29 października 2024 roku w na południu Hiszpanii w Walencji i w okolicach miasta doszło do gwałtownych opadów deszczu i zmasowanych powodzi, które spowodowały poważne uszkodzenia infrastruktury miejskiej i wiejskiej oraz przyniosły z sobą około 230 ofiar śmiertelnych w ludziach.
W dużej mierze zespół naukowców, składający się z większej liczby hiszpańskich naukowców oraz dwóch specjalistów z innych krajów, jeden z Włoch i jeden ze Szwajcarii kierowany przez Carlosa Calvo-Sancho z Katedry Matematyki Stosowanej na Wydziale Inżynierii Komputerowej na Uniwersytecie w Valladolid w Hiszpanii, w badaniach atrybucji (przypisania) zmian klimatu podali przypuszczenie – tak jak wielu poprzedników w tej poddziedzinie klimatologii – iż wystąpienie o tak dużej intensywności ekstremalnych zdarzeń konwekcyjnych i hydrometeorologicznych na południu Hiszpanii można najprawdopodobniej przypisać do obecnie zachodzących od ponad 170 lat antropogenicznych zmian klimatu (ang. anthropogenic climate change – ACC).
To ekstremalne wydarzenie hydroklimatyczne, jakie miało miejsce w regionie Walencji, i w samym mieście, w środku jesieni 2024 roku, było spowodowane głębokim niżem odciętym od wiatrów zachodnich polarnego prądu strumieniowego nad Półwyspem Iberyjskim oraz anomalnie nagrzanymi wodami Morza Śródziemnego w jego zachodniej części i z subtropikalnego Atlantyku w strefie północno-zachodniej części Afryki. Adwekcja gorących mas powietrza z tych regionów ukształtowała rzeki atmosferyczne, które zderzając się z sobą utworzył potężną konwekcję w baroklinowości.
Baroklinowość jest to stan atmosfery, w którym gęstość powietrza zależy nie tylko od ciśnienia, ale także od temperatury i wilgotności.
Rys. a Wysokość geopotencjału na poziomie 500 hPa (zacieniowana) i ciśnienie na poziomie morza (kontur) 29 października 2024 r., godz. 12:00 UTC z ERA5. b Całkowita akumulacja opadów (24 h) w regionie Walencji w symulacji faktycznej (zacieniowana) i sieci obserwacji pogodowych (rozrzut). Fioletowa linia przedstawia dorzecze rzeki Júcar. Wskazano lokalizacje stacji. c Ewolucja 10-minutowego natężenia opadów w Turís (jasnoniebieskie słupki) i 5-minutowego odpływu (niebieska linia) w wąwozie Poio. O godz. 19:00 UTC powódź błyskawiczna w wąwozie Poio zniszczyła stację pomiarową. Żółta, pomarańczowa i czerwona linia przedstawiają ostrzeżenia o odpływie w wąwozie Poio. d Widok burzy z Meteosat Second Generation z godz. 15:30 UTC w kanale IR10,8 μm (°C). Źródło: Calvo-Sancho C. et al./CC BY 4.0
Rys. Porównanie symulacji faktycznych i kontrfaktycznych w okresie burzowym dla: a Wykresy kwantyl-kwantyl (kwantyle empiryczne w porównaniu z kwantylami oczekiwanymi na podstawie dopasowanego rozkładu odniesienia) 1-godzinnego natężenia opadów w regionie Walencji (dziedzina pokazana na rys. 2d ) dla symulacji faktycznych (czarne) i kontrfaktycznych (pomarańczowe) (± odchylenie standardowe jest zacieniowane na szaro). b Ekstremalne opady godzinne skalowane przez ocieplenie o +1,08 °C między symulacją faktyczną i kontrfaktyczną. Niebieska linia pokazuje % zmiany na każde °C ocieplenia (± odchylenie standardowe jest zacieniowane na szaro), a czerwona linia przerywana pokazuje oczekiwany współczynnik Clausiusa-Clapeyrona (7% °C⁻¹). c Procentowa zmiana na obszarze, na którym 24-godzinne skumulowane opady z symulacji faktycznej przekraczają różne progi opadów w regionie Walencji. Progi obejmują 90. (P90), 95. (P95) i 99. (P99) percentyl, a także czerwony próg ostrzegawczy AEMET (180 mm). Całkowite 24-godzinne percentyle opadów obliczono na podstawie symulacji faktycznej. d Rozkład przestrzenny dla symulacji faktycznej (po lewej) i kontrfaktycznej (w środku) oraz (po prawej) wykres PDF i wykres skrzypcowy 6-godzinnej ilości opadów. Wykres PDF obejmuje indywidualne przebiegi kontrfaktyczne modelu klimatycznego (szary), średnie zespołowe dla symulacji kontrfaktycznych (pomarańczowy) i symulacji faktycznych (czarny). Wartość p z testu U Manna-Whitneya wskazuje na statystycznie istotną różnicę między tymi dwoma rozkładami. Źródło: Calvo-Sancho C. et al./CC BY 4.0
