Представлено первоначальное приложение NOAA-EPA Atmosphere-Chemistry Coupler (NACC) в облаке («NACC-Cloud», версия 1), обрабатывающее метеорологическую информацию по запросу и оперативную Глобальную систему прогнозирования NOAA версии 16 (GFSv16), создающее готовые к модельному использованию метеорологические файлы, необходимые для управления многомасштабным качеством воздуха сообщества Агентства по охране окружающей среды США (CMAQ). NACC является адаптацией процессора интерфейса метеорологии и химии Агентства по охране окружающей среды США версии 5 (MCIPv5) и используется в качестве основного связующего элемента в текущей оперативной модели прогнозирования качества воздуха NWS/NOAA. Разработка и использование NACC-Cloud имеют решающее значение для предоставления научному сообществу упрощённого доступа к оперативным данным NOAA GFSv16, а также определяемой пользователем обработки и загрузки готовых к использованию в модели метеорологических данных для любого регионального домена CMAQ по всему миру. Система NACC-Cloud была реализована на платформе высокопроизводительных вычислений Amazon® Web Services, и результаты этой работы показывают, что система NACC-Cloud сразу же приносит пользу сообществу специалистов по моделированию качества воздуха во всём мире.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/7/1110

Ограничение глобального потепления до 1,5°C к концу века — амбициозная цель, требующая немедленного и беспрецедентного сокращения выбросов. При отсутствии достаточного смягчения последствий в краткосрочной перспективе эта цель будет достигнута только за счёт удаления двуокиси углерода из атмосферы к концу этого столетия, что повлечёт за собой период превышения температуры. Наряду с социально-экономической осуществимостью крупномасштабного удаления СО₂, которая остаётся неясной, влияние на биогеохимические циклы и климат является ключевым фактором для оценки удаления СО₂ как варианта смягчения последствий. Эволюция концентрации CO₂ в атмосфере и климата изменяют обмен CO₂ между атмосферой и нижележащими резервуарами углерода на суше и в океане. Авторы исследуют обратные связи углеродного цикла при идеализированных и более реалистичных сценариях превышения в ансамбле моделей системы Земля. Реакция океанических и земных запасов углерода на изменения концентрации CO₂ в атмосфере и изменения климата поверхности (обратная связь концентрации углерода и углерода-климата, количественно определяемая показателями обратной связи 𝛽 и 𝛾 соответственно) демонстрирует большой гистерезис. Этот гистерезис приводит к росту абсолютных значений 𝛽 и 𝛾 во время фаз отрицательных выбросов. Этот рост пространственно достаточно однороден, поскольку пространственные закономерности обратных связей существенно не меняются в расчётах отдельных моделей. Подтверждается что метрики обратной связи 𝛽 и 𝛾 являются относительно надёжным инструментом для характеристики различий между моделями в силе обратной связи, поскольку относительная сила обратной связи остаётся в значительной степени стабильной между фазами положительных и отрицательных выбросов и между различными вариантами, хотя существуют исключения. Когда выбросы становятся отрицательными, обнаруживается, что модельная неопределённость (расхождение моделей) в 𝛽 и 𝛾 увеличивается сильнее, чем ожидалось, исходя из предположения, что неопределённости будут накапливаться линейно со временем. Это указывает на то, что реакция модели на переход от увеличения к уменьшению воздействия вносит дополнительный уровень неопределённости, по крайней мере, в идеализированном моделировании с сильным сигналом. Также кратко обсуждается существующее альтернативное определение метрик обратной связи, основанное на мгновенных потоках, а не на запасах углерода, и даются рекомендации для дальнейших действий и будущих проектов взаимного сравнения моделей. 

