Новый гибридный подход к моделированию объединяет модели на основе физики и машинного обучения для расширения и улучшения прогнозов траектории и интенсивности тропических циклонов.

Время имеет решающее значение в прогнозировании тропических циклонов: чем больше заблаговременность предупреждения у сообщества, тем лучше будут подготовлены его члены, когда шторм обрушится на сушу. В настоящее время путь и характер тропических циклонов можно предсказать всего за пять дней. Но в новом исследовании Лю и др. (Liu et al.) рассмотрели новый способ прогнозирования этих штормов, который может увеличить это время до двух недель.

Исследователи создали гибридную модель для долгосрочного прогнозирования тропических циклонов, объединив качество и высокое разрешение модели Weather Research and Forecasting (WRF) на основе физики с возможностями моделирования крупномасштабной циркуляции и траектории штормов модели машинного обучения под названием Pangu- Weather (Pangu).

WRF делит поверхность Земли сеткой с квадратами размером стороны всего два километра, имитируя процессы, происходящие в ходе эволюции тропического циклона. Однако физические модели, такие как WRF, имеют некоторые ограничения в прогнозировании уровней интенсивности штормов, поскольку они не всегда учитывают изменяющиеся факторы окружающей среды, такие как температура поверхности моря или взаимодействие с другими штормами. Модели прогнозирования на основе машинного обучения лучше прогнозируют пути тропических циклонов, но 25-километровое разрешение Pangu означает, что она может упустить изменчивость меньшего масштаба в развивающемся шторме.

Чтобы уменьшить эти ограничения, исследователи объединили подходы моделей WRF и Pangu. Они провели шесть экспериментов в течение двух недель, чтобы проверить модельную конструкцию. После корректировки своих моделей они протестировали подход на Фредди 2023 года — самом продолжительном тропическом циклоне за всю историю наблюдений — в качестве примера.

Они обнаружили, что гибридный подход значительно улучшил прогнозы отслеживания и интенсивности по сравнению с использованием только одного метода моделирования. Их подход также увеличил точность прогнозов с пяти до семи дней и точно соответствовал пути и интенсивности Фредди в течение всех двух недель. Авторы отмечают, что при большем количестве испытаний на тропических циклонах их подход к моделированию может увеличить время предупреждения на более продолжительные сроки, помогая сообществам, находящимся в зоне риска, лучше подготовиться к сильным штормам. (Journal of Geophysical Research: Machine Learning and Computation, https://doi.org/10.1029/2024JH000207, 2024)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/physics-meets-machine-learning-for-better-cyclone-predictions

Исследуется роль субполярной Северной Атлантики для предсказуемости вниз по течению с использованием двух десятилетних систем климатических прогнозов. Авторы использовали субполярную экстремальную холодную и пресную аномалию, развивавшуюся зимой 2013/2014 гг., в качестве начальных условий и оценили ансамблевые прогнозы двух систем в следующем десятилетии. Кроме того, они провели ансамблевые эксперименты со стимулятором ритма, где модели вынуждены приближаться к наблюдаемым аномалиям температуры и солёности океана в субполярной Северной Атлантике с ноября 2014 года по декабрь 2019 года. Эксперименты со стимулятором ритма показывают улучшенную точность вдоль пути атлантических вод по сравнению со стандартными десятилетними прогнозами, и поэтому авторы пришли к выводу, что правильное описание океана в субполярной Северной Атлантике является ключевым фактором. Улучшенная точность наиболее заметна в подповерхностной солёности в форме распространяющихся аномалий.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024GL109415

