Стратосферный водяной пар (H₂O) является существенным компонентом глобального радиационного баланса и, следовательно, важен для изменчивости климатической системы. В последние годы усилились исследования, направленные на понимание распределения, переноса и источников стратосферного водяного пара, при этом во многих из них используются долгосрочные спутниковые наблюдения. Предыдущие работы по изучению экстремумов H₂O в стратосфере обычно были сосредоточены на верхней части стратосферы (давление ≤ 100 гПа), чтобы гарантировать, что используемые наблюдения действительно являются стратосферными. Однако это приводит к широкому исключению самых нижних слоёв стратосферы, которые могут простираться на глубины более 5 км ниже уровня 100 гПа в средних широтах и полярных регионах и, как было показано, вносят наибольший вклад в стратосферную обратную связь H₂O. Более того, сосредоточение внимания только на низких слоях может привести к значительной недооценке возникновения стратосферных экстремумов H₂O. Поэтому авторы расширили предыдущую работу, изучая 16-летние наблюдения микроволновым зондом лимба (MLS) за экстремумами водяного пара (≥ 8 ppmv) как в верхней, так и в самой нижней стратосфере, чтобы создать новую климатологию нижней стратосферы. В результате частота экстремумов H₂O увеличивается более чем на 300% во всём мире по сравнению с частотами экстремумов только в пределах стратосферных наблюдений, хотя процентное увеличение существенно варьируется в зависимости от региона и сезона. Дополнительный контекст для этой климатологии предоставляется посредством анализа обратной изэнтропической траектории для выявления потенциальных источников экстремумов. Показано, что в целом конвекция, преодолевающая тропопаузу, представляет собой вероятный источник экстремумов H₂O в большей части мира, в то время как также возможен меридиональный изэнтропический перенос воздуха из тропической верхней тропосферы во внетропическую нижнюю стратосферу.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/23/14375/2023/

Торфяники являются важным резервуаром углерода, хранящим одну треть мирового почвенного органического углерода (ПОУ), но мало что известно о судьбе этих запасов в условиях изменения климата. Авторы изучают влияние потепления и повышенной концентрации CO₂ в атмосфере (eCO₂) на молекулярный состав ПОУ, чтобы сделать выводы об источниках ПОУ (микробного, растительного и пожарного происхождения) и стабильности в бореальных торфяниках. Показано, что в то время как потепление само по себе снижает содержание ПОУ растительного и микробного происхождения из-за усиленного разложения, потепление в сочетании с eCO₂ увеличивает количество соединений ПОУ растительного происхождения. Также наблюдалось увеличение поступления из корней (суберин) и снижение поступления из листьев/хвои (кутин) в ПОУ при потеплении и eCO₂. Снижение содержания соединений ПОУ при потеплении и выгоды от нового углерода, полученного из корней, при eCO₂ позволяют предположить, что потепление и eCO₂ могут сместить баланс углерода торфяников в сторону бассейнов с более быстрым оборотом. В совокупности полученные результаты показывают, что изменение климата может увеличить затраты и усилить разложение ПОУ, потенциально дестабилизируя запасы углерода в торфяниках.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-43410-z

За последние несколько лет быстрое развитие моделей машинного обучения для прогнозирования погоды привело к созданию современных моделей машинного обучения, имеющих производительность, превосходящую прогноз погоды высокого разрешения (HRES) Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), считающийся лучшей в мире системой прогнозирования погоды. В частности, модели машинного обучения превзошли HRES в 10-дневных прогнозах с пространственным разрешением 0,25°. Однако остаётся задача смягчить накопление ошибок прогноза для более эффективных прогнозов, например, добиться сопоставимых показателей с ансамблем ECMWF в 15-дневных прогнозах. Несмотря на различные усилия по уменьшению ошибок накопления, такие как реализация авторегрессионной многоступенчатой потери, было обнаружено, что полагаться на одну модель недостаточно для достижения оптимальной производительности как в короткие, так и в длительные сроки. Поэтому авторы представляют FuXi, каскадную систему машинного обучения для прогнозирования погоды, которая обеспечивает 15-дневные глобальные прогнозы с временным разрешением 6 часов и пространственным разрешением 0,25°. FuXi разработана с использованием набора данных реанализа ERA5 ECMWF за 39 лет. Оценка эффективности показывает, что FuXi прогнозирует производительность, сравнимую со средним значением ансамбля ECMWF в 15-дневных прогнозах. FuXi превосходит время обеспечения качественных прогнозов, достигнутое ECMWF HRES, увеличивая такое время для Z500 с 9,25 до 10,5 дней и для T2M с 10 до 14,5 дней. Более того, ансамбль FuXi создаётся путём возмущения начальных условий и параметров модели, что позволяет ей сократить неопределённость прогноза и демонстрировать многообещающие результаты по сравнению с ансамблем ECMWF.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-023-00512-1

