По мере распространения засух во времени и пространстве их последствия усиливаются из-за изменений в свойствах. Поскольку временное и пространственное распространение засухи в основном изучается отдельно, пока неизвестно, как изменяются пространственная протяжённость и связанность засухи по мере её распространения в гидрологическом цикле от осадков к речному стоку и грунтовым водам. Авторы использовали большой набор данных из 70 водосборных бассейнов Центральной Европы для изучения распространения местных и пространственных характеристик засухи. Показано, что распространение засухи приводит к более продолжительным, более поздним засухам и их меньшему числу с большей пространственной протяжённостью. 75% дождевых засух распространяются на «осадки минус суммарное испарение», из них 20% - дальше на речной сток и 10% на грунтовые воды. 40% речных засух распространяется на грунтовые воды. Степень засухи и её зависимость увеличиваются на пути распространения засухи от осадков к речному стоку благодаря синхронизирующим эффектам поверхности суши, но снова уменьшаются для грунтовых вод из-за подповерхностной неоднородности.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL107918

Охарактеризовать и понять изменения в режимах стока рек непросто. Существующие наборы данных о глобальной речной сети не обновляются и позволяют идентифицировать только реки шириной более 30 м. Авторы предлагают новый автоматизированный метод картирования речных сетей бассейна в месячном масштабе впервые с разрешением 10 м с использованием радара с синтезированной апертурой Sentinel-1, мультиспектральных изображений Sentinel-2 и цифровой модели поверхности AW3D30. Этот метод достиг общей точности 95,8%. Общая длина построенной сети реки Хуанхэ составляет 40 280 км, что примерно в 3,2 раза превышает длину базы данных Global River Widths из Landsat (GRWL), позволяя более эффективно охватить малые и средние реки. Месячная геометрия реки выявила положительную корреляцию между площадью речной сети и количеством осадков. Ожидается, что это исследование предоставит экономически эффективную альтернативу точному картированию глобальных речных сетей и улучшит понимание изменений и движущих сил речных систем.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL107956

Крупномасштабные программы лесовосстановления, облесения и схем восстановления лесов получили глобальную поддержку в качестве стратегий смягчения последствий изменения климата благодаря их значительному потенциалу удаления углекислого газа. Однако исследования непреднамеренных последствий лесонасаждения с биофизической точки зрения были ограничены. В модели системы Земли Сообщества (CESM2) авторы применили сценарий глобального лесонасаждения в рамках совместимого с Парижским соглашением сценария потепления для исследования поверхности суши и реакции гидроклимата. По сравнению с контрольным сценарием, в котором землепользование зафиксировано на современном уровне, в сценарии лесонасаждения к 2100 году станет на 2°C холоднее в низких широтах, что обусловлено 10-процентным увеличением обусловленного испарением охлаждения в лесных районах. Однако облесенные территории, где заменяются пастбища или кустарники, способствуют удвоению потребности растений в воде в некоторых тропических регионах, что приводит к значительному снижению влажности почвы (~ 5% в глобальном и 5–10% в региональном масштабе) и доступности воды (~ 10% в глобальном масштабе, 10–15% по регионам) в регионах с повышенной лесистостью. Несмотря на некоторое увеличение низкой облачности и сезонных осадков над расширенными тропическими лесами, с усилением отрицательного радиационного воздействия облаков, воздействие на крупномасштабные осадки и атмосферную циркуляцию ограничено. Это контрастирует с реакцией осадков на моделируемую крупномасштабную вырубку лесов, обнаруженную в предыдущих исследованиях. Сценарий лесонасаждения демонстрирует преимущества местного охлаждения без серьёзных нарушений глобальной гидродинамики, помимо тех, которые уже прогнозируются в результате изменения климата, в дополнение к похолоданию, связанному с удалением углекислого газа. Однако потребность в воде обширных лесных массивов, особенно лесонасаждений, влияет на их жизнеспособность, учитывая неопределённость будущих изменений количества осадков.