Совокупные эксперименты с океаном и заданной температурой поверхности моря проводятся для изучения движущих сил зимней циркуляции в средних широтах Северного полушария и изменений блокингов в более тёплом климате. В этих экспериментах результаты исторического моделирования сравниваются с результатами моделирования по сценарию выбросов общего социально-экономического пути конца XXI века (SSP5-8.5). Моделирование по сценарию SSP5-8.5 даёт смещённые к полюсам струи и улучшенную стационарную волновую картину по сравнению с историческим моделированием. Относительно блокингов: снижение обнаружено по всей Северной Америке и над Тихим океаном с предположением об усилении блокингов над частями Евразии. Отдельно проводятся заданные эксперименты с температурой поверхности моря, разделяющие реакцию температуры поверхности моря в рамках SSP5-8.5 на равномерный компонент потепления и пространственно-зависимое изменение в структуре температуры поверхности моря. Изменения циркуляции в сценарии SSP5-8.5 в первую очередь обусловлены равномерным потеплением поверхности моря. Также обнаружено, что равномерное потепление объясняет большую часть ослабления блокингов в рамках SSP5-8.5 над Северной Америкой и Тихим океаном, но не над Евразией. Изменения в структуре температуры поверхности моря, подобные Эль-Ниньо, также приводят к ослаблению блокингов над Тихим океаном и Северной Америкой. Однако добавление откликов экспериментов с равномерной и структурной температурой даёт нелинейное чрезмерное сокращение блокингов по сравнению с экспериментом SSP5-8.5. Региональные анализы энергетики блокингов показывают, что большая часть их ослабления в моделировании потепления обусловлена уменьшением бароклинной конверсии в некоторых регионах и усилением рассеивания из диабатических источников в других.

Ссылка: https :// journals . ametsoc . org / view / journals / clim /37/17/ JCLI - D -23-0371.1 . xml

Быстрая урбанизация и изменение климата усугубляют эффект городского острова тепла, увеличивая уязвимость городских жителей к экстремальной жаре. Хотя во многих исследованиях оценивалась уязвимость к теплу в городах, наблюдается существенный недостаток стандартизированных критериев и ссылок для выбора показателей, построения моделей и проверки этих моделей. Многие существующие подходы не отвечают потребностям городского планирования в полной мере из-за недостаточного пространственного разрешения, временного охвата и точности. Чтобы устранить этот пробел, в этой статье представлена структура U-HEAT, концептуальная модель для анализа уязвимости к теплу в городах. Основная цель — описать теоретические основы и потенциальные приложения U-HEAT, подчеркнув её концептуальную природу. Эта структура объединяет машинное обучение с дистанционным зондированием для определения уязвимости к теплу в городах как на долгосрочном, так и на детальном уровнях. Она объединяет ретроспективное и перспективное картирование для непрерывного мониторинга и оценки, предоставляя необходимые данные для разработки комплексных стратегий. Благодаря своей активной обучающей способности U-HEAT позволяет совершенствовать модели и оценивать влияние политики. Структура, представленная в этой статье, предлагает стандартизированный и устойчивый подход, направленный на улучшение практических инструментов анализа. Она подчёркивает важность междисциплинарных исследований в укреплении устойчивости городов, а также необходимость устойчивых городских экосистем, способных решать сложные проблемы, вызванные изменением климата и возросшей городской жарой. Это исследование даёт ценную информацию для специалистов, городских администраторов и планировщиков для эффективной борьбы с проблемами городской жары.

