Ученые Национального центра атмосферных исследований (NCAR) показали, что изменение климата непредсказуемым образом влияет на доступность водных ресурсов в Северном полушарии. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Изменение климата изменит среднее экогидрологическое состояние, но мало что известно о потенциальных изменениях экогидрологической изменчивости, которые необходимы для обоснования стратегий адаптации к изменению климата и смягчения его последствий. Наши результаты демонстрируют всеобъемлющие изменения изменчивости потоков воды, запасов воды и нарушений к концу этого столетия. Прогнозируемое потепление уменьшит зимнее накопление снега и увеличит долю снега, тающего зимой, стирая сезонные различия между периодами зимнего накопления снега и его последующего таяния весной и летом. Примечательно, что мы обнаружили, что в будущем количество и сроки стока будут менее предсказуемы из-за снега, более точно отражая стохастический характер осадков, что имеет решающее значение для управления водными ресурсами.

Прогнозы изменения климата последовательно демонстрируют, что повышение температуры и сокращение сезонного снежного покрова вызовут каскадные последствия для функционирования экосистемы и доступности водных ресурсов. Несмотря на этот консенсус, мало что известно о потенциальных изменениях изменчивости экогидрологических условий, что также необходимо для обоснования стратегий адаптации к изменению климата и смягчения его последствий. Рассмотрение потенциальных изменений в экогидрологической изменчивости имеет решающее значение для оценки появления тенденций, оценки вероятности экстремальных явлений, таких как наводнения и засухи, и определения того, когда могут быть достигнуты переломные моменты, которые коренным образом изменяют экогидрологическую функцию. Используя Большой ансамбль с одной моделью со сложным представлением наземной экосистемы, охарактеризованы прогнозируемые изменения среднего состояния и изменчивости эколого-гидрологических процессов в исторически снежных районах Северного полушария.

Согласно сценарию с высоким уровнем выбросов, на этот век прогнозируется широкомасштабное сокращение снежного покрова, более раннее время таяния снега, более продолжительный вегетационный период, более сухие почвы и повышенный риск пожаров. В дополнение к этим изменениям среднего состояния повышенная изменчивость зимнего таяния снега увеличит дефицит воды в вегетационный период и повысит стохастичность стока. Таким образом, с потеплением уменьшающийся снежный покров теряет свою надежную буферную способность, так что количество и время стока более точно отражают характеристики эпизодических осадков. Это приводит к снижению предсказуемости годового стока от максимального эквивалента снеговой воды, что имеет критические последствия для стресса экосистемы и управления водными ресурсами. Наши результаты показывают, что существует большая вероятность всеобъемлющих изменений экогидрологической функции, которых можно ожидать при изменении климата.

Сезонное таяние снегов обеспечивает ресурсы пресной воды, которые поддерживают экосистемы, сельское хозяйство, отдых и средства к существованию. Согласно сценариям изменения климата, снежный покров в Северном полушарии, по прогнозам, будет уменьшаться до конца этого века, что вызывает опасения по поводу будущей водной безопасности и функционирования экосистем. Наземные и пресноводные экосистемы в районах с преобладанием снега зависят от надежного накопления снега в течение зимы и его последующего таяния весной и летом для регулирования наличия воды, фенологии, продуктивности и речного стока. Хранение и предсказуемый сброс талых вод также имеют решающее значение для систем управления водными ресурсами. Сдвиги во времени зимнего таяния снега и снижение эффективности стока могут снизить предсказуемость речного стока и засухи в сценариях изменения климата. Изменения сроков таяния снега и стока, которые прогнозировались на протяжении десятилетий, в настоящее время наблюдаются на большей части западной части Северной Америки, предполагая, что антропогенная деятельность уже изменяет экогидрологическую функцию в континентальном масштабе.

