Инженерное исследование Новой Колумбии - первое исследование долгосрочного эффекта обратной связи между влажностью почвы и атмосферой в засушливых районах - обнаружило, что влажность почвы отрицательно влияет на доступность поверхностных вод в засушливых районах, частично компенсируя ожидаемое снижение
Нью-Йорк, штат Нью-Йорк - 4 января 2021 г. - Ученые считают, что глобальное потепление увеличит доступность поверхностных вод - ресурсов пресной воды, образующихся за счет осадков за вычетом эвапотранспирации - во влажных регионах и уменьшит доступность воды в засушливых регионах. Это ожидание основано прежде всего на атмосферных термодинамических процессах. По мере повышения температуры воздуха из океана и суши в воздух испаряется больше воды. Поскольку более теплый воздух может содержать больше водяного пара, чем сухой воздух, ожидается, что более влажная атмосфера усилит существующую модель доступности воды, вызывая атмосферные реакции на глобальное потепление по принципу «сухое становится суше, а влажное становится еще более влажным».
Команда инженеров Колумбийского университета во главе с Пьером Гентином, Морисом Юингом и Дж. Ламаром Ворзелем, профессорами инженерии земли и окружающей среды и связанной с Институтом Земли, задалась вопросом, почему прогнозы совмещенных климатических моделей не прогнозируют значительных результатов. ответы над засушливыми, тропическими и умеренными районами с индексом засушливости менее 0,65, даже когда исследователи используют сценарий глобального потепления с высокими выбросами. Ша Чжоу, научный сотрудник Земной обсерватории Ламонт-Доэрти и Института Земли, изучающий взаимодействие земли и атмосферы и глобальный круговорот воды, считает, что обратные связи между влажностью почвы и атмосферой могут сыграть важную роль в будущих прогнозах наличия воды в засушливых районах.
Новое исследование, опубликованное сегодня журналом Nature Climate Change, впервые показало важность долгосрочных изменений влажности почвы и связанных с ними обратных связей между влажностью почвы и атмосферой в этих прогнозах. Исследователи определили долгосрочную регуляцию влажности почвы, атмосферную циркуляцию и перенос влаги, которая в значительной степени смягчает потенциальное снижение доступности воды в засушливых районах в будущем, помимо того, что ожидается при отсутствии обратной связи влажности почвы..
«Эти обратные связи играют более важную роль, чем предполагалось, в долгосрочных изменениях поверхностных вод», - говорит Чжоу. «Поскольку колебания влажности почвы негативно влияют на доступность воды, эта отрицательная обратная связь может также частично уменьшить вызванное потеплением увеличение величины и частоты экстремально высоких и экстремально низких гидроклиматических явлений, таких как засухи и наводнения. Без отрицательной обратной связи мы можем испытать больше частые и более сильные засухи и наводнения».
Команда объединила уникальный, идеализированный мультимодельный эксперимент по соединению земли и атмосферы с новым статистическим подходом, который они разработали для исследования. Затем они применили алгоритм к наблюдениям, чтобы изучить критическую роль обратных связей между влажностью почвы и атмосферой в будущих изменениях водообеспеченности над засушливыми землями, а также изучить термодинамические и динамические механизмы, лежащие в основе будущих изменений водообеспеченности из-за этих обратных связей.
Они обнаружили в ответ на глобальное потепление сильное снижение доступности поверхностных вод (осадки минус испарение, P-E) в засушливых регионах над океанами, но лишь незначительное снижение P-E над засушливыми землями. Чжоу подозревал, что это явление связано с атмосферно-земляными процессами. «Предполагается, что влажность почвы над засушливыми землями существенно снизится из-за изменения климата», - объясняет она. «Изменения влажности почвы могут еще больше повлиять на атмосферные процессы и круговорот воды».
Глобальное потепление, как ожидается, уменьшит доступность воды и, следовательно, влажность почвы в засушливых районах. Но это новое исследование показало, что высыхание почвенной влаги на самом деле отрицательно влияет на доступность воды - снижение влажности почвы снижает эвапотранспирацию и охлаждение за счет испарения, а также усиливает поверхностное нагревание в засушливых районах по сравнению с влажными регионами и океаном. Контраст потепления суши и океана усиливает разницу в давлении воздуха между океаном и сушей, вызывая усиление ветров и перенос водяного пара из океана на сушу.
«Наша работа показывает, что прогнозы влажности почвы и связанные с ними обратные связи с атмосферой сильно различаются и зависят от модели», - говорит Джентин. «Это исследование подчеркивает настоятельную необходимость улучшения будущих прогнозов влажности почвы и точного представления обратной связи между влажностью почвы и атмосферой в моделях, которые имеют решающее значение для обеспечения надежных прогнозов наличия воды в засушливых районах для лучшего управления водными ресурсами».