Ссылка: https:// www.mdpi.com/2072-4292/16/16/3032

Анализируются зональные средние тенденции облачности и радиации над мировыми океанами за последние 35 лет из набора спутниковых наборов данных, охватывающих два периода. В более длительный период (1984–2018 гг.) свойства облаков берутся из наборов данных ISCCP-H, CLARA-A3 и PATMOS-x, а радиационные свойства — из набора данных ISCCP-FH, в то время как в более короткий период (2000–2018 гг.) добавляются данные об облаках MODIS и CloudSat/CALIPSO и радиационные потоки CERES-EBAF. Графики тренда зонального среднего общего облачного покрова показывают расширение субтропической сухой зоны, смещение к полюсу зоны штормов средних широт и сужение области в тропиках внутритропической зоны конвергенции в течение периода 1984–2018 гг. Это расширение «занавеса низкого облачного покрова» и сокращение внутритропической зоны конвергенции изменяют границы и протяжённость всех основных климатических зон, создавая более полярную и узкую зону штормов в средних широтах и более широкую субтропическую зону. Зональные средние тенденции океанического облачного покрова изучаются для трёх широтных зон, двух полюсных 50° и одной ограниченной 50° ю.ш. и 50° с.ш., и показывают восходящие или близкие к нулевым тенденции облачного покрова в высокоширотных зонах и последовательные нисходящие тенденции в низкоширотной зоне. Последние доминируют в глобальном среднем, что приводит к уменьшению общего облачного покрова, которое варьируется от 0,72% за десятилетие до 0,17% за десятилетие в зависимости от набора данных и периода. Эти контрастные изменения облачного покрова между высокоширотными и низкоширотными зонами вызывают контрастные эффекты обусловленного облачностью радиационного потепления в низких широтах и охлаждения в высоких широтах, присутствующие в наборах данных ISCCP-FH и CERES-EBAF. Глобальный океанический средний тренд коротковолнового радиационного эффекта облаков зависит от баланса между этими контрастными трендами, который в наборе данных CERES материализуется как тренд обусловленного облачностью коротковолнового радиационного потепления в 0,12 Вт/м²/десятилетие, происходящий из доминирования положительных трендов коротковолнового радиационного эффекта облаков в низких широтах, тогда как в наборе данных ISCCP-FH он проявляется как тренд обусловленного облачностью коротковолнового радиационного охлаждения в 0,3 Вт/м²/десятилетие, вызванный доминированием отрицательных трендов коротковолнового радиационного эффекта облаков в высоких широтах. Тренд обусловленного облачностью радиационного потепления CERES удваивается по величине до 0,24 Вт/м²/десятилетие, когда период продлевается с 2016 по 2022 гг., что подразумевает сильный радиационный нагрев облаков за последние шесть лет, происходящий из зоны низких широт.

Ссылка: https :// link . springer . com / article /10.1007/ s 00382-024-07396-8

Значение пойм в уклонении углерода от проточных систем особенно важно на континентальных равнинах с низким стоком, таких как богатая органикой Западно- Сибирская низменность. Чтобы количественно оценить относительное значение поймы по сравнению с основными выбросами CO₂, авторы проводили мониторинг большой области среднего течения реки Обь (зоны, свободной от многолетней мерзлоты) в течение трёх месяцев с весны до лета. Они рассчитали сезонное покрытие водой с использованием дистанционного зондирования, GIS и гидрологических подходов и измерили выбросы CO₂ с помощью плавучих камер. Наблюдалась ярко выраженная сезонность в протяжённости водной площади поймы, при этом вода покрывала >40% суши в течение ∼ 30 дней самого интенсивного весеннего половодья (май – июнь) и впоследствии снижалась до ≤ 10% летом (июль-август). Максимальные выбросы CO₂ были зарегистрированы в большинстве мелководных водоёмов поймы, особенно во временно затапливаемых низинных болотах и берёзовых лесах. Эмиссия CO₂ за исследуемый период составила от 0,2 ± 0,2 до 0,9 ± 0,2 г С м⁻² сут^-1 для поймы и 0,03 ± 0,34 г С м⁻² сут^-1 для основного русла Оби. Эмиссия CO₂ из поймы достигала ∼ 163 ± 20 т С на км для основного русла реки за 95-дневный период исследования. Частичные вклады временных затопленных зон, основного русла и постоянных озёр / второстепенных русел в общие выбросы (площадь 1820 км²) составили 70, 16 и 14% соответственно. В весенний и летний сезоны вклад затопленных зон составил от 43 до 99% от общих выбросов CO₂ с водных поверхностей среднего течения реки Обь. Экстраполяция полученных результатов на всю территорию поймы р. Обь свидетельствует о том, что неучёт пойменных эмиссий может существенно — до порядка — занижать эмиссию СО₂ речными системами Западной Сибири в период открытой воды. Дальнейшие работы на пойме р. Обь в зоне распространения многолетней мерзлоты должны быть приоритетными и позволят адекватно масштабировать эмиссию углерода с этой экологически важной территории.

