Антропогенное потепление может изменить крупномасштабные структуры циркуляции в атмосфере, что может иметь серьёзные последствия для регионального климата и экстремальных погодных явлений. Наблюдаемые термодинамические изменения во внетропических бореальных зонах с высокой степенью уверенности объясняются антропогенными выбросами, но большинство изменений циркуляции - нет. В частности, не только то, что в предыдущем наборе климатических моделей большинство из них не фиксируют недавнее ослабление траекторий бореальных летних штормов, но и количественная оценка роли антропогенных выбросов в ослаблении траекторий недавних штормов до сих пор не проводилась. Авторы использовали новейший набор климатических моделей, которые, как обнаружено, адекватно отражают ослабление недавних штормов и показывают, что это ослабление связано с антропогенными выбросами. Эти выбросы привели к более быстрому потеплению в высоких широтах, а связанное с этим уменьшение температурного градиента к полюсу ослабило штормы. Физическая согласованность между данными моделей и реанализов повышает уверенность в прогнозируемом ослаблении, представляющим собой региональные риски, включая экстремально жаркую и засушливую погоду летом.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41612-024-00640-2

Изменение климата может повлиять на сельское хозяйство на разных уровнях – от заводов до ферм и учреждений – но эти последствия трудно измерить и последовательно спрогнозировать. Предлагается статистический подход для оценки чувствительности сельскохозяйственных систем к различным аспектам изменения климата и моделирования будущих изменений, включающих адаптацию человека. Применение этого подхода к ситуации в Бразилии показывает, что климат оказывает сильное влияние на урожайность и доходы от сельского хозяйства и приводит к дефолту крупного банка государственного сектора. Прогнозы на будущее предполагают рост доходности и волатильности доходов в середине столетия, а также более высокие темпы дефолтов, вызванных изменением климата, что создаёт соответствующие риски для финансовых учреждений. Таким образом, этот подход способен отразить часто трудно моделируемые возникающие климатические риски и служить основой для более индивидуальных подходов к повышению устойчивости. 

Эффективная политика адаптации к изменению климата требует понимания того, как воздействия связаны с местоположением и уязвимостью, размерами климатической системы, которая изменится больше всего, и где антропогенное воздействие будет наиболее драконовским, а также институтов, лучше всего подходящих для реагирования. Предлагается простой метод для более достоверного сопоставления эмпирических статистических оценок ущерба, полученных на основе недавних наблюдений за погодой и её последствиями, с прогнозируемыми будущими изменениями климата и предлагаемыми ответными мерами. Сначала авторы анализируют данные о сельскохозяйственном производстве и погашении кредитов в Бразилии, чтобы понять уязвимость к историческим изменениям более предсказуемых компонентов - температуры и осадков (тенденция и сезонность), а также к потрясениям (как локальным, так и в более крупных пространственных масштабах). Эти анализируемые погодные изменения за последние два десятилетия объясняют более 50% колебаний урожайности основных сельскохозяйственных культур Бразилии и, что особенно важно, могут быть построены таким же образом для будущих климатических прогнозов. Объединив эти оценки со скорректированными на предвзятость климатическими моделями с пространственной детализацией для Бразилии, авторы обнаружили увеличение различий в урожайности и доходах (включая большее число плохих лет и худших результатов) и более высокий уровень дефолтов по сельскохозяйственным кредитам в середине века. Результаты в этом контексте указывают на два особенно острых аспекта уязвимости: усиление сезонности и местные идиосинкразические шоки способствуют ухудшению результатов, наряду с уменьшением способности пространственно коррелированных («ковариатных») шоков смягчать эти последствия через цены. Эти результаты показывают, что стратегии устойчивости должны быть сосредоточены на таких институтах, как хранение воды, финансовые услуги и перестрахование.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215677121

