Усвоение данных играет двойную роль: развивает «научное» понимание и служит «инженерным инструментом» для наук о системе Земли. Ассимиляция данных о суше (АДС) превратилась в отдельную дисциплину в геофизике, способствующую гармонизации теории и данных и позволяющую моделям суши и наблюдениям дополнять и ограничивать друг друга. За последние десятилетия в теории, методологии и применении АДС был достигнут существенный прогресс, что потребовало целостного и углублённого исследования всего его спектра. Авторы представляют подробный обзор, освещающий теоретические и методологические разработки в области АДС и её отличительные особенности. Это включает в себя прорывы в устранении сильных нелинейностей в процессах на поверхности Земли, изучении потенциала подходов машинного обучения в ассимиляции данных, количественной оценке неопределённостей, возникающих из-за многомасштабной пространственной корреляции, и одновременной оценке состояний и параметров модели. АДС доказала свою эффективность в улучшении понимания и прогнозировании различных процессов на поверхности Земли (включая влажность почвы, снег, суммарное испарение, речной сток, грунтовые воды, орошение и температуру поверхности Земли), особенно в сфере водных и энергетических циклов. В этом обзоре описывается развитие глобальных, региональных и водосборных систем и программных платформ АДС, предлагаются грандиозные задачи по проведению реанализа суши и продвижению связанных данных о суше и атмосфере. Наконец, подчёркиваются возможности расширения применения АДС от чистых геофизических систем до связанных природных и человеческих систем с поглощением потока данных наблюдения Земли и социального зондирования. В статье синтезируются текущие знания АДС и обеспечивается трамплин для их будущего развития, особенно в продвижении исследований земельных процессов с двойной направленностью теории и данных.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022RG000801

Движущие силы, управляющие обменом CO₂ между воздухом и водной поверхностью, и его изменчивость в прибрежной части океана плохо изучены. Используя биогеохимическую модель глобального океана, это исследование количественно определяет влияние тепловых изменений, океанического переноса, потоков пресной воды и биологической активности на пространственную и сезонную изменчивость источников/стоков CO₂ в глобальном прибрежном океане. Авторы выделяют пять типичных прибрежных моделей поведения (в которых преобладают биологическое понижение, вертикальный перенос, отпечаток суши, внутриприбрежные вдольбереговые течения и слабые источники и стоки CO₂ в прибрежных регионах) и предлагают новое, основанное на обработке, разграничение прибрежного океана, опирающееся на количественную оценку этих контролирующих процессов. Обнаружено, что в пространственно-временной изменчивости источников/стоков CO₂ преобладают сильные обмены с открытым океаном и внутриприбрежные процессы, в то время как континентальные влияния ограничиваются регионами «горячих точек». Кроме того, там, где температурные изменения, по-видимому, являются движущей силой сезонной изменчивости CO₂, они часто являются результатом компенсирующих эффектов между отдельными «нетепловыми» условиями, особенно биологической депрессией и вертикальным переносом.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007799

Климатические модели показывают тесную связь между глобальным потеплением после 1970-х годов и чувствительностью климата. В последнем оценочном докладе МГЭИК использованы наблюдения за скоростью потепления, чтобы ограничить чувствительность климата Земли и прогнозы потепления. Однако климатические модели не воспроизводят наблюдаемую пространственную картину потепления, это вносит искажения в смоделированные отношения чувствительности к потеплению, что приводит к «чрезмерно уверенным» ограничениям. Результаты показывают, что наблюдаемое в последние десятилетия потепление даёт очень мало информации о чувствительности климата и что ограничения на значения высокой чувствительности должны основываться на других доказательствах. Кроме того, прогнозы глобального потепления должны учитывать, как пространственная структура будет развиваться в будущем. Поскольку климатические модели не могут воспроизвести недавние закономерности, это вносит серьёзную неопределённость в климатические прогнозы.