Изменения в экосистемах, которые обеспечивают ресурсы пресной воды, будут определяться физическими изменениями в климатической системе, физиологическими реакциями растений на повышенное содержание CO 2, изменением режимов возмущений и их взаимодействием. Взаимодействие между изменением климата и физиологической реакцией растений имеет важные последствия для потоков углерода и воды в будущих сценариях. Например, в наземных экосистемах с постоянным сезонным снежным покровом время весеннего таяния сильно коррелирует с фенологическими событиями растений, такими как появление листьев и цветение. Хотя общепризнано, что более высокие температуры и более раннее весеннее таяние снега увеличивают продолжительность вегетационного периода, что может повысить продуктивность и интенсивность стока углерода в экосистемах северного полушария, есть свидетельства существенной неоднородности этой реакции. в холодных регионах. Более раннее таяние снега и более продолжительный вегетационный период могут вызвать дефицит влаги в почве в вегетационный период, что может снизить продуктивность и увеличить риск лесных. Более того, фенологические изменения, связанные с более ранним таянием снега, потенциально нарушают экологические взаимодействия, что может привести к сдвигам в составе и функциях сообщества. Таким образом, изменения времени и масштабов таяния снега могут иметь каскадное влияние на наземные экосистемы, ресурсы пресной воды и их потенциальное взаимодействие.

Изменчивость климата в экосистемах с преобладанием снега усложняет обнаружение и объяснение вынужденных трендов. Кроме того, понимание потенциальных изменений в изменчивости климата будет иметь решающее значение для успешной адаптации и стратегий смягчения последствий. Рассмотрение потенциальных изменений в изменчивости имеет решающее значение для оценки появления тенденций, оценки вероятности экстремальных явлений и определения того, когда могут быть достигнуты переломные моменты, которые коренным образом изменяют экогидрологическую функцию. Моделирование климатической модели большого ансамбля (LE) предоставляет мощные средства для оценки как вынужденных изменений в дисперсии, так и вынужденных изменений в сезонном цикле. Благодаря повышенной сложности наземных компонентов эти модели также могут способствовать механистическому пониманию изменений в наземных экосистемах, связанных с биогеохимическими циклами или гидрологическими процессами. Помимо средних изменений состояния, экосистемы в районах с преобладанием снега могут быть очень чувствительны к изменениям изменчивости, но ограниченный размер ансамбля моделей, разрешение и сложность до сих пор препятствовали этому исследованию. Здесь мы используем современный LE, чтобы исследовать, как изменения в среднем состоянии и внутренней изменчивости накопления и таяния снега могут повлиять на экогидрологию и биогеохимию исторически снежных экосистем.

Ученые характеризуют изменения среднего состояния и изменчивость наземных процессов в рамках исторической/SSP3-7.0 траектории. В нашем анализе используется Модель системы Земли сообщества, версия 2, Большой ансамбль (CESM2-LE; Материалы и методы) из-за сочетания размера ансамбля, пространственного разрешения, сложности модели земли и необходимого высокочастотного выхода. Чтобы охарактеризовать вынужденную реакцию на изменение климата, мы сравниваем различные количественные показатели, описывающие отношения между снегом, гидрологией и экосистемой, между будущим сценарием (с 2070 по 2099 год) и историческим базовым сценарием (с 1940 по 1969 год), используя 40 членов CESM2-LE.

В исторически сложившихся регионах со снежным преобладанием, определенных здесь как ячейки сетки с эквивалентом снеговой воды > 30 мм (SWE) в течение > 3 месяцев ( Материалы и методы ), CESM2-LE адекватно моделирует среднюю климатологию исторической температуры и осадков, хотя региональные смещения в модель существует. Исчерпывающая оценка сильных и слабых сторон CESM2 выходит за рамки данного исследования, но сравнение среднего состояния модели с эталонными данными наблюдений показывает, что CESM2-LE моделирует высокие смещения SWE (+ 46 мм H 2 O поперек домена). Это высокое смещение SWE происходит, несмотря на то, что оно также имеет смещение относительно теплой зимней температуры (+3 K) и низкое смещение зимних осадков (-0,02 мм d -1 ). Высокие погрешности SWE могут отражать недооценку скорости абляции в модели, дополнительные структурные неопределенности модели, неопределенности в глобальных реконструкциях SWE и/или несоответствия среди контрольных точек, полученных путем наблюдений. Эти погрешности в среднем состоянии модели, однако, не могут быть хорошей метрикой для оценки способности модели отображать тенденции накопления и таяния снега, что в гидрологии часто называют климатической чувствительностью снега.

