Klimat Ziemi

W pierwszych latach XXI wieku naukowcy zaobserwowali, że na północnym Atlantyku został zaburzony mechanizm zatapiania słonych wód – tzw. Północnoatlantyckie Wody Głębinowe (NADW – North Atlantic Deep Water). Badania obserwacyjne oraz symulacje modeli klimatycznych pokazują, że Prąd Zatokowy coraz bardziej zwalnia.

Badania brytyjskich naukowców Harry’ego L. Brydena, Hannah R. Longworth i Stewarta A. Cunninghama z Narodowego Centrum Oceanografii w Southampton w Wielkiej Brytanii, że przepływ Prądu Zatokowego, w badanym okresie czasu 1957-2017, zmniejszył się już o 30% ¹.

Naukowcy poddali badaniu odcinek transatlantycki wzdłuż szerokości geograficznej 25°N w celu podstawowego oszacowania cyrkulacji wymiennej i związanego z nią transportu ciepła. Następnie porównali go z czterema poprzednimi odcinkami wykonanymi w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat.

Autorzy na wstępie swojej pracy piszą:

Atlantycka Południkowa Cyrkulacja Wymienna (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation) przenosi ciepłe wody górne na dalekie północne szerokości geograficzne i zawraca zimne, głębokie wody na południe przez równik. Jej transport ciepła w znacznym stopniu przyczynia się do umiarkowanego klimatu morskiej i kontynentalnej Europy, a jakiekolwiek spowolnienie cyrkulacji zwrotnej miałoby poważne konsekwencje dla zmian klimatycznych.

—-

Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu, min. z Michaelem Mannem z Wydziału Meteorologii w Penn State i Jasonem Boxem ze Służby Geologicznej Danii i Grenlandii (GEUS – Geologic Survey of Denmark and Greenland) w Kopenhadze, zauważyli, że gdy jest mowa o słabnięciu AMOC, to zwalnia Prąd Zatokowy (Golfsztrom), który jest w pętli tej cyrkulacji oceanicznej ².

Naukowcy zaobserwowali na podstawie badań proxy koralowców oraz badań izotopów wody, że w chłodniejszych czasach przedindustrialnych, Golfsztrom płynął szybciej z Karaibów wzdłuż wschodnich wybrzeży Ameryki Północnej, skręcając na wschód w kierunku południowej Grenlandii. Część jego wód była systematycznie zatapiana, a część płynęła w kierunku Europy już w Prądzie Północnoatlantyckim, silnie ogrzewając ten kontynent, a część tych wód płynęła dalej na północ w kierunku Arktyki.

—

Rys.1. Trendy liniowe temperatury powierzchni od 1901 r. Na podstawie danych temperaturowych NASA GISS (ref. 48). a, Globalna mapa równego obszaru (projekcja Hammera) dla lat 1901–2013; biały oznacza niewystarczające dane. b, Ta sama analiza dla sektora północnoatlantyckiego w latach 1901-2000. Oprócz obserwowanych trendów temperatur b pokazuje również punkty siatki (czarne kółka) regionu podbiegunowo-wirowego, w którym modele podlegały silnej redukcji AMOC wywołanej przez dodanie anomalii słodkowodnych do północnego Atlantyku (Stefan Rahmstorf i in., 2015).

—

Jednak jak podkreślili badacze w swojej pracy, z powodu emisji gazów cieplarnianych i dalszego ocieplania planety od drugiej połowy XX wieku, Prąd Zatokowy zaczął coraz bardziej spowalniać, zwłaszcza od lat 90 XX wieku. Miał na to wpływ zwiększonego topnienia pokrywy lodowej Grenlandii powodującego spływ do północnego Atlantyku wód słodkich.

I wszystko jest możliwe, że pod koniec naszego wieku AMOC już bardzo silnie spowolni, a nawet zatrzyma się przez to Prąd Zatokowy. Modele klimatyczne, którymi posłużyli się naukowcy, wskazały, że w przyszłych dekadach może często dochodzić w sezonie zimowym do ochłodzenia regionów Europy Zachodniej, choć w porze letniej mogą występować dłuższe i intensywniejsze fale upałów oraz susze.

Również w tymże badaniu Rahmstorf i jego współpracownicy zauważyli drugie niepokojące zjawisko fizyczne. Mianowicie, na południe od Grenlandii nad oceanem, a także w nim samym, wytworzyła się anomalia niskiej temperatury poniżej średniej światowej, zwana zimną plamą (Cold Blob), która właśnie powstała z powodu spływu lodu z topniejącej pokrywy lodowej Grenlandii i wysładzania oraz ochładzania północnego Atlantyku. Ma to wpływ na coraz większe „zacinanie się” mechanizmu NADW, inaczej zwanego też downwellingiem, będącego także częścią AMOC.

Ponadto naukowcy zaobserwowali, że z powodu zwalniania Prądu Zatokowego, poziom wód północnego Atlantyku wokół wybrzeży północno-wschodnich USA bardzo silnie ogrzewa się grubo powyżej średniej światowej oraz mocno podnosi się, co jest ewenementem na półkuli północnej. Dlatego też ten rejon Ziemi może być narażony na jeszcze gwałtowniejsze huragany. Tak więc, częstość huraganów o intensywności jak Sandy w 2012 r. będzie z biegiem lat również coraz bardziej rosła, kierując się dalej na wyższe szerokości geograficzne i często opuszczając strefę wód subtropikalnych.

—-

Jak wspomnieliśmy wcześniej, zimna plama na południe od Grenlandii jest obszarem nie tylko anomalii zimna poniżej średniej światowej, ale i także jest najzimniejszym regionem morskim na Ziemi. Główną przyczyną jej powstania jest wspomniane topnienie pokrywy lodowej Grenlandii, co prowadzi nie tylko do spowalniania Prądu Zatokowego i AMOC, czyli do spowalniania napływu ciepłych mas wody z tropikalnych Karaibów, ale i do innych procesów zaburzających dynamikę i stabilność tego obszaru na Ziemi.

Paul Keil z Instytutu Meterologii im. Maxa Plancka w Hamburgu oraz jego współpracownicy, stwierdzili, że do powstawania zimnej plamy przyczyniło się też powstawanie większego zachmurzenia nad tym rejonem gdzie jest mniejszy dopływ promieni słonecznych do powierzchni oceanu, gdyż są one odbijane od jasnych powierzchni niskich chmur oraz przyczyną mogło być powstanie wiru subpolarnego wypychającego ciepłe masy wody z rejonu zimnej plamy ³.

Naukowcy zaobserwowali, że pomimo globalnego ocieplenia, region północnoatlantycki ochładza się, co jest zjawiskiem znanym jako przerwa ocieplenia (WH – Warming Hole). Jej pojawienie się ma związek ze spowolnieniem atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej (AMOC – Atlantic Meridional Overturning Circulation), co prowadzi do zmniejszenia transportu ciepła oceanicznego do regionu przerwy ocieplenia.

Zespół Keila zwrócił jeszcze uwagę, że oprócz zmniejszonego importu ciepła z niskich szerokości geograficznych, mamy zaobserwowany zwiększony transport ciepła oceanicznego z regionu WH na wyższe szerokości geograficzne. Również badacze zauważyli, że w obszarze na południe od Grenlandii dominuje silne ujemne sprzężenie zwrotne chmur, co sprzyja umacnianiu się formowania przerwy ocieplenia. Ogólnie badacze podkreślili, że to zjawisko atmosferyczno-oceaniczne powstało pod wpływem antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych. W swojej pracy stwierdzili następujący fakt:

W symulacjach modeli klimatycznych z okresu historycznego zanik atlantyckiej południkowej cyrkulacji wymiennej na niskich szerokościach geograficznych nie wynikał z naturalnej zmienności, podczas gdy przyspieszenie transportu ciepła do wyższych szerokości geograficznych jest wyraźnie związane z wymuszeniami antropogenicznymi. Zarówno wymiana, jak i cyrkulacja wirowa przyczyniają się do zwiększonego transportu ciepła oceanicznego na wysokie szerokości geograficzne, a zatem mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia przeszłych i przyszłych ewolucji przerwy ocieplenia.

—

Rys.2. Schematyczna ilustracja czynników przerwy ocieplenia (WH – Warming Hole). AMOC jest oznaczony czerwonymi strzałkami, cyrkulacja wiru niebieskimi strzałkami, a sprzężenie zwrotne chmur w postaci odbitego promieniowania krótkofalowego żółtymi strzałkami. Zacieniowanie przedstawia trend temperatury powierzchni przy wzroście CO2 o 1 procent w ciągu roku w zestawie (Paul Keil i inni, 2020).

—

W serwisie Carbon Brief doktorant Paul Keil powiedział ⁴:

Mniej ciepła woda pochodząca z tropików wpływa na chłodzenie Północnego Atlantyku, co równoważy ogólne ocieplenie oceanu spowodowane wzrostem temperatury na świecie. W rezultacie przerwa ocieplenia jest przypisywana głównie spowolnieniu AMOC.

—-

Jest jeszcze jedna alternatywna zespołowa praca naukowa na temat spowalniania AMOC. Jest to praca pod kierownictwem uznanego klimatologa Jamesa Hansena, byłego pracownika Uniwersytetu Columbia w Instytucie Ziemi, w której naukowiec wysunął śmiałą i dość kontrowersyjną tezę, której nie należy lekceważyć ⁵.

Zdaniem badaczy, którzy wykorzystali dane z modeli klimatycznych, badań proxy i z obserwacji, skoro Golfsztrom zwolni znacząco albo ustanie, to i tak energia cieplna gwałtownie trafi do atmosfery. I bardzo silnie nagrzane masy powietrza spowodują powstanie superhuraganów zwanych hiperkanami, które będą w coraz cieplejszym świecie nawiedzać wybrzeża Atlantyku w Europie i w Ameryce Północnej, a temperatura powietrza bardziej ekstremalnie wzrośnie przynosząc z sobą wiele innych pozostałych ekstremalnych zjawisk pogodowych włącznie z powodziami i suszami, pożarami oraz wielokrotnie szybszym wzrostem poziomu morza.

