тенденцию к увеличению частоты их возникновения, а современные модели глобального климата, например, проекта взаимного сравнения климатических моделей (CMIP), в частности, CMIP5 и CMIP6, предсказали ускорение температурных тенденций и явлений высоких температур к 2100 году в соответствии с прогнозируемыми сценариями выбросов парниковых газов. Таким образом, ожидается, что в XXI веке произойдут существенные изменения в возникновении экстремальных явлений, когда современные экстремальные, но редкие явления с высокой температурой станут обычным явлением в летние месяцы. Растущая частота экстремальной жары может повлиять на здоровье и устойчивость социальных, биологических и инфраструктурных систем во многих регионах мира, подчёркивая необходимость точных и надёжных долгосрочных оценок климатических изменений в глобальном и региональном масштабах. До сих пор многие исследования экстремальных высоких температур проводились в рамках сценариев «конечной точки», например, путём сравнения прогнозируемых моделями глобального климата изменений частоты экстремальных высоких температур, ожидаемых в конце XXI века относительно конца XX века. В этом исследовании авторы использовали теорию экстремальных значений и десятилетия наблюдений экстремальных высоких температур на тысячах метеорологических станций по всей Северной Америке, чтобы исследовать непрерывные сдвиги в частоте экстремально высоких температур из-за прогнозируемых тенденций локального потепления. Обнаружено, что вероятность превышения 50-летних экстремально высоких температур возрастает экспоненциально с увеличением средней местной температуры. На большинстве изученных здесь станций повышение местной средней температуры на 0,5–1°С может удвоить вероятность превышения 50-летних экстремально высоких температур. Судя по прогнозам температуры, зависящим от времени, вероятность превышения 50-летних явлений экстремально высоких температур удваивается примерно каждые 20 лет (или раньше) для 96% станций. Более того, обнаружено, что для 80% исследованных станций в Северной Америке 50-летние экстремально высокие температуры будут превышаться ежегодно до 2100 года.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-023-41347-3

Влияние человека было чётко обнаружено во многих частях климатической системы. Методы, основанные на закономерностях, широко использовались для оценки силы предсказанных моделью «отпечатков», как антропогенных, так и естественных, в данных наблюдений. Однако отдельные исследования с использованием разных методов анализа и временных периодов дают противоречивые оценки величины влияния антропогенных аэрозолей в зависимости от того, исследовали ли они тропосферу, поверхность или океан. Снижение неопределённости воздействия аэрозолей на климатическую систему имеет решающее значение для понимания прошлых изменений климата и получения более надёжных оценок чувствительности климата. Чтобы согласовать расходящиеся оценки аэрозольных эффектов, полученные в предыдущих исследованиях, авторы применили один и тот же метод обнаружения и атрибуции на основе регрессии к трём различным переменным: температуре средней и верхней тропосферы, температуре поверхности и содержанию тепла в океане. Обнаружено, что количественные оценки влияния человека в наблюдениях согласуются между этими тремя независимо контролируемыми компонентами климатической системы. Объединение данных о тропосфере, поверхности и океане в единый многомерный «отпечаток» приводит к небольшому (~10%) снижению неопределённости величины «отпечатка» парниковых газов, но значительному (~40%) - антропогенного аэрозоля. Такое снижение неопределённости приводит к значительно более раннему времени обнаружения многомерного аэрозольного «отпечатка» по сравнению со временем обнаружения аэрозольного «отпечатка» в каждой из трёх отдельных переменных. Эти результаты подчёркивают преимущества анализа данных по тропосфере, поверхности и океану в исследованиях обнаружения и атрибуции, а также мотивируют будущую работу по дальнейшему ограничению неопределённостей в воздействии аэрозолей на климат.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/36/22/JCLI-D-23-0068.1.xml

Исследователи использовали глубокое обучение, чтобы заполнить пробелы в «неоднородных» данных о качестве воды, выявив десятилетнюю тенденцию к более тёплым и менее насыщенным кислородом рекам, что может иметь тревожные последствия.

Дефицит или отсутствие кислорода в водоёмах Земли может увеличить выбросы парниковых газов, мобилизовать токсины металлов и задушить водную жизнь, дышащую кислородом. Хотя деоксигенация относительно распространена в таких водоёмах, как озёра и океаны, новое исследование в журнале Nature Climate Change сообщает, что реки в Соединённых Штатах и ​​Центральной Европе нагреваются и теряют кислород даже быстрее, чем океаны.
Учёные использовали модель глубокого обучения, чтобы заполнить пробелы в данных о качестве и температуре воды за четыре десятилетия, собранных в 796 реках. Эта модель позволила им реконструировать тенденции, которые иначе было бы невозможно выделить в мешанине исторических данных. Запуская свою модель в будущее, исследователи предсказывают, что уровень кислорода будет падать в 1,5–2,5 раза быстрее, чем за последние 40 лет.
«Показатель невелик, но вы меняете исходный уровень таким образом, что экстремальные явления могут стать более частыми», — сказала эколог водных экосистем Джоанна Блащак (Joanna Blaszczak) из Университета Невады, Рино, не участвовавшая в исследовании. «И эти крайности имеют множество последствий — как биогеохимических, так и для водных сообществ».
Как и погода, уровень растворённого кислорода меняется изо дня в день. Но подобно тому, как более высокие средние температуры означают более частые и чрезвычайно жаркие дни, устойчивый низкий базовый уровень растворённого кислорода означает более частые и интенсивные понижения, что может привести к образованию «мёртвых зон» для водных организмов, которым для дыхания необходим кислород. Это также может стимулировать выбросы парниковых газов, поскольку аноксия подталкивает бактерии переключиться с дыхания кислородом на другой метаболизм, производящий закись азота, мощный парниковый газ. Многие токсичные металлы, такие как мышьяк, также чувствительны к кислороду и легче перемещаются по рекам в периоды сильной гипоксии.

