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/

Температура поверхности в полярных регионах зависит не только от локальных воздействий и обратных связей, но также от удалённых связей между полярными регионами и регионами низких широт. В этом исследовании реакции энергетического бюджета в полярных регионах на удалённые изменения температуры поверхности моря анализируются с использованием набора идеализированных экспериментов с температурой поверхности моря. Результаты показывают, что реакции полярного энергетического бюджета на удалённые потепления поверхности моря регулируются изменениями в атмосферном переносе энергии, а радиационные обратные связи также вносят вклад в полярный энергетический бюджет как в верхней части атмосферы, так и на поверхности. Увеличение полюсного переноса атмосферной энергии в полярные регионы приводит к повышению температуры поверхности и воздуха, что инициирует радиационное потепление на поверхности и радиационное охлаждение в верхней части атмосферы. В ответ на потепление поверхности моря в большинстве регионов средних широт увеличивается полюсный перенос атмосферной энергии в полярные регионы в соответствующем полушарии. Потепление поверхности моря над большинством тропических регионов усиливает полярный перенос энергии как в Арктику, так и в Антарктику, за исключением того, что повышение температуры Индийского океана приводит к уменьшению атмосферного переноса энергии в направлении полюса в Арктику из-за различных реакций стационарных волн. Чувствительность арктического энергетического бюджета к изменениям температуры поверхности моря в тропиках, как правило, сильнее, чем антарктического, а атмосферный перенос тепла в направлении полюса определяется сухой статической энергией с меньшим вкладом от переноса скрытого тепла. Полярный энергетический бюджет не чувствителен к изменениям температуры поверхности моря в большинстве субтропических регионов.

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2024/egusphere-2024-2379/

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