Величина трендов SWE, смоделированных с помощью CESM2-LE, разумна по сравнению с оценками глобального повторного анализа по историческим данным, при этом набор данных, полученный путем наблюдений, обычно попадает в диапазон ансамбля из 40 членов по всей области. Мы отмечаем, что реконструкции SWE и глубины снежного покрова трудно сделать и они очень неопределенны, особенно в глобальном масштабе. Продукты данных о снеге, полученные в результате наблюдений, которые ассимилируют данные стационарных станций со статистическими моделями и повторным анализом климата с привязкой к сетке, обеспечивают высококачественные оценки региональных общих показателей и тенденций. Здесь мы взаимозаменяемо используем терминынаблюдаемые и полученные путем наблюдений для обозначения этих снежных продуктов с координатной сеткой. Сравнение среднего состояния и тенденций CESM2-LE с набором данных SWE Университета Аризоны по граничащим Соединенным Штатам снова показывает, что CESM2-LE имеет высокое смещение SWE. Среднее значение CESM2-LE также показывает снижение максимальных тенденций SWE по сравнению с историческими данными, что согласуется с оценками наблюдений в некоторых частях западной части Соединенных Штатов, но не в верхней части Среднего Запада или Северо-Востока, с тенденциями наблюдений, выходящими за пределы диапазона ансамбля из 40 членов. в этих регионах. Полученные наблюдениями тренды максимального SWE обычно обусловлены зимним потеплением над западной частью Соединенных Штатов и увеличением количества осадков над восточной частью Соединенных Штатов. Среднее значение CESM2-LE по 40 элементам в целом отражает соответствующие глобальные траектории наблюдаемых климатических трендов (с 1970 по 2020 гг.), но также моделирует темпы регионального зимнего потепления, особенно на востоке США, которые выше оценок наблюдений. Это высокое смещение в сторону зимнего потепления подавляет изменения зимних осадков в восточной части Соединенных Штатов и меняет знак трендов SWE по региону в CESM2-LE по сравнению с наблюдениями.

В соответствии со сценарием изменения климата SSP3-7.0 наземные экосистемы испытывают более высокие нормы осадков и более высокие температуры с изменением климата. Увеличение количества осадков наиболее заметно в регионах с морским климатом. Более высокие температуры приводят к более тонкому снежному покрову и сокращению SWE к концу века. Снег накапливается позже осенью и тает раньше весной, что приводит к увеличению вегетационного периода по сравнению с историческим исходным уровнем. Благодаря более продолжительному вегетационному периоду, характеризующемуся более ранним весенним позеленением и более поздним осенним старением, экосистемы поддерживают более высокую валовую первичную продуктивность (GPP).

Прогнозируется, что в этом столетии произойдут широкомасштабные сдвиги в потоках воды, запасах воды и нарушениях, таких как лесные пожары. По сравнению с историческим базовым уровнем, более раннее таяние снега сдвигает сезонные сроки стока, в результате чего сток демонстрирует более высокий и более эпизодический зимний сток, более ранние весенние пики и уменьшенные летние объемы, но без изменений годового стока (обсуждается в разделе «Уменьшение стока»). 

Предсказуемость пресноводных экосистем и водных ресурсов). Более раннее таяние и уменьшение снежного покрова приводят к более сухим условиям влажности почвы в течение вегетационного периода. Усиление потоков углерода за счет повышения продуктивности растений в CESM2-LE достигаются лишь при незначительном увеличении наземной эвапотранспирации. Вместе эти результаты подразумевают значительное повышение эффективности водопользования экосистемы, которое моделируется в CESM2-LE. Наконец, более сухие почвы и пониженная относительная влажность увеличивают среднее количество пожаров в регионе более чем в три раза к концу этого столетия, особенно в самые теплые и засушливые месяцы. Однако эти изменения не распределяются равномерно по домену.