Водяной пар в атмосфере играет решающую роль в глобальном энергетическом балансе, гидрологическом цикле и климатической системе. Высококачественные и согласованные данные о водяном паре из разных источников жизненно важны для прогнозирования погоды и исследований климата. В этом исследовании оценивается соответствие между радиозатмением спутниковой миссии Formosa 3 – Групповой системой наблюдения за метеорологией, ионосферой и климатом (FORMOSAT-3/COSMIC) и реанализом Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF, ERA5) в наборах данных по водяному пару. Сравнения проводятся на разных уровнях атмосферного давления (300, 500 и 850 гПа) в период с 2007 по 2018 гг. В целом два набора данных показывают хорошее пространственное и временное соответствие. Глобальное удаление водяного пара у COSMIC немного ниже, чем у ERA5, на высотах 500 и 850 гПа, с явными различиями по широте между полушариями. COSMIC демонстрирует глобальные тенденции увеличения водяного пара на 3,47 ± 1,77% за десятилетие, 3,25 ± 1,25% за десятилетие и 2,03 ± 0,65% за десятилетие при давлениях 300, 500 и 850 гПа соответственно. Значительная региональная изменчивость тенденций водяного пара, включающая заметные закономерности увеличения и уменьшения, наблюдается в тропических и субтропических регионах. На уровнях 500 и 850 гПа сильные тенденции увеличения водяного пара отмечаются в экваториальной части Тихого океана и Лаккадивского моря, тогда как тенденции к снижению очевидны в Индо-Тихоокеанском регионе и Аравийском море. На суше существенные тенденции к увеличению на уровне 850 гПа наблюдаются на юге Соединённых Штатов, в отличие от тенденций к снижению на юге Африки и в Австралии. Различия между тенденциями содержания водяного пара COSMIC и ERA5 в основном отрицательны в тропических регионах на высоте 850 гПа. Однако тенденции увеличения содержания водяного пара на высоте 850 гПа, оценённые по данным COSMIC, значительно выше, чем тенденции, полученные на основе данных ERA5 для двух низковысотных океанических регионов с богатыми слоисто-кучевыми облаками к западу от Африки и Южной Америки. Эти регионы с заметными различиями в тенденциях водяного пара расположены в зоне внутритропической конвергенции с частыми проявлениями конвекции, например, глубокими облаками. Разница в характеристиках распределения водяного пара между радиозатмением и ERA5 в регионах с глубокими облаками может вызвать такие различия в тенденциях. Оценки пространственно-временной изменчивости водяного пара, полученного с помощью радиозатмения, и реанализа данных о водяном паре в атмосфере помогают обеспечить качество этих наборов данных для исследований климата.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/23/14187/2023/

По мере потепления климата ожидается увеличение рисков для здоровья, связанных с жарой, которые могут усугубляться эффектом городского острова тепла (ГОТ). ГОТ также могут обеспечить защиту от холодной погоды, но чёткая количественная оценка их воздействия на здоровье человека в разных городах и сезонах всё ещё изучается. Авторы приводят оценку рисков смертности, связанных с ГОТ, с разрешением 500 м для 85 европейских городов в 2015-2017 гг. Наибольшие последствия обнаруживаются во время экстремальной жары: медианное увеличение риска смертности, связанного с ГОТ, составляет 45% по сравнению со снижением на 7% во время экстремально низких температур. Однако затяжные холодные сезоны приводят к более сильному комплексному защитному эффекту. В среднем вызванная ГОТ смертность, связанная с жарой/холодом, влечёт экономические последствия в размере 192 - 314 евро на взрослого городского жителя в год в Европе, что сопоставимо с загрязнением воздуха и транспортными расходами. Эти результаты побуждают стратегии, направленные на проектирование более здоровых городов, на учёт сезонности воздействия ГОТ, а также учёт социальных издержек, их контролирующих факторов и внутригородской изменчивости.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-023-43135-z