Analogii opisanych wydarzeń jakie mogą zdarzyć się w coraz cieplejszym świecie z coraz silniejszymi tropikalnymi cyklonami, Hansen i jego współpracownicy doszukali się na podstawie danych paleoklimatycznych, w dokładnej lokalizacji i analizie rdzeni oceanicznych i lodowych, gdy 120 tysięcy lat temu gigantyczne fale sztormowe wyrzuciły ogromne głazy na wybrzeża Bahamów na dość dużą wysokość nad poziomem morza. I takie ślady geologicznej przeszłości z eemianu (poprzedniego interglacjału) sprzed 118 tysięcy lat temu, właśnie znaleźli uczeni tam na tych wyspach.

Również po dokładnej analizie rekonstrukcji klimatu w poprzednim interglacjale eemskim, Hansen i jego współpracownicy zaobserwowali, że w ciągu nawet 50-150 lat wzrost poziomu morza może nawet wynieść kilka metrów z powodu kontynuacji dalszego spalania paliw kopalnych. A więc, jak wynika z przeprowadzonych badań, takie krytyczne obszary nisko położone, jak Bangladesz nad Oceanem Indyjskim czy Holandia nad Morzem Północnym, będą znacznie szybciej zalane. Jednak podkreślają uczeni, że czarny scenariusz nie musi się ziścić, jeśli tylko jako ludzkość podejmiemy stanowcze kroki do redukcji emisji gazów cieplarnianych.

Naukowcy narysowali również scenariusz spowolnienia lub zatrzymania Golfsztromu bez ochłodzenia regionalnego Europy, co okazało się nowością nigdy wcześniej nie opisywaną.

Pracy Hansena i jego zespołu naukowego nie zlekceważyło wielu znakomitych klimatologów. Należą do nich: glacjolożka Ruth Mottram specjalizująca się w badaniach lądolodu Grenlandii, geolog Richard Alley specjalizujący się w obiegu dwutlenku węgla, paleontolog Michael Mann, będący też twórcą słynnego „kija hokejowego”, paleoklimatolożka Kim Cobb, specjalistka od korali i stalagmitów jaskiniowych czy też współautor pracy i glacjolog Eric Rignot będący specjalistą od czap lodowych Grenlandii i Antarktydy.

—

Fot.1. Głaz na grzbiecie wybrzeża wyspy North Eleuthera na Bahamach. Szacunkowa waga to około 2300 ton (Paul Hearty, 1997)

—

Symulacje komputerowe zostały wykonane za pomocą modeli: ER GISS symulującego dynamikę oceanu oraz E GISS symulującego dynamikę atmosfery.

Marcin Popkiewicz na portalu Nauka o Klimacie tak pisze w swoim artykule „Może być niedobrze, ekstremalna prognoza Jamesa Hansena wchodzi do kanonu nauki”, na temat pracy zespołowej Jamesa Hansena ⁶:

W artykule przedstawiony jest mechanizm zdaniem autorów mogący prowadzić do gwałtownego przekroczenia punktów krytycznych w systemie klimatycznym, co doprowadzi także do innych niż wzrost poziomu morza zmian na naszej planecie. Ważnym elementem ziemskiego systemu klimatycznego jest cyrkulacja termohalinowa, czyli powierzchniowe i głębinowe prądy morskie dystrybuujące ciepło z rejonów międzyzwrotnikowych w wyższe szerokości geograficzne. Kluczowym elementem napędzającym ten układ jest powstawanie podczas jesiennego i zimowego zamarzania powierzchni Północnego Atlantyku zimnej, słonej wody, która opada w głąb oceanu.

Naukowcy powyższej pracy mówią na jej wstępie:

Modelowanie, dowody paleoklimatyczne i bieżące obserwacje razem wskazują, że globalne ocieplenie o 2°C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej może być niebezpieczne. Przewiduje się, że utrzymujące się wysokie emisje z paliw kopalnych w tym stuleciu spowodują:

1) ochłodzenie Oceanu Południowego, zwłaszcza na półkuli zachodniej

2) spowolnienie cyrkulacji zwrotnikowej na Oceanie Południowym, ocieplenie szelfów lodowych i rosnący ubytek masy lądolodu

3) spowolnienie i ewentualne zamknięcie atlantyckiej cyrkulacji zwrotnikowej z ochłodzeniem regionu północnoatlantyckiego

4) coraz silniejsze burze

5) nieliniowo rosnący wzrost poziomu morza, sięgający kilku metrów w skali czasowej 50-150 lat

Przewidywania te, zwłaszcza ochłodzenie w rejonie Oceanu Południowego i Północnego Atlantyku oraz znacznie mniejsze ocieplenie lub nawet ochłodzenie w Europie, różnią się zasadniczo od istniejących ocen zmian klimatu omówionych w tejże pracy. Omawiamy obserwacje i badania modelowe potrzebne do obalenia lub wyjaśnienia tych twierdzeń.

Referencje:

1. Bryde H. L. et al., 2005 ; Slowing of the Atlantic Meridional Overturning Circulation at 25°N ; Nature ; https://www.nature.com/articles/nature04385
2. Rahmstorf S. et al., 2015 ; Exceptional twentieth-century slowdown in Atlantic Ocean overturning circulation ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/274407254_Exceptional_twentieth-Century_slowdown_in_Atlantic_Ocean_overturning_circulation
3. Keil Paul et al., 2020 ; Multiple drivers of the North Atlantic warming hole ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/342535987_Multiple_drivers_of_the_North_Atlantic_warming_hole
4. McSweeney R., 2020 ; Scientists shed light on human causes of North Atlantic’s ‘cold blob’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-shed-light-on-human-causes-of-north-atlantics-cold-blob
5. Hansen J. et al., 2016 ; Ice melt, sea level rise and superstorms: evidence from paleoclimate data, climate modeling, and modern observations that 2 °C global warming could be dangerous ; Atmospheric Chemistry and Physics ; https://www.researchgate.net/publication/280878280_Ice_Melt_Sea_Level_Rise_and_Superstorms_Evidence_from_Paleoclimate_Data_Climate_Modeling_and_Modern_Observations_that_2C_Global_Warming_is_Highly_Dangerous
6. Popkiewicz M., 2016 ; Może być niedobrze, ekstremalna prognoza Jamesa Hansena wchodzi do kanonu nauki ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/moze-byc-niedobrze-ekstremalna-prognoza-jamesa-hansena-wchodzi-do-kanonu-nauki-169/

Naukowcy zastanawiają się jaką rolę może odgrywać oscylacja północnoatlantycka (NAO – North Atlantic Oscillation) na zmiany klimatu w korelacji z polarnym prądem strumieniowym.

Pod względem meteorologicznym, gdy podczas tzw. dodatniej fazy oscylacji północnoatlantyckiej (NAO – North Atlantic Oscillation) normalnie stabilnie płynie polarny prąd strumieniowy, mamy pół-stały Wyż Azorski nad Wyspami Kanaryjskimi, który jest dalej wysunięty na zachód od północno-zachodniej Afryki po stronie zwrotnikowych mas powietrza oraz mamy pół-stały Niż Islandzki, który kształtuje się wówczas po drugiej stronie frontu polarnego w strefie mas powietrza arktycznego bliżej na północ koło Grenlandii.

Wtedy jest ciepło we wschodniej części USA oraz w północnej Europie. Natomiast chłodno i sucho jest na południu Europy i w basenie Morza Śródziemnego, a w północno-wschodniej Kanadzie i na zachodniej Grenlandii jest nie tylko chłodno, ale i dodatkowo też więcej jest lodu morskiego.

Wartość ciśnienia w Wyżu Azorskim jest większa od średniej wartości wieloletniej. Natomiast wówczas wartość ciśnienia w Niżu Islandzkim jest mniejsza od średniej wieloletniej.

Różnica ciśnień pomiędzy Azorami i Islandią jest wtedy większa od przeciętnej (przede wszystkim w okresie DJF (grudzień-styczeń-luty).

Z kolei, gdy podczas ujemnej fazy NAO polarny prąd strumieniowy silnie meandruje, to wyż azorski jest wysunięty bliżej północno-zachodniej Afryki i jest już pod wpływem polarnych mas powietrza. Tak samo jak niż Islandzki, który jest wysunięty dalej na południe od Grenlandii.

Różnica ciśnień pomiędzy Azorami i Islandią jest wtedy mniejsza od przeciętnej.

Wówczas jest dość często bardzo chłodno i śnieżnie we wschodniej części USA. Wówczas mamy tam często do czynienia z polarnymi mroźnymi i burzowymi wiatrami tzw. Nor’easterami (północnowschodniakami), czyli cyklonami śnieżnymi.

Również jest chłodno i sucho w północnej Europie. Natomiast jest ciepło i mokro na południu Europy i w basenie Morza Śródziemnego, a w północno-wschodniej Kanadzie i na zachodniej Grenlandii jest cieplej i jest mniejsza ilość lodu.

Wartość ciśnienia w Wyżu Azorskim jest mniejsza od średniej wartości wieloletniej. Natomiast wówczas wartość ciśnienia w Niżu Islandzkim jest większa od średniej wieloletniej.

—

Rys.1. Model dwóch trybów Oscylacji Północnoatlantyckiej (NAO), powiązanej aktywności sztormowej i dystrybucji wilgoci nad Północnym Atlantykiem: a) ujemnych i b) dodatnich faz indeksu NAO. H – centrum ciśnienia subtropikalnego azorskiego wyżu, L – centrum ciśnienia subpolarnego islandzkiego niżu (http://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/NAO/) ¹.

—

Clara Deser, James W. Hurrell i Adam S. Phillips z Wydziału Klimatu i Dynamiki Globalnej, Narodowego Centrum Badań Atmosfery w Boulder, stwierdzili, że Oscylacja Północnoatlantycka (NAO) jako dominujący sposób zmienności cyrkulacji atmosferycznej w sektorze północnoatlantyckim/europejskim, jest wiodącym regulatorem wahań klimatu zimowego w Europie, basenie Morza Śródziemnego, części Bliskiego Wschodu i wschodniej części Ameryki Północnej w szerokim zakresie skal czasowych od wewnątrzsezonowych do wielodekadowych (np. Hurrell J. W. 1995 ; Hurrell J. W. et al., 2003) ².

