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客人的帖子
2021年4月12日14:51

帖子:“高分辨率”气候模型如何帮助欧洲为极端天气计划

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04.12.21
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12.04.2021 | 2:51pm
客人的帖子 帖子:“高分辨率”气候模型如何帮助欧洲为极端天气计划

“对流”风暴会导致地球上一些最剧烈的天气,包括极端降雨、冰雹、闪电和狂风。除了照亮天空,这些风暴还经常造成灾难性的破坏。例如,在欧洲,成本高达每年数十亿欧元

科学家预计对流风暴的频率和强度会随着气候变暖而改变。了解这些变化对于确保关键基础设施抵御极端天气的能力至关重要。

然而,对流天气的精确预测需要“高分辨率”。气候模型.然而,气候服务往往缺乏这种详细的数据,而且通常是建立在现有粗糙的气候模型输出上。

因此,适应规划——例如,城市洪水管理、冰雹对太阳能电池板和农作物的破坏、闪电对电网的影响——往往是粗略的假设。

幸运的是,新一代的气候模型——被称为“对流允许模型”(CPMs)——为我们预测高影响极端天气变化的能力提供了一个飞跃。

一双新的论文, 出版于气候动力学,我们展示了cpm使用的最新进展如何带来了欧洲气候变化风险评估可用信息的一步变化。

高分辨率模型

为了模拟地球的气候,一个模型将地球表面和覆盖在上面的大气划分成一个巨大的网格。然后,该模型计算每个网格单元的气候变量,如温度、湿度和降雨量。

全球模型的网格间距通常为10-100公里。建模人员必须在更小的网格单元所增加的细节与更高分辨率模型运行所需的更大的计算能力之间找到平衡。

“对流允许模式”(CPMs)是非常高分辨率的地球气候模式,其网格间距小于5公里。cpm更能代表大气中的小尺度过程。顾名思义,这包括对流——许多破坏性极端天气事件的关键过程。(你可以在Lizzie Kendon博士之前的书中读到更多关于对流和cpm的内容乐动体育下载app篇文章)。

改进后的详细程度如下图所示。图中显示了伦敦地区被一个12公里的网格框所覆盖,这代表了一个典型的区域气候模式(左),而cpm中使用的是一个2.2公里的网格框(右)。

伦敦的地图比较了12公里和2.2公里的气候模型网格箱的大小
伦敦的地图比较了12公里(左)和2.2公里(右)的气候模型网格框。资料来源:英国气象局。

cpm被广泛应用于天气预报,但超级计算能力的增加意味着它们越来越成为长期气候预测的负担得起的工具,例如英国气候预测(UKCP)和欧洲气候预测系统(EUCP)项目。

UKCP和EUCP分别为英国和欧洲提供了未来几十年的高分辨率气候模拟,可用于基于风险的规划。

例如,山洪暴发——主要是由次日尺度上的强降雨造成的——是一种威胁可能会变得更加频繁横跨整个欧洲。城市的脆弱性特别高,城市洪水的风险和暴露的人口数量都很高预计将增加

cpm提供了短期极端降水未来变化的首次稳健预估。我们的研究表明夏季每小时的降雨量比预想的要多显示超过关键洪水警报阈值的频率发生重大变化。

cpm还表明了传统的气候模式可能会低估冬季平均降雨量变化,其中冬季对流阵雨是一个关键因素。

由于cpm的过程描述更为详细,它们成功地密切模拟了强对流风暴的关键物理过程。这包括解决风暴内部的气流——被称为上升气流和下降气流——以及冰雹、软冰雹(””)和闪电。

准确模拟冰基过程对正确模拟风暴中的电荷十分重要。例如,最近的研究这表明,包括这些过程可能导致未来闪电变化投影的信号与早期研究发现的相反。

cpm还提供了关于极端风和风力未来变化的新信息。sting-jets”。在一些气旋中,刺柱喷流是非常高风速的核心,需要高分辨率的模型才能充分体现。他们要为一些最具破坏性的事件负责表面风阵风,例如英国1987年的大风暴

理解CPM预测的不确定性

到目前为止,我们从CPM预测中学到的很多东西都是基于一个特定区域的CPM模拟。但是,通过对同一地区运行几个不同的cpm(每个cpm由不同的气候模拟中心开发),我们可以测试我们的结果有多可靠,并了解更多关于未来高影响天气的不确定性。

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针对欧洲的一套新的多模式CPM预测使我们能够首次评估这种不确定性,并让我们对新一代用于风险评估的气候预测有了初步了解。

