Использование климатических моделей для прогнозирования будущих тенденций осадков и информирования о политических решениях

Критическая роль климатических моделей в понимании будущих осадков

Климатические модели представляют собой сложные компьютерные модели, которые представляют физические, химические и биологические процессы, управляющие климатической системой Земли’. Эти модели являются одними из самых мощных инструментов, доступных ученым для понимания того, как климат изменился в прошлом и как он, вероятно, будет развиваться в будущем. Путем моделирования взаимодействий между атмосферой, океанами, поверхностью суши, ледяными щитами и биосферой, исследователи могут прогнозировать долгосрочные тенденции в ключевых переменных, включая температуру, модели ветра и, что критически важно, осадки.

Для политиков, руководителей водных ресурсов и сельскохозяйственных планировщиков способность предвидеть сдвиги в осадках не является академической задачей. Это практическая необходимость. Модели осадков напрямую влияют на урожайность сельскохозяйственных культур, водоснабжение для питья и промышленности, частоту и интенсивность наводнений и засух и стабильность целых экосистем. По мере повышения глобальной температуры ожидается ускорение гидрологического цикла, что приведет к большему испарению и, следовательно, большему количеству осадков в целом. Однако это увеличение не равномерно распределено. Некоторые регионы, по прогнозам, станут значительно более влажными, в то время как другие сталкиваются с более длительными и серьезными засухами. Понимание этих региональных сдвигов является центральной проблемой, которую помогают решать климатические модели.

Согласно Шестому докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) , вызванное человеком изменение климата уже усиливает глобальный водный цикл. Это способствовало широкому увеличению интенсивности сильных осадков, даже в регионах, где общее количество осадков не изменилось значительно. Для точного прогнозирования этих тенденций требуются не только глобальные модели, но и региональные симуляции с высоким разрешением и глубокое понимание связанных с этим неопределенностей.

Наука, стоящая за прогнозами климатических моделей

По своей сути климатические модели основаны на фундаментальных законах физики, таких как сохранение энергии, импульса и массы. Эти законы выражаются в виде математических уравнений, которые решаются на трехмерной сетке, покрывающей земной шар. Горизонтальное разрешение этих сеток за последние несколько десятилетий резко улучшилось, от нескольких сотен километров в ранних моделях до менее 25 километров в последнем поколении моделей с высоким разрешением. Это увеличение разрешения особенно важно для моделирования осадков, что является высоколокализованным явлением, часто обусловленным топографией и мелкомасштабными погодными системами.

Типы климатических моделей и их специфическое использование

Климатологи используют многоуровневый подход, работая с моделями различного масштаба и сложности в зависимости от задаваемого вопроса.

  • Глобальные климатические модели (GCM): Эти модели имитируют всю систему Земли. Они являются основными инструментами, используемыми для генерации долгосрочных прогнозов, представленных в докладах МГЭИК. GCM имеют важное значение для понимания глобальных ответных мер на выбросы парниковых газов и крупномасштабных моделей циркуляции, таких как струйный поток и муссоновые системы. Они отлично подходят для прогнозирования изменений в средних условиях на больших площадях (например, весь бассейн Амазонки или Сахель).
  • Региональные климатические модели (RCM): Поскольку GCM имеют грубое разрешение, они часто изо всех сил пытаются захватить местные особенности, такие как горные хребты, береговые линии и модели землепользования, которые имеют решающее значение для определения осадков. RCM вложены в GCM и работают с гораздо более высоким разрешением (иногда до 1-4 км) над конкретным регионом, представляющим интерес. Это позволяет им моделировать орографические осадки (дождь, вызванный горами, поднимающими воздух) и локализованные конвективные штормы гораздо более реалистично.
  • Модели системы Земли (ESM): Это эволюция GCM, которые включают интерактивные биогеохимические циклы, такие как цикл углерода и цикл азота. ESM могут имитировать, как растения реагируют на повышенные уровни CO2 и как изменения в растительности, в свою очередь, влияют на климат и осадки. Этот цикл обратной связи является критической областью текущих исследований, особенно для понимания долгосрочной доступности воды.

Демографический рост: преодоление разрыва между глобальным и локальным

Выход стандарта GCM слишком груб, чтобы использоваться непосредственно для принятия решений в области местной политики, таких как планирование нового резервуара или проектирование системы ливневых вод. Для преодоления этого разрыва ученые используют процесс, называемый нисходящей масштабировкой . Существуют два основных подхода: динамическая нисходящая масштабировка, которая включает в себя запуск RCM, и статистическая нисходящая масштабировка, которая использует исторические связи между крупномасштабными атмосферными моделями и местной погодой для перевода широких прогнозов GCM’ в данные, относящиеся к конкретным участкам. Для многих приложений управления водными ресурсами статистическая нисходящая масштабировка обеспечивает вычислительно эффективный способ генерации данных высокого разрешения, необходимых для гидрологических моделей.