Zdaniem naukowców, klimat europejski w nadchodzących dziesięcioleciach i stuleciach będzie nadal pod silnym wpływem NAO. Jednak, jak już wiemy, dalszy wzrost stężenia gazów cieplarnianych, spowodowany spalaniem paliw kopalnych i zmianami użytkowania terenu, będzie odgrywać coraz większą rolę. Względne wielkości wpływów klimatycznych wywołanych przez naturalnie występujące NAO i czynniki antropogeniczne będą zależeć od horyzontu czasowego (np. następne kilkadziesiąt lat vs. koniec XXI wieku) oraz skali czasu (międzyroczna vs. wieloletnia). Będzie miało to wpływ nie tylko na wzorce zmienne temperatury, ale i też opadów deszczu oraz śniegu w okresie zimowym.

—

Rys.2. Przyszłe 30-letnie trendy (2016-2045) zimą: (a, b) temperatura powietrza na powierzchni (SAT – Sea Air Temperature) (w °C na 30 lat; cieniowanie) ; (c, d) opady (P) (w mm/dzień w ciągu 30 lat; cieniowanie). Symulacje 13 i 25 ze środowiskowego modelu systemu Ziemi w wersji 1 szerokiego zestawu (CESM1 Large Ensemble – Community Earth System Model version 1 Large Ensemble), wybrane ze względu na kontrastujące trendy ciśnienia nad poziomem morza (SLP – Sea Level Pressure) ; (kontury; odstęp = 1 hPa na 30 lat z wartościami ujemnymi przerywanymi) (Rys. Clara Deser i inni, 2017).

—

Naukowcy ci położyli nacisk w badaniu na analizę przebiegu wpływu NAO na prognozowane zmiany w sezonie zimowym (średnia grudzień-marzec). Skoncentrowali się na analizie temperatury powietrza na powierzchni (SAT – Surface Air Temperature) i opadów (P – Precipitation) w okresie najbliższych 30–50 lat. W zakresie metod badawczych wykorzystali złożony z 40 elementów zestaw symulacji zmian klimatu w ramach scenariuszy historycznych (przedindustrialnych) oraz industrialnych RCP8.5 w celu zbadania wymuszeń radiacyjnych na lata 1920–2100, przeprowadzonych z wykorzystaniem środowiskowego modelu systemu Ziemi w wersji 1 (CESM1 – Community Earth System Model Version 1) (Hurrell J. W. i in. 2013 ).

Autorzy napisali w swoje pracy:

Ponieważ NAO jest przede wszystkim kontrolowany przez wewnętrzną dynamikę atmosfery, stanowi główne źródło nieprzewidywalnej naturalnej zmienności, której wpływ nałoży się na antropogeniczne zmiany klimatyczne. Tak więc przyszłe trendy klimatyczne w regionach dotkniętych przez NAO są najlepiej wyrażane w postaci oczekiwanego zakresu, który obejmuje zarówno naturalną zmienność, jak i sygnał wymuszonej zmiany klimatu. Nasze wyniki pokazują, że ten oczekiwany zakres wynikający z wewnętrznej zmienności NAO jest istotny zarówno dla trendów SAT, jak i P w ciągu najbliższych 30 lat (a w przypadku P może nawet zmienić znak trendu). Chociaż wpływ NAO na trendy SAT i P w ciągu najbliższych 50 lat jest mniejszy, pozostają one ważne dla oceny wielkości przyszłego ocieplenia i zmian opadów.

—

Referencje:

1. Visbeck M. ; North Atlantic Oscillation ; Ideo.Columbia,edu ; https://www.ldeo.columbia.edu/res/pi/NAO/
2. Deser C. et al., 2016 ; The role of the North Atlantic Oscillation in European climate projections ; Climate Dynamics ; https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-016-3502-z

Wzmocnienie arktyczne (amplifikacja), po raz pierwszy zbadane w październiku 1969 roku przez rosyjskiego klimatologa Michaiła I. Budyko z Głównego Obserwatorium Geofizycznego (w dawnym Leningradzie w czasach ZSRR), polega na zmniejszeniu się różnicy temperatur pomiędzy równikiem a biegunem północnym. Przyczyną jest zmniejszanie się albedo lodu, gdy jego zasięg zmniejsza się kosztem powstawania otwartych ciemnych toni wodnych Oceanu Arktycznego absorbujących promieniowanie słoneczne ¹.

Ten proces nagrzewania się powietrza oraz wód w Arktyce powoduje, że coraz częściej występują w niej wyjątkowo ciepłe lata a polarny prąd strumieniowy wówczas płynie niejednokrotnie bardzo wolno, meandrując i przynosząc z sobą na średnich szerokościach wiosną, latem i jesienią wydłużone okresy nawalnych opadów deszczu lub fal upałów, suszy i pożarów, a zimą gwałtownych śnieżyc. Te ostatnie jednak zaznaczają się bardziej krótkotrwałymi okresami. 30-40 lat temu, gdy polarny prąd strumieniowy płynął częściej wartko i dość szybko, nie miało to dużego wpływu na częstość ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Naukowcy szacują w swych modelach klimatycznych, że w przyszłych dziesięcioleciach polarny prąd strumieniowy będzie częściej wolno płynąć niż szybko co będzie wpływało na zmniejszenie częstotliwości frontu polarnego, podczas którego, polarne masy powietrza zderzają się ze zwrotnikowymi.

—

Jak już wspomnieliśmy, zwolnienie polarnego prądu strumieniowego ma również związek ze wspomnianą już amplifikacją Arktyki. Spostrzeżenie to zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 2012 roku i powtórzone w badaniach w 2015 roku przez Jennifer A. Francis z Instytutu Nauk Morskich i Wybrzeży na Uniwersytecie Rutgers w Brunszwiku i Stephena J. Vavrusa z Centrum Badań Klimatycznych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison ^{2 , 3}.

Pokrywa lodu morskiego w Arktyce szybko kurczy się z dekady na dekadę i obecnie jest już znacznie mniej grubego lodu wieloletniego, a znacznie więcej cienkiego lodu rocznego. Zaburzenia pogodowe w Arktyce powodują coraz częstszą adwekcję bardzo ciepłych mas powietrza z niższych szerokości geograficznych, a polarne masy powietrza często spływają z niej właśnie na niższe szerokości geograficzne.

—

Rys. Trend temperaturowy NASA GISS w latach 2000–2009, pokazujący silne wzmocnienie arktyczne (Żródło: Wikipedia)

—

Autorzy w swojej pracy piszą, że polarny prąd strumieniowy na półkuli północnej, dzięki zmniejszaniu się gradientu temperatur między biegunem północnym a równikiem, staje się bardziej falisty. To znaczy prowadzi do takiego stanu pogodowego, w którym latem na jednym obszarze mogą zalegać długotrwałe okresy suszy, a na innym długotrwałe okresy nawalnych opadów deszczu. Natomiast zimą na jednym obszarze mogą zalegać długotrwałe okresy ciepłych i słonecznych dni, a na innym długotrwałe okresy mroźnych i śnieżnych dni.

Jennifer Francis na łamach serwisu Carbon Brief powiedziała ⁴:

Wraz z ocieplaniem się Arktyki obserwujemy coraz więcej uporczywych, ekstremalnych warunków pogodowych. Występowanie tych wydarzeń wzrosło w ostatnich dziesięcioleciach, kiedy wzmocnienie Arktyki stało się silnym sygnałem. Wzmocnienie w Arktyce jest największe jesienią i zimą, dlatego często występuje uporczywa zimna pogoda.

—

Praca zespołowa rosyjskiego naukowca Vladimira Petoukhova z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK – Potsdam Institute for Climate Impact Research) wyjaśnia nam, że wolno meandrujący wiatr stratosferyczny, czyli dobrze nam znany polarny prąd strumieniowy na wysokich szerokościach geograficznych, na półkuli północnej, może wtedy wytworzyć specyficzny sinusoidalny falowód, tak zwaną falę Rossby’ego charakteryzującą się tym, że często zdarza się tak, że w porze letniej tenże falowód tworzy specyficzne wypustki (6-8), gdzie w strefie polarnej powstają układy niżowe, a w strefie zwrotnikowej wyżowe ⁵.

—

Rys.2. Zablokowana fala Rossby’ego „uwięziona” w atmosferycznym falowodzie (Nauka o Klimacie, 2019) ⁶.

—

Takie zdarzenie miało miejsce w latach 2014-19. Mieliśmy wówczas często do czynienia z zachmurzeniem Arktyki. W przyszłości, gdyby świat dalej się ocieplał według scenariusza wysokich emisji „biznes jak zwykle”, amplifikacja Arktyki może być jeszcze większa. Możliwe, że będziemy mieli wtedy do czynienia nawet z potrojeniem quasi-rezonansowego wzmocnienia (QRA – quasi—resonant amplification) fali Rossby’ego.

Jeśli w przyszłości polarny prąd strumieniowy będzie meandrować w okresie zimowym na półkuli północnej, tak jak w poprzednich latach, to może dojść do tragicznych zdarzeń, jak na przełomie lutego i marca 2018 roku na subtropikalnej Florydzie, gdy anomalia mroźnego powietrza z Arktyki wpłynęła znacząco na wymieranie lokalnych populacji manatów w Zatoce Meksykańskiej na Morzu Karaibskim.

Jak już wcześniej wspomnieliśmy, mroźne śnieżyce wcale nie zaprzeczają istnieniu globalnego ocieplenia. Wprost przeciwnie. Mogą one występować w 2100 roku nawet w temperaturze 3 stopni Celsjusza powyżej okresu przedprzemysłowego 1850-1900. Ale oczywiście te okresy będą znacznie krótsze niż teraz w nadchodzącej dekadzie lat 20 XXI wieku.

—

Trudno powiedzieć jak w przyszłości zachowa się polarny prąd strumieniowy na półkuli północnej. Według obliczeń QRA, za pomocą zestawu modeli CMIP5, zespół naukowy Michaela E. Manna ze Stanowego Uniwersytetu Pensylwanii (Penn State University) oszacował, że troposferyczny wiatr przyspieszy na dużych wysokościach, gdy na średnich szerokościach (głównie w Chinach i w Indiach) ustaną emisje aerozoli ze spalania paliw kopalnych, rozpraszających promieniowanie słoneczne, co spowoduje takie samo tempo ocieplania tychże szerokości jak w Arktyce albo nawet szybsze, dzięki większemu dopływowi do nich strumienia słonecznego. A to z kolei wpłynie na przyspieszenie biegu polarnego prądu strumieniowego ⁷.

