Самые мощные лесные пожары в мире за последние два десятилетия удвоились по интенсивности и числу, и, скорее всего, в этом виноваты изменение климата и управление земельными ресурсами.

С почти постоянными сообщениями о катастрофических лесных пожарах в СМИ, кажется, что экстремальные пожары происходят более регулярно. И недавнее исследование в Nature Ecology and Evolution подтверждает это, показывая, что интенсивные лесные пожары теперь встречаются в два раза чаще, чем два десятилетия назад.

Многие учёные подозревали, что экстремальные пожары становятся всё более распространёнными, сказал Калум Каннингем (Calum Cunningham), пирогеограф из Университета Тасмании, руководивший исследованием. «Но у нас раньше не было достаточно сведений, чтобы доказать это в глобальном масштабе», — сказал он.

Периодические, небольшие лесные пожары могут помочь поддерживать здоровье экосистем, очищая от мёртвой растительности. Но экстремальные пожары, более жаркие и более неконтролируемые, наносят значительный ущерб окружающей среде, здоровью людей и экономике. Крупные лесные пожары также выбрасывают огромные запасы углерода, усугубляя глобальное потепление — в свою очередь, подпитывая условия для новых лесных пожаров.

«Мы сосредоточились на энергетически экстремальных пожарах», — сказал Каннингем. Глобальные закономерности лесных пожаров обычно устанавливаются путём подсчёта пикселей выжженной земли на спутниковых снимках. Но традиционный подход упускает из виду самые опасные пожары, сказал он. «Интенсивность пожаров, особенно экстремальных, также имеет значение».

Каннингем и его коллеги составили карту интенсивности более 30 миллионов лесных пожаров (состоящих из кластеров и отдельных пожаров), обнаруженных MODIS (спектрорадиометром умеренного разрешения) спутников НАСА в период с 2003 по 2023 гг., сосредоточившись на самых интенсивных пожарах.

Используя инфракрасные датчики, MODIS могут видеть тепло, выделяемое лесными пожарами. «Эта тепловая энергия напрямую связана с количеством сожженной биомассы и выбросами», — объяснил Каннингем. «По сути, это мера ущерба окружающей среде».

Исследователи делали ежедневные снимки лесных пожаров по всему миру, суммируя тепловую энергию, измеренную в пределах 20- × 20-километровых блоков по всей поверхности Земли. Затем они выделили, какие из этих блоков содержали верхние 0,01% лесных пожаров в соответствии с их радиационной мощностью (около 2900 пожаров, состоящих из кластеров и отдельных пожаров).

«Анализ впечатляет», — сказала Вирджиния Иглесиас (Virginia Iglesias), эколог по лесным пожарам из Университета Колорадо в Боулдере, не участвовавшая в исследовании. С учётом того, что теперь доступны долгосрочные спутниковые записи, обработка обилия данных представляет собой сложную задачу, добавила она. «Определение экстремальных событий означало, что они могли выделить важную тенденцию».

Экспоненциальный рост

Каннингем сказал, что шесть из последних семи лет были отмечены наибольшим числом экстремальных пожаров. В прошлом году были самые экстремальные пожары, и это был также самый жаркий год за всю историю наблюдений.

Этот всплеск экстремальных пожаров соответствует существующим наблюдениям за ухудшением пожарной активности в определенных регионах, сказала Иглесиас. В исследовании 2022 года Иглесиас показала, что лесные пожары стали масштабнее и более частыми по всей территории Соединённых Штатов с начала 2000-х годов.

Однако глобальная картина лесных пожаров была менее ясной, поскольку записи за достаточно долгий период были недоступны. Учёные ранее показали долгосрочное сокращение площади, выжженной лесными пожарами по всему миру. Эта закономерность отражает изменение методов ведения сельского хозяйства (и сокращение использования огня для расчистки земель) в саваннах Африки, где происходит выгорание около 70% мировых площадей по суше.

Пожары в саваннах обычно горят с меньшей интенсивностью, сказал Каннингем, и как только эти пожары были отфильтрованы из глобального набора данных, резкий рост экстремальных лесных пожаров стал очевиден.

Каннингем и его коллеги обнаружили, что глобальная тенденция была обусловлена резким ухудшением экстремальных лесных пожаров на западе США, в Канаде и России. Они отметили одиннадцатикратное увеличение экстремальных пожаров в хвойных лесах Северной Америки с 2003 года. Высокоширотные бореальные леса испытали семикратное увеличение экстремальных пожаров за тот же период.