Повышение уровня моря приводит к затоплению многолетней мерзлоты на суше в Арктике, превращая её в подводную многолетнюю мерзлоту. Подводная многолетняя мерзлота, толщина которой местами превышает 700 м, подстилает ~1,8 млн км² арктического континентального шельфа. Изменения уровня моря в течение ледниково-межледниковых циклов контролируют распределение и толщину подводной многолетней мерзлоты, однако ни одна модель многолетней мерзлоты не учитывает ледниковую изостатическую корректировку, которая отклоняет местный уровень моря от среднего глобального значения из-за изменений в нагрузке льда и океана. Авторы включили ледниковую изостатическую корректировку в панарктическую модель подводной многолетней мерзлоты в расчёт на последние 400 000 лет. Такое включение значительно уменьшает современную толщину подводной многолетней мерзлоты, главным образом из-за гидроизостатических эффектов, а также деформации, связанной с ледяными щитами Северного полушария. Кроме того, было продлено моделирование на 1000 лет вперёд для сценариев выбросов, изложенных в шестом оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Обнаружено, что подводная многолетняя мерзлота сохраняется при сценарии с низкими выбросами, но в основном исчезает при сценарии с высокими выбросами.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-45906-8 

Неполное сгорание в процессе лесных пожаров в бореальных лесах оставляет после себя наследственные обратные связи между растениями и почвой, как известно, ограничивающие биоразнообразие растений. Эти ограничения могут препятствовать улавливанию углерода после пожара, осложняя переход экосистем к моделям роста растительности, которые способны компенсировать ускоренное теплом разложение почвы в условиях изменения климата. Авторы исследовали условия возобновления роста растений через два года после 49 отдельных естественных лесных пожаров, охватывающих почти весь климатический диапазон бореальной Фенноскандии, чтобы определить локальные и региональные факторы, способствующие восстановлению ранней растительности. Минимальное восстановление хвойных пород было обнаружено при широком диапазоне интенсивности пожаров, хотя остаточная органическая структура почвы и растений была связана с ограниченным ростом разнообразной более адаптированной к теплу растительности, такой как широколиственные деревья. Это двойное ограничение регенерации совпало с увеличением концентрации бактерий-разрушителей в почве при повышении среднегодовой температуры, что потенциально увеличивало выделение углерода из почвы. Эти результаты показывают, что значительные части бореального региона в настоящее время подвергаются риску продления послепожарных периодов суммарных выбросов углерода в атмосферу из-за ограничений биоразнообразия растений, вызванных лесными пожарами и изменением климата.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01333-7

Торфяники хранят органический углерод, доступный для разложения и переноса в соседние водоёмы, что в конечном итоге может привести к выбросам углекислого газа (CO₂) и метана (CH₄). Целью данного исследования было выяснение биогеохимического функционирования открытых торфяных бассейнов и их влияния на балансы углерода в экосистеме и глобальном масштабе. Для описания динамики CO₂ и CH₄ в бореальных омбротрофных торфяных болотах и поровой воде (Квебек, Канада) в течение вегетационного периода 2019 и 2020 гг. использовались непрерывно работающее автоматизированное оборудование и ежемесячные ручные измерения. Коэффициенты стабильных изотопов углерода в поровой воде торфа (δ¹³C) для обоих CO₂ (медиана δ¹³C-CO₂: -3,8‰) и CH₄ (медиана δ¹³C-CH₄: -64,30‰) позволяют предположить, что гидрогенотрофный метаногенез является преобладающим путём разложения торфа. Бассейны с открытой водой были перенасыщены CO₂ и CH₄ и получали большую часть этих растворённых углеродных парниковых газов (C-ПГ) из поровых вод торфа. В течение вегетационного периода более высокие концентрации и потоки CO₂ в водоёмах были измерены, когда уровень грунтовых вод был низким, что позволяет предположить устойчивое выделение CO₂ из глубоких пор торфяной воды. Повышенное кипение и диффузия CH₄ наблюдались в августе, когда температуры придонной воды и торфа были самыми высокими. Хотя это исследование показывает, что торфяные бассейны являются «дымоходами» CO₂ и CH₄, хранящихся в торфе, оно также показывает, что концентрации и скорости потока C-ПГ в торфяных бассейнах сопоставимы с другими водными системами того же размера. Хотя торфяники часто считают однородными образованиями, это исследование подчёркивает их биогеохимическую гетерогенность, которая, если её учитывать, существенно влияет на их суммарный баланс углерода с атмосферой.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007909

