Крупномасштабные карты трёхмерной структуры растительности важны для понимания гидрологического цикла, климата, потоков углерода и среды обитания. Авторы собрали более семи миллиардов лидарных снимков из исследования динамики глобальной экосистемы (Global Ecosystem Dynamics Investigation, GEDI) для создания готовых к анализу растров с сеткой 36 метрик структуры растительности с тремя пространственными разрешениями (1, 6 и 12 км). Использованы восемь статистик для снимков в каждом пикселе, в частности среднее значение, стандартная ошибка среднего значения с бутстрепом, медиана, стандартное отклонение, межквартильная амплитуда, индекс разнообразия Шеннона и число снимков. Авторы количественно оценили неопределённость среднего значения, случайным образом выбрав 100 подмножеств снимков (т.е. бутстреп) в каждом пикселе. Также была оценена точность нескольких метрик с сеткой, используя данные воздушного лазерного сканирования с высоким пространственным разрешением. Сетчатые метрики, как правило, более точны в средних широтах из-за более высокой плотности снимков и более низкой плотности растительности. Статистика, связанная с центральной или максимальной тенденцией метрики, более точна, чем статистика, связанная с изменчивостью значений метрики в пределах пикселя.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03668-4

В настоящее время существуют данные об арктическом морском ледовом покрове за два десятилетия по всему бассейну, собранные тремя специализированными полярно- орбитальными альтиметрическими миссиями (ICESat, CryoSat-2 и ICESat-2), запущенными NASA и ESA. Авторы рассматривают подходы к восстановлению и обсуждают составную запись толщины арктического льда (2003–2023 гг.) после добавления записей ещё двух лет (2022–2023 гг.) к более ранним записям. Текущая доступность пятилетних оценок глубины снега — по данным лидара (ICESat-2) и радара (CryoSat-2) — выиграла от одновременной работы двух альтиметрических миссий. В целом, драматическая потеря объема (5500 км³) и истончение по всей Арктике (0,6 м), зафиксированные ICESat (2003–2009 гг.), в первую очередь из-за сокращения старого ледового покрова в период с 2003 по 2007 гг., замедлились. В центральной Арктике, вдали от берегов, записи CryoSat-2 и более короткие записи ICESat-2 показывают почти незначительные тенденции с 2007 года, где толщина льда зимой и осенью теперь колеблется около 2 м и 1,3 м, по сравнению с пиком в 3,6 м и 2,7 м в 1980 году. Нарастание объёма льда удвоилось между осенью и зимой, причём быстрорастущий сезонный ледяной покров занимает более половины Северного Ледовитого океана к концу лета. Сезонное поведение льда доминирует над межгодовыми показателями толщины и объёма арктического морского льда.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2072-4292/16/16/2983

Арктический морской лёд опосредует передачу импульса атмосфера-океан, управляющую циркуляцией в верхних слоях океана. Неясно, как поверхностное напряжение и скорость циркуляции Северного Ледовитого океана реагируют на сокращение морского льда и изменение ветров при глобальном потеплении. Авторы показывают, что современные климатические модели последовательно предсказывают рост будущего (2015–2100 гг.) поверхностного напряжения океана в ответ на увеличение скорости поверхностного ветра, сокращение площади морского льда и более слабый ледовый покров. В то время как скорость ветра больше всего увеличивается осенью (+2,2% за десятилетие), наибольший рост поверхностного напряжения происходит зимой (+5,1% за десятилетие), усиливаясь вследствие уменьшения внутреннего ледового напряжения. Это происходит потому, что по мере уменьшения сплоченности морского льда в условиях потепления климата меньше энергии диссипирует в более слабом ледовом покрове, что приводит к большей передаче импульса в океан. Увеличенный перенос импульса увеличивает скорость поверхностной циркуляции Северного Ледовитого океана (+31–47% к 2100 году), что приводит к повышению кинетической энергии океана и усилению вертикального перемешивания. Возросшее поверхностное напряжение также увеличивает конвергенцию Экмана в круговороте в море Бофорта и содержание пресной воды, влияя на арктические морские экосистемы и нисходящую циркуляцию океана. Последствия прогнозируемых изменений значительны, но различные и упрощённые формулировки моделей переноса импульса атмосфера-лёд-океан вносят значительную неопределённость, подчёркивая необходимость улучшения описания связи в климатических моделях.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-50874-0