W artykule powyższym czytamy, że w tym stuleciu prawdopodobieństwo wystąpienia QRA może być o 50% większe w przypadku scenariusza wysokiej emisji (RCP8.5 według V Raportu Oceny IPCC).

Wydarzenia QRA powodują ekstremalną letnią pogodę, kiedy prąd strumieniowy wykazuje szerokie meandry północ-południe i zatrzymuje się, a szczyty i doliny są zablokowane w miejscu.

—

Rys. Pogoda normalna w lipcu 1980 roku bez QRA (lewy panel) i pogoda ekstremalna w maju 2013 roku z QRA (prawy panel. Prędkość wiatru w m/s wzdłuż linii długości geograficznych w kierunku północnym (prawy panel) i w kierunku południowym (lewy i prawy panel) (Źródło: Real Climate).

—

Profesor Michael Mann w serwisie Science Daily powiedział ⁹:

Większość stacjonarnych zaburzeń prądu strumieniowego zniknie z czasem. Jednak w pewnych okolicznościach zakłócenie fal jest skutecznie ograniczane przez falowód atmosferyczny, coś podobnego do sposobu, w jaki kabel koncentryczny prowadzi sygnał telewizyjny. Zakłócenia wtedy nie mogą być łatwo rozproszone i mogą pozostać bardzo duże wahania amplitudy w strumieniu na północ i południe na swoim miejscu, gdy okrąża on kulę ziemską.

Z kolei współautor badania Stefan Rahmstorf z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK) powiedział również w tym serwisie:

Jeśli ta sama pogoda będzie się utrzymywać przez wiele tygodni w jednym regionie, wtedy słoneczne dni mogą przekształcić się w poważną falę upałów i suszę, a długotrwałe deszcze mogą doprowadzić do powodzi.

Ponadto naukowcy wyjaśnili w swojej pracy związek ekstremalnych zdarzeń pogodowych mających związek z zakłóceniem polarnego prądu strumieniowego na półkuli północnej:

Seria uporczywych, ekstremalnych i kosztownych letnich zdarzeń pogodowych w ciągu ostatniej półtorej dekady, w tym fala upałów w Europie w 2003 r., powódź w Pakistanie w 2010 r., fala upałów w Rosji, susza w Teksasie w 2011 r., powodzie w Europie w 2013 r., pożary w Kalifornii w 2015 r. i pożary lasów w stanie Alberta w Kanadzie w 2016 r., doprowadziła do ciągłej dyskusji w literaturze naukowej dotyczącej związku między antropogenicznymi zmianami klimatu a ekstremalnymi temperaturami w okresie ciepłym. Pewne wzrosty ekstremalnych temperatur letnich można wytłumaczyć stosunkowo prostymi procesami termodynamicznymi, np. przesunięciami w górę rozkładu temperatury prowadzącymi do wzrostu częstotliwości fal upałów lub wpływem ocieplenia atmosfery na intensywne opady atmosferyczne. Rosnąca liczba badań sugeruje jednak, że mechanizmy obejmujące dynamikę atmosfery są niezbędne do wyjaśnienia w szczególności nadzwyczaj trwałych i wzmożonych zakłóceń w polarnym prądzie strumieniowym – które są związane z utrzymującymi się ekstremalnymi letnimi zdarzeniami pogodowymi.

Granica polarnego prądu strumieniowego (front polarny – strefa opadów deszczu i burz), czyli zderzenie mas zwrotnikowego powietrza z masami polarnego – ta strefa jest znacznie słabsza, gdy polarny prąd strumieniowy płynie wolno sinusoidalnie. Wtedy też na dłużej powstają wzorce pogodowe takie jak długotrwałe okresy nadmiernych susz, w tym dość częstych fal upałów i pożarów czy też z drugiej strony okresy nadmiernych opadów deszczu, w tym także dość częstych powodzi.

Z taką sytuacją mieliśmy do czynienia właśnie w 2018 roku podczas bardzo upalnej wiosny i lata na średnich szerokościach półkuli północnej. Powstanie układu sinusoidalnego falowodu przyniosło z sobą wiele spektakularnych ekstremalnych zjawisk pogodowych. Miało ono miejsce, zarówno późną zimą (w lutym i marcu, gdy po rozbiciu wiru polarnego było bardzo zimno i śnieżnie na wielu średnich szerokościach półkuli północnej), jak i wiosną i latem (od kwietnia do września, gdy panowały na tych samych szerokościach ekstremalne susze i pożary w Kalifornii, Skandynawii, Portugalii, Grecji, czy też ekstremalne fale upałów w Japonii i południowo-wschodniej Kanadzie, które dominowały nad odmiennymi zjawiskami pogodowymi jak nawalne opady deszczu czy powodzie w Indiach i Bangladeszu.

—

Referencje:

1. Budyko M. I., 1969 ; The effect of solar radiation variations on the climate of the Earth ; Tellus ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.2153-3490.1969.tb00466.x
2. Francis J. et al., 2012 ; Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid-latitudes ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2012GL051000
3. Francis J. et al., 2015 ; Evidence for a wavier jet stream in response to rapid Arctic Warming ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/10/1/014005
4. McSweeney R., 2015 ; Scientists discuss how strongly a warming Arctic is implicated in extreme weather ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-discuss-how-strongly-a-warming-arctic-is-implicated-in-extreme-weather
5. Vladimir Petoukhov et al., 2016 ; Role of quasiresonant planetary wave dynamics in recent boreal spring-to-autumn extreme events ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/content/113/25/6862
6. Kardaś A., 2019 ; Fale na froncie ; Nauka o klimacie ; https://naukaoklimacie.pl/aktualnosci/fale-na-froncie-363/
7. Mann M. E. et al., 2018 ; Projected changes in persistent extreme summer weather events: The role of quasi-resonant amplification ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat3272
8. Nature Communications, 2019 ; A tug-of-war over the mid-latitudes ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-019-13714-0
9. Penn State, 2018 ; Controlling future summer weather extremes still within our grasp ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181031141603.htm

 

Tak jak huragany w rejonie północno-zachodniego Atlantyku odgrywają dużą rolę w skali zniszczeń wybrzeży zasiedlonych, zarówno przez zwierzęta nadmorskie, jak i ludzi żyjących z korzystania zasobów ryb i owoców morza, tak podobnie na północno-zachodnim Pacyfiku odgrywają rolę niszczycielską tajfuny.

Hydrodynamika tropikalnych cyklonów z południowo-wschodniej Azji jest w dużej mierze podobna jak do huraganów czy też o mniejszej sile oddziaływania cyklonów występujących na Oceanie Indyjskim.

7 listopada 2013 roku na Filipiny uderzył jeden z najsilniejszych tajfunów w historii ludzkości. Z porywami dochodzącymi do 171 mil na godzinę (mph – miles per hour), czyli 275 kilometrów na godzinę, tajfun Haiyan przedzierał się przez wiele tysięcy wysp, zabijając ponad 6200 osób i dodatkowo przyczyniając się do zaginięcia 1785 osób tylko na samych Filipinach.

—

Fot. Tajfun Haiyan zbliżał się do swojej rekordowej intensywności, zbliżając się do Filipin 7 listopada (Źródło: NASA, LAADS Web)

—

Zespół naukowy pod kierownictwem doktora Wei Meia z Uniwersytetu Kalifornijskiego, przedstawił analizę sezonowej średniej szczytowej intensywności tajfunów w latach 1951–2010 ¹.

Naukowcy obliczyli, że średnia szczytowa intensywność życia tajfunów w ciągu ostatnich dwóch dekad była o około 5 m/s  (około 10%) wyższa niż w latach 70.

Analizując obszar badań na północno-zachodnim Pacyfiku, na południe od Japonii i na zachód od Filipin i Tajwanu, naukowcy doszli do wniosku, że siła tajfunów bierze się dzięki coraz większej zawartości ciepła w oceanach.

Doktor Wei Mei, główny autor badań dla Carbon Brief powiedział ²:

Cieplejsza powierzchnia morza na ogół dostarcza więcej energii do rozwoju sztormu, a tym samym sprzyja wyższym współczynnikom intensyfikacji i bardziej intensywnym tajfunom.

Ponadto naukowiec ten dodał, że temperatura w oceanie jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na zwiększanie się z roku na rok prędkości wiatrów w badanym regionie:

To, jak silnie i szybko może rosnąć cyklon, zależy od dwóch czynników oceanicznych: temperatury powierzchni morza przed burzą oraz różnicy temperatur między powierzchnią a podpowierzchnią.

—

Rys.1. Modulacja czasu trwania intensyfikacji tajfunu przez PDO.

Szeregi czasowe znormalizowanego średniego sezonowego czasu trwania nasilenia tajfunów (krzywa niebieska) i znormalizowanego wskaźnika PDO w szczycie sezonu tajfunów (krzywa czerwona). Współczynnik korelacji między nimi wynosi 0,43 (Wei Mei i inni, 2015).

—

Gdy mamy do czynienia z dodatnią fazą pacyficznej oscylacji dekadowej (PDO – Pacific Decacadal Oscillation) oraz z dodatnią fazą południowopacyficznej oscylacji El Niño (ENSO – El Niño Southern Oscillation), to ciepła woda oceaniczna  tropikalnego Pacyfiku rozciąga się daleko na wschód, gdzie tworzy się anomalna wirowość, w trakcie powstawania głębokiego niżu w południowo-zachodniej części oceanu, powodująca nasilanie się tajfunów. W przeciwieństwie do lat 70 w latach 90 zaobserwowano właśnie ten trend intensyfikacji cyklonów. Z kolei czas trwania tajfunów skraca się od początku XXI wieku z powodu ochłodzenia centralnego równikowego Pacyfiku. Jednak ocieplenie górnych warstw tropikalnego zachodniego Pacyfiku kompensuje, a nawet przewyższa to ochłodzenie ze środka równikowego oceanu. I ma to miejsce w regionie, gdzie powstaje intensyfikacja tajfunów, która w ciągu dekady, podczas pisania niniejszej pracy przez naukowców, była najsilniejsza w ciągu minionych 6 dekad.