Неоднородные данные препятствуют усилиям

На первый взгляд связь между температурой и растворённым в воде кислородом очевидна: кислород легче растворяется в холодной воде, чем в тёплой. Эта взаимосвязь является одной из причин, почему ожидается, что изменение климата приведёт к снижению уровня растворённого кислорода в некоторых водных путях.
Но реки — это не лабораторные колбы. В реальном мире дела обстоят сложнее.
Например, реки аэрируются своим течением. А биологическая активность в реках может либо увеличивать количество кислорода, что происходит во время фотосинтеза, либо расходовать его — при дыхании животных и бактерий. Ландшафты, по которым пересекаются реки, также могут существенно влиять на растворённый кислород.
Таким образом, учёные не могут просто предположить, что изменение климата приведёт к аноксии в реках повсюду. Им нужны реальные данные. К счастью, у таких агентств, как Геологическая служба США, есть опыт десятилетий. Есть только одна загвоздка.
«Данные, как правило, относительно скудны», — сказал учёный-эколог Вэй Чжи (Wei Zhi) из Хохайского университета в Нанкине, Китай.
Как и следовало ожидать от данных, собранных за несколько десятилетий, агентствами и странами, данные о качестве рек являются «неоднородными», согласилась Блащак. И эта неоднородность блокирует усилия по восстановлению надёжных крупномасштабных исторических тенденций в таких вещах, как температура рек и растворённый кислород.

Глубокое обучение раскрывает тенденции

Чжи и его коллеги полагали, что глубокое обучение могло бы заполнить пробелы в исторических данных. Поэтому, используя данные о качестве воды, температуре, топографии, землепользовании и погоде, они обучили тип нейронной сети, называемый моделью долгой краткосрочной памяти, для прогнозирования температуры и уровня растворённого кислорода в реках США и Центральной Европы. По словам Чжи, длинная кратковременная память — это классическая модель заполнения временных рядов.
«Они смогли использовать эту модель долговременной краткосрочной памяти, столь глубокого обучения, чтобы реконструировать прошлые исторические временные ряды, а затем оценить тенденции», — сказала Блащак. «Они преодолевают ограничения по разреженности данных».
Тенденции показали, что 87% рек, учитываемых в исследовании, потеплели в период с 1981 по 2019 гг., при этом средние темпы потепления составили 0,16°C и 0,27°C за десятилетие для США и Центральной Европы соответственно. Около 70% рек лишились кислорода, при этом десятилетнее снижение средних концентраций растворённого кислорода в некоторых реках достигало 1–1,5%.
Из-за множества факторов, влияющих на реальные реки, прямая связь между более высокой температурой и деоксигенацией не полностью сохранилась: сельские реки нагревались меньше всего, но деоксигенация в них происходила быстрее всего.
«Сельскохозяйственные объекты обычно содержат много питательных веществ», — отмечает учёный-эколог Ли Ли (Li Li) из Университета штата Пенсильвания, коллега Чжи. «И это может стимулировать большую часть биологической активности, такой как дыхание», которое истощает кислород.
Кроме того, реки «теряют кислород быстрее, чем океаны», — говорит Ли. Это противоречит здравому смыслу, поскольку реки мелкие, хорошо аэрируются и освещаются солнечным светом, который обеспечивает фотосинтез, производящий кислород.
Как именно изменится та или иная река в будущем, будет зависеть от местных факторов. «Мы хотели бы провести исследование в глобальном масштабе», — сказала Ли, но на данный момент она и Чжи могут рассматривать только реки Северной Америки и Европы из-за ограничений данных. Несмотря на это, детальный характер их выводов выявил существенные региональные различия, которые невозможно было бы обнаружить с помощью других методов — как между Соединёнными Штатами и Центральной Европой (которая нагревается и дезоксигенирует быстрее), так и в пределах более мелких локальных территорий.
«И когда мы думаем о том, как мы можем управлять реками, чтобы как бы упреждающе попытаться замедлить темпы деоксигенации», — сказала Блащак, — «я чувствую, что это важный вывод».