Zestawy danych: symulacje modeli GCM CMIP6, reanaliza ERA587
W badaniu wykorzystano zestaw 15 modeli GCM CMIP6 symulujących klimat w warunkach faktycznych (obecnych) i kontrfaktycznych (przedindustrialnych). Konkretnie zastosowano w nim scenariusze
– historyczne – dla wcześniejszego okresu 1850-1879 i dla nie tak dawnego 2009-2014 oraz
– historyczno-teraźniejszościowo-przyszłościowy, według scenariusza emisji IPCC SSP2-4.5 – dla okresu 2015-2038
– W celu walidacji symulacji faktycznej, godzinne obserwacje opadów zebrano z 256 stacji meteorologicznych w badanym regionie (rys. 1b ). Hiszpańska Agencja Meteorologiczna (AEMET) udostępnia dane ze 134 stacji, Walenckie Stowarzyszenie Meteorologiczne (AVAMET) udostępnia dane ze 107 stacji, a prywatna firma SISRITEL obsługuje 15 stacji – piszą eksperci w niniejszym badaniu.
Na podstawie danych z reanalizy ERA587 pod względem meteorologicznym warunki obu światów wykazały drobne różnice w polu geopotencjalnym 500 hektopaskali (500 hPa).
Okazało się, że w podobnej lokalizacji w świecie przedprzemysłowym odcięty niż były nieco głębszy niż w obecnym przemysłowym. Jednak we współczesnych czasach mamy do czynienia z:
– większymi akumulacjami opadów,
– większą gęstością ekstremalnych wartości opadów i
– większą powierzchnią obszaru dotkniętego ekstremalnym zdarzeniem hydroklimatycznym.
Na podstawie symulacji klimatu faktycznego obliczone zostały całkowite 24-godzinne percentyle opadów. I tutaj badacze zwrócili uwagę, ze znaczące zmiany były zaobserwowane przy progach wyższych.
Odpowiednio percentyle od 95. (P95) do 99. (P99) wykazały ekspansję obszarów dotkniętych zmasowanymi opadami deszczu.
– Mediana wzrostu wynosi ~50% w całkowitym obszarze przekraczającym próg 180 mm (który jest ustalony przez Hiszpańską Służbę Meteorologiczną jako granica czerwonego ostrzeżenia przed silnymi opadami w regionie Walencji). Wyniki te są zgodne z podobnymi wcześniejszymi badaniami i pokazują wzrost ilości silnych opadów o ponad 20% w przyszłym cieplejszym klimacie – mówią naukowcy. Następnie dodają: – Dla niższych progów (np. <80 mm, poniżej 90. percentyla) wzrost jest bardziej umiarkowany i wykazuje mniejszą zmienność.
Tak więc, podczas symulacji klimatu kontrfaktycznego percentyle te były poniżej 90 (>P90) dla podobnych opadów.
Rys. Porównanie symulacji faktycznych i kontrfaktycznych w okresie burzy dla a) średniej czasowej Najbardziej Niestabilnej Konwekcyjnej Dostępnej Energii Potencjalnej (MUCAPE), b) Wody Opadowej (PW) i c) Strumienia Pary Wodnej (WVFlux) między powierzchnią a 700 hPa. Sąsiednie wykresy po prawej stronie przedstawiają procentową zmianę ocieplenia na °C (różnica między dwoma stanami klimatycznymi wynosi +1,08 °C), wykres PDF dla każdej symulacji (czarny: symulacja faktyczna; pomarańczowy: symulacja średniej zespołowej kontrfaktycznej; szary: każda symulacja wymuszenia antropogenicznego kontrfaktycznego) oraz wykres skrzypcowy. Legenda w wykresie PDF przedstawia wartość p z testu U Manna-Whitneya, która pozwala ocenić, czy istnieje statystycznie istotna różnica między dwoma rozkładami. Źródło: Calvo-Sancho C. et al./CC BY 4.0
Najbardziej niestabilna dostępna energia potencjalna konwekcji (MUCAPE)
Intensywność konwekcji atmosferycznej jest tożsama z intensywnością burz na średnich szerokościach. Mierzy się ją za pomocą wskaźnika najbardziej niestabilnej dostępnej energii potencjalnej konwekcji (ang. most unstable convective available potential Energy – MUCAPE).