Ссылка: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2024/egusphere-2024-710/

Усвоение данных играет двойную роль: развивает «научное» понимание и служит «инженерным инструментом» для наук о системе Земли. Ассимиляция данных о суше (АДС) превратилась в отдельную дисциплину в геофизике, способствующую гармонизации теории и данных и позволяющую моделям суши и наблюдениям дополнять и ограничивать друг друга. За последние десятилетия в теории, методологии и применении АДС был достигнут существенный прогресс, что потребовало целостного и углублённого исследования всего его спектра. Авторы представляют подробный обзор, освещающий теоретические и методологические разработки в области АДС и её отличительные особенности. Это включает в себя прорывы в устранении сильных нелинейностей в процессах на поверхности Земли, изучении потенциала подходов машинного обучения в ассимиляции данных, количественной оценке неопределённостей, возникающих из-за многомасштабной пространственной корреляции, и одновременной оценке состояний и параметров модели. АДС доказала свою эффективность в улучшении понимания и прогнозировании различных процессов на поверхности Земли (включая влажность почвы, снег, суммарное испарение, речной сток, грунтовые воды, орошение и температуру поверхности Земли), особенно в сфере водных и энергетических циклов. В этом обзоре описывается развитие глобальных, региональных и водосборных систем и программных платформ АДС, предлагаются грандиозные задачи по проведению реанализа суши и продвижению связанных данных о суше и атмосфере. Наконец, подчёркиваются возможности расширения применения АДС от чистых геофизических систем до связанных природных и человеческих систем с поглощением потока данных наблюдения Земли и социального зондирования. В статье синтезируются текущие знания АДС и обеспечивается трамплин для их будущего развития, особенно в продвижении исследований земельных процессов с двойной направленностью теории и данных.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022RG000801

Движущие силы, управляющие обменом CO₂ между воздухом и водной поверхностью, и его изменчивость в прибрежной части океана плохо изучены. Используя биогеохимическую модель глобального океана, это исследование количественно определяет влияние тепловых изменений, океанического переноса, потоков пресной воды и биологической активности на пространственную и сезонную изменчивость источников/стоков CO₂ в глобальном прибрежном океане. Авторы выделяют пять типичных прибрежных моделей поведения (в которых преобладают биологическое понижение, вертикальный перенос, отпечаток суши, внутриприбрежные вдольбереговые течения и слабые источники и стоки CO₂ в прибрежных регионах) и предлагают новое, основанное на обработке, разграничение прибрежного океана, опирающееся на количественную оценку этих контролирующих процессов. Обнаружено, что в пространственно-временной изменчивости источников/стоков CO₂ преобладают сильные обмены с открытым океаном и внутриприбрежные процессы, в то время как континентальные влияния ограничиваются регионами «горячих точек». Кроме того, там, где температурные изменения, по-видимому, являются движущей силой сезонной изменчивости CO₂, они часто являются результатом компенсирующих эффектов между отдельными «нетепловыми» условиями, особенно биологической депрессией и вертикальным переносом.

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007799

Климатические модели показывают тесную связь между глобальным потеплением после 1970-х годов и чувствительностью климата. В последнем оценочном докладе МГЭИК использованы наблюдения за скоростью потепления, чтобы ограничить чувствительность климата Земли и прогнозы потепления. Однако климатические модели не воспроизводят наблюдаемую пространственную картину потепления, это вносит искажения в смоделированные отношения чувствительности к потеплению, что приводит к «чрезмерно уверенным» ограничениям. Результаты показывают, что наблюдаемое в последние десятилетия потепление даёт очень мало информации о чувствительности климата и что ограничения на значения высокой чувствительности должны основываться на других доказательствах. Кроме того, прогнозы глобального потепления должны учитывать, как пространственная структура будет развиваться в будущем. Поскольку климатические модели не могут воспроизвести недавние закономерности, это вносит серьёзную неопределённость в климатические прогнозы.

