В последнее время усовершенствованные модели машинного обучения достигли высокой точности прогнозирования погоды и климата. Однако этим сложным моделям часто не хватает внутренней прозрачности и интерпретируемости, они действуют как «чёрные ящики», которые препятствуют доверию пользователей и мешают дальнейшему совершенствованию моделей. Интерпретируемые методы машинного обучения стали решающими в повышении достоверности и полезности моделирования погоды и климата. В этой статье рассматриваются текущие подходы интерпретируемого машинного обучения, применяемые к метеорологическим прогнозам. Авторы разделяют методы на две основные парадигмы: (1) Методы постфактумной интерпретируемости, которые объясняют предварительно обученные модели, такие как методы атрибуции на основе возмущений, теории игр и градиентов. (2) Разработка изначально интерпретируемых моделей с нуля с использованием архитектур, таких как ансамбли деревьев и объяснимые нейронные сети. Авторы суммируют, как каждый метод обеспечивает понимание прогнозов, раскрывая новые метеорологические связи, зафиксированные машинным обучением. Также обсуждаются проблемы исследований и предлагаются будущие перспективы в области достижения более глубоких соответствующих физическим принципам механистических интерпретаций, разработки стандартизированных критериев оценки, интеграции интерпретируемости в итеративные рабочие процессы развития моделей и обеспечения объяснимости для крупных фундаментальных моделей.

 

Ссылка: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1352231024004722

 

Сообщалось о явном увеличении числа наблюдаемых экстремальных холодов за последние десятилетия в северных средних широтах, в отличие от сильного уменьшения, предсказанного климатическими моделями. Это несоответствие привело к предположениям, что модели не могут точно имитировать изменения погодных условий, вызванные потеплением в Арктике. Авторы показывают, что наблюдаемая частота и интенсивность экстремальных холодов в средних широтах сильно снизились с 1990 года и согласуются с моделируемыми тенденциями. Ранее сообщавшееся увеличение числа экстремальных холодов было переоценено из-за артефакта изменения покрытия данных. Также показано, что доля суши с наблюдаемым увеличением частоты экстремальных холодов за последние десятилетия согласуется с внутренней изменчивостью модели в дополнение к почти равномерному вынужденному сокращению экстремальных холодов в средних широтах. Эти результаты убедительно свидетельствуют об уменьшении экстремальных холодов в средних широтах за последние десятилетия и согласованности между моделями и наблюдениями.

 

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp1346

 

В конечном итоге океан будет хранить большую часть CO₂, выбрасываемого в атмосферу в результате деятельности человека. Несмотря на их важность, оценки тенденции в океанском стоке CO₂ в 2000–2022 гг. различаются в два раза между данными наблюдений и модельными оценками. Авторы рассматривают это несоответствие, используя гибридный подход, сохраняющий согласованность учитываемых процессов, но ограничивающий рамки оценок с помощью наблюдений. Показано, что гибридный подход воспроизводит стагнацию океанского стока CO₂ в 1990-х и его оживление в 2000-х годах на основе наблюдений, и соответствует их амплитуде. Это говорит о том, что основанные на процессах модели недооценивают амплитуду десятилетней изменчивости океанского стока CO₂, но основанные на наблюдениях продукты в среднем переоценивают десятилетнюю тенденцию в 2010-х годах. Гибридный подход ограничивает оценку тенденции поглощения CO₂ океаном в 2000– 2022 гг. значением 0,42 ± 0,06 Пг С в год за десятилетие и, как следствие, общее поглощение CO₂ на суше значением 0,28 ± 0,13 Пг С в год за десятилетие.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52641-7

 

Система выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ в атмосферу (GRA²PES) от NOAA и Национального института стандартов и технологий (NIST) объединяет информацию об источниках загрязнения парниковыми газами и качеством воздуха в единую национальную базу данных, предлагая инновационные интерактивные картографические отображения и новые преимущества для решений в области климата и общественного здравоохранения. 

Новая американская система для объединения источников загрязнения качеством воздуха и парниковыми газами в единую национальную исследовательскую базу данных теперь доступна на портале Центра по парниковым газам США. Эти геопространственные данные позволяют руководителям на уровне города, штата и региона легче выявлять и принимать меры для решения проблем качества воздуха, одновременно снижая опасности для населения, связанные с климатом.  

Набор данных — это Система выбросов парниковых газов и загрязняющих веществ в атмосферу (GRA²PES). Разработанный NOAA и NIST исследовательский проект GRA²PES фиксирует ежемесячную активность выбросов парниковых газов для нескольких секторов экономики, чтобы улучшить измерение и моделирование как содержания парниковых газов, так и загрязняющих веществ в воздухе на всей территории США. 