Относительно скромные изменения стока и ET маскируют пространственную изменчивость в будущих прогнозах. Среднегодовые потоки ET по ансамблю увеличиваются в больших регионах арктической тундры, бореальных лесов и Североамериканских Скалистых гор. Увеличение годовой ET обусловлено более продолжительным вегетационным периодом и более высокими температурами, что в целом согласуется с наблюдаемым озеленением экосистем высоких. Однако недавняя работа вызывает обеспокоенность по поводу ограничений этих экосистем для поддержания устойчивого роста продуктивности в условиях изменения климата. Например, наблюдения показывают, что более ранние весенние мероприятия по озеленению истощают ресурсы почвы и воды, что приводит к аномально низкой продуктивности в последующие летние и осенние сезоны. CESM2 качественно фиксирует эту реакцию за исторический период, но сила этой обратной связи не была хорошо определена в будущих сценариях. В условиях изменения климата многие наземные экосистемы в CESM2-LE демонстрируют увеличение продуктивности и разделение осадков на ET («зеленая вода»), что снижает доступность поверхностных вод в почвенной влаге и поверхностном стоке («коричневая вода» и «голубая вода»). ресурсов, соответственно. Заметные исключения, когда значительное увеличение количества осадков увеличивает долю годового стока и поддерживает летнюю влажность почвы, включают Восточную Азию, Гималаи и северо-запад Северной Америки.

Наконец, количество пожаров, оцененное в CESM2-LE, резко возрастает в сценарии SSP3-7.0. Наибольшее увеличение количества пожаров происходит в средних широтах, тогда как наибольшее пропорциональное увеличение количества пожаров происходит на северо-востоке Северной Америки и в Европе, где исторически было очень мало пожаров. Мы также отмечаем, что моделирование пожаров создает ряд известных важных проблем при моделировании системы Земли, и модель CLM5, используемая в CESM2-LE, не свободна от этих проблем. Например, CESM2-LE показывает относительно небольшие изменения в абсолютном или относительном количестве пожаров, смоделированных в высокоширотных регионах Северной Америки и Азии, что явно противоречит большим возмущениям пожаров, которые наблюдаются в высокоширотных экосистемах. Действительно, неопределенность в отношении воздействия будущих пожарных рисков на климат, экосистемы, качество воздуха и средства к существованию подчеркивает важность улучшения представления возмущений, таких как пожары, в моделях системы Земля.

Чтобы изучить прогнозируемые изменения в среднем состоянии и изменчивости накопления и таяния снега, мы сосредоточимся на отдельной ячейке сети в Скалистых горах на севере США, где ресурсы снеговой воды тщательно контролируются для поддержки важнейших гидроэнергетических и сельскохозяйственных отраслей. Аналогичный анализ ячейки сетки в центральной части Скалистых гор США приводит к аналогичным выводам до 257 ± 27 дней в конце этого века, среднее увеличение на 82 снежных дня.Бесплатные дни в году в этом месте. Наконец, большая часть таяния снега происходит зимой, до пика SWE, в будущем сценарии по сравнению с историческим базовым уровнем (0,11 ± 0,09). 

Смоделированное увеличение доли зимнего таяния по сравнению с записью наблюдений согласуется с недавними выводами. Наше моделирование также показывает, что вынужденная антропогенная реакция на динамику накопления и таяния снега возникает из-за шума естественной изменчивости в начале 21-го века, предполагая, что сокращение запасов воды и снега, возможно, уже произошло, т.е. также согласуется с предыдущими выводами, основанными на наблюдениях. Несмотря на то, что CESM2-LE имеет более высокое атмосферное разрешение, чем другие LE, он также демонстрирует погрешности в смоделированных трендах за исторический период, которые могут смещать время появления на региональном уровне.