Раздувая пламя

«Изменение климата однозначно делает условия, необходимые для экстремального пожара, более распространёнными», — сказал Каннингем. Исследование не пыталось установить связь с изменением климата, но, по его словам, у учёных есть множество доказательств того, что более жаркие, более сухие условия превращают ландшафты в пороховые бочки, делая лесные пожары более вероятными и более энергичными.

Иглесиас говорит, что наследие управления земельными ресурсами, вероятно, усугубляет последствия изменения климата. В частности, в Северной Америке агрессивная политика тушения пожаров в ХХ веке позволила мёртвой растительности накапливаться. «Всё это избыточное топливо в сочетании с сухим климатом увеличивает шансы в пользу интенсивных пожаров», — сказала она.

По мере того, как изменение климата ускоряется, а лесные пожары горят всё интенсивнее, наши отношения с огнём также должны меняться, сказал Каннингем. «Мы вышли за рамки периода, когда подавление всех пожаров было целью. Теперь пришло время научиться жить в пожароопасных ландшафтах». Одним из путей продвижения вперёд может стать использование частых малоинтенсивных пожаров в качестве инструмента сокращения запасов топлива и смягчения последствий более крупных пожаров, как это делали коренные народы на протяжении тысячелетий.

Ссылка: https://eos.org/articles/extreme-wildfires-are-getting-more-extreme-and-occurring-more-often

Многолетняя мерзлота Шпицбергена тает как прямое следствие изменения климата. В низкоширотной Арктике растительность, как было показано, замедляет и уменьшает таяние активного слоя, однако неизвестно, относится ли это также к регионам высокоширотной Арктики, таким как Шпицберген, где растительности меньше, она разрежена и, следовательно, менее способна изолировать почву. Поэтому остаётся неизвестным, какие компоненты растительности высокоширотной Арктики влияют на таяние активного слоя и в каком временном масштабе эта изоляция может быть эффективной. Такие знания необходимы для прогнозирования и понимания будущих изменений в активном слое в меняющейся Арктике. В этом исследовании авторы использовали мерзлотные трубки, размещённые в исследовательских сетках, расположенных на Шпицбергене с известным составом растительности, для отслеживания прогрессирования таяния активного слоя и анализа взаимосвязи между составом и структурой растительности и состоянием снега, а также таянием активного слоя в начале лета. Обнаружено, что толщина мха, высота кустарников и разнотравья, а также сосудистый растительный покров задерживали таяние почвы сразу после таяния снега. Эти изолирующие эффекты ослабевали по мере прогрессирования оттаивания, пока не исчезло влияние на глубину оттаивания через восемь недель. Ожидается, что мхи в высоких широтах Арктики сократятся из-за изменения климата, что может привести к потере изолирующей способности, потенциально ускоряя оттаивание активного слоя в начале лета. Это может иметь важные последствия для широкого спектра функций экосистемы, таких как фенология растений и процессы разложения.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JG007880

Поток метана из моря в атмосферу измерялся напрямую методом вихревой ковариации на протяжении примерно 60 000 км арктических и антарктических круизов в течение нескольких летних сезонов. Северный Ледовитый океан (к северу от 60° с.ш., между 20° з.д. и 50° в.д.) и Южный океан (к югу от 50° ю.ш., между 70° з.д. и 30° в.д.) являются источниками атмосферного метана на шельфе со средними потоками из моря в воздух 9,17 ± 2,91 мкмоль м⁻² д⁻¹ и 8,98 ± 0,91 мкмоль м⁻² д⁻¹ соответственно. За пределами шельфа этот регион Северного Ледовитого океана оказывается источником метана (средний поток 2,39 ± 0,68 мкмоль м⁻² д⁻¹), в то время как указанный регион Южного океана оказывается стоком метана (средний поток −0,77 ± 0,37 мкмоль м⁻² д⁻¹). Самые высокие наблюдаемые потоки обнаружены вокруг западного Шпицбергена, Южной Георгии и Южных Шетландских островов и пролива Брансфилда; в районах с признаками наличия метановых вспышек, исходящих от морского дна. Таким образом, это исследование может предоставить доказательства прямого выброса метана с морского дна в атмосферу как в Арктике, так и в Антарктике. По сравнению с предыдущими работами, результаты этого исследования могут указывать на увеличение потока метана из моря в воздух в районах с просачиванием морского дна в течение временных масштабов в несколько десятилетий. Поскольку изменение климата усугубляет рост температуры воды, непрерывный мониторинг выбросов метана из полярных океанов в будущем имеет важное значение.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JD040632

