Космическое микроволновое дистанционное зондирование (300 МГц–100 ГГц) представляет собой ценный метод для описания изменений окружающей среды, особенно в арктических и бореальных регионах, где наземные наблюдения, как правило, недостаточны в пространственном и временном плане. Хотя прямые измерения потоков углерода невозможны, космические микроволновые радиометры и радары могут отслеживать различные важные поверхностные и приповерхностные переменные, влияющие на процессы земного углеродного цикла, такие как потоки вдыхаемого углекислого газа (CO₂); фотосинтетическое поглощение CO₂; и процессы, связанные с суммарным обменом метана (CH₄), включая образование, транспорт и расход CH₄. Примеры таких средств контроля включают влажность и температуру почвы, циклы замерзания-оттаивания поверхности, запасы влаги в растительности, свойства снежного покрова и земной покров. Дистанционное микроволновое зондирование также обеспечивает средства для независимых оценок надземной биомассы, которые можно использовать для оценки надземных запасов углерода. Архив микроволновых данных охватывает несколько десятилетий, начиная с 1970-х годов, с частым (ежедневным или еженедельным) глобальным охватом, не зависящим от атмосферных условий и солнечного освещения. В совокупности эти преимущества содержат значительный неиспользованный потенциал для мониторинга и лучшего понимания процессов углеродного цикла в арктических и бореальных регионах. Учитывая быстрое потепление климата в арктических и бореальных регионах и связанные с ним обратные связи углеродного цикла с глобальной климатической системой, в этом обзоре доказывается важность быстрой интеграции микроволновой информации в науку о земном углеродном цикле в арктических и бореальных регионах.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/20/2941/2023/

Облака демонстрируют широкий спектр вертикальных морфологий, регулируемых определённой атмосферной динамикой и термодинамикой и связанных с разнообразием микрофизических свойств и радиационных эффектов. В этом исследовании новый набор данных CERES-CloudSat-CALIPSO-MODIS (CCCM) RelD1 используется для изучения морфологии и пространственного распределения различных типов вертикальной структуры облаков в течение 2007–2010 гг. Комбинированные активные и пассивные спутники обеспечивают более точную вертикальную структуру облаков, чем те, которые основаны только на пассивных формирователях изображений или микроволновых радиометрах. Авторы сгруппировали облака в 12 классов вертикальной структуры облаков в зависимости от того, как они расположены или перекрываются в трёх стандартных атмосферных слоях с пороговыми значениями давления 440 и 680 гПа. Для каждого из 12 типов вертикальной структуры облаков исследуются глобальные средние радиационные эффекты облаков в верхней части атмосферы, внутри атмосферы и на поверхности, а также профили скорости нагрева облаков. Наблюдения впоследствии используются для оценки вариаций общей, высокой, средней и низкой облачности в моделях CMIP6. Анализируются «исторический» эксперимент в период 1850–2014 гг. и два сценария (ssp245 и ssp585) в период 2015–2100 гг. Результаты наблюдений показывают существенную разницу в пространственной картине между различными типами вертикальной структуры облаков с наибольшим контрастом между высокой и низкой облачностью. Доля однослойных облаков в среднем почти в четыре раза больше, чем доля многослойных, со значительными географическими различиями, связанными с чётко различимыми режимами, что говорит о том, что перекрывающиеся облака ограничены регионом. Глобальные средние радиационные эффекты облаков показывают, что четыре типа вертикальной структуры облаков нагревают планету, а восемь из них охлаждают её. Длинноволновая составляющая определяет суммарный профиль скорости нагрева облаков, а профили скорости нагрева облаков многослойных облаков более изогнуты и сложны, чем профили однослойных, что приводит к сложной термической стратификации. Согласно долгосрочному анализу CMIP6, прогнозируемая общая доля облачности над сушей уменьшается быстрее, чем над океаном. Количество высоких облаков над океаном значительно увеличивается, а других типов облаков над сушей и океаном продолжает уменьшаться, помогая компенсировать сокращение общей доли облаков над океаном. Более того, делается вывод, что пространственная картина типов вертикальной структуры облаков не может быть существенно изменена изменением климата, а определяется только долей облачности. Эти результаты показывают, что в будущем следует уделять особое внимание долгосрочным наблюдениям вертикальной структуры облаков, чтобы лучше понять её реакцию на антропогенное воздействие и изменение климата.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/23/8169/2023/