Чтобы проверить модель в этих ячейках сетки, мы подвыборку наблюдений телеметрии горного снежного покрова (SNOTEL) в северных и центральных Скалистых для участков, где накопленный максимальный SWE за исторический период был в пределах 1 SD от среднее значение ансамбля CESM2 в каждой смоделированной ячейке. Двадцать пять станций (из 78 с длинными записями) соответствовали этим критериям в северных Скалистых горах, и только четыре станции соответствовали критериям в более высоких центральных Скалистых горах. С помощью этих подмножеств наблюдений мы оценили моделируемую величину и тенденции количества бесснежных дней и доли зимнего таяния в CESM2-LE. Бесснежные дни и доля зимнего таяния хорошо согласуются со средним значением CESM2-LE в обоих регионах CESM2-LE также фиксирует наблюдаемую внутреннюю изменчивость в системе, поскольку ширина разброса по ансамблю разумно согласуется с наблюдаемой межгодовой изменчивостью. Наконец, как в наблюдениях, так и в CESM2-LE очевидны устойчивые тренды количества бесснежных дней и доли зимнего таяния, особенно в северных Скалистых горах. Хотя модель, как правило, занижает величину снежного покрова на больших высотах, где проводится большинство наблюдений, соответствие наблюдаемым тенденциям, количеству бесснежных дней и зимнему таянию поддерживает смоделированные глобальные изменения динамики снега и снеготаяния, особенно в регионах без сложных гористая местность.

Наши результаты показывают, что изменение климата вызовет повсеместное изменение накопления и таяния снега в Северном полушарии. Снежный покров часто ограничивает продолжительность вегетационного периода в экосистемах с преобладанием снега. По всей области количество бесснежных дней увеличивается на 45 ± 19 дней к концу XXI века по сравнению с историческим исходным уровнем, при этом самые большие изменения происходят в умеренных и прибрежных регионах. Мы видим раннее время появления, как правило, до 2040 года, больше дней без снега на CESM2-LE. Об этой потере снежного покрова при сценариях изменения климата сообщалось в других источниках и имеет важные последствия для энергетического баланса, гидрологии, углеродного цикла и экосистемных функций исторически снежных экосистем; но изменения не происходят равномерно в разных географических регионах. Например, средняя доля зимнего таяния снега показывает пространственные закономерности, отражающие изменения количества дней без снега, с наибольшим увеличением в относительно более теплых средних и высоких широтах морских экосистем, последнее потенциально связано с сокращением площади морского льда. Доля зимнего таяния, менее чувствительная к изменениям весеннего снежного покрова, чем метрика бесснежных дней, показывает увеличение ансамблевой изменчивости, что приводит к более неоднородному (и более позднему) времени появления снега, а также к большей изменчивости сток, особенно зимой.

Изменения в накоплении и таянии снега оказывают воздействие на водные экосистемы, а также на использование человеком ресурсов пресной воды и управление ими. Как и в случае со снегом, мы сначала проиллюстрируем эту динамику в CESM2-LE в отдельных ячейках сетки, прежде чем исследовать глобальные результаты. При уменьшении снежного покрова пиковые скорости стока, смоделированные как в северных, так и в центральных ячейках сетки Скалистых гор, ниже, и они происходят раньше в течение водного года. В то же время центральное время или дата, когда произошло 50% годового стока, также смещается на более раннее время водного года. Вынужденные тенденции в центральном времени стока возникают из-за внутренней изменчивости на несколько десятилетий раньше, чем изменения пикового стока в этих двух ячейках сетки умеренного пояса. Однако к концу 21 века внутренняя изменчивость в центральном времени заметно увеличивается по сравнению с историческим исходным уровнем (среднее значение по ансамблю ± 1 SD, 196 ± 9 против 153 ± 15 дней в исходном и будущем периодах соответственно). Несмотря на четкие и направленные изменения в пиковых скоростях стока и их времени, общий годовой сток показывает небольшие изменения до 2100 г. в этой ячейке сетки, и это изменение не возникает из-за внутренней изменчивости модели. Годовой сток воды не меняется, потому что сток от зимнего таяния снега (определяемый здесь как сток, который происходит до пика SWE) и дожди компенсируют снижение пиковых скоростей стока по будущему сценарию. Эти результаты показывают, что изменение климата может вызывать сдвиги в среднем гидрологическом состоянии, но также может поддерживать вынужденные изменения в сезонном цикле, а также внутреннюю изменчивость.