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-1127/  

Для смягчения негативных последствий загрязнения воздуха в данной статье исследуется модель прогнозирования концентрации загрязняющих веществ на основе метода машинного обучения. Во-первых, чтобы улучшить производительность прогнозирования алгоритма поиска воробья методом наименьших квадратов с опорными векторами (SSA-LSSVM), введён принцип обратной стратегии обучения, и лучшее решение получается путём оптимизации текущего и обратного решений одновременно. Во-вторых, в соответствии с нелинейными и нестационарными характеристиками данных временных рядов PM_2.5 и PM₁₀ метод декомпозиции вариационного режима (VMD) используется с целью декомпозиции исходных данных для получения соответствующего значения K. Наконец, проводится экспериментальная проверка и эмпирический анализ. В эксперименте 1 авторы проверили хорошую производительность модели на наборах данных репозитория машинного обучения в Ирвине (UCI) Калифорнийского университета. В эксперименте 2 они предсказали данные о загрязняющих веществах для ряда городов региона Пекин-Тяньцзинь-Хэбэй в разные периоды времени, получили пять наборов ошибок и сравнили их с шестью другими алгоритмами. Результаты показывают, что метод прогнозирования, описанный в этой статье, имеет хорошую надёжность, и ожидаемые результаты могут быть получены при различных условиях прогнозирования.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/14/7/1106

Антарктический припайный морской лёд (припай) представляет собой неподвижный морской лёд, прикреплённый к берегу, севшим на мель айсбергам, шельфовым ледникам или другим выступам на континентальном шельфе. Припай образуется узкими (обычно шириной до 200 км) полосами и имеет толщину от сантиметров до десятков метров. В большинстве регионов он образуется осенью, сохраняется в течение зимы и тает весной/летом, но может оставаться в течение всего лета в определённых местах, превращаясь в многолетний лёд. Несмотря на его относительно ограниченную протяжённость (составляющую примерно от 4% до 13% всего морского льда), его присутствие, изменчивость и сезонность являются движущими силами широкого спектра физических, биологических и биогеохимических процессов, имеющих как локальные, так и далеко идущие последствия для Земной системы. Антарктический припай до недавнего времени игнорировался в исследованиях, вероятно, из-за недостаточного знания о его распределении, что привело к его репутации «недостающего кусочка антарктической головоломки». В этом обзоре представлен синтез современных знаний о физических, биогеохимических и биологических аспектах припая на основе подобластей: роста, свойств и сезонности припая; дистанционное зондирование и распределение; взаимодействие с атмосферой и океаном; биогеохимические взаимодействия; его роль в основном образовании; и припай как среда обитания травоядных. Наконец, рассматривается потенциальное состояние антарктического припая в конце XXI века, опираясь на модельные прогнозы проекта CMIP. Этот обзор также даёт рекомендации для целенаправленной будущей работы, чтобы улучшить понимание этого критически важного элемента глобальной криосферы.

Ссылка: https://www.researchgate.net/publication/371804329_Antarctic_Landfast_Sea_Ice_A_Review_of_Its_Physics_Biogeochemistry_and_Ecology

Вертикальное распределение чёрного углерода (ЧУ), а также его смешанное состояние вызывают серьёзную озабоченность из-за его сильного регионального климатического и экологического воздействия. В этом исследовании вертикальные измерения проводились с помощью передвижного контейнера на базе метеорологической вышки в городской зоне Пекина в течение июня и июля. Всего было получено 112 вертикальных профилей (0–240 м), включающих концентрации ЧУ, O₃, NOx и оптические свойства аэрозолей. Исходя из концентраций ЧУ, вертикальные профили можно разделить на четыре категории: равномерный, с постепенным снижением, с резким снижением и с внезапным увеличением. Равномерный тип указывает на сильное вертикальное перемешивание с одинаковыми концентрациями загрязняющих веществ по вертикали, а типы постепенного и резкого снижения – на стабильные вертикальные условия с более высокими концентрациями загрязняющих веществ у поверхности и более низкими на больших высотах. Из-за сильной радиации летом вертикальные профили имели чёткий суточный ход, в котором ∼ 80% профилей были равномерными в дневное время и ∼ 40–90% профилей имели постепенный и резкий спад ночью. O₃ является исключением, и его концентрация обычно увеличивается с высотой даже в условиях сильного вертикального перемешивания. Распределение размеров ядер ЧУ незначительно варьировалось в вертикальном направлении, а толщина покрытия, характеризуемая отношением диаметров частицы, содержащей ЧУ, и ядра ЧУ (D_p/D_c), увеличивалась с высотой в стабильных условиях. Хотя толщина покрытия могла увеличить поглощающую способность со средним усилением поглощения 1,25 в 23:00 местного времени, вертикальная разница Dp/Dc (2%) была намного ниже, чем разница концентрации ЧУ (∼ 35%). Вертикальное изменение абсорбционной способности в основном было вызвано изменением концентрации ЧУ. Кроме того, концентрация O₃ и D_p/D_c иногда увеличивались в период с 06:00 до 08:00, но оставались стабильными в период с 08:00 до 10:00. Вертикальное перемешивание и транспортировка с более высоких уровней, таких как остаточный слой, могут существенно повлиять на свойства загрязняющих веществ на поверхности в ранние утренние часы. Это исследование демонстрирует непрерывную вертикальную картину ЧУ и его смешивания в городских районах, что было бы полезно для понимания его регионального воздействия на окружающую среду.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/23/7225/2023/