Европейское космическое агентство запустило CryoSat-2 в качестве первой европейской ледовой миссии в 2010 году. Его усовершенствованный высотомер отвечал основным задачам, касающимся толщины морского льда и ледяных щитов. Ценность данных Cryosat-2 по глобальным океанам была признана, и с помощью CryoSat Ocean Processor были разработаны оперативные продукты. Новая орбита CryoSat-2 обеспечивает более плотное покрытие точек выборки по сравнению с другими спутниковыми альтиметрами. Продукт с координатной сеткой Национального океанографического центра по аномалиям уровня моря (NOCSLA) основан на интерполяции геофизических продуктов океана с использованием весов в пространстве и времени. Геофизический продукт океана предоставляет оперативные данные об океане высочайшего качества. NOCSLA представляет собой ежедневный продукт аномалий уровня моря с шагом ¼°, охватывающий неприбрежные океаны между [60° с.ш.; 60° ю.ш.] и период с января 2011 г. по октябрь 2020 г. В документе представлены методология и научные приложения NOCSLA. Наблюдаемые океанографические особенности сравниваются с продуктами других миссий, включая волны Россби и сигналы Эль-Ниньо. Результаты показывают хорошее совпадение с другими продуктами, подтверждая ценность данных Cryosat-2 для науки об океане и приложений.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-023-02300-1

Документирование неопределённости прогнозов изменения климата является основной целью мероприятий по взаимному сравнению, организованных для включения в отчёты Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Обычно каждый центр моделирования вносит свой вклад в этот процесс с одной или двумя конфигурациями своей климатической модели, соответствующими конкретному выбору значений «свободных параметров», являющихся результатом долгой и часто утомительной фазы «настройки модели». Сколько неопределённостей исключено из этого выбора, и как читатели отчётов МГЭИК и пользователи прогнозов климата могут быть введены в заблуждение этим упущением? Авторы показывают, как современные подходы к машинному обучению могут трансформировать подход к настройке климатических моделей, открывая путь к одновременному ускорению совершенствования моделей и количественной оценке параметрической неопределённости. Показано, как автоматический выбор конфигураций модели, определяемых различными значениями свободных параметров, может создавать разные «миры потепления», все из которых согласуются с современными наблюдениями за климатической системой.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf2758

Будущие изменения в осадках обычно оцениваются на основе моделирования климата, а достоверность таких прогнозов необходимо оценивать по их способности отражать наблюдаемые изменения в осадках. Авторы оценивают, насколько искусно историческое моделирование климата, используемое в проекте CMIP6, фиксирует наблюдаемые изменения среднего и экстремального количества осадков. Обнаружено, что историческое моделирование CMIP6 хорошо отражает наблюдаемые изменения осадков в больших частях Европы, Азии, северо-восточной части Северной Америки, частях Южной Америки и западной Австралии, тогда как в западной части Северной Америки и частях Африки очевидно наличие недостатков. В частности, в регионах со средним качеством представления наличие очень больших ансамблей может быть полезным для повышения точности моделирования. Моделирование CMIP6 является регионально эффективным, если оно фиксирует наблюдаемые (положительные или отрицательные) тренды, в то время как нехватка качества обнаруживается в регионах, характеризующихся отрицательными наблюдаемыми трендами осадков, где CMIP6 моделирует увеличение.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022GL102466

Резкое чередование жарких и влажных экстремальных явлений может привести к более серьёзным социальным последствиям, чем отдельные экстремальные явления. Однако, несмотря на то, что жаркие и влажные экстремумы понимаются отдельно, их временные характеристики ещё недостаточно изучены. Данное исследование представляет собой всестороннюю оценку последовательных тепло-плювиальных и плювиально-тепловых явлений во всём мире. Авторы обнаружили, что эти последовательные экстремумы в течение недели происходят в среднем каждые 6–7 лет в тёплое время года в течение 1956–2015 гг., примерно на 15% чаще, чем можно было бы ожидать, и что их частота значительно возрастает примерно на 22% за десятилетие из-за потепления. Далее они исследовали роль дефицита давления пара и обнаружили, что тепло-плювиальные (плювиально-тепловые) события связаны с отрицательными (положительными) аномалиями дефицита давления пара. Эти результаты являются статистически значимыми на основе повторной выборки с подвижными блоками и тестов значимости поля, что подчёркивает важность этих методов для надёжной идентификации сложных событий в условиях автокорреляции и множественного тестирования. 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL104075  

Моделирование предсказывает кризис загрязнения воды к концу века.