Ожидается, что зимы с температурами выше средних по величине увеличат респираторное высвобождение CO₂, тем самым ослабив годовой суммарный наземный сток углерода. Используя данные об атмосферном CO₂ за 2010–2021 гг., полученные в обсерватории Zotino Tall Tower Observatory (ZOTTO), расположенной на 60°48′ с.ш., 89°21′ в.д., авторы анализируют межгодовые изменения сроков и интенсивности периодов поглощения и высвобождения углерода над Центральной Сибирью. Анализ молярной доли CO₂ дополнен результатами атмосферной инверсии с целью отделить эффекты метеорологической изменчивости от реакции экосистемы на изменчивость климата в региональном масштабе. Согласно данным наблюдений, длина и амплитуда периодов высвобождения углерода значительно увеличились в период с 2010 по 2021 гг. Аналогичным образом, длина и амплитуда периодов поглощения углерода показали положительную, но более слабую тенденцию с 2010 года, что говорит о том, что увеличение выбросов CO₂ в холодные месяцы компенсирует поглощение в течение вегетационного периода. То есть в период с 2010 по 2021 гг. потепление климата не привело к более высокому годовому суммарному поглощению CO₂, несмотря на усиленное поглощение вегетационного периода, поскольку дыхание в холодный сезон также увеличилось вследствие потепления. Анализ наблюдений далее показал влияние двух экстремальных событий: лесного пожара 2012 года и волны тепла 2020 года. Однако анализ полученного с помощью инверсии суммарного потока обмена экосистемы для региона ZOTTO не выявил этих тенденций или экстремальных событий. Таким образом, хотя данные ZOTTO содержат существенную информацию о величине баланса углерода в Сибири (без дополнительных данных с других станций), авторы не смогли приписать отчётливый вклад экосистем в регионе влияния ZOTTO в наблюдаемые тенденции и экстремальные явления.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/24/8413/2024/

Изменение климата ставит под угрозу роль европейских лесов как долгосрочного стока углерода. Вспомогательная миграция направлена на повышение устойчивости популяций лесных деревьев к изменению климата с использованием климатических ограничений для конкретных видов и местных адаптаций путём передачи источников семян. Авторы смоделировали сценарии вспомогательной миграции для семи основных европейских видов деревьев и проанализировали влияние выбора видов и происхождения семян с учётом экологических и генетических вариаций на ежегодный надземный сток углерода отрастающими молодыми лесами. Для повышения устойчивости лесов необходимо заменить хвойные деревья лиственными породами на значительной части их ареала. Если использовать местные источники семян, это приведёт к уменьшению текущего стока углерода (40 TgC год^-1) на 34–41% к 2061–2080 гг. Однако если использовать источники семян, адаптированные к будущему климату, нынешние стоки можно сохранить или даже увеличить до 48–60 TgC год^-1. 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02080-5

Главные темы номера:

• БРИКС: Мероприятия по тематике климата, проведенные в РФ
• Минэкономразвития России: Рекомендации регионам по учету рисков от изменения климата
• Боннская конференция по климату завершилась прогрессом по ключевым вопросам повестки дня и заложила основу для КС-29

Также в выпуске:

• • Выдержка из Астанинской декларации по итогам заседания Совета глав государств-членов Шанхайской организации сотрудничества 4 июля 2024 года
  • Гидрометцентр России совместно с ИВМ РАН стали ассоциированными членами консорциума по прогнозированию климата на период от года до десятилетия
  • Минэкономразвития представило структуру нацпроекта «Эффективная и конкурентная экономика»
  • В Минобрнауки России обсудили дальнейшее развитие проекта по созданию карбоновых полигонов
  • Российские нефтегазовые компании исполнили обязательства по сокращению выбросов лучше зарубежных
  • Правительство РФ утвердило Положение о государственном мониторинге многолетней мерзлоты
  • Ямальские ученые составили план адаптации к новым изменениям климата
  • Новые публикации в российских и зарубежных научных изданиях
  • Выдержки из интервью Генерального секретаря ООН Антониу Гутерриша первому заместителю генерального директора ТАСС Михаилу Гусману
  • Исполнительный совет ВМО завершил работу по принятию ключевых практических решений
  • Президент 29-й Конференции Сторон РКИК ООН, Министр экологии и природных ресурсов Азербайджана направил официальное письмо правительствам стран-участниц

Ссылка: выпуск бюллетеня №109 за июнь - июль 2024 г.