Ссылка: https :// www . sciencedirect . com / science / article / pii / S 0022169424008643? via %3 Dihub

Криосферные опасности — в данном случае, талые оползни (thaw slumps, TS) и термоэрозионные овраги (thermo-erosion gullies, TEG) — являются типичными явлениями для ландшафтов с преобладанием многолетней мерзлоты. Открытые наборы данных, информирующие об их пространственном, временном и размерном распределении в Арктике, всё ещё редки, в отличие от систематической доступности этой информации для геоморфологических процессов в средних и низких широтах. На сегодняшний день только самый густонаселённый регион Шпицбергена был охвачен инвентаризациями TS и TEG. Авторы распространяют соответствующую информацию на большую часть архипелага, в общей сложности на 8491 полигон, из которых 3679 являются TS, а 4812 — TEG. Они были вручную нанесены на карту с использованием аэрофотоснимков по всему Шпицбергену в 14 крупнейших свободных ото льда регионах. Инвентаризация SvalCryo крайне актуальна, поскольку окружающая среда Арктики претерпевает тревожные изменения в ответ на глобальное потепление. Идея двух инвентаризаций заключается в поддержке геонаучного сообщества в стремлении оценить реакцию окружающей среды на изменение климата, создав базовый уровень для мониторинга изменений и, в конечном итоге, послужив основой для моделей оценки восприимчивости, опасности и риска.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41597-024-03754-7

Многочисленные аналитические исследования продемонстрировали влияние потери арктического морского льда на Евразию в зимнее время. Однако динамические модели непоследовательно поддерживают наблюдаемую связь Арктика-Евразия. Критические физические процессы, вызывающие расхождения, остаются неясными. Здесь, с помощью численного моделирования, авторы обнаружили, что связь Арктика-Евразия недооценивается, когда модель принудительно работает с заданными концентрациями морского льда. Подавленный турбулентный поток тепла над поверхностью арктического морского льда из-за чрезмерно упрощённых состояний морского льда, вероятно, является важным физическим процессом, приводящим к модельному разбросу. При включении турбулентного потока тепла в модель улучшается теплопередача и воспроизводится связь Арктика-Евразия. Ослабленный сибирский шторм-трек и уменьшенная бароклинность способствуют усилению сибирского антициклона за счёт воздействия вихревой обратной связи. Эти результаты подчёркивают жизненно важную роль турбулентного потока тепла, связанного с потерей морского льда, указывая на настоятельную необходимость в улучшении точности модели для описания процессов, связанных с морским льдом.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01605-2