Усиление усвоения CO₂ лесами по мере повышения концентрации CO₂ в атмосфере может замедлить темпы роста содержания CO₂, если ассимилированный углерод выделяется в долгоживущую биомассу. Эксперименты на молодых плантациях деревьев подтверждают эффект удобрения CO₂, поскольку уровень CO₂ в атмосфере продолжает увеличиваться. Однако существует неопределённость относительно того, сохраняют ли старые, более зрелые леса способность реагировать на повышенный уровень концентрации CO₂. Здесь, с помощью анализа годичных колец и лазерного сканирования полога, авторы показывают, что 180-летний лесной массив Quercus robur L. в центральной Англии увеличивал производство древесной биомассы при воздействии обогащения CO₂ в свободном воздухе в течение семи лет. Кроме того, повышенный уровень концентрации CO₂ усилил выделение углерода из тонких корней в почву с вероятным воздействием на циклы питательных веществ. Продемонстрированное в статье увеличение прироста деревьев и доли долгоживущей древесной биомассы подтверждает важную роль зрелых лесов умеренного пояса в смягчении последствий изменения климата.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41558-024-02090-3

Суда осветляют низкие морские облака выбросами серы и аэрозолей, что приводит к видимым «следам судов». В 2020 году новые правила судоходства предписали сократить допустимое содержание серы в топливе примерно на 80%. Недавние наблюдения показывают, что видимые «следы судов» уменьшились. Использование моделей показывает, что с 2020 года правила судоходства вызвали суммарное радиационное воздействие +0,12 Вт·м⁻². Анализ недавних температурных аномалий говорит о том, что аномалии температуры поверхности Северного полушария в 2022–2023 гг. коррелируют с наблюдаемым радиационным воздействием облаков, которое в свою очередь пространственно коррелирует с моделируемым радиационным воздействием от изменений выбросов судов в 2020 году. Изменения выбросов судов могут ускорять глобальное потепление. Чтобы более качественно ограничить эти оценки, необходимы лучший доступ к данным о местоположении судов и понимание выбросов аэрозолей судами. Понимание рисков и выгод от сокращения выбросов и трудности надёжной атрибуции подчёркивает большую неопределённость в атрибуции предлагаемого преднамеренного вмешательства в изменение климата.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GL109077

Я КРИЧУ*, вы КРИЧИТЕ, мы все КРИЧИМ о более быстром моделировании климата.

Климатические модели вычисляют огромные объёмы информации о климатической системе Земли — от небольших капель воды до крупномасштабных погодных условий — для воссоздания прошлого климата или прогнозирования климата будущего. Точное воссоздание того, как энергия Земли (измеряемая в ваттах) сбалансирована между атмосферой, поверхностью суши, океанами и морским льдом, помогает учёным понять, какие факторы вызывают изменения климата, и позволяет лучше подготовиться к будущему.

Чтобы управлять широким диапазоном масштабов, эти компьютерные расчёты делят мир на трёхмерную сетку ячеек. Современные модели общей циркуляции, имитирующие движение воздуха вокруг планеты, делят атмосферу с сеткой горизонтальных квадратов примерно 1° по горизонтали и около 60 вертикальных уровней. Хотя это разрешение является улучшением по сравнению с более ранними версиями этих моделей, оно всё ещё достаточно низкое, что вызывает значительную неопределённость.

Глобальные модели разрешения штормов (global storm-resolving models, GSRM) — это новый тип климатической модели с более высоким разрешением. С квадратами сетки размером всего пять километров в поперечнике эти типы моделей могут предоставить больше подробностей и информации о суровых погодных явлениях, таких как тропические циклоны. Но они всё ещё испытывают трудности с разрешением деталей свойств облаков (особенно близко к поверхности Земли) и вертикального перемещения атмосферного тепла и влаги. Кроме того, их уровень детализации делает эти модели и медленными, и дорогими для запуска на традиционном компьютерном оборудовании.

Простая модель атмосферы E3SM с разрешением облаков (SCREAM) предлагает улучшенное разрешение облаков. Здесь результаты модели для события вспышки холодного воздуха около Сибири и циклона к югу от Австралии сравниваются с видимыми спутниковыми снимками Himawari-8.