Изменение климата снижает предсказуемость импульсов весеннего стока от таяния. Экосистемы и системы управления водными ресурсами в таких регионах, как западная часть Соединенных Штатов, получают выгоду от этих предсказуемых импульсов стока, которые составляют две трети годового стока. Вынужденная реакция изменения климата приводит к более раннему центрированию стока, но также к резкому увеличению его изменчивости, особенно по сравнению с изменениями изменчивости числа бесснежных дней. В совокупности пространственная неоднородность среднего отклика по ансамблю и увеличение изменчивости по ансамблю создают высокую географическую изменчивость во времени выхода для центрального времени стока. Напротив, общий годовой сток воды демонстрирует высокую пространственную согласованность с уменьшением во внутренних районах континента и увеличением в морских регионах и относительно умеренными изменениями в изменчивости. Однако вынужденная реакция, как правило, слаба по сравнению с внутренней изменчивостью общего стока. Таким образом, прогнозируемое время проявления изменений среднегодового стока - конец XXI века, если оно вообще произойдет.

Моделирование LE также предоставляет средства для изучения взаимосвязи между SWE и годовым стоком, который можно рассматривать как меру предсказуемости стока из SWE. В исходный период (с 1940 по 1969 г.) накопление снега эффективно смягчает влияние случайных осадков на сток, что приводит к хорошо предсказуемому годовому стоку от максимального SWE и относительно низкой изменчивости среди членов ансамбля. Потеря этого снежного буфера в будущем сценарии означает, что количество и сроки стока более точно отражают стохастический характер осадков. Соответственно корреляция между SWE и стоком в дальнейшем уменьшается, как и средний по ансамблю наклон этой зависимости. Это предполагает снижение предсказуемости стока и засухи из-за сезонного снежного покрова в будущем.

Важно отметить, что мы видим существенное увеличение вариаций наклонов регрессии между SWE и стоком. В течение базового периода любой отдельный член ансамбля аппроксимирует среднее по ансамблю соотношение между SWE и стоком. Однако в будущем сценарии внутренняя изменчивость эколого-гидрологических условий увеличивается при изменении климата. Таким образом, один член ансамбля может демонстрировать реакцию, которая варьируется от отсутствия зависимости стока от SWE, где речной сток реагирует на синоптические осадки, до гидрологической реакции с преобладанием снега, которая аналогична исторической базовой линии. Таким образом, результаты любого отдельного члена ансамбля могут не отражать в целом вероятных взаимосвязей SWE-сток, которые лучше отражают средние статистические данные по ансамблю. Этот вывод иллюстрирует пример применения LE для выявления потенциальных вынужденных изменений в предсказуемости функции экосистемы, особенно в локальном и региональном масштабах. Однако эта концепция может применяться и в более широком смысле.

По всему домену максимальное SWE ячейки сетки в CESM2-LE служит надежным предиктором общего годового стока над исторически снежными регионами в течение базового периода, но эта предсказуемость ослабевает в сценарии будущего. Многие регионы, которые демонстрировали наибольшую предсказуемость отношений между стоком и ЮЗЗ в исторический период, испытывают наибольшее снижение предсказуемости в будущем (например, Скалистые горы, Канадская Арктика, восточная часть Северной Америки, Восточная Европа). Таким образом, самые большие изменения в предсказуемости стока от SWE происходят в регионах, которые исторически зависели от весеннего пульса стока, что еще больше усложняет управление ресурсами пресной воды для пользователей нижнего течения и здоровье экосистемы. Мы признаем, что эти проекции могут быть менее надежными для гористой местности, такой как Скалистые горы, где разрешение CESM2-LE недостаточно для регистрации динамики снега на большой высоте, хотя качественно они согласуются с проекциями высокого разрешения. Однако существенное снижение корреляции SWE-стока в таких областях, как восточная часть Северной Америки и Европа, предполагает, что естественные и антропогенные системы будут в большей степени полагаться на дождевой сток и инфильтрацию, которые не обладают такой же предсказуемостью или временной зависимостью, как сезонное таяние снега. – приводные импульсы воды к почвам и ручьям.