Наблюдаемые темпы глобального потепления с 1970-х годов были предложены в качестве сильного ограничения равновесной чувствительности климата (РЧК) и переходной климатической реакции (ПКР) — ключевых показателей глобальной реакции климата на воздействие парниковых газов. Используя модели CMIP5/6, авторы показывают, что межмодельная связь между потеплением и этими показателями чувствительности климата (основа для ограничения) возникает из-за сходства структур переходного и равновесного потепления в моделях, что даёт эффективную чувствительность климата, контролирующую недавнее потепление, сравнимую со значением РЧК, регулирующей долгосрочное потепление под воздействием CO₂. Однако историческое моделирование CMIP5/6 не воспроизводит наблюдаемые закономерности потепления. На основе наблюдаемых закономерностей даже модели с высокой РЧК дают низкие значения эффективной чувствительности климата, соответствующие наблюдаемым темпам глобального потепления. Таким образом, неспособность моделей CMIP5/6 воспроизвести наблюдаемые закономерности потепления приводит к смещению моделируемой взаимосвязи между недавним глобальным потеплением и чувствительностью климата. Поправка на эту ошибку означает, что наблюдаемое потепление согласуется с широкими диапазонами РЧК и ПКР, простирающимися до более высоких значений, чем считалось ранее. Эти выводы подтверждаются расчётами с помощью модели энергетического баланса и совместной модели (CESM1-CAM5), которая лучше воспроизводит наблюдаемые закономерности посредством «подталкивания» тропосферного ветра или потоков талой воды в Антарктике. Поскольку модели CMIP5/6 не могут имитировать наблюдаемые закономерности потепления, предлагаемые ограничения на РЧК, ПКР и прогнозируемое глобальное потепление имеют низкое смещение. Результаты подтверждают недавние выводы о том, что уникальная закономерность наблюдаемого потепления замедлила среднее глобальное потепление за последние десятилетия и что то, как эта закономерность будет развиваться в будущем, представляет собой основной источник неопределённости в климатических прогнозах.

Ссылка: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2312093121

Эффективное решение проблемы изменения климата требует глубоких знаний о выбросах парниковых газов и их источниках. В настоящее время отсутствуют комплексные, дезагрегированные по секторам, но сопоставимые прогнозы выбросов парниковых газов. Здесь авторы прогнозируют отраслевые выбросы до 2050 года по обычному сценарию для глобальной выборки стран и пяти основных секторов, используя единую структуру и байесовские методы. Показано, что без согласованных политических усилий глобальные выбросы сильно возрастают, подчёркивается ряд важных различий между странами и секторами. Увеличение в странах с развивающейся экономикой обусловлено сильным ростом производства и населения, причём большая часть прогнозируемых изменений приходится на выбросы, связанные с энергетическим сектором. Ожидается, что страны с развитой экономикой сократят выбросы в ближайшие десятилетия, хотя выбросы от транспорта часто по-прежнему имеют тенденцию к росту. Авторы сравнивают свои результаты с прогнозами выбросов, опубликованными отдельными национальными органами власти, а также с результатами моделей комплексной оценки и подчёркивают некоторые важные расхождения.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43247-024-01288-9

Усиление и учащение экстремальных температур является одним из наиболее серьёзных последствий антропогенного изменения климата. Эти экстремальные значения часто определяются как редкие события, превышающие определённый пороговый процентиль в распределении максимальной дневной температуры. Подход на основе процентилей выбирается для отслеживания региональных и сезонных изменений температуры, чтобы экстремальные температуры имели место повсюду и во все времена года, и часто использует действующее сезонное окно с целью увеличения размера выборки для расчёта порога. Авторы показали, что использование сезонных окон, как это делалось во многих исследованиях в последние годы, приводит к смещению, зависящему от времени, региона и набора данных, способному привести к поразительной недооценке ожидаемой частоты экстремальных явлений. Обнаружено, что это смещение возникает из-за искусственного смешивания среднего сезонного цикла с экстремальным порогом, и предлагается простое решение, которое по существу устраняет его. Авторы используют скорректированную экстремальную частоту в качестве эталона, чтобы показать, что смещение также приводит к переоценке будущих изменений волны тепла на целых 30% в некоторых регионах. Основываясь на этих результатах, подчёркивается, что сезонные окна не следует использовать без поправки на оценку экстремальных явлений и их последствий.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-024-46349-x

