Для оценки вклада различных воздействий в изменение температуры и состава атмосферы в период с 1980 по 2020 гг. авторы использовали химико-климатическую модель SOCOLv3. В исследовании изучался отклик содержания озона и температуры атмосферы на (1) концентрации озоноразрушающих веществ; (2) концентрации парниковых газов, температуру поверхности океана и покров морского льда; (3) солнечную радиацию; и (4) аэрозольную нагрузку в стратосфере и, отдельно, (5) концентрацию парниковых газов, (6) температуру поверхности океана и покров морского льда и (7) выбросы NOx с поверхности. Для оценки влияния конкретных факторов были выполнены модельные расчёты, обусловленные изменчивостью каждого из факторов (1–7), а также контрольный эксперимент, учитывающий влияние всех факторов одновременно. Определён относительный вклад различных факторов в эволюцию температуры и содержания озона в нижней тропосфере и стратосфере с 1980 по 2020 гг. Результаты моделирования хорошо согласуются с реанализами (MERRA2 и ERA5). Показано, что истощение стратосферного озона до введения Монреальского протокола и частичное восстановление после него были в основном обусловлены озоноразрушающими веществами. Стратосферный аэрозоль от крупных вулканических извержений вызвал только краткосрочное (до 5 лет) снижение содержания озона. Увеличение выбросов парниковых газов доминирует в продолжающемся долгосрочном похолодании стратосферы, а также в тропосферном и поверхностном потеплении. Солнечное излучение способствовало краткосрочным колебаниям, но имело минимальное долгосрочное воздействие. Кроме того, анализ солнечного сигнала в тропической стратосфере подчёркивает сложное взаимодействие солнечной радиации с вулканическими, океаническими и атмосферными факторами, выявляя значительные высотные распределения температурных и озоновых откликов на солнечную активность. Полученные результаты подтверждают необходимость разработки дальнейших инновационных методологий, учитывающих нелинейность атмосферных процессов.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/11/1289

Большие запасы почвенного углерода (C) и азота (N) в северных многолетнемёрзлых почвах могут поступить в атмосферу при изменении климата. Однако в настоящее время существуют большие неопределённости в современных бюджетах парниковых газов. Авторы сравнивают бюджеты углекислого газа (CO₂), метана (CH₄) и закиси азота (N₂O) в подходах «снизу вверх» (масштабирование на основе данных и модельных результатов) и «сверху вниз» (модели атмосферной инверсии), а также боковые потоки C и N по всему региону за период 2000–2020 гг. Подходы «снизу вверх» оценивают более высокие потоки от поверхности в атмосферу для всех парниковых газов. Оба подхода, «снизу вверх» и «сверху вниз», показывают поглощение CO₂ в естественных экосистемах («снизу вверх»: −29 (−709, 455), «сверху вниз»: −587 (−862, −312) Тг CO -C год^{− 1}) и источники CH₄ («снизу вверх»: 38 (22, 53), «сверху вниз»: 15 (11, 18) Тг CH₄-C год⁻¹) и N₂O («снизу вверх»: 0,7 (0,1, 1,3), «сверху вниз»: 0,09 (−0,19, 0,37) Тг N O-N год⁻¹). Объединённый потенциал глобального потепления всех трех газов (GWP-100) нельзя отличить от нейтрального. В более коротких временных масштабах (GWP-20) регион является суммарным источником парниковых газов, поскольку CH₄ доминирует в общем воздействии. Суммарный сток CO₂ в бореальных лесах и водно-болотных угодьях в значительной степени компенсируется пожарами и выбросами CO₂ из внутренних вод, а также выбросами CH₄ из водно-болотных угодий и внутренних вод с меньшим вкладом от выбросов N₂O. Приоритеты для будущих исследований включают представление внутренних вод в моделях на основе процессов и составление ансамблей моделей процессов для CH₄ и N₂O. Расхождения между подходами «снизу вверх» и «сверху вниз» указывают на потребность анализа того, как ансамбли предшествующих потоков влияют на бюджеты инверсии, большего количества и более равномерно распределённых измерений парниковых газов на месте и улучшенного разрешения в методах масштабирования.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007969