Примерно 90% избыточного тепла, накопленного Землёй в результате антропогенного изменения климата, было поглощено океанами, тем самым сдерживая повышение температуры атмосферы. Большая часть этого тепла была передана с поверхности в глубины океана в результате крупномасштабной циркуляции океана. Был ли этот механизм активен до того, как люди начали нагревать планету? Лу и др. (Lu et al.) сообщают о наблюдениях за приполярными отложениями Северной Атлантики, показывающих, что Атлантическая меридиональная циркуляция океана смягчала изменения температуры атмосферы и верхних слоёв океана в течение, по крайней мере, последних 1200 лет за счёт быстрой передачи тепла от поверхности к глубинам океана. 

Инструментальные наблюдения за подповерхностным потеплением океана показывают, что поглощение тепла океаном замедлило потепление поверхности в ХХ веке. Авторы представляют записи с высоким разрешением из субполярных отложений Северной Атлантики, согласующиеся с инструментальными наблюдениями за поверхностным и глубинным потеплением/«освежением», а также реконструируют соотношение поверхностных и глубинных значений за последние 1200 лет. Участки на глубине ~1300 метров и ниже предполагают похолодание на ~0,5 градуса Цельсия во время перехода от средневековой климатической аномалии к малому ледниковому периоду, которое началось в ~1350 ± 50 г. нашей эры, тогда как наземные записи предполагают асинхронное начало похолодания, охватывающее ~600 лет. Эти данные позволяют предположить, что циркуляция океана объединяет поверхностную изменчивость, которая быстро передаётся на глубину благодаря атлантической меридиональной циркуляции океана, подразумевая, что океан смягчал температуру поверхности Земли на протяжении последнего тысячелетия, как и сегодня.

Ссылка: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adf1646

Извержение вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай (ХТХХ) 15 января 2022 года является беспрецедентным в современную эпоху как по количеству водяного пара, выброшенного в стратосферу, так и по глубине проникновения. Возмущение содержания водяного пара и сульфатных аэрозолей от этого вулкана значительно изменило температуру, динамику и химический состав стратосферы, включая уменьшение содержания озона в стратосферном столбе, который необходим для защиты жизни на Земле от вредного ультрафиолетового излучения. Здесь с использованием спутниковых данных анализируется глобальная эволюция впрыскиваемого водяного пара по широте, высоте и времени за год после извержения. Выявлены значительные изменения концентраций различных химических соединений в стратосфере, которые связаны с извержением ХТХХ. 

Взрывное извержение вулкана Хунга Тонга-Хунга Хаапай 15 января 2022 года привело к выбросу большего количества водяного пара в стратосферу и на большие высоты, чем когда-либо наблюдалось в эпоху спутников. Здесь рассматривается эволюция впрыскиваемого в стратосферу водяного пара в зависимости от широты, высоты и времени в течение года после извержения (с февраля по декабрь 2022 г.), а также выявляются и анализируются возмущения химического состава стратосферы, возникающие в результате увеличения количества сульфатных аэрозолей и водяного пара. Среднее расчётное распределение массы дополнительного водяного пара между полушариями в 2022 году составит примерно 78% в Южном и 22% в Северном полушарии. Существенные изменения в составе стратосферы после извержения ХТХХ выявлены посредством наблюдений с помощью спутникового прибора Aura Microwave Limb Sounder. Доминирующими особенностями в среднемесячных вертикальных профилях, осреднённых в пределах широтного диапазона 15°, являются уменьшение содержания O₃ (–14%) и HCl (–22%) в средних широтах Южного полушария и увеличение ClO (>100%) и HNO₃ (43%) в тропиках с перечисленными пиковыми возмущениями уровня давления. Аномалии содержания озона в столбе 1,2–100 гПа из-за извержения ХТХХ включают повсеместное снижение содержания O₃ в средних широтах Южного полушария и его увеличение в тропиках с пиковыми аномалиями в интервале 15° широты со среднемесячными значениями примерно -7% и +5%, соответственно, происходящие южной весной. Используя трёхмерную модель химии-климата-аэрозолей и корреляции наблюдательных индикаторов, авторы обнаружили, что изменения в составе стратосферы обусловлены как динамическими, так и химическими факторами.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301994120