W symulacji klimatu faktycznego szczytowe ilości MUCAPE wynoszą ok. 2000 dżuli na kilogram (ok. 2000 J/kg), w szczególności wzdłuż wybrzeża Morza Śródziemnego oraz w głębi lądu na niektórych obszarach regionu Walencji. Z kolei w symulacji klimatu kontrfaktycznego zostały stwierdzone znacznie niższe wartości ze szczytami ok. 1600 J/kg.
Ta różnica jest statystycznie istotna. Według dwustronnego testu U Manna-Whitneya wartość ta wynosi p < 0,01.
Mediana wzrostu MUCAPE od klimatu kontrfaktycznego do klimatu faktycznego wynosi 22,2%.
To wzmocnienie MUCAPE prowadzi do zwiększenia chmur konwekcyjnych oraz ich zwiększenia ruchu pionowego wraz z uwalnianiem się na większych wysokościach w zimniejszej atmosferze ciepła utajonego z pary wodnej. A to z kolei skutkuje tym, że następuje znaczne przekroczenie wskaźnika Clasiusa-Clapeyrona.
Tu należy przypomnieć, że według prawa Clasiusa-Clapeyrona wzrost temperatury globalnej o 1 stopień Celsjusza powoduje przyrost o 7 procent pary wodnej w atmosferze Ziemi.
Woda opadowa (PW), współczynnik mieszania pary wodnej (WVMXR) i strumień pary wodnej (WVFlux)
Kolejny interesujący wskaźnik woda opadowa (ang. precipitable water – PW) naukowcy wykorzystali do generowania wielkości opadów oraz obliczenia ilości całkowicie dostępnej pary wodnej.
W symulacji klimatu faktycznego pomiar PW oscyluje między 25 a 40 mm, co wskazuje na opady o dużej intensywności. Z kolei wartości klimatu kontrfaktycznego ograniczają się do wartości między 15 a 30 mm.
Mediana wzrostu PW od klimatu kontrfaktycznego do klimatu faktycznego wynosi 11,9%.
I tutaj różnice PW między scenariuszem świata kontrfaktycznego a scenariuszem świata faktycznego mają wyniki zgodne również ze współczynnikiem mieszania pary wodnej (ang. water vapor mixing ratio – WVMXR), gdzie stężenie pary wodnej w obecnie cieplejszym świecie jest znacznie wyższe niż w znacznie chłodniejszym przedprzemysłowym świecie.
Mediana wzrostu całki pionowej WVMXR od klimatu kontrfaktycznego do klimatu faktycznego wynosi 8,5%.
Obliczenia te wyraźnie pokazują, że to właśnie z powodu antropogenicznych zmian klimatu (ACC) zawartość pary wodnej znacznie zwiększyła się w atmosferze Ziemi. Czyli, jak już wspomniane zostało wcześniej, jest to w zupełności zgodne z prawem Clasiusa-Clapeyrona.
Więcej wilgoci w atmosferze oznacza nie tylko do jej większego ocieplenia, ale też na znacznie wyższych i chłodniejszych warstwach atmosfery do jej skroplenia oraz powstania bardzo intensywnych opadów deszczu. W ten sposób poszerza się też zasięg burz konwekcyjnych oraz szybko wstępujących w transporcie pionowym prądów konwekcyjnych z powodu zmniejszonego procesu chłodzenia parowania.
Powstają w ten sposób o silnym oddziaływaniu dodatnie sprzężenia zwrotne pary wodnej, które tylko intensyfikują opady deszczowe. To właśnie naukowcy zmierzyli za pomocą wskaźnika PW w regionie Walencji pod koniec października 2024 roku.
W połączniu z PW i WVMXR jeszcze jeden ważny parametr w obszarze burzowym – strumień pary wodnej (ang. water vapor flux – WVFlux) jest kluczowy ponieważ ma powiązanie między intensywnością wypychanej masy wody a intensywnością wiatru niskopoziomowego, dochodzącego do 25 metrów na sekundę (25 m/s).