При интерпретации потоков вихревой ковариации ландшафты часто считаются однородными, что может привести к систематическим ошибкам при заполнении пробелов и масштабировании наблюдений для определения региональных углеродных балансов. Экосистемы тундры неоднородны во многих масштабах. Например, функциональные типы растений, влажность почвы, глубина оттаивания и микротопография различаются в зависимости от ландшафта и влияют на чистый экосистемный обмен потоков углекислого газа (CO₂) и метана (CH₄). С повышением температуры арктические экосистемы в некоторых местах превращаются из чистого стока в чистый источник углерода в атмосферу, но углеродный баланс Арктики остаётся крайне неопределённым. В этом исследовании авторы сообщают о результатах потоков чистого экосистемного обмена и CH₄ вегетационного периода от вихревой ковариационной башни в дельте Юкон-Кускоквим на Аляске. Они использовали модели следов и методы Байесовской цепи Маркова Монте-Карло, чтобы объединить наблюдения за вихревой ковариацией в составляющие потоки на основе карт земного покрова региона с высоким разрешением. Авторы сравнили три типа моделей следов и использовали две карты земного покрова различной сложности, чтобы определить влияние этих вариантов на производные экосистемные потоки. Они применили искусственно созданные пробелы в скрытых наблюдениях для сравнения эффективности заполнения пробелов, используя свои полученные потоки, специфичные для земного покрова, и традиционные методы заполнения пробелов, предполагающие однородные ландшафты. Также проведено сравнение полученных региональных углеродных бюджетов при масштабировании наблюдений с использованием гетерогенного и гомогенного подходов. Традиционные методы заполнения пробелов показали худшие результаты при прогнозировании искусственно скрытых пробелов в чистом экосистемном обмене, чем те, которые учитывали гетерогенные ландшафты, в то время как между моделями следов и картами земного покрова были лишь небольшие различия. Выявлены и количественно оценены «горячие точки» потоков углерода в ландшафте (например, выбросы в конце вегетационного периода из водно-болотных угодий и небольших прудов). Найдена отчётливая сезонность потоков чистого экосистемного обмена в вегетационный период тундры. Масштабирование с учётом однородности ландшафта привело к переоценке стока CO₂ в вегетационный период в два раза и занижению выбросов CH₄ в два раза по сравнению с масштабированием с использованием любого метода, учитывающего неоднородность ландшафта. Авторы показали, как Байесовская цепь Маркова Монте-Карло, аналитические модели следов и карты земного покрова с высоким разрешением могут быть использованы для получения подробных потоков углерода в земном покрове на основе временных рядов вихревой ковариации. Эти результаты демонстрируют важность ландшафтной неоднородности при масштабировании выбросов углерода в Арктике.

Ссылка: https://bg.copernicus.org/articles/21/1301/2024/

В качестве обновлённой версии существующих операционных систем реанализа океана NOAA/NCEP недавно была создана новая система под названием GLObal Ocean Reanalogue (GLORe) на основе схемы JEDI-SOCA 3DVar. В этом исследовании качество GLORe оценивается при инициализации прогнозов ЭНЮК с использованием Единой системы прогнозов NOAA (UFS). Подробности: по инициативе GLORe, 9-месячные ансамблевые ретроспективные прогнозы проводятся каждый май/ноябрь в течение 1982–2021 гг. Качество прогнозирования ЭНЮК сравнивается с оценками текущей операционной системы NOAA CFSv2, что позволяет предположить, что UFS, инициализированная с помощью GLORe, обладает улучшенным качеством прогнозирования ЭНЮК. При проведении ещё одного набора ретроспективных исследований с использованием UFS и тех же инициализаций, что и CFSv2, выяснилось, что улучшение качества в значительной степени связано с инициализацией океана с помощью GLORe, но и с некоторым вкладом в результате улучшений модели. Эффект инициализации океана дополнительно подтверждается превосходством GLORe над CFSR, подтверждённым объективным анализом. 
 

Ссылка: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL106640