Этот обзор направлен на улучшение понимания важнейших концепций уязвимости, адаптации и устойчивости в контексте глобальных экологических проблем, с особым акцентом на изменении климата. Изменение климата характеризуется повышением глобальной температуры и увеличением числа экстремальных погодных явлений, поэтому понимание и рассмотрение этих концепций имеют решающее значение для эффективных стратегий адаптации. Несмотря на широкое признание взаимосвязи уязвимости, адаптации и устойчивости, остаётся пробел во всестороннем понимании того, как эти концепции взаимосвязаны. Обобщая существующую литературу, авторы в этом обзоре подробно рассматривают их определения и взаимосвязь между уязвимостью, адаптацией, устойчивостью и стихийными бедствиями, связанными с климатом. Кроме того, в нём исследуется влияние изменения климата на будущие усилия по снижению риска бедствий путём анализа связи между адаптацией к изменению климата и снижением риска бедствий. Ключевые выводы подчёркивают необходимость включения социальных, институциональных, экономических и экологических факторов в планирование адаптации и призывают к инновационным подходам для повышения адаптационного потенциала и устойчивости. Этот обзор не только расширяет дискуссию в области исследований, политики и практики в этой жизненно важной области, но также предлагает стратегические идеи для развития более устойчивых и адаптивных обществ среди проблем, связанных с изменением климата.

Ссылка: https://www.mdpi.com/2073-4433/15/4/474

Быстрое потепление в высоких широтах, особенно в Сибири, привело в последние годы к крупным лесным пожарам, вызывающим обширные шлейфы дыма. В результате этих пожаров происходит существенное ухудшение качества воздуха в регионе летом, при этом концентрация мелких твёрдых частиц (PM_2,5) летом в некоторых частях Сибири увеличилась в четыре раза в течение 1998–2020 гг. Воздействие PM_2,5 связано с повышенным риском смертности от сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний, а срок жизни PM_2,5 в атмосфере таков, что его можно эффективно транспортировать между регионами и странами. Авторы использовали модель системы Земли для количественной оценки доли PM_2,5, относимой на счёт лесных пожаров в высоких широтах, происходящих в государствах-членах Арктического совета, и оценили соответствующее воздействие на здоровье на местном уровне и в соседних странах. В течение 2001–2020 гг. авторы в среднем ежегодно приписывают ~21 000 дополнительных смертей таким лесным пожарам, из которых ~8000 происходят в странах, не входящих в Арктический совет. Этот анализ показывает, что воздействие лесных пожаров в Арктике на здоровье населения снизилось в 2001–2020 гг., несмотря на увеличение выбросов PM_2,5, образующихся в результате лесных пожаров. Это, по мнению авторов, связано со сдвигом к северу средней широты сибирских лесных пожаров, что снижает их воздействие на более плотно населённые регионы.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01361-3

Было показано, что Южный океан, хотя и относительно недостаточно изучен из-за его суровой окружающей среды и географической изоляции, вносит существенный вклад в процессы, управляющие глобальным углеродным циклом. Например, фотосинтез фитопланктона преобразует углекислый газ в новые частицы и растворённый органический углерод. Масштабы этих преобразований зависят от уникальных океанографических и биогеохимических свойств Южного океана. В этом обзоре авторы синтезируют наблюдения за биологически опосредованными потоками углерода, полученные на основе расширенной сети наблюдений, предоставляемой дистанционным зондированием и автономными платформами. Эти наблюдения выявляют закономерности в величине суммарной первичной продукции, включая подлёдное цветение и подводные максимумы хлорофилла. Также можно рассчитать годовые оценки планктонного вклада в углеродный цикл Южного океана в масштабах бассейна, указывающие на то, что экспорт биогенных частиц и растворённого органического углерода на глубину составляет 20–30% (около 3 Гт/год) глобального экспортного потока. Этот поток частично компенсирует выделение углекислого газа вследствие апвеллинга, в результате чего Южный океан поглощает 0,4–0,7 Гт С/год. Этот экспортный поток удивительно велик, учитывая, что фитопланктон ограничен по железу и имеет низкую продуктивность более чем в 80% Южного океана. Решение таких загадок потребует развития четырёхмерных региональных наблюдений и использования методов ассимиляции данных и машинного обучения для интеграции наборов данных.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-024-00531-3

Серия тестовых примеров, призванных подтвердить точность моделей океана, может помочь улучшить наше понимание крупномасштабных климатических процессов.

Модель прогнозирования в масштабах океана (MPAS-Ocean) выявляет океанские течения и водовороты.