Океан — это великолепный резервуар кинетической энергии, которой обладают течения в различных пространственно-временных масштабах. Эти течения переносят тепло и материал, регулируя региональный и глобальный климат. Обычно считается, что крупномасштабные циркуляции океана должны стать более энергичными при глобальном потеплении, особенно в верхнем слое. Однако, используя моделирование глобального климата с высоким разрешением, авторы продемонстрировали, что общая кинетическая энергия океана, по прогнозам, значительно сократится при потеплении климата, несмотря на общее ускорение крупномасштабных циркуляций океана в верхнем слое. Это сокращение в первую очередь объясняется ослаблением мезомасштабных вихрей океана в глубинном океане. Усиление вертикальной стратификации при глобальном потеплении уменьшает доступную потенциальную энергию, хранящуюся в крупномасштабных циркуляциях океана, уменьшая её преобразование в кинетическую энергию вихрей. Эти результаты показывают более спокойный глубинный океан при глобальном потеплении и предполагают решающую роль мезомасштабных вихрей в определении антропогенного изменения общей кинетической энергии океана.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02075-2

Тундровые и бореальные экосистемы охватывают северный циркумполярный регион многолетней мерзлоты и испытывают быстрые изменения окружающей среды с важными последствиями для глобального бюджета углерода. Авторы проанализировали многодесятилетние временные ряды, содержащие 302 годовые оценки потока углекислого газа (CO₂) в 70 экосистемах многолетней и немноголетней мерзлоты и 672 оценки летнего потока CO₂ в 181 экосистеме. Обнаружено увеличение годового поглощения CO₂ в экосистемах немноголетней мерзлоты, но не в экосистемах многолетней мерзлоты, несмотря на аналогичное увеличение летнего поглощения. Таким образом, недавние потери CO₂ в невегетационный период существенно повлияли на баланс CO₂ экосистем многолетней мерзлоты. Кроме того, анализ межгодовой изменчивости показывает, что более тёплое лето усиливает цикл углерода (повышает производительность и дыхание) на предположительно ограниченных по азоту участках и на участках, менее зависящих от летних осадков. Эти результаты свидетельствуют, что доступность воды и питательных веществ будет важным предиктором реакции углеродного цикла этих экосистем на будущее потепление.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02057-4

Более надёжные и менее энергоёмкие модели могут помочь лучше подготовиться к экстремальным погодным условиям. 

Компьютерная модель, сочетающая традиционные технологии прогнозирования погоды с машинным обучением, превзошла другие инструменты на основе искусственного интеллекта в прогнозировании погодных сценариев и долгосрочных климатических тенденций. 

Этот инструмент, описанный в журнале Nature 22 июля¹, является первой моделью машинного обучения, позволяющей генерировать точные ансамблевые прогнозы погоды, представляющие целый ряд сценариев. Его развитие открывает возможности для прогнозирования, которое будет более быстрым и менее энергозатратным, чем существующие инструменты, и более детальным, чем подходы, основанные исключительно на искусственном интеллекте. 

«Традиционные климатические модели необходимо запускать на суперкомпьютерах. Эту модель можно запустить за считанные минуты», — говорит соавтор исследования Стефан Хойер (Stephan Hoyer), изучающий глубокое обучение в исследовательском центре Google в Маунтин-Вью, Калифорния. 

Современные системы прогнозирования обычно полагаются на модели общей циркуляции, программы, которые используют законы физики для моделирования процессов в океанах и атмосфере Земли и прогнозирования того, как они могут повлиять на погоду и климат. Но модели общей циркуляции требуют большой вычислительной мощности, и достижения в области машинного обучения начинают предлагать более эффективную альтернативу. «У нас есть терабайты или петабайты (в миллион раз больше гигабайта) исторических данных о погоде», — говорит Хойер. «Изучая эти шаблоны, мы можем создавать более совершенные модели». 

Уже существуют некоторые модели прогнозирования на основе машинного обучения, такие как Pangu-Weather, созданная технологическим конгломератом Huawei со штаб-квартирой в Шэньчжэне, Китай, и GraphCast компании DeepMind со штаб-квартирой в Лондоне. Эти модели имеют уровень точности, аналогичный типичным моделям общей циркуляции для детерминистического прогнозирования — подхода, генерирующего единый прогноз погоды. Но модели общей циркуляции не столь надёжны для ансамблевого прогнозирования или долгосрочного прогнозирования климата. 