Наблюдаемые темпы глобального потепления с 1970-х годов были предложены в качестве сильного ограничения равновесной чувствительности климата (РЧК) и переходной климатической реакции (ПКР) — ключевых показателей глобальной реакции климата на воздействие парниковых газов. Используя модели CMIP5/6, авторы показывают, что межмодельная связь между потеплением и этими показателями чувствительности климата (основа для ограничения) возникает из-за сходства структур переходного и равновесного потепления в моделях, что даёт эффективную чувствительность климата, контролирующую недавнее потепление, сравнимую со значением РЧК, регулирующей долгосрочное потепление под воздействием CO₂. Однако историческое моделирование CMIP5/6 не воспроизводит наблюдаемые закономерности потепления. На основе наблюдаемых закономерностей даже модели с высокой РЧК дают низкие значения эффективной чувствительности климата, соответствующие наблюдаемым темпам глобального потепления. Таким образом, неспособность моделей CMIP5/6 воспроизвести наблюдаемые закономерности потепления приводит к смещению моделируемой взаимосвязи между недавним глобальным потеплением и чувствительностью климата. Поправка на эту ошибку означает, что наблюдаемое потепление согласуется с широкими диапазонами РЧК и ПКР, простирающимися до более высоких значений, чем считалось ранее. Эти выводы подтверждаются расчётами с помощью модели энергетического баланса и совместной модели (CESM1-CAM5), которая лучше воспроизводит наблюдаемые закономерности посредством «подталкивания» тропосферного ветра или потоков талой воды в Антарктике. Поскольку модели CMIP5/6 не могут имитировать наблюдаемые закономерности потепления, предлагаемые ограничения на РЧК, ПКР и прогнозируемое глобальное потепление имеют низкое смещение. Результаты подтверждают недавние выводы о том, что уникальная закономерность наблюдаемого потепления замедлила среднее глобальное потепление за последние десятилетия и что то, как эта закономерность будет развиваться в будущем, представляет собой основной источник неопределённости в климатических прогнозах.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312093121

Эффективное решение проблемы изменения климата требует глубоких знаний о выбросах парниковых газов и их источниках. В настоящее время отсутствуют комплексные, дезагрегированные по секторам, но сопоставимые прогнозы выбросов парниковых газов. Здесь авторы прогнозируют отраслевые выбросы до 2050 года по обычному сценарию для глобальной выборки стран и пяти основных секторов, используя единую структуру и байесовские методы. Показано, что без согласованных политических усилий глобальные выбросы сильно возрастают, подчёркивается ряд важных различий между странами и секторами. Увеличение в странах с развивающейся экономикой обусловлено сильным ростом производства и населения, причём большая часть прогнозируемых изменений приходится на выбросы, связанные с энергетическим сектором. Ожидается, что страны с развитой экономикой сократят выбросы в ближайшие десятилетия, хотя выбросы от транспорта часто по-прежнему имеют тенденцию к росту. Авторы сравнивают свои результаты с прогнозами выбросов, опубликованными отдельными национальными органами власти, а также с результатами моделей комплексной оценки и подчёркивают некоторые важные расхождения.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01288-9

Усиление и учащение экстремальных температур является одним из наиболее серьёзных последствий антропогенного изменения климата. Эти экстремальные значения часто определяются как редкие события, превышающие определённый пороговый процентиль в распределении максимальной дневной температуры. Подход на основе процентилей выбирается для отслеживания региональных и сезонных изменений температуры, чтобы экстремальные температуры имели место повсюду и во все времена года, и часто использует действующее сезонное окно с целью увеличения размера выборки для расчёта порога. Авторы показали, что использование сезонных окон, как это делалось во многих исследованиях в последние годы, приводит к смещению, зависящему от времени, региона и набора данных, способному привести к поразительной недооценке ожидаемой частоты экстремальных явлений. Обнаружено, что это смещение возникает из-за искусственного смешивания среднего сезонного цикла с экстремальным порогом, и предлагается простое решение, которое по существу устраняет его. Авторы используют скорректированную экстремальную частоту в качестве эталона, чтобы показать, что смещение также приводит к переоценке будущих изменений волны тепла на целых 30% в некоторых регионах. Основываясь на этих результатах, подчёркивается, что сезонные окна не следует использовать без поправки на оценку экстремальных явлений и их последствий.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-46349-x