Наши результаты подчеркивают широко распространенные вынужденные изменения среднего состояния и изменчивости накопления снега, таяния снега и стока, которые можно ожидать в регионах, где исторически преобладали снега. В прогнозах модели уменьшение накопления SWE и более раннее время таяния снега приводят к увеличению количества дней без снега, что потенциально продлит вегетационный период на большей части Северного полушария, что приведет к более сухим почвам и повышению риска пожаров. Изменения в гидрологии снега также приводят к увеличению изменчивости сроков стока и снижению предсказуемости годового стока от максимального SWE. В совокупности эти изменения экогидрологической функции создают сложные проблемы для разработки стратегий адаптации и смягчения последствий, которые могут справиться с давлением вынужденных изменений в гидрологическом цикле.

Представленные здесь анализы используют 40 участников из CESM2-LE, которые сохранили высокочастотные выходные данные и использовали входные данные сжигания биомассы в атмосферу по умолчанию, которые были определены в протоколе CMIP6. Мы не оценивали членов ансамбля, которые использовали сглаженные выбросы от сжигания биомассы в эпоху спутников. Во-первых, мы определили область исторически покрытых снегом регионов как ячейки сетки в Северном полушарии, где среднемесячная SWE по ансамблю в первые годы моделирования (с 1850 по 1880 год) превышала 30 мм в течение по крайней мере 3 месяцев в году. Мы также исключили из нашего анализа наземные ячейки сетки, которые изначально были покрыты снегом в течение 12 месяцев в году. Во-вторых, чтобы охарактеризовать изменения в среднем состоянии, мы рассмотрели климатологию месячных результатов при совокупном среднем исходном состоянии (с 1940 по 1969 год) и сценарии будущего (с 2070 по 2099 год).

Предварительный анализ показал, что базовый сезонный цикл и время появления относительно нечувствительны к выбору лет, используемых для этого базового периода, учитывая относительно стабильное среднее по ансамблю за первое столетие исторического периода. Исходный период, используемый здесь, был выбран, чтобы выбрать период, который был хронологически ближе к записи наблюдения. Мы количественно оценили изменения в среднем состоянии домена и по отдельным ячейкам сетки для нескольких показателей, включая осадки, температуру, SWE, GPP, сток, почвенную воду (от 0 до 10 см), влажность почвы, ET и количество пожаров. Количество пожаров в CLM5 рассчитывается прогностически как произведение источников воспламенения (от ударов молнии и человеческих источников), наличия топлива, горючести топлива (рассчитывается как функция относительной влажности, влажности почвы и температуры почвы) и антропогенного воздействия. тушение возникновения пожара. Годовой сток и доля ET рассчитываются как отношение соответствующих годовых потоков к годовому количеству осадков.

Для исследования изменений среднего состояния и дисперсии, связанных со снегонакоплением, снеготаянием и стоком, мы использовали ежедневные данные SWE и стока от тех же 40 членов ансамбля CESM2-LE. Мы оценили водные годы (с 1 октября по 30 сентября) за период моделирования (водные годы, начинающиеся с 1850 по 2099 год). Чтобы уменьшить размерность этих данных, мы определили несколько показателей для количественной оценки изменений в среднем состоянии ансамбля и изменчивости ансамбля. Для SWE они включали максимальный SWE за многоводный год, количество бесснежных дней и долю зимнего таяния, определяемую здесь как количество таяния, происходящее до пика SWE. Для стока к ним относятся пиковый расход, центральное время стока.

В каждой ячейке сетки мы рассчитали среднее по ансамблю и стандартное отклонение для этих показателей по всем многоводным годам. Мы также сгладили результаты, взяв центрированное скользящее среднее за 10 лет для каждого члена ансамбля, а затем рассчитав статистику ансамбля. Мы определили время выхода как водный год, когда скользящее среднее значение по ансамблю ± 2 SD было за пределами среднего значения по ансамблю за базовый период (1940–1969 гг.). Чтобы облегчить сравнение с другими LE, мы также предоставляем, помимо времени появления, соответствующую температуру появления, которая соответствует изменениям глобальной средней температуры, которые моделируются 40-членным CESM2-LE во время появления.