Донахью и др. (Donahue et al.) обсуждают новую GSRM, сочетающую высокую скорость вычислений с моделированием высокого разрешения: простую модель атмосферы E3SM для разрешения облаков (SCREAM). Эта модель предназначена для работы на экзафлопсных компьютерах, которые могут выполнять более 1018 операций умножения или сложения в секунду — производительность, которая в настоящее время возможна только на двух самых быстрых компьютерах в мире. После пяти лет разработки авторы исследования провели четыре 40-дневных моделирования каждого сезона на сетке с разрешением три километра в этой новой модели и сравнили свои результаты со спутниковыми и наземными данными.

Эта первая итерация SCREAM воссоздала глобальный энергетический баланс с точностью до 1,2 Вт на квадратный метр, а также струи средних широт и атмосферные реки, ответственные за перенос влаги на полюсах. SCREAM также зафиксировала изменения в течение дня в облаках пограничного уровня во все четыре сезона, но испытывала трудности с охватом облаков среднего уровня, особенно в тропиках. Хотя SCREAM всё ещё находится на стадии разработки, она предоставит исследователям более быстрый способ выполнения моделирования климата с высоким разрешением. (Journal of Advances in Modeling Earth Systems (JAMES), https://doi.org/10.1029/2024MS004314, 2024)

* Обыгрывается значение англоязычного слова scream, использованного в качестве аббревиатуры модели.

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/modeling-earth-systems-at-a-quintillion-calculations-per-second

Палеоклиматические данные предоставляют испытательный стенд, на котором качество климатических моделей может быть оценено в условиях существенного изменения содержания CO₂; однако эти данные обычно недостаточно используются в процессе разработки и оценки моделей. Авторы используют набор метрик, основанных на косвенных наблюдениях палеоклимата, для оценки климатических моделей в трёх прошлых периодах. Обнаружено, что последнее ансамблевое среднее CMIP6/PMIP4 замечательно справляется с имитацией глобальных средних температур приземного воздуха этих прошлых периодов и улучшено по сравнению с CMIP5/PMIP3, что подразумевает, что современная климатическая чувствительность ансамблевого среднего моделей CMIP6/PMIP4 согласуется с палеоклиматическими данными. Однако некоторые модели, в частности, с очень высокой или очень низкой климатической чувствительностью, воссоздают палеотемпературы, которые находятся за пределами диапазона неопределённости палеопрокси-температурных данных; в этом отношении палеоданные могут обеспечить более строгое ограничение, чем данные из исторических записей. Также существует согласованность между моделями и данными с точки зрения полярного усиления, причем усиление увеличивается с ростом глобальной средней температуры во всех трёх временных периодах. Работа подчёркивает преимущества использования палеоклиматических данных в цикле разработки и оценки модели, в частности для отбора моделей со слишком высокой или слишком низкой чувствительностью климата в диапазоне концентраций CO₂.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01531-3

Солнечные протонные вспышки (СПВ) влияют на атмосферу Земли, вызывая дополнительную ионизацию в высокоширотной мезосфере и стратосфере. Скорость ионизации от таких солнечных протонных вспышек максимальна в стратосфере, но образование озоноразрушающих оксидов азота и водорода начинается на мезосферных высотах. Разрушение мезосферного озона связано с протонами с энергией около 10 МэВ и выше и будет сильно зависеть от интенсивности потока этих частиц. Большинство исследований, изучающих влияние СПВ на характеристики средней атмосферы, были основаны либо на моделировании, либо на наборах данных реанализа, а некоторые исследования использовали спутниковые наблюдения для проверки результатов модели. Авторы изучают влияние СПВ на потерю озона в холодное время года как в северном, так и в южном полушариях, используя измерения мезосферного озона Aura MLS за период с 2004 по 2024 гг. Показано, насколько сильно СПВ могут истощать полярный мезосферный озон в разных полушариях, и сделана попытка оценить эту зависимость от интенсивности солнечных протонных вспышек. Обнаружено, что умеренные СПВ, состоящие из протонов с энергией более 10 МэВ и интенсивностью потока более 100 единиц потока частиц (pfu), разрушают до 47% мезосферного озона в северном полушарии, и до 33% в южном. Для обоих полушарий пик зимней потери озона наблюдался на высоте около 76 км. В северном полушарии максимальная зимняя потеря озона наблюдалась на второй день после СПВ, но в южном полушарии зимнее истощение озона было обнаружено уже в первый день. В южном полушарии концентрации мезосферного озона возвращаются к уровню, предшествующему вспышке, на девятый день после СПВ, но в северном полушарии даже на десятый день после СПВ мезосферный озоновый слой может не восстановиться полностью. Сильные СПВ с интенсивностью потока протонов более 1000 pfu приводят к максимальной потере озона зимой до 85% в северном полушарии, а в южном полушарии зимой потеря озона достигает 73%.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/8/944