При интерпретации потоков вихревой ковариации ландшафты часто считаются однородными, что может привести к систематическим ошибкам при заполнении пробелов и масштабировании наблюдений для определения региональных углеродных балансов. Экосистемы тундры неоднородны во многих масштабах. Например, функциональные типы растений, влажность почвы, глубина оттаивания и микротопография различаются в зависимости от ландшафта и влияют на чистый экосистемный обмен потоков углекислого газа (CO₂) и метана (CH₄). С повышением температуры арктические экосистемы в некоторых местах превращаются из чистого стока в чистый источник углерода в атмосферу, но углеродный баланс Арктики остаётся крайне неопределённым. В этом исследовании авторы сообщают о результатах потоков чистого экосистемного обмена и CH₄ вегетационного периода от вихревой ковариационной башни в дельте Юкон-Кускоквим на Аляске. Они использовали модели следов и методы Байесовской цепи Маркова Монте-Карло, чтобы объединить наблюдения за вихревой ковариацией в составляющие потоки на основе карт земного покрова региона с высоким разрешением. Авторы сравнили три типа моделей следов и использовали две карты земного покрова различной сложности, чтобы определить влияние этих вариантов на производные экосистемные потоки. Они применили искусственно созданные пробелы в скрытых наблюдениях для сравнения эффективности заполнения пробелов, используя свои полученные потоки, специфичные для земного покрова, и традиционные методы заполнения пробелов, предполагающие однородные ландшафты. Также проведено сравнение полученных региональных углеродных бюджетов при масштабировании наблюдений с использованием гетерогенного и гомогенного подходов. Традиционные методы заполнения пробелов показали худшие результаты при прогнозировании искусственно скрытых пробелов в чистом экосистемном обмене, чем те, которые учитывали гетерогенные ландшафты, в то время как между моделями следов и картами земного покрова были лишь небольшие различия. Выявлены и количественно оценены «горячие точки» потоков углерода в ландшафте (например, выбросы в конце вегетационного периода из водно-болотных угодий и небольших прудов). Найдена отчётливая сезонность потоков чистого экосистемного обмена в вегетационный период тундры. Масштабирование с учётом однородности ландшафта привело к переоценке стока CO₂ в вегетационный период в два раза и занижению выбросов CH₄ в два раза по сравнению с масштабированием с использованием любого метода, учитывающего неоднородность ландшафта. Авторы показали, как Байесовская цепь Маркова Монте-Карло, аналитические модели следов и карты земного покрова с высоким разрешением могут быть использованы для получения подробных потоков углерода в земном покрове на основе временных рядов вихревой ковариации. Эти результаты демонстрируют важность ландшафтной неоднородности при масштабировании выбросов углерода в Арктике.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/21/1301/2024/

В качестве обновлённой версии существующих операционных систем реанализа океана NOAA/NCEP недавно была создана новая система под названием GLObal Ocean Reanalogue (GLORe) на основе схемы JEDI-SOCA 3DVar. В этом исследовании качество GLORe оценивается при инициализации прогнозов ЭНЮК с использованием Единой системы прогнозов NOAA (UFS). Подробности: по инициативе GLORe, 9-месячные ансамблевые ретроспективные прогнозы проводятся каждый май/ноябрь в течение 1982–2021 гг. Качество прогнозирования ЭНЮК сравнивается с оценками текущей операционной системы NOAA CFSv2, что позволяет предположить, что UFS, инициализированная с помощью GLORe, обладает улучшенным качеством прогнозирования ЭНЮК. При проведении ещё одного набора ретроспективных исследований с использованием UFS и тех же инициализаций, что и CFSv2, выяснилось, что улучшение качества в значительной степени связано с инициализацией океана с помощью GLORe, но и с некоторым вкладом в результате улучшений модели. Эффект инициализации океана дополнительно подтверждается превосходством GLORe над CFSR, подтверждённым объективным анализом. 
 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL106640 