Широко распространённые и частые засухи в последние годы затронули большую часть Европы, но остаётся неясным, когда началась эта синхронная тенденция и как на неё повлияло антропогенное воздействие. Авторы реконструируют и исследуют историю засух в южной Европе за последние 300 лет, используя ежегодные данные изотопов кислорода в годичных кольцах деревьев в Боснии и Герцеговине. Реконструкция предполагает, что начало тенденции к засухе в южной Европе произошло примерно в 1850-х годах, что согласуется с предыдущими исследованиями, демонстрирующими обширную и длительную засуху в районах Центральной и Западной Европы. Данные модели CMIP6 и данные реанализа показывают, что антропогенное потепление усилило связь между земной поверхностью и атмосферой и усугубило широко распространённую тенденцию засухи с 1850-х годов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-023-00907-1

Антропогенные аэрозоли и парниковые газы играли важную роль в модуляции накопления и распределения тепла в океанах с индустриальной эпохи. Авторы изолируют и количественно оценивают влияние обоих совокупных модельных климатических расчётов. Показано, что по сравнению с доиндустриальным периодом Южный океан импортирует тепло из Индо-Тихого океана, но экспортирует его в Атлантический в ответ на антропогенные аэрозоли. Поглощение тепла океаном уменьшается в субполярной Атлантике. Изменения циркуляции и температуры океана слабо компенсируются, внося свой вклад в межбассейновый теплообмен. Следовательно, вклад межбассейнового теплообмена в изменения поглощения тепла океаном сопоставим с изменением накопленного тепла в Атлантике и Индо-Тихоокеанском регионе. Изменения, обусловленные парниковыми газами, противоположны изменениям, связанным с аэрозолями. Антропогенные парниковые газы способствуют поглощению тепла океаном в субполярной Атлантике и позволяют Южному океану импортировать тепло из Атлантики, но экспортировать его в Индо-Тихий океан. Причина этого перераспределения тепла океана отличается от сценария воздействия аэрозолей, поскольку эффекты циркуляции океана сильно компенсируются температурными сдвигами. Соответственно, межбассейновый теплообмен имеет гораздо меньшее значение, чем изменения поглощения тепла океаном, обусловленного парниковыми газами. Эти результаты показывают, что вызванные аэрозолями изменения в циркуляции океана и связанный с ним перенос тепла между бассейнами более эффективны в изменении распределения тепла в океане, чем изменения, вызванные глобальным увеличением количества парниковых газов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-023-01219-x

Почва «записывает» информацию о прошлых условиях окружающей среды и экологических условиях, но мало что известно о механизмах памяти, передаче информации в пространстве и времени и потенциальных последствиях для функционирования экосистемы. Более систематическое включение памяти почвы в модели системы Земли может объяснить сложные реакции земной поверхности на возмущения и изменение климата.

Поскольку память почвы связывает функционирование экосистемы и климат в сложную адаптивную систему, охватывающую время и пространство, она обеспечивает возможность изучения влияния прошлых событий на текущую и будущую реакцию земной поверхности. Однако применение памяти почвы неуловимо и ограничено конкретными приложениями в моделировании (например, память влажности почвы в климате) или конкретными дисциплинами (например, палеопедология*). Авторы утверждают, что память почвы играет центральную роль в представлении динамики системы Земли и совместной эволюции земной поверхности и климата. Это необходимо для точного прогнозирования процессов в наземных экосистемах и разрешения климатических характеристик в моделях земной поверхности.