По данным модельного исследования, к 2100 году до 5,5 миллиардов человек во всём мире будут подвергаться воздействию загрязнённой воды.
Исследователи нанесли на карту оценки качества поверхностных вод в соответствии с тремя различными представлениями о будущем климате и социально-экономическом развитии.
В каждом случае было показано, что страны Африки к югу от Сахары относятся к наиболее пострадавшим районам.
Прогнозы, опубликованные в журнале Nature Water 17 июля, предлагают «временной и пространственный анализ того, что до сих пор было неофициальными данными о качестве воды в странах Африки к югу от Сахары», — говорит Тафадзва Мабхауди (Tafadzwa Mabhaudhi), изучающий изменение климата и продовольственную безопасность в Университете Квазулу-Наталь в Дурбане, ЮАР.
Без адекватных инвестиций в водную инфраструктуру или очистку «мы определённо сидим на бомбе замедленного действия», — добавляет Джошуа Эдокпайи (Joshua Edokpayi), исследователь в области управления качеством воды из Университета Венда в Тохоянду, Южная Африка.

По оценкам Организации Объединённых Наций, два миллиарда человек во всём мире уже борются за доступ к безопасной питьевой воде. За последние несколько десятилетий в Восточной Азии и Тихоокеанском регионе произошло наибольшее загрязнение поверхностных вод из-за бума индустриализации и роста населения, что привело к увеличению спроса на воду в районах, не имеющих соответствующей инфраструктуры.

Прогноз воды

Чтобы изучить будущие последствия подобных тенденций, исследователи смоделировали качество воды в 20-летних периодах с 2005 по 2100 гг., используя существующие модели глобального качества воды.
Они рассмотрели три будущих климатических сценария, используемых Межправительственной группой экспертов по изменению климата, известных как SSP1-RCP2.6, SSP5-RCP8.5 и SSP3-RCP7.0. SSP означает «общие социально-экономические пути» и учитывает различные социальные факторы, тогда как RCP описывает «репрезентативные пути концентрации», имея в виду эволюцию концентрации парниковых газов. Например, SSP5-RCP8.5 обозначает предположение «обычного ведения бизнеса», определяемое продолжающимся сильным технологическим прогрессом с ограниченным вниманием к глобальному потеплению. SSP1-RCP2.6 соответствует оптимистичному «зелёному» будущему, в котором устойчивость становится глобальным приоритетом. Команда обнаружила, что во всех сценариях качество воды ухудшилось в странах с развивающейся экономикой в Южной Америке и Африке к югу от Сахары. Напротив, во многих богатых странах уровни органических загрязнителей и веществ, вызывающих заболевания, имеют тенденцию к снижению благодаря улучшению очистки воды.
Прогноз SSP3-RCP7.0, описывающий предстоящий «ухабистый путь» усиливающегося национального соперничества в сочетании с медленным экономическим и экологическим прогрессом, выделяется как наихудший сценарий (см. вышеприведённую карту «Прогнозы загрязнения»). В этой модели органическое загрязнение воды в странах Африки к югу от Сахары увеличивается более чем в четыре раза к 2100 году, в результате чего 1,5 миллиарда человек подвергаются воздействию небезопасной воды. Ухудшение качества воды в Южной Азии, на Ближнем Востоке и в Северной Африке также приводит к увеличению воздействия загрязнения в этих регионах.
Это стало неожиданностью, говорит соавтор исследования Эдвард Джонс (Edward Jones), геолог из Утрехтского университета в Нидерландах. Он добавляет, что, хотя сценарий «обычного ведения бизнеса» предполагает неустойчивую зависимость от ископаемого топлива, он также может привести к улучшению водной инфраструктуры и, следовательно, к улучшению качества воды, как это уже наблюдалось в некоторых странах. Сценарий SSP3-RCP7.0 характеризуется слабым экономическим ростом, серьёзным изменением климата и ростом населения, что приводит к значительному ухудшению управления качеством воды.

Глобальные усилия

И Эдокпайи, и Мабхауди говорят, что исследование подчёркивает необходимость более эффективной реализации региональной политики в области качества воды. В соответствии с Целями устойчивого развития ООН к 2030 году каждый человек во всём мире должен иметь доступ к безопасной питьевой воде. Однако Мабхауди говорит, что существует несоответствие между глобальной политикой и реальностью в меньшем масштабе, и что миру нужны объединённые подходы, которые «поставят людей и планету во главу угла».
Загрязнение не поддается национальным границам, отмечает Эдокпайи, и трансграничное сотрудничество будет иметь решающее значение для того, чтобы самые худшие прогнозы не сбылись.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/d41586-023-02337-7