Впервые получены данные по эмиссии климатически активных газов из почв различного типа использования южнотаежной подзоны. Почвы бореального пояса являются ключевыми элементами глобального углеродного цикла. Они определяют сток и эмиссию климатически активных газов. Почвы вблизи крупных городов являются основным поглотителем углерода, в условиях изменения климата они из поглотителей могут превратиться в источник углерода и внести существенный вклад в изменение климата на планете. Исследования потоков F_CO2 и F_CH4 проводились на территории участка мониторинга «Ладога», расположенного в подзоне южной тайги, в почвах земель, не используемых в сельском хозяйстве, бывших сельскохозяйственных угодьях и водно-болотных угодьях. При камерных измерениях использовался портативный газоанализатор GLA131-GGA (ABB, Канада). Камеру устанавливали на почву, после чего фиксировали концентрацию CO₂, CH₄ и H₂O в мобильной камере. В результате исследования установлено, что наименьшая эмиссия углекислого газа характерна для почв, развивающихся на водно-болотных угодьях, и составляет 0,64 гСО₂/(м2*год). Это связано с высокой степенью гидрофобности территории и изменением окислительно-восстановительного режима. Наибольшая эмиссия углекислого газа зарегистрирована в почвах на землях, не используемых в сельском хозяйстве, и составляет 4,16 гСО₂/(м²*год). Это обусловлено образованием в почве преимущественно лабильных форм углерода, которые могут сравнительно быстро вовлекаться в круговорот углерода и влиять на его активную эмиссию из почвы. По полученным данным по эмиссии F_СН4 из почв установлено, что почвы земель, не используемых в сельском хозяйстве, и бывших сельскохозяйственных угодий являются чистыми стоками, тогда как почвы водно-болотных угодий характеризуются источником СН₄, выбросы составляют от 0,05 до 0,83 гСН₄/(м²*год). Полученные результаты свидетельствуют о пространственной неоднородности и изменениях углеродного цикла в пределах участка мониторинга «Ладога», обусловленных сменой растительных сообществ и типа местообитаний. Мониторинг выбросов важных парниковых газов в непосредственной близости от крупных городских территорий является важной задачей в условиях прогнозируемого изменения климата и растущих темпов урбанизации.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/3/360

Понимание антропогенного влияния на сезонность имеет научное, экономическое и социальное значение. Авторы показывают, что антропогенный сигнал в сезонном цикле температуры поверхности моря возник из шума естественной изменчивости. Географические закономерности изменений амплитуды сезонного цикла температуры поверхности моря (SST_AC) демонстрируют две отличительные особенности: увеличение в средних широтах Северного полушария, связанное с изменениями глубины перемешанного слоя, и устойчивую дипольную картину в поясе между 40° ю.ш. и 55° ю.ш., которая в основном обусловлена изменениями приземного ветра. Предсказанная моделью структура изменения SST_AC определена с высокой статистической достоверностью в четырёх наблюдаемых продуктах температуры поверхности моря и в 51 индивидуальной модельной реализации исторической эволюции климата. Моделирование с индивидуальными воздействиями показывает, что увеличение выбросов парниковых газов является основным фактором изменений в SST_AC, с меньшим, но отчётливым вкладом антропогенного аэрозольного и озонового воздействия. Обнаруженный здесь надёжный человеческий «отпечаток», вероятно, будет иметь широкомасштабное воздействие на морские экосистемы.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-01958-8

Временные ряды годовых максимумов суточных осадков имеют решающее значение для понимания экстремального поведения осадков и его смещения в сторону нестационарности при глобальном потеплении. Информация об экстремальных осадках помогает проектировать гидравлическую инфраструктуру, управлять водными ресурсами, предотвращать стихийные бедствия и адаптироваться к изменению климата. Однако даже треть архивных данных не имеет достаточной длины, а число активных станций продолжает уменьшаться. Здесь представлен HYADES: архив годовых максимумов ежедневных данных осадков, глобальный набор данных, полученный из базы ежедневных данных Глобальной исторической климатологической сети (GHCN-Daily). Набор данных HYADES содержит данные 39 206 станций (неоднородно распределённых по всему миру) с продолжительностью от 16 до 200 лет в период с 1805 по 2023 гг. HYADES был извлечён с помощью методологии, разработанной для точного определения истинных максимумов даже при наличии пропущенных значений в пределах записи. Пороги метода были определены и оценены посредством метода Монте-Карло. Этот подход демонстрирует 96,73% успешности обнаружения истинных максимумов при сохранении представляющих интерес статистических свойств временных рядов (L-моменты и временной монотонный тренд).

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03109-2