*Палеопедология – дисциплина, изучающая почвы прошлых геологических эпох, от совсем недавнего (четвертичного периода) до самых ранних периодов истории Земли.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-023-00454-5

Пара исследований демонстрирует неопределённость в отношении того, когда Арктика сезонно освободится от морского льда.

Каждый сентябрь, начиная с 1979 года, измеряется протяжённость морского льда в Арктике. И картина не из приятных — за это время было потеряно более двух млн км2, оставив нетронутыми около 4,67 млн км² морского льда.
Ясно, что Арктика быстро теряет морской лёд, но вопрос о том, когда регион сезонно освободится от морского льда — событие, которое, вероятно, произойдёт до конца века, — всё ещё горячо обсуждается. Это связано с тем, что климатические модели недооценивают наблюдаемое в последние годы таяние, из-за чего учёные не уверены, смогут ли они использовать эти модели для прогнозирования.
К этому обсуждению добавились две новые публикации. В первой, опубликованной в Nature Communications, приводятся доказательства того, что в ближайшие несколько десятилетий Арктика будет сезонно освобождаться от морского льда даже при сценариях с низким уровнем выбросов парниковых газов. Во второй, опубликованной в Nature Climate Change, предполагается, что площадь арктического морского льда будет уменьшаться медленнее, чем считалось ранее, поскольку влияние ветра не было должным образом учтено в моделях.
«Общее для обеих работ заключается в том, что нам нужно лучше понять, чего не хватает моделям», — сказала физический океанограф Эрика Розенблюм (Erica Rosenblum) из Университета Манитобы, не участвовавшая ни в одном исследовании. «Если мы не решим это, у нас по-прежнему будет очень широкий диапазон» возможных сценариев. 

Понимание льда

Морской лёд сложен. Он хрупок, ломается, образует большие и маленькие кусочки, которые плавятся по-разному, и исторически его толщину было трудно измерить. Из-за всей этой неоднородности и неопределённости учёным очень сложно создавать модели, точно отражающие плавление, наблюдаемое в реальности.
Чтобы обойти эту трудность, климатолог Сеунг-Ки Мин (Seung-Ki Min) из Пхоханского университета науки и технологии в Южной Корее и его коллеги сравнили оценки этих несовершенных моделей с наблюдениями за тем, как на самом деле тает морской лёд. Затем они скорректировали прогнозы, сделанные моделями, чтобы они соответствовали историческим различиям между результатами моделей и наблюдениями.
Результаты показали, что Арктика скоро станет сезонно свободной от морского льда даже при некоторых сценариях с низким уровнем выбросов парниковых газов. «Даже если мы достигнем цели Парижского соглашения — потепления на 2°С», — сказал Мин, лето в Арктике станет свободным ото льда в течение четверти века.
Точные сроки будут зависеть от того, как социальные и политические системы адаптируются к потеплению климата. Мин и его коллеги изучили четыре общих социально-экономических пути — гипотетические описания того, как мир может смягчить последствия изменения климата и адаптироваться к ним, каждый из которых характеризуется разным уровнем международного сотрудничества и отношением к ископаемому топливу.
Исследователи обнаружили, что если люди во всём мире будут в значительной степени использовать ископаемое топливо для дальнейшего повышения глобального уровня жизни, Арктика увидит свой первый месяц без морского льда примерно в 2040 году. С другой стороны, если мир отдаёт приоритет устойчивому развитию, морской лёд может сохраняться круглый год в течение дополнительного десятилетия и даже восстанавливаться после нескольких сезонно свободных ото льда десятилетий.
Результаты показывают хрупкость Арктики и то, насколько близка её экосистема к безвозвратному изменению, сказал климатолог Кристофер Хорват (Christopher Horvat) из Оклендского университета. «Если мы не реализуем эти сценарии с высоким сокращением, — добавил Хорват, не участвовавший в исследовании, — в конечном итоге мы очень скоро потеряем весь морской лёд летом». 

Но как насчёт ветра?