Прогнозирование будущих тенденций осадков: ключевые выводы из текущих моделей

Хотя существуют значительные региональные различия, из последнего поколения климатических моделей, касающихся будущих тенденций осадков, были получены несколько надежных результатов.

Повышенная интенсивность экстремальных осадков

Один из самых надежных прогнозов заключается в том, что экстремальные осадки станут более интенсивными в большинстве районов мира. На каждый градус Цельсия потепления атмосфера может удерживать примерно на 7% больше водяного пара. Это увеличение доступности влаги питает более сильные ливни и снежные бури, что приводит к более высокому риску внезапных наводнений и городских наводнений. Даже регионы, которые, как ожидается, увидят снижение общего годового количества осадков, вероятно, будут испытывать эти более интенсивные, хотя и менее частые, ливни.

Изменения в муссонных системах

Муссоны являются источником жизненной силы сельского хозяйства для миллиардов людей в Африке, Азии и Америке. Климатические модели прогнозируют общую интенсификацию глобальной муссоновой системы, но детали варьируются в зависимости от региона. Например, ожидается, что муссоны Южной Азии станут более изменчивыми, с увеличением частоты как чрезвычайно влажных, так и чрезвычайно сухих периодов. Прогнозируется, что муссоны Западной Африки сместятся с потенциальными изменениями в сроках и продолжительности сезона дождей, что создает значительные проблемы для сельского хозяйства, питаемого дождем.

Сдвиги в засушливых и полузасушливых регионах

Многие субтропические регионы, такие как Средиземноморье, части Австралии, Центральной Америки и юго-западные Соединенные Штаты, по прогнозам, будут испытывать снижение средних осадков по мере прогрессирования глобального потепления. Это расширение засушливых зон мира & #8217, часто называемое & #8220; сушка субтропиков, & #8221; является прямым следствием сдвига в сторону полюсов в циркуляции Хэдли. Для этих регионов климатические модели указывают на будущее хронического дефицита воды, требующего значительных адаптаций в распределении и использовании воды.

Перевод результатов модели в политику и действия

Конечная ценность климатической модели заключается не в ее математической элегантности, а в ее способности информировать решения. Превращение вероятностной проекции будущих осадков в конкретную политику - это сложный процесс, который требует тесного сотрудничества между климатологами, инженерами и правительственными чиновниками.

Управление водными ресурсами и проектирование инфраструктуры

Водные инженеры и операторы плотин исторически используют историческую запись для проектирования инфраструктуры & #8212; принцип, известный как стационарность . Изменение климата сделало это предположение устаревшим. Многие агентства в настоящее время переходят к подходу, основанному на «климатической информации». Например, городское планирование новой установки очистки сточных вод может использовать прогнозы климатической модели для оценки 100-летнего шторма через 50 лет, а не полагаться на исторические данные. Это может привести к увеличению труб, повышению дамб или новым эксплуатационным правилам для водохранилищ. Всемирный банк подчеркивает , что интеграция устойчивости к климату в инвестиции в водную инфраструктуру имеет важное значение для защиты экономических выгод развития.

Адаптация сельского хозяйства и продовольственная безопасность

Климатические модели предоставляют важную информацию для разработки адаптивных стратегий. Если модели предсказывают более короткий, но более интенсивный сезон дождей, фермеру, возможно, придется переключиться на краткосрочный сорт сельскохозяйственных культур, инвестировать в дренажные системы или корректировать сроки посадки. На национальном уровне правительства могут использовать эти прогнозы для руководства финансированием исследований для засухоустойчивых культур или для создания программ страхования сельскохозяйственных культур, которые отражают новые риски. Например, Министерство сельского хозяйства США использует данные климатической модели для получения долгосрочных оценок будущей сельскохозяйственной производительности и доступности воды в ключевых сельскохозяйственных регионах, таких как бассейн реки Миссисипи.

Снижение риска бедствий и планирование чрезвычайных ситуаций

Наводнения являются самым дорогостоящим стихийным бедствием во многих частях мира. Агентства по управлению чрезвычайными ситуациями используют прогнозы климатических моделей для обновления карт опасности наводнений, которые используются для установления строительных норм, определения страховых тарифов и планирования маршрутов эвакуации. Модели, которые прогнозируют увеличение частоты атмосферных речных событий вдоль Западного побережья Соединенных Штатов, уже используются государственными учреждениями для предварительного размещения ресурсов и укрепления защиты от наводнений. Аналогичным образом, прогнозы более интенсивных циклонов и связанных с ними штормовых нагонов приводят к изменениям в прибрежном планировании в Бангладеш и на Филиппинах.