Влияние Гольфстрима на морской пограничный слой хорошо известно, однако механизмы и временные масштабы, посредством которых он влияет на верхнюю тропосферу и способствует образованию осадков, являются спорными. Используя региональную атмосферную модель высокого разрешения, авторы проливают свет на влияние внутренней изменчивости океана вдоль Гольфстрима на атмосферу средних широт. Используя ансамбль из 24 членов интеграции моделей океана, они разработали новую экспериментальную структуру, в которой одна и та же погодная система ощущает разные реализации температуры поверхности Гольфстрима. Представлен механизм «вихревой подзарядки- фронтального подъёма» (“Eddy Recharge-Frontal Lift”, ERFL), подчёркивающий совместную важность синоптической изменчивости и процессов пограничного слоя. Механизм ERFL предполагает, что внутренняя изменчивость океана подзаряжает/разряжает морской пограничный слой влагой и теплом, в то время как конвергенция, связанная с прохождением атмосферных фронтов, поднимает эти захваченные аномалии морского пограничного слоя в верхнюю тропосферу и накладывает отпечаток на осадки за удивительно короткие периоды (месяц). Влияние внутренней изменчивости океана на количество осадков зависит от фонового среднего значения температуры поверхности моря.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL107726

Океан ежегодно поглощает около четверти всех антропогенных выбросов углекислого газа (CO₂). Глобальные оценки потоков CO₂ на границе «воздух-море» обычно основаны на измерениях CO₂ в толще воздуха и морской воды и не учитывают влияние вертикальных градиентов температуры вблизи поверхности океана. Теоретические и лабораторные наблюдения показывают, что эти градиенты изменяют потоки CO₂ на границе «воздух- море», поскольку разница концентраций CO₂ там очень чувствительна к температуре. Однако полевые данные in situ, подтверждающие их влияние, пока отсутствуют. Здесь представлены независимые прямые потоки CO₂ на границе «воздух-море» наряду с косвенными потоками в толще, собранными вдоль повторных трансект в Атлантическом океане (50° с.ш. - 50° ю.ш.) в 2018 и 2019 гг. Обнаружено, что учёт вертикальных градиентов температуры уменьшает разницу между прямыми и косвенными потоками с 0,19 ммоль м⁻² день⁻¹ до 0,08 ммоль м⁻² день⁻¹ (N = 148). Это подразумевает увеличение стока CO₂ в Атлантике на ~0,03 Пг С в год (~7% стока в Атлантическом океане). Эти полевые результаты подтверждают теоретические, модельные и основанные на наблюдениях оценки, все из которых предсказывали, что учёт градиентов температуры вблизи поверхности увеличит оценки глобального поглощения CO₂ океаном. Учёт этого возросшего поглощения океаном, вероятно, потребует некоторого пересмотра методов количественной оценки глобальных углеродных бюджетов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01570-7

Улучшение качества спутникового дистанционного зондирования с высоким разрешением и вычислительные достижения ускорили разработку глобальных наборов данных, которые очерчивают городские земли, что имеет решающее значение для понимания климатических рисков во всё более урбанизирующемся мире. Авторы анализируют структуры городского земельного покрова в пространственно-временных масштабах из нескольких таких продуктов текущего поколения. Хотя все наборы данных показывают быстро урбанизирующийся мир (площадь глобальных городских земель почти утроилась в период с 1985 по 2015 гг.), существуют существенные расхождения в оценках площади городских земель среди продуктов, на которые влияет масштаб, различные определения городов и методологии. Обсуждаются последствия этих расхождений для нескольких вариантов использования, в том числе для мониторинга опасностей городского климата и для моделирования вызванных урбанизацией воздействий на погоду и климат от регионального до глобального масштаба. Полученные результаты демонстрируют важность выбора подходящих для данной цели наборов данных с целью изучения конкретных аспектов исторической, настоящей и будущей урбанизации, имеющих значение для устойчивого развития, распределения ресурсов и количественной оценки последствий изменения климата.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-52241-5