Наличие компонентов парниковых газов и качества воздуха в одном наборе данных будет чрезвычайно полезным, сказала Ройзин Коммейн (Roisin Commane), специалист по атмосфере из Колумбийского университета, руководитель проекта в Нью-Йорке по улучшению оценок выбросов. 

«Моя работа сосредоточена на выбросах от сжигания ископаемого топлива, чтобы идентифицировать источники парниковых газов», — сказала Коммейн. «Но в данный момент нам приходится использовать мешанину наборов данных, и мы тратим слишком много времени, пытаясь выяснить их различные способы представления вещей». 

Функция городской панели мониторинга GRA²PES на веб-сайте Центра по парниковым газам США позволяет пользователям быстро находить информацию о ежемесячных выбросах парниковых газов и других загрязняющих веществ в основных городских агломерациях США. 

Более полная картина атмосферных условий 

С момента принятия Закона США о чистом воздухе в 1970 году менеджеры по охране окружающей среды добились больших успехов в устранении основных причин загрязнения воздуха, сосредоточившись на отдельных точечных источниках, таких как дымовые трубы, и более широких рассеянных источниках, известных как неточечные источники, таких как выбросы транспортного сектора. Затем, в начале XXI века, США начали устанавливать цели по сокращению выбросов парниковых газов для устранения первопричины изменения климата — снова с акцентом на загрязнение дымовыми трубами и выхлопными трубами. 

Однако атмосфера Земли не различает источники. Парниковые газы, такие как углекислый газ и метан, и загрязнители воздуха, такие как оксид углерода и диоксид азота, часто выбрасываются в результате одной и той же деятельности и свободно смешиваются в атмосфере. Другие менее ценные источники, такие как летучие химикаты, ароматные потребительские товары и даже природные источники, такие как деревья, также могут способствовать ухудшению качества воздуха. 

Планы по ограничению изменения климата путём сокращения выбросов парниковых газов обычно приводят к улучшению качества воздуха, но учёным необходимо детальное понимание точного состава загрязняющих веществ и их источников для разработки наиболее эффективных стратегий защиты чистого воздуха и, в свою очередь, общественного здоровья и благополучия. 

GRA²PES включает данные, собранные двумя путями. Наборы данных по парниковым газам обычно создаются путём оценки скорости выбросов от различных видов деятельности, таких как производство энергии, промышленность, транспорт, сельское хозяйство и землепользование, среди прочего, а затем масштабирования оценок общих уровней активности для данной области. 

Чтобы повысить точность методов «снизу вверх» и получить более точные оценки, новые и расширенные программы мониторинга парниковых газов работают над измерением критериальных загрязнителей воздуха непосредственно в атмосфере. Исследователи используют чувствительные приборы в сети стационарных и/или мобильных платформ на земле и в небе, как в случае с масштабной миссией по исследованию качества воздуха под руководством NOAA в 2023 году и партнёрством NOAA с United Airlines по установке приборов на авиалайнере. Затем данные загружаются в модели, позволяющие исследователям сделать вывод об источнике загрязняющих веществ, предоставляя более полную картину атмосферных условий. 

Удвоение выгоды от климатических решений 

Существуют потенциальные сопутствующие выгоды от сокращения выбросов парниковых газов, которые улучшают качество воздуха и одновременно смягчают воздействие на климат. Например, оксиды азота и углекислый газ являются важными показателями качества воздуха и выбросов парниковых газов. Оба являются побочными продуктами сжигания ископаемого топлива, производимого в основном транспортом и промышленными источниками. 

В исследовании 2024 года группа под руководством учёных NOAA пришла к выводу, что если бы снижение загрязнения аэрозолями и озоном, обусловленное сокращением выбросов, вызванным COVID, наблюдалось в 2020 и 2021 гг., это привело бы к снижению преждевременной смертности, связанной с загрязнением окружающего воздуха, на 4–5%, которая, по их оценкам, составила 200 000 в 2020 году при выбросах в обычном режиме. 

«Используя GRA²PES, мы видим, что с электрификацией транспорта в Нью-Йорке выбросы углекислого газа могут быть сокращены на 43%, а выбросы оксидов азота на 62%», — сказал Брайан Макдональд (Brian McDonald), учёный из Лаборатории химических наук NOAA, чьи исследования сосредоточены на моделировании состава атмосферы. 