Модели глобального климата, такие как энергетическая экзамасштабная модель системы Земли, разработанная Министерством энергетики США, основаны на многих основных уравнениях, которые имитируют естественные процессы на Земле. К ним относятся круговорот воды, поглощение углекислого газа сушей и водой, а также скорость таяния льда. Проверка и подтверждение этих уравнений имеют решающее значение для повышения доверия к климатическим моделям. Хотя некоторое расхождение между предсказаниями модели и фактическими наблюдениями неизбежно, цель состоит в том, чтобы конкретные конфигурации модели сходились к правильному решению со скоростью, ожидаемой учёными. 

Непрерывные математические модели должны пройти процесс, называемый дискретизацией, преобразующий их в формы, которые могут быть численно решены компьютерами. Тестовые примеры могут помочь в общей проверке модели путём извлечения подмножеств дискретизированных уравнений и проверки каждого члена. Измерение скорости, с которой численные решения этих тестовых случаев сходятся к точным решениям (то есть ошибки приближаются к нулю), является золотым стандартным методом проверки модели. Скорость сходимости, соответствующая теоретическим ожиданиям, является лучшей гарантией того, что дискретизированные уравнения закодированы правильно. 

Для повышения эффективности вычислений модели океана обычно разделяют свои основные уравнения на трёхмерную бароклинную составляющую, которая описывает медленные внутренние гравитационные волны и океанские течения, и двумерную баротропную составляющую, которая моделирует быстрые поверхностные гравитационные волны. Баротропная составляющая принимает форму уравнений мелкой воды. Бишну и др. (Bishnu et al.) представили коллекцию тестовых примеров, посвящённых этим уравнениям. 

Для разработки тестовых примеров исследователи воспользовались своим опытом создания модели прогнозирования в масштабах океана (MPAS-Ocean), которая используется для моделирования активности океана и изучения того, как на неё влияет антропогенное изменение климата. Авторы отмечают, что их тестовые примеры предназначены для проверки точности модели (чтобы убедиться, что уравнения дискретизированной модели реализованы правильно), а не для проверки результатов (чтобы убедиться, что предсказания модели соответствуют реальным наблюдениям). 

Исследователи рассмотрели теоретические основы уравнений мелкой воды наряду с методами дискретизации, предложили обзор тестовых примеров для обеспечения воспроизводимости и продемонстрировали, что скорость сходимости соответствует ожидаемым прогнозам. 

Эти тестовые примеры позволят другим исследователям оценить компоненты своих моделей без необходимости использования чрезмерных вычислительных мощностей, пишут авторы. Кроме того, тестовые примеры могут быть полезны для решения более широких задач гидродинамики и служить учебными пособиями для изучения и разработки моделей океана. (Journal of Advances in Modeling Earth Systems, https://doi.org/10.1029/2022MS003545, 2024)

Ссылка: https://eos.org/research-spotlights/verifying-the-mathematics-behind-ocean-modeling

Распределённая гидрологическая модель WRF-Hydro может работать в полностью связанном режиме с атмосферной моделью WRF. При их сочетании WRF-Hydro расширяет возможности моделирования наземных гидрологических процессов за счёт рассмотрения боковых поверхностных и подземных потоков воды. Цели этого исследования: (а) изучить влияние WRF-Hydro на поверхностную энергию и водный баланс в полностью связанных расчётах WRF/WRF-Hydro и (б) изучить влияние пяти физических параметризаций WRF на гидропоток в WRF-Hydro. Район исследования — средиземноморский остров Кипр и 31 горный водораздел. В течение одного модельного года средняя по домену влажность почвы была на 20% выше в объединённой модели WRF/WRF-Hydro по сравнению с автономной моделью WRF. Более высокая влажность почвы может объяснить увеличение скрытого тепла (36%) и эвапотранспирации (33%). Увеличение этих потоков было меньше при изменении параметризации модели транспирации для представления ночной транспирации и использовании данных дистанционного зондирования индекса площади листьев. Смоделированные осадки в совместной модели увеличились до 3% по сравнению с WRF. Двухлетнее моделирование WRF-Hydro дало медианную эффективность Нэша-Сатклиффа для суточного стока 31 водораздела, равную 0,5 для наблюдаемого воздействия осадков и от -1,9 до 0,2 для воздействия пяти параметризаций WRF. Это исследование показало, что расширение автономной модели WRF с процессами бокового потока воды в совместном режиме с WRF-Hydro изменяет земной энергетический и водный баланс. Улучшенное представление наземных процессов следует рассмотреть для будущих исследований гидрологического цикла с помощью WRF.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JD040335