Ссылка: https://eos.org/articles/rivers-are-warming-up-and-losing-oxygen

В последние десятилетия преимущественно толстый многолетний ледяной покров в Арктике превратился в более тонкий сезонный ледяной покров. Авторы разделили общую (наблюдаемую) потерю летней площади Арктики на термодинамическую и динамическую (конвергенция, гребень и экспорт) потери в течение спутниковой эры с 1979 по 2021 гг., используя лагранжеву модель отслеживания морского льда, основанную на спутниковых данных о скорости морского льда. Результаты показывают, что термодинамический сигнал доминирует в общей потере площади летнего льда, а динамический сигнал остаётся небольшим (~20%) даже в 2007 году, когда динамические потери были самыми большими. Потеря морского льда в результате уплотнения (в пределах конвергенции пакового льда) доминирует в динамической потере площади даже в годы, когда его экспорт является наибольшим. Результаты простой модели свободного дрейфа морского льда (Экмана), подкреплённые результатами лагранжевой модели, предполагают, что нелинейные эффекты между динамической и термодинамической потерей площади могут быть важны для крупных отрицательных аномалий протяжённости морского льда, в соответствии с предыдущими модельными исследованиями. Подробный анализ двух рекордных за всю историю годов, когда площадь льда была минимальной (2007 и 2012 гг.), — одного с полупостоянным максимумом в южной части моря Бофорта, а другого с непродолжительным, но сильным штормом в тихоокеанском секторе Арктики в конце лета — показывает, что уплотнение из-за конвергенции Экмана вместе с большим термодинамическим таянием в краевой зоне льда доминировало в потере площади морского льда в 2007 году, тогда как в 2012 году в нём преобладала дивергенция Экмана, усиленная обратной связью альбедо морского льда - вместе с ранним началом таяния. Авторы утверждают, что расхождение Экмана с более сильными летними штормами, когда Солнце находится высоко над горизонтом, является более вероятным механизмом «первого» освобождения Арктики ото льда.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/36/22/JCLI-D-22-0628.1.xml

Наводнения являются крупнейшим стихийным бедствием, с которым в настоящее время сталкивается Великобритания, хотя в последние годы участились случаи засух. Наводнения и засухи могут иметь разрушительные последствия для общества, приводя к значительному финансовому ущербу для экономики. Климатические модели предполагают, что осадки и изменения температуры усугубят будущие гидрологические экстремальные явления (в том числе наводнения и засухи). В будущем такие события, вероятно, станут более частыми и интенсивными; таким образом, для разработки планов адаптации прогнозы климатических моделей используются в гидрологических моделях для обеспечения будущих прогнозов водных ресурсов. «eFLaG» — это один из наборов прогнозов будущего речного стока, созданных для Великобритании на основе климатических прогнозов UKCP18 Метеорологического бюро Великобритании. Набор данных eFLaG предоставляет самые современные прогнозы одной модели в соответствии со сценарием RCP 8.5 для всей Великобритании. Подход QE-ANOVA использовался для разделения источников неопределённости для двух квантилей стока (высокий расход Q5 и низкий расход Q95) в масштабах времени ближайшего и отдалённого будущего для каждого из водосборов (186 ГБ в наборе данных eFLaG). Результаты предполагают большую неопределённость гидрологической модели, связанную с низкими расходами, и большую неопределённость региональной климатической модели для высоких расходов, которые остаются постоянными между показателями стока. Общая неопределённость увеличивается от близкого к отдалённому будущему, а водосборы с высокой концентрацией были выявлены с высокой степенью неопределённости в Юго-Восточной Англии.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s10584-023-03621-1

За последние четыре десятилетия площадь арктического морского льда быстро сокращалась, оказывая существенное влияние на арктический регион и за его пределами. В тот же период атлантическая меридиональная термохалинная циркуляция (AMТЦ) также имела тенденцию к снижению. Авторы исследуют роль AMТЦ в недавних изменениях морского льда в Арктике, сравнивая результаты четвёртой версии модели климатической системы с замедленными и стационарными AMТЦ в условиях антропогенного изменения климата. Обнаружено, что ослабление AMТЦ может замедлить темпы сокращения площади и объёма арктического морского льда на 36% и 22% в период с 1980 по 2020 гг. соответственно. Замедленная циркуляция океана приводит к уменьшению переноса тепла в северную Атлантику и, следовательно, к общему охлаждению внутреннего океана в арктическом «средиземноморье», что помогает уменьшить потерю арктического морского льда, прежде всего, за счёт термодинамических процессов, происходящих у основания морского льда.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL105929

Северный Ледовитый океан сталкивается с драматическими изменениями окружающей среды и экосистем. В этом контексте в 2020 году был реализован международный проект исследования с участием нескольких судов для получения текущих исходных данных. В ходе исследования в районе открытого моря западной (тихоокеанской) части Северного Ледовитого океана были обнаружены необычно низкое содержание растворённого кислорода и подкислённая вода. Авторы показывают, что круговорот Бофорта сжимается к востоку от океанского хребта и образует фронт между водой внутри круговорота и водой из восточной (атлантической) Арктики. Это явление вызывает фронтальный поток на север вдоль океанского хребта. Этот поток, вероятно, переносит воду с низким содержанием кислорода и подкислённую воду в район открытого моря, пригодный для промысла; подобные биогеохимические свойства ранее наблюдались только на шельфовом склоне севернее Восточно-Сибирского моря.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-41960-w