«Проблема с подходами, основанными на чистом машинном обучении, заключается в том, что вы обучаете его только на тех данных, которые он уже видел», — говорит Скотт Хоскинг (Scott Hosking), исследующий данные об искусственном интеллекте и окружающей среде в Институте Алана Тьюринга в Лондоне. «Климат постоянно меняется, мы идём в неизвестность, поэтому нашим моделям машинного обучения приходится экстраполировать это неизвестное будущее. Внося физику в модель, мы можем гарантировать, что наши модели физически ограничены и не могут делать ничего нереалистичного». 

Гибридная модель 

Хойер и его команда разработали и обучили NeuralGCM — модель, сочетающую в себе «аспекты традиционного физического решателя атмосферы с некоторыми компонентами искусственного интеллекта». Они использовали эту модель для составления краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды, а также климатических прогнозов. Чтобы оценить точность NeuralGCM, исследователи сравнили свои прогнозы с реальными данными, а также с результатами других моделей, включая модели общей циркуляции и модели, основанные исключительно на машинном обучении. 

Как и нынешние модели машинного обучения, NeuralGCM может давать точные краткосрочные детерминированные прогнозы погоды — на срок от одного до трёх дней — потребляя при этом лишь часть энергии, необходимой моделям общей циркуляции. Но при составлении долгосрочных прогнозов на срок более семи дней она допустила гораздо меньше ошибок, чем другие модели машинного обучения. Фактически, долгосрочные прогнозы NeuralGCM были аналогичны прогнозам, сделанным ансамблевой моделью Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF-ENS), моделью общей циркуляции, которая широко считается золотым стандартом прогнозирования погоды. 

Команда также проверила, насколько хорошо модель может прогнозировать различные погодные явления, такие как тропические циклоны. Они обнаружили, что многие модели чистого машинного обучения дают противоречивые и неточные прогнозы по сравнению с NeuralGCM и ECMWF-ENS. Исследователи даже сравнили NeuralGCM с климатическими моделями сверхвысокого разрешения, известными как глобальные модели разрешения штормов. NeuralGCM может производить более реалистичные подсчёты и траектории тропических циклонов за более короткое время. 

Возможность прогнозировать такие события «очень важна для улучшения способности принимать решения и стратегии готовности», — говорит Хоскинг. 

Хойер и его коллеги стремятся к дальнейшему совершенствованию и адаптации NeuralGCM. «Мы работали над атмосферным компонентом моделирования системы Земли… Возможно, это та часть, которая наиболее непосредственно влияет на повседневную погоду», — говорит Хойер. Он добавляет, что команда хочет включить в будущие версии больше аспектов науки о Земле, чтобы ещё больше повысить точность модели. 

Литература

1. Kochkov D. et al. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07744-y (2024).

Ссылка: https://www.nature.com/articles/d41586-024-02391-

В последние десятилетия влагоёмкость атмосферы увеличилась во всём мире вместе с глобальным потеплением, причём особенно заметная тенденция потепления наблюдается в Арктике. Однако из-за ограниченности данных наблюдений вариации и причины полярных осадков, особенно крупномасштабных, связанных с арктическими циклонами, остаются неясными. В этой статье спутниковые данные GPM сравниваются с данными реанализа ERA5 для изучения характеристик летних осадков на северной окраине Евразийского региона и влияния активности циклонов на осадки. Выявлено, что высокие значения осадков в Арктическом регионе, на что указывают данные GPM и ERA5, в основном сосредоточены на северной окраине Евразийского региона. Однако данные GPM показывают общее большее количество осадков, в то время как станционные наблюдения более точно согласуются с изменениями осадков ERA5 на северной окраине Евразийского региона. Результаты идентификации циклонов показывают, что летние циклоны на северной окраине Евразийского региона в основном распространены в Баренцевом, Карском морях и море Лаптевых, а доля осадков от циклонов, полученных из ERA5, составляет 37,35%, что значительно выше, чем у циклонов, полученных из GPM (29,47%). Кроме того, высокая активность циклонов приводит к более интенсивным осадкам: на верхние 5% самых сильных циклонов приходится 60% (GPM) и 40% (ERA5) от общего количества циклонических осадков.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-024-67661-y