Навигация по неопределенности: как использовать несовершенные инструменты мудро

Распространенная критика климатических моделей заключается в том, что они связаны с неопределенностью. Верно, что ни одна модель не может предсказать точное количество осадков в конкретном месте в определенную дату в 2050 году. Однако неопределенность не является аргументом для бездействия. Вместо этого она является параметром, которым необходимо управлять.

Источники неопределенности в прогнозах осадков

Неопределенность в прогнозах климата обусловлена тремя основными источниками:

  1. Сценарная неопределенность: Это относится к будущему поведению человека. Будет ли мир следовать по пути с высоким уровнем выбросов, умеренному или очень низкому уровню выбросов? Различные сценарии, известные как Общие социально-экономические пути (SSP) , приводят к очень разным уровням потепления и, следовательно, различным прогнозам осадков.
  2. Модель неопределенности: Различные климатические модели моделируют определенные процессы (например, образование облаков и конвекция) по-разному.
  3. Внутренняя изменчивость:] Климатическая система имеет свои естественные ритмы, такие как Эль-Ни&Тинтильде;о, Ла-Ни&Тинтильде;а, и Тихоокеанское десятилетнее колебание. Эти естественные колебания накладываются на долгосрочную тенденцию потепления и могут маскировать или усиливать сигнал изменения климата в краткосрочной перспективе. Это особенно сложно для прогнозирования тенденций осадков в течение следующих 10-20 лет.

Лучшие практики для использования моделей при принятии решений

Политики все чаще принимают рамки, которые явно объясняют эту неопределенность. Вместо того, чтобы планировать одно «наиболее вероятное» будущее, они используют комбинацию моделей , чтобы исследовать ряд правдоподобных фьючерсов. Надежная политика — это политика, которая хорошо работает в широком спектре этих фьючерсов.

  • Принятие решительных решений (RDM): Вместо того, чтобы пытаться предсказать будущее, этот подход спрашивает: «Какие стратегии эффективны в широком диапазоне возможных вариантов будущего?» Он включает использование моделей для «стресс-тестирования» политики.
  • Адаптивное управление: Это признает, что мы не можем знать все сейчас. Это включает в себя реализацию плана, тщательный мониторинг климатической системы и корректировку плана по мере появления новых данных и улучшенных прогнозов моделей.

Современные ограничения и путь вперед

Климатические модели значительно улучшились, но важно признать их ограничения, чтобы гарантировать, что их результаты интерпретируются правильно.

Параметризация субсетевых процессов

Облака и конвекция (фундаментальный процесс, который производит большинство дождей) происходят в масштабах, намного меньших, чем сеточные коробки большинства климатических моделей. Эти процессы должны быть «параметризированы»—представлены с использованием упрощенных математических отношений. Это основной источник неопределенности модели, особенно для прогнозирования конвективных осадков. Ученые работают над новыми моделями с разрешением в километре, которые могут явно имитировать эти процессы, но они требуют огромной суперкомпьютерной мощности.

Пробелы в данных и региональная точность

Точность модели так же хороша, как и данные, используемые для ее проверки. Во многих частях мира, особенно в Африке и развивающихся тропиках, исторические данные осадков скудны. Это затрудняет проверку моделей для этих регионов. Улучшение глобальной сети датчиков осадков и метеорологических станций, а также использование спутниковых оценок осадков является высоким приоритетом для сообщества климатологов. Портал NOAA Climate.gov предоставляет отличные ресурсы для понимания того, как спутниковые данные используются для отслеживания глобальных изменений осадков.

Необходимость постоянных инвестиций

Улучшение климатических моделей требует постоянных инвестиций в высокопроизводительные вычисления, обучение следующего поколения климатологов и поддержание долгосрочных сетей мониторинга окружающей среды.По мере увеличения вычислительной мощности и углубления нашего понимания системы Земли точность и надежность этих моделей будут только улучшаться, что сделает их еще более ценными инструментами для построения климатически устойчивого будущего.

Несмотря на эти ограничения, ценность климатических моделей для информирования политики огромна. Они обеспечивают единственный физически обоснованный, количественный взгляд на будущее, который у нас есть. При разумном использовании, с четким пониманием их сильных и слабых сторон, они являются незаменимыми инструментами для навигации по глубоким проблемам, связанным с изменением климата. Принимая идеи, которые они предлагают, и планируя диапазон будущего, которое они проектируют, общества могут принимать обоснованные решения, необходимые для защиты водных ресурсов, защиты сообществ и обеспечения устойчивого будущего. Для более подробной информации о последних прогнозах журнал Nature Climate Change часто публикует рецензируемые исследования о достижениях в моделировании осадков и их последствиях для политики адаптации.