Ny teknik forudsiger hyppigheden af ​​kraftig nedbør med global opvarmning

Den 11. dec. 2014, et godstog af en storm dampede gennem det meste af Californien, oversvømmer San Francisco Bay Area med tre tommer regn på kun en time. Stormen blev drevet af, hvad meteorologer omtaler som "Pineapple Express" - en atmosfærisk flod af fugt, der piskes op over Stillehavets tropiske farvande og fejes mod nord med jetstrømmen.

Om aftenen, rekordstor nedbør havde udløst mudderskred, oversvømmelser, og strømafbrydelser i hele staten. Stormen, som er blevet kaldt Californiens "årtiets storm, "er en af ​​statens mest ekstreme nedbørshændelser i nyere historie.

Nu har MIT-forskere fundet ud af, at sådanne ekstreme nedbørshændelser i Californien burde blive hyppigere, efterhånden som jordens klima opvarmes i løbet af dette århundrede. Forskerne udviklede en ny teknik, der forudsiger hyppigheden af ​​lokale, ekstreme nedbørshændelser ved at identificere afslørende storskalamønstre i atmosfæriske data. For Californien, de regnede med, at hvis verdens gennemsnitstemperaturer stiger med 4 grader Celsius inden år 2100, staten vil opleve tre mere ekstreme nedbørshændelser end det nuværende gennemsnit, Per år.

Forskerne, der har offentliggjort deres resultater i Tidsskrift for Klima , sige, at deres teknik reducerer usikkerheden ved ekstreme stormforudsigelser foretaget af standardklimamodeller markant.

"En af kampene er, grove klimamodeller giver en bred vifte af resultater. [Regnmængden] kan stige eller falde, " siger Adam Schlosser, seniorforsker i MIT's Joint Program on the Science and Policy of Global Change. "Hvad vores metode fortæller dig er, for Californien, vi er meget overbeviste om, at [kraftig nedbør] vil stige i slutningen af ​​århundredet."

Forskningen blev ledet af Xiang Gao, en forsker i Joint Program on the Science and Policy of Global Change. Avisens medforfattere inkluderer Paul O'Gorman, lektor i jord, atmosfærisk, og planetariske videnskaber; Erwan Monier, hovedforsker i det fælles program; og Dara Entekhabi, Bacardi Stockholm Water Foundations professor i civil- og miljøteknik.

Storstilet forbindelse

I øjeblikket, forskere estimerer hyppigheden af ​​lokale kraftige nedbørshændelser hovedsageligt ved at bruge nedbørsinformation simuleret fra globale klimamodeller. Men sådanne modeller udfører typisk komplekse beregninger for at simulere klimaprocesser på tværs af hundreder og endda tusinder af kilometer. Ved så grov opløsning, det er ekstremt svært for sådanne modeller at repræsentere små-skala funktioner såsom fugtkonvektion og topografi, som er afgørende for at lave præcise forudsigelser af nedbør.

For at få et bedre billede af, hvordan fremtidige nedbørshændelser kan ændre region for region, Gao besluttede at fokusere på ikke simuleret nedbør, men atmosfæriske mønstre i stor skala, hvilke klimamodeller er i stand til at simulere meget mere pålideligt.

"Vi har faktisk fundet, at der er en sammenhæng mellem, hvad klimamodeller gør rigtig godt, som er at simulere store bevægelser af atmosfæren, og lokale, kraftige nedbørshændelser, " siger Schlosser. "Vi kan bruge denne forening til at fortælle, hvor ofte disse begivenheder forekommer nu, og hvordan de vil ændre sig lokalt, som i New England, eller vestkysten."

Vejrbilleder

Mens definitionerne varierer for, hvad der betragtes som en ekstrem nedbørshændelse, i dette tilfælde definerede forskerne en sådan begivenhed som at være inden for de øverste 5 procent af en regions nedbørsmængder i en bestemt sæson, over perioder på næsten tre årtier. De fokuserede deres analyse på to områder:Californien og Midtvesten, regioner, der generelt oplever relativt høje mængder nedbør om vinteren og sommeren, henholdsvis.

For begge regioner, holdet analyserede atmosfæriske træk i stor skala såsom vindstrømme og fugtindhold, fra 1979 til 2005, og noterede deres mønstre hver dag, der forekom ekstrem nedbør. Ved hjælp af statistisk analyse, forskerne identificerede afslørende mønstre i de atmosfæriske data, der var forbundet med kraftige storme.

"Vi tager hovedsageligt øjebliksbilleder af al relevant vejrinformation, og vi finder et fælles billede, som bruges som vores røde flag, " Schlosser forklarer. "Når vi undersøger historiske simuleringer fra en række avancerede klimamodeller, vi stifter hver gang vi ser det mønster."

Ved at bruge den nye ordning, holdet var i stand til kollektivt at reproducere hyppigheden af ​​ekstreme hændelser, der blev observeret over den 27-årige periode. Vigtigere, resultaterne er meget mere nøjagtige end dem, der er baseret på simuleret nedbør fra de samme klimamodeller.

"Ingen af ​​modellerne er engang tæt på observationerne, " siger Gao. "Og uanset kombinationen af ​​atmosfæriske variabler, vi brugte, de nye ordninger var meget tættere på observationer."

"Oplysninger, der kan handles"

Styrket af deres resultater, holdet anvendte deres teknik til store atmosfæriske mønstre fra klimamodeller for at forudsige, hvordan hyppigheden af ​​kraftige storme kan ændre sig i et opvarmende klima i Californien og Midtvesten i løbet af det næste århundrede. De analyserede hver region under to klimascenarier:en "business as usual"-sag, hvor verden forventes at blive opvarmet med 4 grader celsius i 2100, og en politikstyret sag, hvor globale miljøpolitikker, der regulerer drivhusgasser, skal holde temperaturstigningen på 2 grader celsius.

For hvert scenarie, holdet markerede de modellerede atmosfæriske mønstre i stor skala, som de havde besluttet at være forbundet med kraftige storme. I Midtvesten, årlige forekomster af ekstrem sommernedbør faldt en smule under begge opvarmningsscenarier, selvom forskerne siger, at resultaterne ikke er uden usikkerhed.

For Californien, billedet er meget klarere:Under det mere intense scenario med global opvarmning, staten vil opleve yderligere tre ekstreme nedbørshændelser om året, på størrelse med stormen i december 2014. Under det politikdrevne scenarie, Schlosser siger "den tendens er halveret."

Holdet anvender nu sin teknik til at forudsige ændringer i hedebølger fra et globalt opvarmende klima. Forskerne leder efter mønstre i atmosfæriske data, der korrelerer med tidligere varmebølger. Hvis de mere pålideligt kan forudsige hyppigheden af ​​hedebølger i fremtiden, Schlosser siger, at det kan være yderst nyttigt til langsigtet vedligeholdelse af elnet og transformere.

"Det er brugbare oplysninger, " siger Schlosser.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.