11 декабря 2014 года штормовой грузовой поезд прошел через большую часть Калифорнии, затопив район залива Сан-Франциско трехдюймовым дождем всего за час. Шторм был вызван тем, что метеорологи называют «ананасовым экспрессом» - атмосферной рекой влаги, которая поднимается над тропическими водами Тихого океана и уносится на север струйным течением.
К вечеру рекордное количество осадков вызвало оползни, наводнения и отключения электроэнергии по всему штату. Шторм, который был назван «штормом десятилетия» в Калифорнии, является одним из самых экстремальных явлений с осадками в штате в новейшей истории.
Теперь ученые Массачусетского технологического института обнаружили, что такие экстремальные явления осадков в Калифорнии должны стать более частыми, поскольку климат Земли нагревается в течение этого столетия. Исследователи разработали новый метод, который предсказывает частоту локальных экстремальных дождей, определяя контрольные крупномасштабные закономерности в атмосферных данных. Для Калифорнии они подсчитали, что, если к 2100 году средняя мировая температура повысится на 4 градуса по Цельсию, в штате будет на три экстремальных осадка больше, чем в настоящее время в среднем в год.
Исследователи, опубликовавшие свои результаты в Journal of Climate, говорят, что их метод значительно снижает неопределенность прогнозов экстремальных штормов, сделанных стандартными моделями климата.
«Одна из проблем заключается в том, что грубые модели климата дают широкий спектр результатов. [Осадки] могут увеличиваться или уменьшаться», - говорит Адам Шлоссер, старший научный сотрудник Объединенной программы Массачусетского технологического института по науке и политике глобальных изменений..«Наш метод говорит вам, что для Калифорнии мы абсолютно уверены, что [сильные осадки] увеличатся к концу века».
Исследование возглавил Сян Гао, научный сотрудник Объединенной программы по науке и политике глобальных изменений. Среди соавторов статьи Пол О'Горман, адъюнкт-профессор наук о Земле, атмосфере и планетах; Эрван Моньер, главный научный сотрудник Совместной программы; и Дара Энтехаби, профессор Стокгольмского водного фонда Бакарди в области гражданского строительства и экологии.
Крупномасштабное подключение
В настоящее время исследователи оценивают частоту местных сильных осадков, в основном, используя информацию об осадках, смоделированную с помощью глобальных климатических моделей. Но такие модели обычно выполняют сложные вычисления для моделирования климатических процессов на сотнях и даже тысячах километров. При таком низком разрешении таким моделям чрезвычайно сложно адекватно представить мелкомасштабные характеристики, такие как конвекция влаги и топография, которые необходимы для точного прогнозирования осадков.
Чтобы получить более четкое представление о том, как будущие осадки могут измениться от региона к региону, Гао решил сосредоточиться не на моделировании осадков, а на крупномасштабных атмосферных закономерностях, которые модели климата могут моделировать гораздо более надежно.
«Мы действительно обнаружили связь между тем, что модели климата делают действительно хорошо, то есть имитацией крупномасштабных движений атмосферы, и локальными сильными осадками», - говорит Шлоссер. «Мы можем использовать эту ассоциацию, чтобы сказать, как часто эти события происходят сейчас и как они будут меняться локально, например, в Новой Англии или на Западном побережье».
Снимки погоды
Хотя определения того, что считается экстремальным выпадением осадков, различаются, в данном случае исследователи определили такое явление как попадание в верхние 5 процентов количества осадков в регионе в определенный сезон в течение почти трех десятилетий. Они сосредоточили свой анализ на двух областях: Калифорнии и Среднем Западе, регионах, которые обычно испытывают относительно большое количество осадков зимой и летом соответственно.
Для обоих регионов команда проанализировала крупномасштабные атмосферные характеристики, такие как ветровые потоки и содержание влаги, с 1979 по 2005 год и отметила их закономерности каждый день, когда выпадали экстремальные осадки. Используя статистический анализ, исследователи определили контрольные закономерности в атмосферных данных, связанные с сильными штормами.
«По сути, мы делаем снимки всей соответствующей информации о погоде и находим общую картину, которая используется как сигнал опасности», - объясняет Шлоссер. «Когда мы изучаем исторические симуляции с помощью набора современных климатических моделей, мы делаем привязку каждый раз, когда видим эту закономерность».
Используя новую схему, команда смогла коллективно воспроизвести частоту экстремальных явлений, которые наблюдались за 27-летний период. Что еще более важно, результаты гораздо более точны, чем те, которые основаны на смоделированных осадках из тех же климатических моделей.
«Ни одна из моделей даже близко не соответствует наблюдениям», - говорит Гао. «И независимо от того, какую комбинацию атмосферных переменных мы использовали, новые схемы были намного ближе к наблюдениям».
Полезная информация
Вдохновленная полученными результатами, команда применила свой метод к крупномасштабным атмосферным моделям из климатических моделей, чтобы предсказать, как частота сильных штормов может измениться в условиях потепления климата в Калифорнии и на Среднем Западе в течение следующего столетия. Они проанализировали каждый регион по двум климатическим сценариям: сценарий «обычного бизнеса», согласно которому к 2100 году в мире прогнозируется потепление на 4 градуса по Цельсию, и сценарий, определяемый политикой, в котором глобальная экологическая политика, регулирующая выбросы парниковых газов, должна оставаться неизменной. повышение температуры до 2 градусов Цельсия.
Для каждого сценария команда отметила те смоделированные крупномасштабные атмосферные узоры, которые они определили как связанные с сильными штормами. На Среднем Западе ежегодные случаи экстремальных летних осадков немного уменьшились при обоих сценариях потепления, хотя исследователи говорят, что результаты не лишены неопределенности.
Для Калифорнии картина намного яснее: в соответствии с более интенсивным сценарием глобального потепления в штате будет происходить еще три экстремальных осадка в год, порядка шторма в декабре 2014 года. Шлоссер говорит, что в политическом сценарии «эта тенденция сокращается вдвое».
В настоящее время команда применяет свой метод для прогнозирования изменений волн тепла из-за глобального потепления климата. Исследователи ищут закономерности в атмосферных данных, которые коррелируют с прошлыми волнами тепла. Шлоссер говорит, что если они смогут более надежно предсказывать частоту волн тепла в будущем, это может быть чрезвычайно полезно для долгосрочного обслуживания электрических сетей и трансформаторов.
"Это полезная информация", - говорит Шлоссер.