Według ówczesnego V Raportu Oceny IPCC (2013-2014), przy scenariuszu emisji RCP 4.5, temperatura oceanu w tym regionie prawdopodobnie wzrosłaby w 2050 roku o 1,4 stopnia Celsjusza w stosunku do 2000 roku.

—

Rys.2. Obserwowane i przewidywane szczytowe prędkości wiatru tajfunu. Wykres przedstawia zaobserwowane (cienka czerwona linia), przewidywane (cienka czarna linia) zmiany, a odpowiadające im średnie kroczące z 9 lat pokazane są jako pogrubione linie. Źródło: (Wei Mei i inni, 2015).

—

Naukowcy zbudowali statystyczny model regresji, w celu oszacowania prawdopodobnych zmian szczytowych prędkości wiatru tajfunu w miarę dalszego ocieplania się oceanów w przyszłości.

I opierając się na powyższym scenariuszu emisji, wyniki tegoż analizowanego modelu sugerują, że cieplejsze warunki w atmosferze i w w oceanie, prawdopodobnie wytworzą tajfuny ze szczytową prędkością wiatru o około 14% wyższą do końca 2100 roku. Jak pokazuje powyższy wykres, wzrost ten przesunąłby średnią intesywności tajfunu z kategorii trzeciej do kategorii czwartej.

—

Podsumowując temat cyklonów tropikalnych. Wraz z dalszym ocieplaniem się wód oceanicznych i atmosfery na całej kuli ziemskiej, wprawdzie będzie wzrastać intensywność huraganów, tajfunów i cyklonów, ale mimo wszystko częstotliwość ich będzie mniej więcej taka sama lub nawet zmniejszać się. Możliwe, że wszystko będzie też zależeć od wielu czynników termodynamicznych wpływających na gradient temperatury pomiędzy biegunem północnym a równikiem oraz dynamikę zmienności klimatycznych takich jak oscylacje ENSO czy PDO.

—

Referencje:

1. Mei W., 2015 ; Northwestern Pacific typhoon intensity controlled by changes in ocean temperatures ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.1500014
2. McSweeney R., 2015 ; Warming oceans could mean typhoons are 14% stronger by 2100, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/warming-oceans-could-mean-typhoons-are-14-stronger-by-2100-study-says

Życie cyklonów tropikalnych (TC – Tropical Cyclone) w dużej mierze zależy od stopnia intensywności, dzięki nagrzewaniu się wód powierzchniowych oceanu oraz atmosfery w oku cyklonu, a także od intensywności wiatrów powierzchniowych zależnych od stopnia nasilenia się barycznego układu niżowego.

W pierwszym przypadku termodynamiczny stan otoczenia jest paliwem napędowym do tworzenia się tzw. potencjalnej intensywności. Natomiast, w drugim przypadku pionowy uskok wiatru w otoczeniu może hamować rozwój tejże potencjalnej intensywności.

W sumie potencjalna intensywność wzrasta wraz z dalszym wzrostem temperatury globalnej i regionalnych, zarówno w oceanach, jak i w atmosferze.

James P. Kossin i Kenneth R. Knapp z Krajowego Centrum Informacji o Środowisku w Madison, w Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA), Timothy L. Olander i Christopher S. Velden z Kooperacyjnego Instytutu Meteorologicznych Badań Satelitarnych na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, przewidzieli, że dalsze ocieplanie się klimatu spotęguje jeszcze większe zwiększanie się intensywności tropikalnych cyklonów, takich jak huragany, tajfuny i po prostu cyklony ¹.

Naukowcy mając na względzie pomiary intensywności cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone), wcześniejszy ujednolicony 28-letni zapis danych satelitarnych, za okres 1982–2009, zastąpili dłuższym 39-letnim zapisem, za okres 1979-2017.

Powodem powyższej korekty było to, że starszy zapis satelitarny, pomimo, że wykazywał rosnące globalne trendy intensywności TC, to jednak nie były one statystycznie istotne (nieprzypadkowe) przy 95% poziomie ufności (Cl – confidence level). Natomiast, gdy naukowcy zastosowali nowy ujednolicony globalny zapis intensywności TC, trendy wzrostowe intensywności TC zaczęły być już statystycznie istotne przy 95% poziomu ufności (Cl).

W sumie dla badanego 39-letniego okresu zapisu satelitarnego, prawdopodobieństwo przekroczenia wzrostów intensywności TC wyniosło około 5% na dekadę, przy 95% poziomu ufności (CI), czyli w przedziale statystycznym od około 0,4 do 11% na dekadę.

Zaawansowana technika Dvoraka, oszacowująca obserwacje intensywności huraganów na podstawie zapisu satelitarnego ADT-HURSAT (ADT – Advanced Dvorak Technique / HURSAT – Hurricane Satellite), obejmowała 28-letni okres 1982-2009. Jak już wcześniej zostało wspomniane, zespół Jamesa Kossina rozszerzył zakres tych badań w wydłużonym 39-letnim okresie 1979-2017.

—

Rys. CIMSS Tropical Cyclones Advanced Dvorak Technique (ADT) – Wersja 9.1. Burze z czerwonym tłem są oznaczane jako przechodzące równik tropikalny. Burze z cyjanowym tłem są oznaczane jako subtropikalne. Rejony: Północny Atlantyk, Wschodni / Środkowy Pacyfik, Zachodni Pacyfik, Region Australii / Fidżi, Ocean Indyjski (Źródło: Cooperative Institute for Meteorological Satellites Studies / University Wisconsin-Madison)

—

Technika Dvoraka posłużyła jako podstawowe narzędzie operacyjne do szacowania intensywności cyklonów tropikalnych w ciągu ponad 40 lat we wszystkich regionach świata narażonych na wystąpienie tych ekstremalnych zjawisk pogodowych.

W rozważanym badanym okresie 1979-2017 istnieje około 225 000 szacunków w zapisie satelitarnym ADT-HURSAT, obrazujących wzrost intensywności w około 4000 pojedynczych cyklonach tropikalnych na całym świecie.

—

Rys.1. Porównanie komplementarnych skumulowanych funkcji dystrybucji globalnych szacunków intensywności huraganu, według zapisów ADT-HURSAT w prędkości wiatru w węzłach (kt), między wczesną i drugą połową 39-letniego okresu 1979-2017 (James Kossin i inni, 2020).

—

Powyższy wykres przedstawia szanse wystąpienia cyklonów tropikalnych przekraczających 100 węzłów (kt) podczas „wczesnej” (niebieskiej) i „późnej” (czerwonej) części 39-letniego okresu badań. (Wczesny okres to lata 1979-1997, natomiast późny to lata 1998-2017.).

James Kossin w serwisie Carbon Brief wyjaśnił ²:

Nasza analiza wskazuje, że globalny trend wzrostu intensywności cyklonów tropikalnych osiągnął teraz punkt, w którym jest bardzo mało prawdopodobne, aby był losowy, nawet po rozwiązaniu znanych problemów z danymi historycznymi.

Autorzy powyższej pracy zbadali również, jak zmieniał się udział głównych cyklonów tropikalnych w różnych regionach, w tym na Północnym Atlantyku, wschodnim i zachodnim Północnym Pacyfiku, południowym Pacyfiku oraz północnym i południowym Oceanie Indyjskim.

Naukowcy obliczyli, że w regionie północnoatlantyckim prawdopodobieństwo wystąpienia poważnego huraganu wzrosło o 49% na dekadę, licząc od okresu opublikowania tejże pracy.

Innymi słowy, we wczesnym okresie 1979-1997 na Północnym Atlantyku znajdowało się 777 cyklonów tropikalnych. Spośród nich 136 zostało zakwalifikowanych jako główne (porównując niebieską linię na wykresie dla wszystkich cyklonów tropikalnych).

W późniejszym okresie 1998-2017 na Północnym Atlantyku występowały 1572 cyklony tropikalne. Spośród nich 529 zostało zakwalifikowanych jako główne. Odpowiadało to wzrostowi liczby głównych cyklonów o 49% na dekadę (porównując czerwoną linię na wykresie dla wszystkich cyklonów tropikalnych).

W badaniu wykorzystano dane IBTrACS (intensywność wiatru i pozycja geograficzna)  w celu dostarczania ich co 6 godzin w głównych godzinach synoptycznych (0, 6, 12 i 18 UTC) podczas życia każdego cyklonu tropikalnego. Dane ADT-HURSAT były dostarczane co 3 godziny.

Ponadto autorzy powyżej opisywanego artykułu na rys. 3 pokazali szeregi czasowe wskaźników wielodekadowej zmienności Atlantyku, Pacyfiku i Oceanu Indyjskiego skorelowane z rocznymi średnimi indeksami AMO, IPO i IOD. Indeksy te są dostępne na stronie internetowej wymienionej pod koniec artykułu w części Dostępność danych.

—

Referencje:

1. Kossin J. P. et al., 2020 ; Global increase in major tropical cyclone exceedance probability over the past four decades ; Proceedings of the National Academy of Sciences ; https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1920849117
2. Dunne D., 2020 ; Major tropical cyclones have become ‘15% more likely’ over past 40 years ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/major-tropical-cyclones-have-become-15-more-likely-over-past-40-years

Jeszcze dwie, trzy dekady temu, gdy był mniejszy przyrost temperatury globalnej, w pasie szybciej płynącego polarnego prądu strumieniowego, na średnich szerokościach geograficznych, częściej kształtowały się duże niże przynoszące z sobą nie tylko obfite opady deszczu, ale i burze. Prognozy wskazywały względnie stabilne cyklony tropikalne, takie jak: huragany na tropikalnym Atlantyku i Pacyfiku, tajfuny na Pacyfiku i po prostu cyklony na Oceanie indyjskim. Jednak, od kilku dekad, obecnie dzięki szybkiemu nagrzewaniu się oceanów i wzrostowi głębokiej konwekcji równikowej, wspomniane zjawiska pogodowe przybrały mocno na sile i na wielkości. W przyszłym, coraz cieplejszym świecie, o ile dalej w takiej ilości będziemy emitować gazy cieplarniane do atmosfery, modele przewidują, że intensywność ich jeszcze bardziej wzrośnie, ale, co do częstości, będzie ich prawie tyle samo, a może nawet mniej.