Атлантическая (Atlantic multidecadal variability, AMV) и Тихоокеанская многодесятилетняя изменчивость (Pacific multidecadal variability, PMV) могут влиять на арктический морской лёд и модулировать его тренд, но в какой степени AMV и PMV это имеет место и какие процессы являются доминирующими, не совсем понятно. Авторы анализируют полученные с помощью модели Community Earth System Model, версия 1, идеализированные и изменяющиеся во времени результаты ансамблевых расчётов Pacemaker, чтобы исследовать эти вопросы. Эти эксперименты показывают, что концентрация морского льда меняется в основном над окраиной Северного Ледовитого океана, в то время как изменения толщины морского льда происходят над всем Северным Ледовитым океаном. Внутренние компоненты AMV и PMV могут усиливать или ослаблять десятилетние темпы потери морского льда над окраиной Северного Ледовитого океана более чем на 50%. Аномальный перенос атмосферной энергии, вызванный AMV или PMV, и нисходящая длинноволновая радиация, связанная с низкими облаками (термодинамические процессы) и движением морского льда (динамические процессы), вносят вклад в формирование температуры воздуха на поверхности Арктики, а также в изменения концентрации и толщины морского льда. Аномальный океанический тепловой поток в основном является откликом, а не причиной изменений морского льда. Динамические процессы вносят вклад в зимние изменения морского льда в Арктике в той же степени, что и термодинамические процессы, но они вносят меньший (больший) вклад в летнюю изменчивость морского льда в Арктике, чем термодинамические процессы над окраинным Северным Ледовитым океаном (частями центрального Северного Ледовитого океана). Потеря морского льда усиливает потоки тепла «воздух-море», что вызывает конвергенцию океанического тепла и нагревает приповерхностный воздух и нижнюю тропосферу, а это, в свою очередь, приводит к большему таянию морского льда.

Ссылка: https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/37/17/JCLI-D-23-0520.1.xml

Кампания Cloud-AerosoL InteractionS in the Helmos background TropOsphere (CALISHTO) проводилась осенью 2021 года на станции NCSR Demokritos background high-altitude Helmos Hellenic Atmospheric Aerosol and Climate Change (HAC)² для изучения взаимодействия аэрозолей и облаков. Текущее исследование представляет химическую характеристику нерефракторной аэрозольной фракции PM₁ с использованием во время полёта монитора химического состава аэрозолей (ToF-ACSM). Сравнительный автономный анализ аэрозольных фильтров с помощью аэрозольного масс-спектрометра с высоким разрешением (HR-ToF-AMS) показал согласованные результаты относительно определяемых видов. Распределение источников, применённое к обоим наборам данных (ACSM-ToF и автономного анализа AMS на экстрактах фильтров), дало одинаковые факторы для органического аэрозоля (один первичный и два вторичных фактора). Кроме того, модель положительной матричной факторизации была применена к общей фракции PM₁ с помощью ToF-ACSM (включая как органические, так и неорганические ионы). Было идентифицировано пять различных типов, включая первичный органический фактор, нитрат аммония, сульфат аммония и два вторичных органических аэрозоля, один более окислённый и другой менее окислённый. Преобладающие атмосферные условия на станции, т.е. наличие облаков, влияние выбросов из планетарного пограничного слоя и происхождение воздушных масс, также были включены в исследование. Разделение между условиями планетарного пограничного слоя и свободной тропосферы было сделано путём объединения данных дистанционного зондирования и методов измерения на месте. Типы воздушных масс, прибывающих на место, были сгруппированы как континентальные, морские, пылевые и морские-пылевые на основе данных обратной траектории. Значительная временная изменчивость характеристик аэрозоля наблюдалась на протяжении всей кампании; в сентябре большую часть времени отбирались воздушные массы из планетарного пограничного слоя, что привело к гораздо более высоким концентрациям массы по сравнению с октябрём и ноябрём, когда концентрации были снижены в пять раз. Периоды измерения как в облаке, так и в свободной тропосфере привели к гораздо более низким уровням концентрации, в то время как в условиях планетарного пограничного слоя и свободной тропосферы наблюдался схожий состав. Использованы преимущества недавно разработанной техники «виртуальной фильтрации» для разделения интерстициального и активированного аэрозоля, отобранного из входного отверстия PM₁₀ в облачные периоды. Это позволяет определить химический состав интерстициального аэрозоля в периоды нахождения в облаках. Сульфат аммония, доминирующий фактор положительной матричной факторизации во всех условиях, вносил больший вклад, когда воздушные массы прибывали в (HAC)² во время пылевых событий, в то время как более высокий вклад вторичного органического аэрозоля наблюдался, когда воздушные массы прибывали из континентальной Европы.

Ссылка: https://acp.copernicus.org/articles/24/8911/2024/