Między ciśnieniem powietrza atmosferycznego na powierzchni Ziemi, wynoszącego 1013,25 hPa nad poziomem morza (1013,25 hPa n.p.m.) a jego ciśnieniem na wysokości 3 tysięcy kilometrów, odpowiednio wynoszącym 700 hPa WVFlux jest znacznie silniejszy w stanie klimatu faktycznego niż kontrfaktycznego.
Mediana wzrostu WVFlux od klimatu kontrfaktycznego do klimatu faktycznego wynosi 8,5%.
Co jednoznacznie oznacza, że w obecnym świecie cieplejszym transport wilgotnego powietrza sprzyja większej intensyfikacji opadów deszczu i intensyfikacji powodzi.
Rys. Porównanie symulacji faktycznych i kontrfaktycznych w okresie burzy dla średniej czasowej maksymalnego ogrzewania diabatycznego w kolumnie pionowej, b maksymalnej prędkości prądu wstępującego i c maksymalnego stężenia graupeli w kolumnie pionowej. Sąsiednie wykresy przedstawiają ich procentową zmianę na °C ocieplenia (różnica między dwoma stanami klimatycznymi wynosi +1,08 °C), funkcję gęstości prawdopodobieństwa dla każdej symulacji (czarny: symulacja faktyczna; pomarańczowy: symulacja średniej zespołowej kontrfaktycznej; szary: każda symulacja kontrfaktyczna) oraz wykres skrzypcowy. Wartość p z testu U Manna-Whitneya wskazuje na statystycznie istotną różnicę między tymi dwoma rozkładami. Źródło: Calvo-Sancho C. et al./CC BY 4.0
Ogrzewanie diabatyczne oraz prądy wstępujące są znacznie większe w obecnie cieplejszym świecie niż w czasach przedprzemysłowych
Ogrzewanie diabatyczne, czyli uwalnianie ciepła utajonego w procesach kondensacji pary wodnej w chmurach odgrywa znaczącą rolę w dynamice opadów deszczu.
Mediana wzrostu ogrzewania diabatycznego od klimatu kontrfaktycznego (przedprzemysłowego) do faktycznego (obecnego) wynosi powyżej 29,5%.
– To znacznie zintensyfikowane uwalnianie ciepła utajonego oznacza wzmocnioną konwekcję atmosferyczną, zwiększającą intensywność, zasięg przestrzenny i czas trwania opadów poprzez mechanizmy sprzężenia zwrotnego – piszą naukowcy.
Jak już wspomniane zostało, to zdarzenie hydroklimatyczne w regionie Walencji w środku jesieni 2024 roku miało związek z nasilonymi pionowymi prądami wstępującymi, które z kolei miały wpływ na nasilenie się pionowych strumieni wilgoci niezbędnych do powstawania ulewnych, wręcz katastrofalnych, opadów deszczu.
I tu ciekawa uwaga, w niektórych punktach siatki modeli wprawdzie prądy wstępujące w świecie kontrfaktycznym były nieco silniejsze niż w faktycznym – jak pokazują symulacje – to także pokazuje, że antropogeniczne zmiany klimatu wzmacniają konwekcję.
– Ten większy ślad burzy (tj. silne prądy wstępujące na większym obszarze) w rzeczywistym klimacie może zwiększyć skalę obszaru narażonego na wysokie wskaźniki opadów i wzmocnić oddziaływanie hydrologiczne w dół rzeki (np. większy wkład w zlewnie rzek i wąwozów, co sprzyja dłuższym obszarom podatnym na powodzie) – podkreślają badacze. I następnie dodają: – Jest to zgodne z badaniami w regionie alpejsko-śródziemnomorskim.
Mediana wartości maksymalnej intensywności prądów wstępujących od klimatu kontrfaktycznego (przedprzemysłowego) do faktycznego (obecnego) wzrasta powyżej 11,9%.
Badanie wyraźnie pokazują, że w obecnie cieplejszym świecie intensywność burz konwekcyjnych wyraźnie się zwiększyła.
Obok gradu w cieplejszym świecie więcej krupy i więcej cieplejszych warstw chmur. To zaobserwowano w regionie Walencji
Podczas tego zdarzenia hydroklimtycznego, podczas wystapienia bardziej zwiększonej zawartość wilgoci w powietrzu atmosferycznym łącznie ze zwiększoną intensyfikacją prądów wstępujących w konwekcji atmosferycznej, naukowcy ppołudniowoeuropejscy zaobserwowali zwiększenie obok gradu ilości krupy w chmurach lodowych. Zgadza się to z prognozami symulacji przyszłych zmian burz konwekcyjnych w regionie Walencji.