Параметризация и настройка параметров являются центральными аспектами моделирования климата, и широко распространено мнение, что эти процедуры включают определённые субъективные элементы. Даже если использование этих субъективных элементов не обязательно является эпистемологически проблематичным, существует интуитивный призыв заменить их более объективными (автоматизированными) методами, такими как машинное обучение. Опираясь на несколько тематических исследований, авторы утверждают, что, хотя методы машинного обучения могут помочь улучшить параметризацию климатической модели несколькими способами, они по-прежнему требуют экспертной оценки, которая включает субъективные элементы, не столь отличающиеся от тех, которые возникают при стандартной параметризации и настройке. Использование машинного обучения в параметризации — это не только наука, но и искусство, требующее тщательного контроля.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s10584-023-03532-1

Арктика нагревается со скоростью выше средней, и небольшие мелководные водоёмы, такие как пруды, уязвимы для этого потепления из-за их низкой тепловой инерции по сравнению с более крупными озёрами. В то время как пруды являются значимым источником метана в ландшафтном масштабе в нынешних климатических условиях, реакция выбросов метана из прудов на потепление остаётся неопределённой. Авторы используют новую модель выбросов метана из прудов (MeEP) для исследования реакции выбросов метана из полигональных тундровых прудов на северо-востоке Сибири на потепление. MeEP — это первая специализированная модель выбросов метана из прудов, в которой различаются три основных типа прудов: многоугольная тундра, ледяной клин, многоугольный центр и слитные полигональные пруды, а также определяются три основных пути выбросов метана — диффузия, вскипание, и растительно-опосредованный транспорт. Авторы провели идеализированные эксперименты по потеплению с повышением среднегодовой температуры на 2,5, 5 и 7,5°C сверх исторической. Моделирование показывает приблизительно линейное увеличение выбросов из водоёмов на 1,33 г CH₄ год^–1 °C^–1 м^–2 в этом температурном диапазоне. При годовой температуре на 5°C выше современной выбросы метана из прудов более чем в 3 раза выше, чем сейчас. Большая часть этого увеличения выбросов связана с дополнительным субстратом, обеспечиваемым увеличением чистой продуктивности сосудистых растений. Кроме того, транспорт, опосредованный растениями, является доминирующим путём выбросов метана во всех расчётах. Авторы пришли к выводу, что сосудистые растения как источник субстрата и эффективный путь метана должны быть включены в будущие панарктические оценки выбросов СН₄ из прудов.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/20/2837/2023/

Новая генеалогия, основанная на сходстве компьютерных кодов различных моделей климата, могла бы улучшить исследования, объединяющие прогнозы нескольких моделей.
Климатические модели — сложные инструменты, используемые для оценки и изучения того, каким был климат Земли в прошлом, как он ведёт себя сейчас и как он изменится в будущем.
Многие исследования объединяют результаты нескольких климатических моделей для расчёта средних оценок и количественной оценки разброса модельных прогнозов температуры, осадков и других характеристик земной системы. Однако многие климатические модели имеют общие части лежащих в их основе компьютерных кодов и других свойств, поэтому придание одинакового веса всем моделям, включенным в мультимодельное исследование, может привести к чрезмерному или недостаточному представлению некоторых кодов и, как следствие, к возможному искажению результатов исследования.
Чтобы помочь исследователям более адекватно учитывать взаимосвязь между моделями климата, Kuma et al. разработали основанную на компьютерном коде генеалогию 167 моделей, 114 из которых являются частью проекта CMIP (этапы 3, 5 и 6). Все эти модели воспроизводят несколько компонентов климатической системы Земли, таких как атмосферные, океанические и биологические процессы. Поскольку считается, что физика атмосферы, особенно описание облачных процессов, вносит наибольший вклад в неопределённости, связанные с чувствительностью климата, исследователи сосредоточили свой анализ на компонентах физики атмосферы в 167 моделях.
Анализ выявил 12 основных групп или семейств климатических моделей. В каждом семействе коды моделей имеют сходное наследие и, как правило, дают аналогичные оценки важных климатических свойств.
На основе этих «генеалогических деревьев» климатических моделей исследователи предлагают статистические методы, которые могут быть применены в будущих мультимодельных исследованиях для лучшего учёта кодовых взаимосвязей между различными моделями и уменьшения погрешностей в результатах исследований. Они также предполагают, что по мере разработки новых моделей эти модели могут быть добавлены для дальнейшего расширения новой генеалогии. (Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES), https://doi.org/10.1029/2022MS003588, 2023)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/family-trees-clarify-relationships-among-climate-models