—

Fot. Huragan Katrina uformował się 23 sierpnia 2005 roku w okolicach Wysp Bahama (Wikipedia).

—

Hiroyouki Murakami, z Uniwersyteckiej Korporacji Badań Atmosferycznych oraz z Laboratorium Geofizycznej Dynamiki Płynów (GFDL – Geophysical Fluid Dynamic Laboratory), Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration) w Princeton, w New Jersey, wraz ze swoim zespołem naukowym, przeanalizował rozkład przestrzenny cyklonów tropikalnych na Ziemi w latach 1980-2018 ¹.

Wcześniejsze badania cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone), w większości, mówiły o tym, co już wspomnieliśmy, że ich liczba albo będzie taka sama, albo będzie się nawet zmniejszać wraz z dalszym wzrostem temperatury globalnej w atmosferze i w oceanach. Jednak dokonując symulacji komputerowych na modelach GFDL FLOR (w tym skorygowanej wersji FLOR-FA) i SPEAR, Murakami i jego współpracownicy dowiedli, że istnieje wyraźny przestrzenny wzorzec w trendach, a mianowicie, tendencje spadkowe ilości TC w południowym Oceanie Indyjskim, zachodnim Północnym Pacyfiku, Morzu Koralowym u północno-wschodniego wybrzeża Australii i dalekowschodnim tropikalnym Północnym Pacyfiku.

W serwisie Carbon Brief Murakami stwierdził następujący fakt ²:

Gazy cieplarniane ogrzewają górną warstwę atmosfery i ocean w tych regionach. To łączy się, aby stworzyć bardziej stabilną atmosferę, z mniejszą szansą, że konwekcja prądów powietrznych pomoże w tworzeniu i rozprzestrzenianiu się cyklonów tropikalnych.

Jednak również są zaznaczone tendencje wzrostowe TC, między innymi na Morzu Arabskim, środkowym Pacyfiku, w tym na Hawajach, oraz na Północnym Atlantyku. A więc, regionalne wzorce przestrzenne cyklonów tropikalnych zasadniczo są odmienne od globalnego.

Naukowcy także stwierdzili, że w skali globalnej liczba roczna cyklonów tropikalnych od 1980 roku, czyli od początku badań satelitarnych, oscyluje wokół liczby 86.

—

Rys. Obserwowany trend liczby cyklonów tropikalnych rocznie w latach 1980-2018. Czerwony do żółtego wskazuje na wzrost liczby cyklonów rocznie, a fioletowy na zielony oznacza spadek. Źródło: (Hiroyouki Murakami i inni, 2020)

—

Zespół naukowy Murakamiego również zaobserwował, że naturalne zmienności miały niewielki wkład w rozkład przestrzenny TC. W tym przypadku raczej główną rolę odegrały, zarówno antropogeniczne wymuszenia w postaci gazów cieplarnianych i aerozoli, jak i naturalne wymuszenia w postaci erupcji wulkanicznych.

W każdym razie obecni naukowcy zgadzają się z wcześniejszymi wynikami badań, że wewnętrzne zmienności klimatyczne, takie jak wewnątrzdekadowa oscylacja pacyficzna (IPO – Interdecadal Pacific Oscillation) oraz atlantycka zmienność wielodekadowa (AMV – Atlantic Multidecadal Variability), określana również atlantycką oscylacją wielodekadową (AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation), mogą mieć znaczący wpływ na aktywność cyklonów tropikalnych w skali globalnej.

W tym drugim przypadku jednak są duże wątpliwości. Michael E. Mann uważa, że AMO, którego był twórcą, jako naturalna zmienność klimatyczna nie istnieje, a zjawisko jakie występuje na Atlantyku ma ścisły związek z naszym wymuszeniem antropogenicznym. Swoje uwagi opublikował w pracy w 2021 roku. Na ten temat powiemy więcej później w rozdziale o oscylacjach oceanicznych.

Naukowy zespół Murakamiego zaobserwował w swojej pracy, że w latach 1980-1997 była pozytywna faza IPO i negatywna faza AMV, które zmieniają znaki od 1997 roku do dziś. Ich zdaniem, zmiany te w fazie dekadowej w IPO i AMV około 1997 r. mogły być kolejnym potencjalnym czynnikiem odpowiedzialnym za obserwowany, w latach 1980-2018, przestrzenny wzorzec trendów częstości występowania cyklonów tropikalnych (TCF – tropical cyclone frequency of occurence).

Omawiając rozkład przestrzenny cyklonów tropikalnych, Murakami w Carbon Brief powiedział:

Zidentyfikowaliśmy większość cyklonów tropikalnych na Północnym Atlantyku w ciągu ostatnich 40 lat, która jest spowodowana spadkiem antropogenicznych aerozoli w Północnym Atlantyku. Spadek zanieczyszczeń pyłowych spowodowany środkami kontrolnymi zwiększył ocieplenie oceanu, pozwalając na wchłonięcie większej ilości światła słonecznego przez ocean. To lokalne ocieplenie doprowadziło do wzrostu aktywności cyklonów tropikalnych.

—

W dzisiejszych czasach antropogenicznych emisji, szczególny wpływ na wahania częstotliwości cyklonów tropikalnych (TC) ma obecność wielodekadowych zmian wynikających z występowania kombinacji wewnętrznej zmienności w systemie pogodowym i klimatycznym oraz reakcji na wymuszanie klimatu naturalnego i antropogenicznego.

W dokonanej analizie oceny przeszłych zmian częstotliwości głównych huraganów atlantyckich w latach 1851-2019, główny autor pracy Gabriel A. Vecchi z Wydziału Nauk o Ziemi na Uniwersytecie w Princeton, wraz ze swoimi współpracownikami, doszedł do wniosku, że za zmniejszeniem częstotliwości tych naturalnych żywiołów na północnym Atlantyku w okresie 1950-80, odpowiadały, zakwestionowana w 2021 roku przez profesora Michaela Manna, wielodekadowa oscylacja atlantycka (AMO – Atlantic Multidecadal Oscillation) oraz aerozole antropogenicznego pochodzenia, pochodzące z uprzemysłowienia krajów europejskich, amerykańskich oraz Rosji i Japonii, które skutecznie zamaskowały wkład gazów cieplarnianych w ocieplenie klimatu ¹.

Autorzy w swojej pracy napisali:

Homogeniczne satelitarne obserwacje intensywności cyklonów tropikalnych (TC – tropical cyclone) od wczesnych lat 80-tych pokazują wzrost udziału głównych huraganów (MH – major hurricane) w całości TC zarówno na północnym Atlantyku (NA – North Atlantic), jak i na całym świecie.

—

Fot.1. Fale rozbijają się wzdłuż brzegu w okolicy North Bay Village w Miami podczas huraganu Wilma, 24 października 2005 r.  Źródło: AP

—

Na podstawie 2 wersji bazy danych dotyczących huraganów północnoatlantyckich (HURDAT2), zawierających zapisy aktywności huraganów na północnym Atlantyku, w prawie 170-letnim zapisie aktywności huraganów, od 1851 do 2019 roku, naukowcy zastosowali zapis uderzeń huraganów w USA obejmujących burze, w przypadku których siła samego huraganu, czyli jego prędkość, wynosiła od 33 do 50 m/s .

Wiatry te uderzyły w kontynentalne USA z Atlantyku bądź Zatoki Meksykańskiej. Ale zapis obejmował burze, dla których centrum nie przeszło na ląd.

W sumie autorzy pracy zwrócili uwagę, że w ciągu 40 lat, ilość huraganów głównych na północnym Atlantyku, w kategoriach Saffira-Simpsona: 3, 4, i 5, wzrosła wraz z dalszym ocieplaniem się klimatu, w odpowiedzi na dalszy wzrost koncentracji dwutlenku węgla.

W metodologii badań, naukowcy użyli zapisu dłuższych okresów czasu w zestawie danych HURDAT2.

1. wcześniejszy okres przedsatelitarny 1851-1971 zamiast okresu         1878-1971
2. późniejszy okres satelitarny 1972-2019 zamiast okresu 1972-2008

Profesor Gabriel A. Vecchi w serwisie Carbon Breef powiedział ²:

Jednym z czynników ograniczających ocenę zmian cyklonów tropikalnych jest to, że zapisy satelitarne są stosunkowo krótkie, co utrudnia identyfikację długoterminowych trendów wśród naturalnych wahań z roku lub dekady na następny.

Przed erą satelitów występowanie i intensywność huraganów były w dużej mierze rejestrowane w oparciu o bezpośrednie obserwacje huraganów przychodzących na ląd lub przechodzących w pobliżu lądu, czy też poprzez obserwacje ze statków na morzu napotykających huragany.

W sumie autorzy oszacowali liczbę burz, które mogłyby wystąpić i nie zostały wykryte w każdym roku wcześniejszej ery przedsatelitarnej. Następnie autorzy dostosowali istniejący zapis, aby odzwierciedlić te nieodkryte huragany.

—

Referencje:

1. Murakami H. et al., 2020 ; Detected climatic change in global distribution of tropical cyclones ; Proceedings of the National of Sciences ; https://www.pnas.org/content/117/20/10706
2. Dunne D., 2020 ; Global warming has ‘changed’ spread of tropical cyclones around the world ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/global-warming-has-changed-spread-of-tropical-cyclones-around-the-world
3. Vecchi G. A. et al., 2021 ; Changes in Atlantic major hurricane frequency since the late-19th century ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-24268-5
4. McSweeney R., 2021 ; Recent increase in major Atlantic hurricanes may be ‘rebound’ after 1960-1980s lull ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/recent-increase-in-major-atlantic-hurricanes-may-be-rebound-after-1960-1980s-lull

Region Morza Śródziemnego, pomimo tego, że jest obszarem na Ziemi narażonym w przyszłości na większe osuszanie, jest jednak dość często także nawiedzany przez ekstremalnie silne opady deszczu, które są przyczyną wielu katastrofalnych zjawisk w postaci powodzi czy w górach osuwisk błotnych.

Poniżej opisana zespołowa praca naukowa ma charakter wybitnie regionalny. Głównym jej autorem jest Nikolaos Mastrantonas z Technicznego Uniwersytetu we Freiburgu, w Niemczech oraz z Europejskiego Centrum Średnich Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) w Reading w Wielkiej Brytanii ¹.