Транспорт также является основным городским источником бензола, который был классифицирован EPA как известный канцерогенный воздушный токсин. GRA²PES показывает, что выбросы бензола также могут быть снижены на 60% за счёт электрификации транспортных средств. 

«С GRA²PES мы можем исследовать эту связь между качеством воздуха и выбросами парниковых газов более эффективно, чем в прошлом», — сказал Макдональд. 

Аналогичные изменения выбросов углекислого газа и качества воздуха ожидаются в других городах США, хотя их величина будет варьироваться в зависимости от сочетания местных источников, как учтено в GRA²PES. 

Поскольку климатические решения продолжают влиять на сочетание источников загрязнения воздуха и их концентрацию в атмосфере, GRA²PES поможет экологам выбрать наиболее эффективные меры по улучшению качества воздуха. 

«В будущем менеджеры по качеству воздуха также будут менеджерами по выбросам парниковых газов», — сказал Макдональд.

 

Ссылка: https://research.noaa.gov/2024/09/25/first-of-its-kind-dataset-connects-greenhouse-gases-and-air-quality/

 

Глобальное изменение климата приводит к увеличению сложных жарких-сухих событий, что существенно влияет на среду обитания человека. Анализ причин и последствий этих событий требует точных данных, однако большинство метеорологических данных фокусируются на переменных, а не на экстремальных значениях, что затрудняет соответствующие исследования. Для решения этой проблемы был разработан набор данных ежедневных сложных жарких-сухих событий за период с 1980 по 2100 гг. в рамках различных социально-экономических сценариев с использованием новейшего набора данных NASA Earth Exchange Global Daily Downscaled Projections (NEX-GDDP-CMIP6). Набор данных имеет пространственное разрешение 0,25 градуса (приблизительно 30 километров), включая три показателя, а именно D (годовая сумма жарких-сухих экстремальных дней), prI (интенсивность суточных осадков) и tasI (интенсивность суточной температуры). Для проверки точности набора данных авторы сравнили их с данными наблюдений из Китая (Национальный центр метеорологической информации, NMIC), Европы (ERA5) и Северной Америки (ERA5). Результаты показывают близкое соответствие с оценочными значениями из набора данных ежедневных наблюдений, как во времени, так и в пространстве. Процент прохождения предиктивного интервала (PI) для набора данных сложных жарких-сухих событий показывает высокие значения. Для 90% PI, D имеет процент прохождения, превышающий 85%, в то время как prI и tasI соответственно показывают процент прохождения выше 70% и 95%. Эти результаты подтверждают пригодность набора для проведения глобальных и региональных исследований сложных горячих-сухих событий.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03883-z

 

Морские волны тепла и общее тепловое воздействие, экстремумы температуры в Мировом океане, серьёзно угрожают морским экосистемам и прибрежным сообществам по мере потепления климата. Однако будущие изменения морских волн тепла и общего теплового воздействия в Северном Ледовитом океане, где присутствуют уникальные морские экосистемы, всё ещё неясны. Здесь, основываясь на последних климатических модельных оценках CMIP6, авторы обнаружили, что как морские волны тепла, так и общее тепловое воздействие в Северном Ледовитом океане, как ожидается, усилятся при потеплении климата, в основном из-за сокращения площади арктического морского льда и долгосрочной тенденции потепления соответственно. Особенно поразительным является прогнозируемый рост средней интенсивности морских волн тепла в течение XXI века в Северном Ледовитом океане, который превзойдёт средний мировой показатель более чем в семь раз по сценарию CMIP6 SSP585. Это явление, получившее название «арктическое усиление морских волн тепла», подчёркивает надвигающуюся и непропорционально возросшую угрозу для морской жизни Арктики, что требует целенаправленных природоохранных и адаптивных стратегий.

 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52760-1

Полученные результаты могут помочь климатическим моделям точнее прогнозировать потепление.

Интенсивные лесные пожары могут генерировать огромную энергию, сдвиг ветра и турбулентность, создавая возвышающиеся облака, которые выбрасывают дым высоко в стратосферу, где он может задерживаться. Учёные называют их пирокумуло-дождевыми облаками (pyroCb), и они полны чёрного углерода, основного компонента сажи.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, учёные обнаружили, что органическое вещество, покрывающее этот чёрный углерод, может значительно увеличить количество солнечного света, поглощаемого облаками, и может повлиять на потепление во всём мире.

Важно понимать свойства дыма, чтобы определить, как пирокумуло-дождевые облака влияют на местную погоду и нагрев или охлаждение атмосферы, сказал Дэвид Петерсон  (David Peterson), метеоролог из Военно-морской исследовательской лаборатории в Монтерее, Калифорния, не принимавший участия в исследовании. «Это исследование является одним из важных компонентов для [понимания] этого», — добавил он. 