这些新的预测是两个项目共同努力的结果——前面提到的EUCP和Cordex-FPSconv.,这是“欧洲和地中海对流现象旗舰试点研究”,在协调区域气候降尺度试验”。

来自22个不同气候模型小组的联合小组对阿尔卑斯山上的一个共同区域运行了不同的CPM模型,还包括地中海的一部分和一些邻近的陆地区域,这些区域经常受到短期极端降水的影响。这些极端情况会导致灾难性的洪水,特别是当发生在该地区的小型和陡峭的河流集水区时。

该地区的地理特征非常复杂,包括被城市化的海岸线和复杂的山脉系统包围的几乎封闭的海洋。这使得它在粗糙尺度的气候模型中特别具有挑战性,并且是cpm的一个很好的测试案例。

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使用多模型CPM集合研究研究的大型高山区域。来源:Ban等人。(2021).

高山的案例研究

研究的第一部分评估了目前多模式cpm如何真实地反映高寒地区的气候。

先前的研究单独的模型已经证明了cpm在降雨表现方面的显著改进,特别是在其时间和极端强度方面。

我们的多模型研究已经证实,在不同的cpm中,许多改进是一致的,这给了我们对研究结果的信心。特别是,cpm始终能够更好地反映降雨的发生和高影响极端事件的强度——用粗分辨率模型解决长期存在的问题。

下面的地图显示了3km尺度CPMs如何清晰地捕捉到比上一代(12km)模式更好的夏季暴雨强度。

高夏季降水为3km和12km型号的高山地区。
高夏季降水为3km和12km型号的高山地区。信贷:尼古拉纳禁令。

在阿尔卑斯地区,对流通常在下午晚些时候产生降水,每天的降雨时间也总是被更好地捕捉到。

第二部分研究了在高排放情景下的降雨量变化RCP8.5到本世纪末进行了12次模拟。这始终表明,当我们使用CPM时,未来夏季和秋季降雨强度的增加会增强。

此外,当我们观察模型中结果的分布时,我们看到了比等效粗糙模型更确定的结果。这减少了结果的传播——同时提高了模型更准确地代表小尺度过程的信心——提供了cpm可能会减少未来降雨预测的不确定性的承诺。

在EUCP中,我们现在开始使用新的多模式CPM预估,以便在一些关键影响地区提供更好的气候变化信息。

在欧洲阿尔卑斯山,破坏性闪光洪水主要由局部激烈的短期暴雨驱动。通过将来自CPM的高空间和时间分辨率与千米分辨率水文模型相结合,我们可以开始评估此类事件的未来变化。

对阿尔卑斯山流域的早期研究结果表明,与现在相比,在高排放情景下,这种山洪暴发的频率和规模都将增加。整体CPM预测意味着我们现在可以测试这个结果有多可靠——它让我们对未来山洪变化的不确定性给出一个初步估计。

下一步

通过EUCP, CPM预估的小型多模式集成将很快在欧洲大陆的大部分地区可用。这将为探索未来极端天气及其对欧洲其他地区的影响和不确定性提供新的机会。

就英国而言,这是由英国气候预测补充的,其中包括收集了12次模型运行在不同版本的英国气象局哈德利中心全球气候模型的驱动下,一个CPM的分辨率达到了2.2公里。

EUCP多模式预估以前所未有的规模提供了丰富的信息,以了解高影响天气事件未来变化的不确定性。

山洪暴发只是几个影响区域中的一个,cpm的新信息将非常有价值。由于对地表和土壤湿度的更详细的描述,我们还可以期待对干旱和热浪有更多的新见解。其他重要领域包括气候变化对发电(如可再生能源的风能)和输电(包括冰雹和闪电对电力基础设施的影响)的影响,以及对城市热量和人类健康的影响。

然而,新的信息也出现了一些新的科学挑战乐动体育 英超.cpm仍然需要太多的计算能力,以允许我们运行足够大的集成,以完全代表欧洲各地的不确定性。

对于欧洲的大多数地区,集合的大小不能像阿尔卑斯山那样大,需要新的发展来充分利用来自有限数量的CPM模拟的可用数据,并将其与来自更大分辨率的气候模式集合的信息进行综合。

幸运的是,一些建模小组已经在寻找混合技术,将CPM建模与统计方法(如机器学习)结合起来,以提供更全面的投影不确定性。

Ban, N., et al.(2021)首个公里尺度区域气候模拟多模式集合,第一部分:降水评估,气候动力学。doi: 10.1007 / s00382 - 021 - 05708 - w

Pichelli, E. et al.(2021)第一个千米分辨率区域气候模拟多模式集合,第2部分:降水的历史和未来模拟,气候动力学,DOI:10.1007 / S00382-021-05657-4

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