Jednym z zasadniczych wskaźników pomiarów opadów, przedstawionych w tejże pracy, jest tzw. parametr ekstremalnych zdarzeń opadów atmosferycznych (EPE – extreme precipitation events), poddany analizie pomiarowej nad Morzem Śródziemnym w latach 1979–2019 przy użyciu najnowszego zestawu danych ERA5, projektu reanalizy organizacji Europejskiego Centrum Średnioterminowych Prognoz Pogody (ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts).

EPE określa się na podstawie 99 percentyla opadów podczas ich dziennej dystrybucji (P99 – percentile of their daily distribution). Oceniane są różne cechy EPE na podstawie sezonowości i zależności czasoprzestrzennych.

Do badań częstotlwości EPE, powiązanych z wielkoskalowymi wzorcami przepływu atmosferycznego, została użyta min. empiryczna funkcja ortogonalna.

Naukowcy w obliczeniach swoich zauważyli, że ponad 70% EPE, w częściach południowo-wschodniej części Morza Śródziemnego, ma miejsce zimą, podczas gdy ponad 60% zdarzeń w zachodniej części Morza Śródziemnego, we Włoszech i na zachodnich Bałkanach, ma miejsce jesienią.

—

Rys.1. Sezon najwyższego (a) i drugiego co do wielkości (b) występowania P99 EPE na komórkę siatki: a) Zima – 32,68 %  b)  wiosna – 22,84 %  c)  lato – 7,73 %  d)  jesień – 36,75 % (Nikolaos Mastrantonas i inni, 2018).

—

Orografia lokalna (zróżnicowane ukształtowanie lokalnego terenu) jest kluczowym modulatorem połączeń czasoprzestrzennych i znacznie zwiększa prawdopodobieństwo współwystępowania EPE nawet w odległych lokalizacjach.

Naukowcy w pracy napisali:

Można to również wytłumaczyć orografią, gdzie pasma górskie na południowych Bałkanach minimalizują bezpośrednie interakcje między Morzem Śródziemnym a północnymi Bałkanami/południowo-wschodnią Europą. Wiosna i lato są ważnymi porami roku dla górskich lokalizacji (np. Alpy, Pireneje).

Wielu naukowców wcześniej zaobserwowało, co potwierdził zespół naukowy Nikolaosa Mastranontasa, że obok orografii w rejonach górzystych ma duże znaczenie kształtowanie się systemu niskiego ciśnienia, dzięki czemu formuje się konwekcja atmosferyczna przynosząca wysokie opady atmosferyczne.

Ogólnie wskaźnik wydarzeń ekstremalnych opadów (EPE) jest mocno zależny od stopnia wilgotności (np. przepływ pary wodnej, wilgotność właściwa i równoważna potencjalna temperatura) w regionie śródziemnomorskim.

Np. w Górach Atlas, Alpach, czy na wybrzeżach Bałkanów Zachodnich orografia ma silny wpływ na intensywność opadów.

Duże znaczenie ma tutaj szerokość geograficzna w lokalizacjach opadających mas powietrza komórki Hadleya w strefie północnej Afryki o znacznie mniejszych progach niż lokalizacje na północnych szerokościach geograficznych.

Ekstremalne opady mają katastrofalne skutki dla społeczeństw i gospodarek. Lokalizacje wokół Morza Śródziemnego są często dotknięte takimi zdarzeniami, prowadząc do osunięć ziemi i powodzi.

Nikolaos Mastrantonas,  doktorant w ramach finansowanego przez UE projektu badawczego CAFE dla serwisu Science Daily powiedział ²:

Niezwykle trudne jest jednak prognozowanie z wielodniowym wyprzedzeniem, kiedy i gdzie dokładnie wystąpią ulewne deszcze. Dlatego naukowcy starają się opracować nowe narzędzia do lepszego przewidywania ekstremalnych zjawisk pogodowych, pozwalające na wczesne ostrzeżenia i odpowiednie strategie łagodzenia.

Geoekolog, profesor Jörg Matschullat z TU Bergakademie we Freibergu, w tym samym serwisie dodał:

Możemy teraz wykorzystać te dane do opracowania modelu, który pomoże lepiej przewidywać ekstremalne opady deszczu na Morzu Śródziemnym.

Jeśli chodzi o klimat, Morze Śródziemne jest szczególnie interesującym regionem, ponieważ jest otoczone dużymi kontynentami i pasmami górskimi. Regionalny klimat tego obszaru jest również zależny od wzorców wielkoskalowych nad Oceanem Atlantyckim, Bałkanami i Morzem Czarnym.

—

Rys.2. a) orografia: hybrydowe odcienie hipsometryczne; górny wykres orograficzny wykorzystuje wiele skal kolorów do rozróżnienia między wysokością a różnicami klimatycznymi (obszary wilgotne i suche). b) próg EPE dla badanego obszaru śródziemnomorskiego; wykres pudełkowy na wykresie dolnym przedstawia rozkład P99 wszystkich komórek siatki, wskazując wartość mediany i rozciąganie się od dolnego do górnego kwartyla. Pozostałe wartości poza tym zakresem są przedstawiane jako wartości odstające (Nikolaos Mastrantonas i inni, 2018).

—

Naukowcy zauważyli też, podając przykład systemu niskiego ciśnienia nad Zatoką Biskajską, że kształtowanie się jego zwiększa ponad sześciokrotnie prawdopodobieństwo ekstremalnych opadów w regionach górskich i przybrzeżnych w Hiszpanii, Maroku, Włoszech, a nawet na Bałkanach Zachodnich.

Zespół odkrył również, że góry tworzą silne powiązanie między odległymi obszarami. Na przykład w środkowo-zachodnich Włoszech trzy na każde dziesięć ekstremów występują jednocześnie z ekstremami w Czarnogórze i Chorwacji, chociaż między tymi dwoma obszarami odległość wynosi prawie 500 kilometrów.

Mastranontas dostrzegł interesujący fakt:

To efekt Apeninów, które blokują znaczną część przepływu powietrza i często wymuszają wytrącanie się wilgoci w zachodniej części Włoch, a tego samego dnia nad Chorwacją.

Dzięki tym obserwacjom w regionie śródziemnomorskim, naukowcy stwierdzili, że obecne modele prognozowania pogody mogą już dostarczać wiarygodnych informacji o wielkoskalowej zmienności pogody z trzytygodniowym wyprzedzeniem.

Z kolei profesor Jörg Matschullat tak podsumował wyniki badań dla Science Daily:

W następnym kroku tej pracy określimy, na ile wiarygodne są najnowocześniejsze modele prognozowania pogody w przewidywaniu zidentyfikowanych dziewięciu wzorców. Naszym zamiarem jest włączenie takich informacji do nowych produktów prognostycznych informujących o ekstremalnych warunkach pogodowych na Region Morza Śródziemnego w skali pozasezonowej.

—

Referencje:

1. Mastrantonas N. et al., 2020 ; Extreme precipitation events in the Mediterranean: Spatiotemporal characteristics and connection to large-scale atmospheric flow patterns ; International Journal of Climatology ; https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/joc.6985
2. University of Freiberg / TU Bergakademie Freiberg, 2021 ; New study on the forecasting of extreme rainfall events in Mediterranean countries ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210222082610.htm

Ocieplający się świat powoduje dużo perturbacji pod względem telekoneksji atmosferycznych. W trakcie trwającego od ponad 170 lat wzrostu średniej temperatury globalnej Ziemi, te zdarzenia klimatyczne mają coraz większy wpływ na wiele regionów świata.

Naukowcy, pod kierownictwem Niklasa Boersa z Instytutu Zmian Klimatu w Grantham w Wielkiej Brytanii oraz z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu (PIK) w Niemczech, odkryli, że gdy np. w danym okresie czasu wystąpiły ekstremalne opady deszczu w Europie, to za kilka dni to samo zjawisko atmosferyczne pojawiło się w Indiach ¹.

Badając wspomniane telekoneksje w atmosferze, zaobserwowali, że te połączone odległościowe oddziaływania w atmosferze, czy to pod względem opadów i powodzi, czy też fal upałów i susz, mają charakter globalny, gdy występują powyżej 2500 kilometrów. Na krótszych odległościach mają one miejsce już w regionalnych systemach pogody.

Ponadto, naukowcy stwierdzili, że występowanie monsunów u wybrzeży południowo-środkowej Azji, wschodniej Azji i Afryki są znacząco zsynchronizowane. I to, że główną przyczyną tych połączeń telekoneksyjnych są planetarne fale Rossby’ego.

Aby znaleźć wzorce w ekstremalnych zdarzeniach opadów, zespół Boersa opracował nową metodę zakorzenioną w złożonej teorii systemów do badania danych satelitarnych o wysokiej rozdzielczości dotyczących opadów. Dane pochodzą z Misji Pomiarów Opadów Tropikalnych (TRMM – Tropical Rainfall Measurements Mission) i obejmują region między 50 stopniem północnej szerokości geograficznej, a między 50 stopniem południowej, licząc od 1998 roku do dziś.

Naukowcy dzieląc kulę ziemską na siatkę, mogli zobaczyć, gdzie miały miejsce takie zdarzenia i określić, na ile były one zsynchronizowane — miara statystyczna, która ocenia połączenia, nawet jeśli zdarzenia nie wystąpiły dokładnie w tym samym czasie.

—

Rys. W przypadku ekstremalnych opadów deszczu w północnych Indiach (czerwony romb) czerwone linie pokazują lokalne wzorce pogodowe, a niebieskie linie pokazują globalne wzorce łączące ekstremalne opady deszczu reprezentowane przez niebieskie kształty. W szczególności niebieskie kształty nad Europą wskazują, że ekstremalne opady deszczu w północnych Indiach można przewidzieć na podstawie wcześniejszych wydarzeń w Europie. Źródło: Niklas Boers i in. 2019

—

Główny autor pracy dr Niklas Boers w serwisie Phys.Org, powiedział ²:

Odkrycie tego globalnego wzorca połączeń w danych może poprawić modele pogodowe i klimatyczne. To odkrycie może również pomóc nam zrozumieć powiązania między różnymi systemami monsunowymi i ekstremalnymi zdarzeniami w ich obrębie. Mam nadzieję, że nasze wyniki w dłuższej perspektywie pomogą przewidzieć ekstremalne opady deszczu i związane z nimi gwałtowne powodzie i osuwiska w północno-wschodnim Pakistanie, północnych Indiach i Nepalu. W ostatnich latach było kilka takich zagrożeń, które miały niszczycielskie konsekwencje w tych regionach, jak na przykład powódź w Pakistanie w 2010 roku.