Охотники за огненными штормами

В 2019 году химик атмосферы из Вашингтонского университета в Сент-Луисе Раджан Чакрабарти (Rajan Chakrabarty) провёл несколько недель в небольшом фургоне, преследуя лесные пожары в рамках многоинституциональной полевой кампании под названием «Влияние пожаров на региональную и глобальную окружающую среду и качество воздуха» (FIREX-AQ), инициативы, проводимой совместно NOAA и NASA. В рамках инициативы Чакрабарти и его коллеги картировали свежие дымовые шлейфы на земле и отслеживали их распространение.

«Вы когда-нибудь слышали о преследователях торнадо?» — пошутил Чакрабарти. «Мы были как преследователи огненных штормов!» К 45-му дню команда пролетела через Айдахо, Аризону, Вашингтон, Орегон и Калифорнию.

Тем временем самолет DC-8 NASA, модернизированный для сбора и анализа проб воздуха на больших высотах, пролетел примерно в 10 километрах над поверхностью Земли в стратосфере, чтобы собрать частицы чёрного углерода из облаков над пожарами. Затем учёные измерили массу и форму частиц. В свое исследование они включили данные пожара Williams Flats в восточной части Вашингтона и пожаров Castle и Ikes в северной Аризоне.

«Эта инициатива была первым и пока единственным существующим измерением дыма pyroCb, когда он выбрасывался через верхнюю часть активной грозы», — сказал Петерсон.

Группа хотела изучить, как сажа, находящаяся в этих облаках, может влиять на климат. Обычно частицы чёрного углерода в облаках лесных пожаров недолговечны — они часто удаляются из стратосферы примерно в течение 10 дней после типичного лесного пожара. Однако некоторые лесные пожары производят облака pyroCb и могут выбрасывать чёрный углерод в стратосферу, где он остаётся в течение длительного времени. Например, канадские лесные пожары 2017 года создали дымовой шлейф, который окружил часть земного шара, и его последствия сохранялись около 10 месяцев.

Команда наблюдала ключевое различие между чёрным углеродом в типичных лесных пожарных облаках и чёрным углеродом в облаках pyroCb: когда чёрный углерод в облаках pyroCb достигал холодной стратосферы, он служил поверхностью, на которой могли конденсироваться газы внутри облаков. В результате частицы чёрного углерода больше не напоминали те, которые обычно встречаются в саже лесных пожаров; вместо этого они приобрели дополнительный слой органического вещества вокруг себя. 

Группа измерила толщину покрытия и проанализировала его влияние на отдельные частицы. Чёрный углерод с этим дополнительным покрытием поглощал в два раза больше тепла, чем непокрытые частицы того же размера. 

Открытие имеет колоссальные последствия для моделирования будущего климата Земли. Климатическая модель, которая рассчитывает поглощение тепла на основе непокрытых частиц чёрного углерода, может недооценивать потепление. Хотя эти первые измерения являются захватывающими, исследователи отметили, что не менее важно собрать больше данных для полной картины.

«Представьте, что вы инопланетный исследователь, изучающий людей», — сказал Джошуа Шварц (Joshua Schwarz), соавтор исследования, изучающий атмосферу в NOAA. «Встреча всего с одним человеком может раскрыть основные факты, например, у людей две руки и две ноги, но она не охватит всю сложность человеческого взаимодействия». Аналогично, изучение нескольких облаков pyroCb недостаточно, чтобы понять, что возможно из этих облаков. Но «действительно ценно, что у нас есть эти первые измерения», — добавил Шварц.

Ссылка: https://eos.org/articles/black-carbon-from-wildfire-smoke-can-double-warming-effects 

 