В рамках инициативы RECCAP2 оценен бюджет парниковых газов и углерода Европы. Для десятилетия 2010-х годов представлена оценка в подходе «снизу вверх» суммарных выбросов парниковых газов в размере 3,9 Пг CO₂-экв. год⁻¹ (использован потенциал глобального потепления на горизонте 100 лет), в значительной степени определяемых выбросами ископаемого топлива. В этом десятилетии наземные экосистемы выступали в качестве суммарного стока парниковых газов в размере 0,9 Пг CO₂-экв. год⁻¹, в котором доминировал сток CO₂, который частично уравновешивался суммарными выбросами CH₄ и N₂O. Для CH₄ и N₂O имеет место хорошее соответствие между оценками в подходах «снизу вверх» и «сверху вниз» из атмосферных инверсий. Однако сток CO₂ на суше в подходе «снизу вверх» значительно выше оценок в подходе «сверху вниз». Также показано, что десятилетние средние значения суммарных выбросов парниковых газов снизились на 1,2 Пг CO₂-экв. год⁻¹ с 1990-х годов, в основном из-за сокращения выбросов ископаемого топлива. Кроме того, основываясь на данных оценок обоих подходов, авторы обнаружили, что сток CO₂ на суше ослаб за последние два десятилетия. Большая часть европейских стоков CO₂ и углерода расположена в Северной Европе. В то же время отмечена тенденция к снижению силы стока в Скандинавии, что можно объяснить ростом интенсивности лесоуправления. Это частично компенсируется ростом стоков CO₂ в некоторых частях Восточной Европы и Северной Испании, что отчасти объясняется изменением методов землепользования. Обширные регионы с высокими выбросами CH₄ и N₂O в основном связаны с сельскохозяйственной деятельностью и находятся в Бельгии, Нидерландах и на юге Великобритании. Также проанализирована межгодовая изменчивость бюджетов парниковых газов. Засушливый 2003 год показал самые высокие суммарные выбросы CO₂ и всех парниковых газов вместе взятых.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GB008141

Продолжаются дебаты о связи между ускоренным потеплением в Арктике и экстремальными погодными явлениями в средних широтах. Поскольку экстремальные погодные явления имеют драматические социально-экономические издержки, важно исследовать возможность повышенного риска таких событий в средних широтах. Авторы исследовали изменения частоты экстремальных погодных явлений в Восточной Европе и Западной и Центральной Азии (30–60° с.ш., 20–75° в.д.) в период после арктического усиления (2002–2022 гг.) по сравнению с периодом до арктического усиления (1979–1999 гг.). Были проанализированы ежедневные отклонения от тренда приповерхностной температуры и осадков по данным ERA5. Нет надёжных доказательств вклада арктического усиления в изменения экстремальных осадков в Восточной Европе и Западной и Центральной Азии. В большинстве регионов исследуемой области наблюдалось снижение годового количества осадков в период после арктического усиления. Авторы также выявили увеличение последовательных сухих дней в большинстве районов Центральной Азии примерно на 16 дней в году, что можно объяснить более тёплым климатом, поскольку засушливые районы обычно становятся суше в более тёплом климате. Более сильное потепление Земли в более поздний период было связано со значительным увеличением как числа тёплых дней и ночей, так и значительным уменьшением числа холодных дней и ночей над Восточной Европой и Западной и Центральной Азией. В зависимости от сезона выявлены как усиление, так и ослабление верхнего тропосферного струйного течения в период постарктического усиления. Струйное течение усиливается от восточной части Чёрного моря к северному Казахстану и юго-восточной России весной. Напротив, оно значительно ослабевает в северной части Средиземного моря и западном Казахстане летом и над Каспийским морем и на Кавказе осенью. Эти результаты имеют важные последствия для лучшего понимания потенциального воздействия быстрого потепления Арктики на экстремальные погодные явления в средних широтах.

Ссылка: https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-024-07367-z