Współautor, profesor Brian Hoskins, przewodniczący Instytutu Grantham w Imperial, w tym samym serwisie powiedział:

Nowa technika zastosowana do danych satelitarnych pokazuje bardzo zaskakujące związki między ekstremalnymi opadami deszczu w różnych regionach świata.

Z kolei drugi współautor, Jürgen Kurths, z Poczdamskiego Instytutu Badań nad Wpływem Klimatu, dodał:

To prawdziwie interdyscyplinarne badanie, które łączy złożoną naukę o sieciach z nauką o atmosferze, jest znakomitym przykładem wielkiego potencjału dość młodej dziedziny badań nad złożonością.

—

Referencje:

1. Boers N. et al., 2019 ; Complex networks reveal global pattern of extreme-rainfall teleconnections ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-018-0872-x
2. Imperial College London, 2019 ; Extreme rainfall events are connected across the world ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2019-01-extreme-rainfall-events-world.html

Dotychczas środowisko naukowe klimatologów stawiało tezę, że w ocieplającym się świecie, jeśli mamy do czynienia ze wzrostem opadów atmosferycznych, to musi mieć to przełożenie na wzrost powodzi. Naukowcy z Australii i Stanów Zjednoczonych, po wnikliwej analizie, jednak stwierdzili, że wcale tak być nie musi, a nawet w pewnych przypadkach występuje spadek powodzi pomimo wzrostu opadów. Dzieje się tak głównie, gdy nad danym regionem gleba jest bardziej sucha niż powinna. Z reguły ładunkiem do intensyfikacji powodzi podczas ekstremalnych opadów deszczu jest silnie nawilgocona gleba.

Ashish Sharma z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiskowej na Uniwersytecie w Nowej Południowej Walii w Sydney, Conrad Wasko z Wydziału Inżynierii Infrastruktury na Uniwersytecie w Melbourne w Victorii oraz Dennis P. Lettenmaier z Wydziału Geografii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, w swoich badaniach doszli do wniosku, że pomimo rosnących dowodów na rosnące ekstremalne opady, odpowiednie dowody na wzrost liczby powodzi pozostaje dalej niewyjaśniony ¹.

—

Fot. Zimowe burze zalały dzielnicę San Diego w styczniu 2016 r. Aby zrozumieć, w jaki sposób rosnąca liczba ekstremalnych opadów może wpłynąć na powodzie w przyszłości, konieczna będzie ściślejsza współpraca między naukowcami. Źródło: USGS

—

Ogólnie naukowcy, pokazując dowody na zmniejszenie się powodzi w coraz cieplejszym świecie, zaobserwowali zmniejszenie się następujących czynników:

1. wilgotność gleby
2. zasięg burzy
3. topnienie śniegu

—

Rys. Prawdopodobieństwo natężenia przepływu wody (Q) w górnym 99 percentylu (Q 99%) jest powiązane ze zdarzeniem opadowym (P) w górnym 99 percentylu (P 99%) w sąsiednich Stanach Zjednoczonych (CONUS). Deszczowa pogoda jest definiowana jako wilgotność gleby powyżej mediany, a sucha pogoda jest definiowana jako poniżej mediany. Źródło: Skopiowana grafika z artykułu Ivancica i Shawa (2015).

—

W swojej pracy naukowej naukowcy napisali następująco:

Gdy opady są uzależnione od tego, że zlewnia jest wilgotna przed rozpoczęciem wydarzenia, liczba ich wzrasta do 62%, w przeciwieństwie do zaledwie 13%, gdy warunki glebowe przed burzą są suche. Oczywiście, co nie powinno dziwić hydrologów, wilgotność gleby moduluje reakcję na powódź. Wzrost opadów jednak nie musi przekładać się na wzrost powodzi, a wysuszenie warunków wilgotnościowych gleby jeszcze bardziej zmniejsza rozmiary powodzi.

Z kolei w serwisie popularno-naukowym Eos niezależna pisarka Terri Cook napisała ²:

Ekstremalne opady atmosferyczne, które mieszczą się w 99. percentylu codziennych zdarzeń, wzrosły w sąsiednich Stanach Zjednoczonych [CONUS – Contiguous United States] od lat pięćdziesiątych XX wieku w odpowiedzi na rosnące temperatury. Jednak pomimo twierdzeń społeczności klimatycznej, że rosnące ekstremalne opady nieuchronnie prowadzą do większych rozmiarów powodzi, wiele badań wykazało, że tak nie było.

Powyższe badanie daje wyraźnie do zrozumienia, że występuje znaczna niepewność w oszacowaniu zmian opadów wpływających nie tylko na obecność czy nieobecność powodzi, ale i również na dynamiczną zmienność warunków sztormowych w zlewniach hydrologicznych. Nie ulega wątpliwości, że jest potrzebna ścisła współpraca między meteorologami a hydrologami w kontekście postępujących zmian klimatu. W każdym razie tworzenie nowych prognoz pogody i projekcji klimatu ma pomóc w skuteczniejszej adaptacji klimatycznej, by zapobiec wielu szkodom materialnym i zapobiec niebezpieczeństwom zagrażającym ludziom, zwierzętom i roślinom.

—

Referencje:

1. Sharma A. et al., 2018 ; If Precipitation Extremes Are Increasing, Why Aren’t Floods? ; Water Resources Research ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018WR023749
2. Cook T., 2019 ; If Precipitation Extremes Are Increasing, Why Aren”t Floods? ; Eos ; https://eos.org/research-spotlights/if-precipitation-extremes-are-increasing-why-arent-floods

Małe kraje wyspiarskie na południowym Pacyfiku bardzo często doświadczają ekstremalnych zjawisk klimatycznych, w tym intensywnych opadów deszczu. Skutki zdarzeń ekstremalnych zależą również od wpływu na ludzi, zwierzęta oraz ekosystemy. Te małe kraje wyspiarskie są bardzo podatne na ekstremalne zdarzenia w porównaniu z innymi częściami świata, ponieważ są mniejsze, otoczone rozległymi obszarami oceanu i ograniczoną infrastrukturą.

Sunil Kumar Pariyar, z Instytutu Geofizyki i Centrum Badań Klimatu w Bjerknes na Uniwersytecie w Bergen w Norwegii, i jego współpracownicy, analizując ekstremalne opady deszczu, wzięli pod uwagę cztery czynniki klimatyczne, dzięki którym są one bardziej nasilone w ocieplonym świecie i powodujące często wiele zniszczeń wśród mieszkańców małych wysp, zarówno ludzi, jak i zwierząt i roślin ¹.

Naukowcy zaliczyli do tych czynników:

1. tropikalne cyklony (TC – tropical cyclone), w tym depresje tropikalne (TD – tropical depression), wśród których są monsuny
2. oscylację oceaniczną Maddena-Juliana (MJO – Madden-Julian Oscillation)
3. oscylację południową El Nino (ENSO – El Nino Southern Oscillation)
4. fale planetarne Rossby’ego, które mogą mieć wpływ dalekosiężny na zmienności klimatyczne

—

 

Rys. Lokalizacja stacji deszczomierzy wykorzystanych w niniejszym opracowaniu. Trzy skupiska stacji są oznaczone kolorami czerwonym, zielonym i niebieskim. Cieniowane kontury to klimatologia opadów (1979–2018), w mm/dzień, obliczona na podstawie miesięcznego zbioru danych w siatce Globalnego Projektu Klimatologii Opadowej (GPCP – Global Precipitation Climatology Project). (W celu interpretacji odniesień do koloru w tej legendzie rysunku czytelnik jest kierowany do internetowej wersji tego artykułu.) (Sunil Kumar Pariyar i inni, 2020).

—

Swoje wyniki badań zespół Pariyara przeprowadził, analizując charakterystykę pomiarów ekstremalnych opadów deszczu w latach 1979-2018, z 20 stacji na południowym Pacyfiku (początkowo naukowcy rozważali 33) umieszczonych wzdłuż strefy konwergencji południowego Pacyfiku (SPCZ – South Pacific Convergence Zone), usytuowanych w trzech skupiskach (tzw. klastrach).

Do badań naukowcy użyli dwóch indeksów klimatycznych: wielowymiarowych dziennych indeksów Misji Pomiarów Opadów (RMM – Rainfall Measurements Mission) podczas  oscylacji Juliana-Maddena (MJO – Madden-Julian Oscillation) w czasie rzeczywistym oraz miesięcznego indeksu Niño3.4 ENSO.

Dzienne indeksy (RMM) pochodzą ze strony internetowej Australian Bureau of Meteorology  (http://www.bom.gov.au/climate/mjo/).

Miesięczny indeks Niño3.4 jest obliczany na podstawie miesięcznej temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) ze strony internetowej NOAA, ESRL, Physical Science Division (http://www.esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/Timeseries/Niño34/index.html).

Dane do badań tropikalnych cyklonów (TC), naukowcy zebrali z Najlepszego Międzynarodowego Archiwum Danych dla Zarządzania Klimatem (IBTraCS – International Best Track Archive for Climate Stewardship) – zestawu danych opartego na 6-godzinnych historycznych zapisach, pochodzących z różnych źródeł, i dostarczającego informacji o naturze burzy, lokalizacji centrum burzy, maksymalnych utrzymujących się wiatrach, minimalnym ciśnieniu centralnym i prędkości burzy.

Ogólnie naukowcy dali do zrozumienia, że pozatropikalne fale Rossby’ego nie mają znaczącego wpływu na ekstremalne opady deszczu na południowym Pacyfiku, jednak mogą generować niezbędne zakłócenia, które mogą przekształcić się w ekstremalne opady deszczu.

—

Referencje:

1. Pariyar S. K. et al., 2020 ; Factors affecting extreme rainfall events in the South Pacific ; Weather and Climate Extremes ; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212094719301434