Урбанизация и изменение климата усугубляют риск наводнений и деградацию экосистемы в городских водосборах, при этом традиционные системы управления ливневыми водами часто оказываются перегруженными. В этом обзоре авторы обсуждают изменения в городской гидрологии и подходы к управлению ливневыми водами. Примерно 90% осадков на непроницаемых поверхностях и дренажной инфраструктуре становятся стоком, что увеличивает экспорт осадков из городов и приводит к локальному дефициту воды и наводнениям и загрязнению ниже по течению. Прогнозируемый рост городского населения (68% в городах к 2050 году) и интенсивности осадков (~12% в 10-летнем и 50-летнем интервале повторяемости интенсивности при потеплении на 1,5°C) усугубит эти проблемы. Таким образом, срочно необходимо преобразовать системы ливневых вод, чтобы снизить риск наводнений, а также удовлетворить потребности сообщества по защите окружающей среды и повышению безопасности водоснабжения. Возможности включают дождевые сады и другие природные меры контроля ливневых вод (восстанавливающие естественные потоки и предлагающие другие экосистемные услуги), интеллектуальные сенсорные сети мониторинга и управление в реальном времени (поддерживающие естественные режимы потока, снижающие риск наводнений и защищающие экосистемные услуги) и сбор ливневых вод (чтобы избежать локального дефицита воды). Принятие сообществом сбора ливневых вод достигает 96%, а ливневые воды являются существенным ресурсом, объёмы которого часто превышают спрос в некоторых частях мира. Для реализации дополнительных преобразований в глобальном масштабе требуются исследования стратегий с целью стимулирования участия и инвестиций, а также политики для руководства управлением децентрализованными сетями.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-024-00599-x

Ледяные облака играют важную роль в балансе атмосферной радиации, как за счёт отражения коротковолновой радиации, так и за счёт поглощения или испускания длинноволновой радиации. Эти эффекты могут модулировать скорость радиационного нагрева облаков, что, в свою очередь, влияет на циркуляцию и осадки. Радиационные свойства ледяных облаков зависят от размера, формы (или особенностей) и сложности, включая шероховатость поверхности или пустотность ледяных кристаллов внутри облака. Чтобы лучше предсказать радиационные эффекты ледяных облаков, были предприняты усилия по учёту большего числа особенностей и сложности ледяных кристаллов в текущих расчётах переноса излучения. Авторы провели серию идеализированных расчётов переноса излучения в единичном столбе, чтобы изучить, как связь «лёд-радиационный нагрев облаков» реагирует на включение сложности ледяных кристаллов. Они оценили четыре оптические схемы льда для диапазона температур или высот образования ледяных облаков, геометрических толщин, путей ледяной воды и эффективных радиусов ледяных кристаллов. Кроме того, была представлена матрица чувствительности к скорости нагрева как сжатая визуализация реакции радиационного нагрева облаков в широком диапазоне параметров. Обнаружено, что включение сложности льда в холодные тонкие облака с высокими путями ледяной воды может уменьшить суммарное внутриоблачное нагревание и охлаждение верхней части облака на 2,5 К день^-1 и 15 К день^-1 соответственно. Кроме того, в то время как температурные схемы ведут себя аналогично другим схемам при более высоких температурах, они предсказывают суммарный радиационный нагрев в нижней части облака более чем на 10 К день^-1 выше, чем зависящие от размера схемы при самых низких температурах. Изменить время жизни и эволюцию облака-наковальни, а также крупномасштабную атмосферную циркуляцию могут либо ослабление радиационного нагрева облаков при учёте сложности льда, либо усиление в результате включения схем, зависящих от температуры.