Лесные пожары являются одними из самых значительных нарушений, влияющих на структуру экосистемы и биогеохимические циклы в Сибири. Поэтому точное моделирование пожаров с помощью динамических глобальных моделей растительности важно для прогнозирования выбросов парниковых газов и других выбросов, связанных со сжиганием биомассы, для понимания изменений в биогеохимических циклах. Авторы интегрировали широко используемый пожарный модуль SPread and InTensity of FIRE (SPITFIRE) в пространственно-явную индивидуальную динамическую глобальную модель растительности (SEIB-DGVM) для повышения точности прогнозов пожаров, а затем смоделировали будущие режимы пожаров для лучшего понимания их последствий. Модель может хорошо воспроизводить пространственно-временные изменения биомассы, интенсивности пожара и связанных с пожаром выбросов по сравнению с недавними спутниковыми оценками: надземная биомасса (R² = 0,847, RMSE = 18,3 Мг/га), сгоревшая доля (R² = 0,75, RMSE = 0,01), охваченная пожаром площадь (R² = 0,609, RMSE = 690 га), выбросы сухого вещества (R² = 0,624, RMSE = 0,01 кг сухого вещества/м²) и выбросы CO₂ (R² = 0,705, RMSE = 6,79 Тг). Затем было спрогнозировано, что все выбросы 33 газов и аэрозолей, связанных с пожарами, в будущем возрастут из-за увеличения количества подстилки в качестве топливной нагрузки из-за роста производства лесной биомассы под воздействием климата согласно четырём сценариям: RCP8.5, RCP6.0, RCP4.5 и RCP2.6. Моделирование по RCP8.5 показало, что выбросы CO₂, CO, PM_2.5, общего количества твёрдых частиц и общего количества твёрдых частиц углерода в Сибири относительно настоящего периода (2000–2020 гг.) увеличатся на 189,66 ± 6,55, 15,18 ± 0,52, 2,47 ± 0,09, 1,87 ± 0,06 и 1,30 ± 0,04 Tг в год соответственно в будущем периоде (2081–2100 гг.), а количество сожжённых деревьев увеличится на 100%, что приведёт к потере суммарной первичной продукции в размере 385,19 ± 40,4 г C м^-2 в год. Другим ключевым выводом является то, что более высокая влажность подстилки за счёт большего количества осадков относительно подавит прирост выбросов, связанных с пожарами; таким образом, моделирование в рамках RCP8.5 показало самые низкие выбросы среди RCP. Это исследование предлагает понимание будущих режимов пожаров и стратегий развития для повышения региональной устойчивости и смягчения более широких экологических последствий пожарной активности в Сибири.

 

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/21/4195/2024/

 

Главные темы номера:

• БРИКС: Мероприятия по тематике климата, проведенные в РФ. Часть 2. Форум «Климатическая повестка БРИКС в современных условиях» 29-30 августа, Москва
• Институт глобального климата и экологии имени академика Ю.А Израэля Росгидромета начал выпускать месячные оценки состояния глобального климата

Также в выпуске:

• •  Выдержки из совместного коммюнике по итогам двадцать девятой регулярной встречи глав правительств России и Китая 
  • Россия примет участие в заседаниях Арктического совета 
  • Президент Российской Федерации назначил Руслана Эдельгериева главой делегации РФ для участия в совещаниях конвенции ООН об изменении климата 
  • Лучшие экологические инициативы российского бизнеса в области климата 
  • Российскому малому бизнесу упростили порядок зачета углеродных единиц 
  • В РФ сеть наблюдения за вечной мерзлотой в 2024 году вырастет до 78 скважин 
  • Минэкономразвития доработает с регионами планы по адаптации к изменениям 
  • Новые публикации в российских и зарубежных научных изданиях 
  • В Нью-Йорке 22–23 сентября состоялся Саммит будущего – мероприятие, созванное по инициативе генсека ООН Антониу Гутерриша 
  • Президент КС-P29 обозначил цели конференции по климату в Баку 
  • Бюллетень ВМО по качеству воздуха и климату № 4 – сентябрь 2024 г. 

 

Ссылка: выпуск бюллетеня №110 за август - сентябрь 2024 г.

 

Чувствительность скорости роста содержания атмосферного CO₂ к тропической температуре (γ^T) почти удвоилась в период с 1959 по 2011 гг., тенденция, которая связана с ростом засухи в тропиках. Однако с тех пор γ^T снизилась. Понимание того, отражают ли эти изменения γ^T вынужденные изменения или внутреннюю изменчивость климата в углеродном цикле, имеет решающее значение для будущих климатических прогнозов. Авторы показывают, что события удвоения чувствительности могут возникать в расчётах с использованием моделей земной системы с возмущёнными начальными условиями, но, вероятно, объясняются внутренней изменчивостью климата. Установлено, что событие удвоения чувствительности связано с возникновением нескольких, но очень сильных событий Эль-Ниньо, таких как в 1982/83 и 1997/98 гг. Такие экстремальные события приводят к одновременному выбросу углерода тропическими и внетропическими экосистемами, увеличивая дисперсию глобального стока углерода на суше и его кажущуюся чувствительность к тропической температуре. Эти результаты показывают, что удвоение чувствительности не обязательно указывает на изменение реакции углеродного цикла на изменение климата.

 

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl6155