Ogólnie mówiąc badanie pokazuje, ż w świecie obecnym przemysłowym zawartość krupy w chmurach na badanym obszarze rozciągniętym od południowego wschodu do północnego zachodu jest znacznie wyższa niż w przedprzemysłowym. Wskazuje to na wysoką aktywność konwekcyjną chmur we współczesnym świecie, a na niską w świecie przed emisjami gazów cieplarnianych.
Mediana maksymalnego wzrostu graupeli w kolumnie od klimatu przedprzemysłowego do obecnego wynosi powyżej 32,4%.
Silne prądy wstępujące połączone z wysoką zawartością krupy oraz innych hydrometeorów, jak grad i oczywiście deszcz, generują znacznie zwiększone opady atmosferyczne, co też prowadzi często do przekroczenia wskaźników Clasiusa-Clapeyrona. Zwłaszcza gdy jednocześnie następuje wzmocnienie wskaźników najbardziej niestabilnej dostępnej energii potencjalnej konwekcji (MUCAPE) i wody opadowej (PW).
Ponadto jeszcze jedna rzecz, na którą zwrócili uwagę badacze jest obserwacja podczas symulacji modeli świata faktycznego i kontrfaktycznego, że w obecnym świecie cieplejszym chmury stają się coraz cieplejsze na wyższych poziomach niż to było w świecie bezemisyjnym chłodniejszym. Jak wiadomo kondensacja pary wodnej następuje też podczas izotermy 0 stopni Celsjusza. Jednak co istotnego zauważyli, że wszystkie procesy intensyfikacji wilgoci i konwekcji prowadzą do tego, że podczas powstawania takich odciętych niżów atmosferycznych na ziemię spadają nie tylko deszcze o dużej intensywności, ale też są znacznie cieplejsze niż w czasach przedprzemysłowych.
Mediana wzrostu wysokości ciepłej warstwy chmur od klimatu przedprzemysłowego do obecnego wynosi 9,6%.
Niniejsi naukowcy z Hiszpanii, Włoch i Szwajcarii, czy też ich poprzednicy, po wielu obserwacjach wcześniejszych powodzi w innych regionach Ziemi, są zgodni, że gdy formują warstwy ciepłych chmur, to ma to związek z powstawaniem dużych i ciepłych kropel deszczu, które są bardziej gwałtowne niż małe i chłodniejsze, ponieważ opadają ze znacznie większą prędkością i gwałtownością na powierzchnię Ziemi. Tego właśnie doświadczył bardzo poważnie region Walencji, jak pokazały to wówczas wskaźniki opadów na stacjach meteorologicznych.
Rys. Intensywne opady deszczu nasilają się ze względu na zwiększoną wilgotność, co zwiększa uwalnianie ciepła utajonego i powoduje silniejsze dodatnie ruchy pionowe. Zmiany te sprzyjają intensywniejszym procesom mikrofizycznym, nasilonym opadom deszczu (6 h) i zwiększają całkowitą powierzchnię opadów. Źródło: Calvo-Sancho C. et al./CC BY 4.0
Stacja hydrometeorologiczna w Turis: padł rekord pomiarów hydrometeorologicznych w Hiszpanii
W celu walidacji (weryfikacji) symulacji faktycznej, godzinne obserwacje opadów naukowcy z zespołu Carlosa Calvo-Sancho zebrali z 256 stacji meteorologicznych w badanym regionie.
Hiszpańska Agencja Meteorologiczna (AEMET) udostępniła dane ze 134 stacji, Walenckie Stowarzyszenie Meteorologiczne (AVAMET) udostępniło dane ze 107 stacji oraz prywatna firma SISRITEL obsłużyła w tym celu 15 stacji.
W badaniu wzięty jest pod uwagę duży udział stacji w miejscowości Turis, położonej na zachód od Walencji.
– W październiku 2024 roku w Walencji (Hiszpania) w ciągu kilku godzin odnotowano akumulację opadów przekraczającą średnie roczne (771,8 mm w ciągu 16 godzin w oficjalnej stacji meteorologicznej w Turís) i bijącą rekord godzinnej akumulacji opadów w Hiszpanii (184,6 mm), co doprowadziło do 230 ofiar śmiertelnych – tak napisali w swojej pracy wspomniani naukowcy.
Referencje:
Calvo-Sancho C. et al. ; 2026 ; Human-induced climate change amplification on storm dynamics in Valencia’s 2024 catastrophic flash flood ; Nature Communications volume 17, Article number: 1492 ; https://www.nature.com/articles/s41467-026-68929-9