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2024/egusphere-2024-3212/

Моделирование поверхности суши с гиперразрешением предоставляет беспрецедентную возможность для моделирования локально релевантных водных и энергетических циклов. Однако доступных данных о метеорологическом воздействии часто недостаточно для выполнения требований моделирования с гиперразрешением. Авторы разработали комплексную структуру уменьшения масштаба (downscaling framework) на основе скорректированных с учётом топографии методов и автоматизированного машинного обучения (AutoML). С помощью этой структуры был разработан набор данных атмосферного воздействия на уровне 90 м и на почасовой основе из данных ERA5 с разрешением 0,25°, а затем была применена модель Common Land Model (CoLM) с разработанными данными воздействия по двум сложным рельефным регионам (бассейны рек Хэйхэ и Верхний Колорадо). Систематически оценивались масштабированное воздействие и выходные данные CoLM как по наблюдениям на месте, так и по данным на сетке. Результаты наземной проверки показали последовательные улучшения для всех подвергнутых даунскейлингу переменных воздействия со среднеквадратическим отклонением, улучшенным на 6,362%–95,86%. Подвергнутые даунскейлингу воздействия, включавшие подробные топографические особенности, предлагали улучшенные оценки магнитуд, достигая сопоставимого уровня с данными регионального реанализа. Подвергнутые даунскейлингу воздействия, управляющие моделью CoLM, показали сопоставимые или лучшие результаты в моделировании потоков воды и энергии, что подтверждено проверками на месте. Моделирование с гиперразрешением предоставило подробное и более обоснованное описание процессов на поверхности земли и достигло схожих пространственных структур и величин с данными о поверхности земли с высоким разрешением, особенно в высокогорных районах. Кроме того, это исследование подчеркнуло преимущества использования моделей уменьшения масштаба (даунскейлинга) коротковолновой радиации на основе теории горной радиации и моделей даунскейлинга осадков с помощью AutoML. Эти результаты подчеркнули важность интеграции методов уменьшения масштаба на основе топографии для моделирования в масштабе склона холма.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024JD041338

Прибрежные сообщества сталкиваются со значительными рисками от долгосрочного повышения уровня моря и его десятилетних колебаний, при этом Северная Атлантика и Восточное побережье США особенно уязвимы в условиях меняющегося климата. Используя самоорганизующуюся картографическую структуру, авторы оценивают изменчивость и предсказуемость уровня моря в Северной Атлантике с использованием 5000-летних аномалий уровня моря из двух доиндустриальных контрольных модельных расчётов. Определены предпочтительные переходы между структурами изменчивости, раскрывающие долгосрочную предсказуемость в десятилетних временных масштабах, связанных со сдвигами в фазах атлантической меридиональной термохалинной циркуляции. Объединяя эту структуру с методами аналоговой модели, авторы демонстрируют качество прогнозирования крупномасштабных аномалий уровня моря и их низкочастотных прибрежных изменений, сопоставимое с таковыми из инициализированных ретроспективных прогнозов. Более того, дополнительная краткосрочная предсказуемость определяется после исключения низкочастотных сигналов, которые возникают из-за медленной корректировки циркуляции круговорота, вызванной стохастической изменчивостью, подобной североатлантическому колебанию. Это исследование подчёркивает потенциал машинного обучения для оценки источников предсказуемости и обеспечения долгосрочного прогнозирования климата.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-024-00802-2

В 2022 году Европа столкнулась с обширной летней засухой, вызвавшей серьёзные социально-экономические последствия. Количественная оценка влияния антропогенного изменения климата на такое экстремальное событие может помочь подготовиться к будущим засухам. Здесь, объединяя результаты наблюдений и модельные оценки с расчётами гидрологических характеристик и характеристик поверхности суши, авторы показывают, что Центральная и Южная Европа испытали самый сильный наблюдаемый дефицит общего запаса воды с момента начала спутниковых наблюдений в 2002 году, что, вероятно, представляет собой самый большой и распространённый дефицит почвенной влаги за последние шесть десятилетий. В то время как дефицит осадков в первую очередь привёл к засухе почвенной влаги, антропогенное глобальное потепление способствовало более чем 30% интенсивности засухи и её пространственной протяжённости за счёт усиленного испарения. Определено, что 14–41% вклада в изменение климата было обусловлено вызванным потеплением высыханием почвы, которое произошло до гидрологического 2022 года, что указывает на важность учёта отсроченных эффектов изменения климата, чтобы избежать недооценки связанных с этим рисков. Антропогенное изменение климата оказало качественно схожее воздействие на крайне низкие наблюдаемые речные сбросы. Эти результаты подчёркивают, что влияние глобального потепления на засухи уже происходит, широко распространено и длится долго, и что риск засухи может возрасти с дальнейшим антропогенным потеплением в будущем.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01559-2