С другой стороны, климатолог Цинхуа Дин (Qinghua Ding) из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре считает открытым вопрос, когда Арктика потеряет свой летний морской лёд. Причины, по которым модели не могут точно описать наблюдения, по его мнению, до сих пор неясны, поэтому «делать прогнозы на будущее преждевременно».
Частично проблема заключается в том, что современные модели не отражают степень, в которой ветер может быть причиной таяния морского льда, заявили Дин и его коллега Даниэль Топал (Dániel Topál) из Католического университета Лувена в недавней публикации. Модели атмосферной циркуляции могут резко влиять на температуру земли, толкая тёплый воздух вниз — тот же процесс, который привёл к формированию теплового купола над северо-западом Тихого океана в 2021 году. Современные климатические модели считают уровни углекислого газа основной причиной таяния морского льда и приписывают только около 1% «ответственности» атмосферной циркуляции. Дин считает, что модели циркуляции на самом деле могут «отвечать» за примерно 30%.
В статье предполагается, что увеличение выбросов парниковых газов не влияет на арктический морской лёд так сильно, как считали исследователи, и эта картина противоречит общепринятому мнению. «Лето без льда наступит позже, потому что сейчас все модели слишком чувствительны», — сказал Дин. Если Дин прав, лето без льда в Арктике может отложиться до 2070 года, в зависимости от того, насколько хорошо общество смягчит последствия изменения климата.

Примирение противоположных прогнозов

На первый взгляд эти две публикации кажутся противоположными, но Розенблюм видит в них две стороны одной медали. Во-первых, Мин и его коллеги чётко задокументировали недостатки существующих моделей, а затем Дин и его коллеги указали на ветер как на потенциальный источник этого недостатка. «Они обе интересны по-разному», — сказала Розенблюм.
Мин не убеждён, что влияние атмосферной циркуляции на морской лёд изучено достаточно, чтобы приписать сильную связь. Дин признал, что вся ситуация по-прежнему окутана неопределённостью. «Мы знаем очень мало, — сказал он, — нам действительно нужно понять, каков механизм — какова динамика исторического таяния?»
«Послание на дом» — одна из любимых фраз учёных: «Дальнейшее исследование оправдано», — сказал Мин.

Ссылка: https://eos.org/articles/sea-ice-is-going-but-when-will-it-be-gone

Глобальные гидрологические модели предоставляют заинтересованным сторонам и лицам, определяющим политику, ключевую информацию, воспроизводящую прошлые, настоящие и будущие водные циклы. Неточность в их моделировании, то есть результаты моделирования, которые плохо соответствуют наблюдениям, приводит к неопределённости, препятствующей важной поддержке принятия решений. Улучшенная оценка параметров является одним из ключей к более точной работе глобальных моделей. Авторы представляют эффективный и прозрачный способ понимания управления параметрами глобальной гидрологической модели для улучшения их оценки с использованием анализа глобальной чувствительности. Использована глобальная гидрологическая модель WaterGAP3; обнаружено, что наиболее влиятельными параметрами в 50% из 347 бассейнов по всему миру являются параметры модели, которые традиционно не учитывались при калибровке этой модели. Важность параметра варьируется в пространстве и между метриками. Например, параметр, контролирующий скорость потока подземных вод, влияет на характеристики, связанные с кривой продолжительности потока, но не на традиционные статистические показатели. Параметры, связанные с эвапотранспирацией и высокими стоками, демонстрируют неожиданное поведение, т.е. параметр, определяющий потенциальную эвапотранспирацию, влияет на высокие стоки больше, чем другие параметры, которые, как ожидалось, будут иметь значение. Такое неожиданное поведение предполагает, что структуру модели можно улучшить. Также обнаружено, что атрибуты бассейнов объясняют пространственную изменчивость важности параметров лучше, чем климатические зоны Кёппен-Гейгера. В целом, полученные результаты показывают, что анализ глобальной чувствительности может эффективно формировать оценку параметров в глобальной гидрологической модели и способствовать улучшению структуры модели. Таким образом, использование анализа глобальной чувствительности для улучшения оценки параметров обеспечивает более точное моделирование глобального водного цикла и более надёжную информацию для заинтересованных сторон и политиков.

Ссылка: https://www.researchgate.net/publication/371262921_Towards_parameter_estimation_in_global_hydrological_models