Мы сообщаем нормализованные изменения ансамблевой изменчивости, вычисляя разницу в ансамблевой изменчивости в конце этого столетия (рассчитанную между 2070 и 2099 годами) по сравнению с ее базовым периодом и деленную на исходную изменчивость. Наконец, чтобы посмотреть на предсказуемость отношений SWE-сток, мы рассчитали коэффициенты корреляции Пирсона для отдельных членов ансамбля за 30 лет каждого базового периода и будущего сценария. Мы также сообщаем о среднем по ансамблю статистике этих корреляций по домену в течение базового периода и их изменении к концу этого века.

Мы сравнили средние результаты ансамбля с контрольными точками наблюдений, предоставленными пакетом сравнительного анализа моделей ILAMB, которые обычно используются для оценки выходных данных модели суши. Для отдельных показателей ILAMB включает несколько наборов данных для сравнительного анализа, но для упрощения нашего анализа мы использовали наборы данных о температуре воздуха, основанные на наблюдениях, из отдела климатических исследований. Данные наблюдений были повторно привязаны к номинальному разрешению CESM2-LE в 1 градус, усреднены по годам и взвешены по площади суши для получения ежемесячных климатологических данных. Ежемесячные климатологические результаты CESM2-LE за базовый период существенно не отличались от более позднего периода (с 1970 по 2020 год), который лучше совпадает с наборами данных, основанных на наблюдениях.

Используя те же самые наборы данных, основанные на наблюдениях, мы рассчитали пространственные смещения в среднем состоянии и трендах ансамбля. Для этих анализов статистические данные CESM2-LE были рассчитаны за период с 1970 по 2020 год. Пространственные смещения в CESM2-LE были рассчитаны путем вычитания среднего значения климатологии по ансамблю из наблюдаемой исторической климатологии в каждой ячейке сетки. Учитывая наше внимание к снегу, погрешности и тенденции в температуре и осадках рассчитывались только для зимних месяцев (с октября по март) для максимального SWE за многоводный год (на основе месячных данных в глобальных сравнениях и ежедневных данных по совпадающим Соединенным Штатам для соответствия временному разрешению). SWE для наборов данных наблюдений) и годовая сумма других переменных. Линейные тренды ячеек сетки по историческим данным для зимней температуры, зимних осадков и максимального SWE были рассчитаны для каждого члена CEMS2-LE и для каждого набора данных, основанного на наблюдениях. Мы сообщаем тренды среднего значения по ансамблю и их отклонение от наблюдаемых трендов. Затем мы ранжировали тенденции, отмеченные в наблюдениях, в пределах разброса членов ансамбля, чтобы оценить, охватывает ли разброс CESM2-LE направление и величину наблюдаемых тенденций температуры, осадков и максимального SWE за исторические данные.

В то время как горный снежный покров Скалистых гор США тщательно контролируется сетью удаленных телеметрических станций с 30–40-летними записями SNOTEL, низкое пространственное разрешение климатических моделей контрастирует со сложной местностью, где расположены станции мониторинга снежного покрова, как правило, исключает прямое сравнение. По сравнению с соседними более низкими возвышенностями высокогорные водосборы могут действовать как водонапорные башни, которые непропорционально способствуют большему стоку талых вод из-за более холодных и влажных климатических режимов. Например, 44% и 100% региональных станций мониторинга снежного покрова с длительными записями расположены выше по высоте, чем средняя высота «самого снежного» пикселя CESM2 с центром в северной и центральной части Скалистых гор соответственно. Признавая несоответствие высот и неспособность модели представить наиболее существенные запасы снеговой воды в горах региона, мы разделили наблюдения SNOTEL в северных и центральных районах Скалистых гор на участки, где долгосрочное среднее максимальное годовое SWE за исторический период находилось в пределах 1 SD. среднего значения ансамбля CESM2 для выбранных ячеек сетки.

Источник - https://centralasia.media/news:1793837