В качестве вклада в проект «Региональная оценка углеродного цикла и процессов, фаза 2» (RECCAP2) авторы представляют синтезированные оценки потоков CO₂ из морского воздуха в Северном Ледовитом океане и их неопределённостей на основе продуктов наблюдений за pCO₂ на поверхности океана, биогеохимических ретроспективных прогнозов океана и моделей ассимиляции данных, а также атмосферных инверсий. За период 1985–2018 гг. Северный Ледовитый океан был чистым стоком CO₂ в размере 116 ± 4 ТгС/год в продуктах pCO₂, 92 ± 30 ТгС/год в моделях и 91 ± 21 ТгС/год в атмосферных инверсиях. Поглощение CO₂ достигает пика в конце лета и начале осени и снижается зимой, когда морской лёд препятствует потокам морского воздуха. Долгосрочное среднее поглощение CO₂ в Северном Ледовитом океане в первую очередь вызвано стационарными потоками природного углерода (70% ± 15%) и усиливается с увеличением содержания CO₂ в атмосфере (19% ± 5%) и с изменением климата (11% ± 18%). Среднегодовое поглощение CO₂ увеличивалось с 1985 по 2018 год со скоростью 31 ± 13 ТгС год^-1 дек^-1 в продуктах pCO2, 10 ± 4 ТгС год^-1 дек-1 в моделях и 32 ± 16 ТгС год^-1 дек⁻¹ в атмосферных инверсиях. Более того, 77% ± 38% тенденции чистого поглощения CO₂ с течением времени вызваны изменением климата, в первую очередь из-за быстрого таяния морского льда в последние годы. А истинные неопределённости могут быть больше, чем заданные стандартные отклонения ансамбля из-за общих структурных ошибок во всех отдельных оценках.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007806

Потепление климата увеличивает ассимиляцию углерода при росте растений, а также ускоряет выбросы CO₂ в многолетней мерзлоте; однако общий баланс CO₂ в экосистемах в регионах многолетней мерзлоты и его экономические последствия остаются в значительной степени неизвестными. Авторы синтезируют измерения суммарного обмена CO₂ в экосистемах на месте (in situ) для оценки текущих и будущих балансов углерода в северных регионах многолетней мерзлоты с использованием модели случайного леса и расчёта их экономических последствий в рамках сценариев общих социально-экономических путей на основе модели PAGE-ICE. По их оценкам, современные выбросы CO₂ составляют 1539 Тг C в межвегетационный период и поглощение CO₂ в 2330 Тг C в вегетационный период соответственно. Температура воздуха и осадки оказывают наибольшее влияние на суммарный экосистемный обмен в межвегетационный период, тогда как индекс площади листьев играет более важную роль в вегетационный период. Этот регион, вероятно, превратится в источник углерода после 2057 года в рамках сценария SSP5-8.5 с суммарными выбросами 17 Пг C в течение 2057–2100 гг. Суммарные экономические выгоды от бюджета на выбросы CO₂ составят $4,5, $5,0 и $2,9 трлн в рамках сценариев SSP1-2.6, SSP2-4.5 и SSP5-8.5 соответственно. Эти результаты показывают, что путь с высокими выбросами значительно снизит экономическую выгоду от ассимиляции углерода в северных регионах многолетней мерзлоты.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2023GB007750

Измерение глобальных осадков важно для количественной оценки и понимания систем Земли. Хотя датчики составляют основу традиционных измерений, глобальные измерения по-настоящему возможны только с использованием спутниковых наблюдений. За последние 50–60 лет спутниковые системы превратились в комплексный набор систем наблюдения, включая множество датчиков, способных измерять осадки. Несмотря на то, что был достигнут значительный прогресс в разработке и внедрении схем сбора данных об осадках, многие методы были сосредоточены на сборе данных по регионам с чётко определёнными системами осадков, например, в тропиках. В более высоких широтах такие схемы поиска менее успешны в обеспечении точных и последовательных оценок осадков, особенно из-за большого разнообразия режимов осадков. Кроме того, растущее преобладание снегопадов в более высоких широтах создаёт ряд проблем, требующих дальнейшей и срочной работы. В этой статье рассматривается состояние текущих наблюдений и схем поиска, подчёркивая ключевые факторы, которые необходимо учитывать для улучшения оценки и измерения осадков в средних и высоких широтах.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/11/1677