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英国朗塞斯顿镇上空的闪电
英国朗塞斯顿镇上空的闪电。 图片来源:克里斯·罗宾斯/阿拉米·斯托克Photo。
客人帖子
2021年4月12日14:51

特邀帖子:“高分辨率”气候模型将如何帮助欧洲应对极端天气

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04.12.21
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12.04.2021 | 2:51pm
客人帖子 特邀帖子:“高分辨率”气候模型将如何帮助欧洲应对极端天气

“对流”风暴导致地球最戏剧性的一些最戏剧性的天气,包括极端降雨,冰雹,闪电和严重的风阵风。随着点燃天空,这些风暴经常导致灾难性的损害。例如,在欧洲,成本运行到每年数十亿欧元

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,准确预测对流天气需要“高分辨率”气候模型.然而,气候服务通常缺乏此类详细数据,通常基于可用的粗气候模型输出。

因此,适应规划——比如城市洪水管理、太阳能电池板和农作物的冰雹破坏以及闪电对电网的影响——往往只能停留在粗略的假设上。

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。

在一对新的文件发表在气候动力学,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,模型将地球表面和覆盖的大气层分成巨大的网格。然后,该模型计算每个网格电池的气候变量,如温度,湿度和降雨。

全球模型通常具有10-100km的网格间距。典型者必须在较小的网格单元的添加细节与更高的计算能力之间找到平衡,以更高的分辨率模型需要运行。

“对流允许模型”(CPM)是网格间距小于5km的地球气候高分辨率模型。CPM更能代表大气中的小规模过程。顾名思义,这包括对流——许多破坏性极端天气事件中的关键过程。(你可以在Lizzie Kendon博士早些时候的文章中阅读更多关于对流和CPM的内容亚慱官网帖子。)

下面的地图说明了这种改进的细节水平。它们显示了伦敦地区被一个12公里的网格框覆盖,该网格框代表一个典型的区域气候模型(左),而CPMs中使用的网格框为2.2公里(右)。

比较12公里和2.2公里气候模型网格框大小的伦敦地图
比较12公里(左)和2.2公里(右)气候模型网格盒大小的伦敦地图。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高分辨率的气候模拟,可用于即将到来的几十年,可用于基于风险的规划。

例如,Flash洪水 - 主要是由亚日期时间尺寸的强烈降雨引起的 - 是可能变得更加频繁在未来的欧洲,城市的脆弱性特别高,城市洪水的风险和暴露的人数都很高预计会增加

CPMS提供 - 对于未来的短期降水降低的未来变化的第一次强大的预测。我们的研究表明夏季每小时降雨量比以前的思想更加暴雨已经表明超出关键洪水警报阈值的频率的显着变化。

CPM也表明了传统的气候模型可能低估冬季平均降雨变化,冬季对流淋浴是关键贡献者。

凭借其更详细的流程表示,CPMS在密切模仿严重对流风暴的关键物理过程中是成功的。这些包括在风暴中解析风暴内的空气潮​​流,称为上升工程和下降步骤 - 以及更好的冰雹,柔软的冰雹表示(““)和闪电。

精确模拟基于冰的过程对于正确模拟风暴内的电荷非常重要。例如,最近的研究建议包括这些过程可以导致未来的闪电变化对前面工作中的相反标志的预测。

CPM还提供了关于未来极端风和“风”变化的新信息刺痛喷气式飞机”。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狂风,例如英国的大风暴为1987年

了解CPM预测周围的不确定性

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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为欧洲的一组新的多型号CPM预测允许我们首次评估这种不确定性,并提供用于风险评估的新一代气候预测的瞥见。

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“欧洲和地中海上空对流现象的旗舰试点研究”协调区域气候降尺度试验”。

来自22个不同气候建模小组的联合团队对阿尔卑斯山上的一个公共区域运行了不同的CPM模型,该区域还包括地中海的一部分以及经常受到短期极端降水影响的一些相邻陆地区域。这些极端可能导致灾难性的洪水,特别是发生在该地区典型的小而陡的河流集水区。

该地区的特点是具有非常复杂的地理位置,包括一个由城市化海岸线和复杂的山地系统包围的近乎封闭的海洋。这使得在较粗糙度的气候模型中表示尤其具有挑战性,以及CPMS的良好测试用例。

更大的高山区域研究 - 使用 - 多模型CPM-Ensemble
采用多模型CPM集合对大高寒地区进行了研究。资料来源:Ban等(2021.)。

阿尔卑斯山案例研究

该研究的第一部分评估了现实情况下的多模型CPMS在当天在高山地区代表气候。

之前的学习随着个别模型已经证明了CPMS为降雨的代表所提供的明显改进,特别是在其时序和极端的强度方面。

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规模的CPMS如何明确地捕获重型夏季降雨事件的强度,比上一代(12公里)型号更好。

高寒地区夏季强降水以3km和12km模式为代表。
高寒地区夏季强降水以3km和12km模式为代表。信贷:Nikolina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。

第二部分着眼于高排放情景下降雨的变化RCP8.5在本世纪末12模拟。这一致表明,当我们使用CPM时,夏季和秋季在夏季和秋季的下降强度的增加会增加。

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,我们现在开始采用新的多型CPM预测,在某些关键影响领域提供更好的气候变化信息。

在欧洲的阿尔卑斯山脉,破坏性的山洪主要是由当地持续时间短的强烈暴雨引起的。通过将cpm的高时空分辨率输出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。

早期看河流河流在阿尔卑斯山 - 并且最初使用来自单个CPM的数据 - 表明这种闪光洪水将增加高排放场景中的频率和数量增加。集合CPM投影意味着我们现在可以测试结果是多么强大 - 并且它允许我们在Flash洪水的未来变化中初始估计不确定性。

下一个步骤

通过EUCP,CPM预测的小型多模型集合将很快在欧洲大陆大部分地区可用。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创造新的机会。

对于英国的情况,这是由英国气候预测的补充,其中包括一个收集12个模型运行由不同版本的英国气象局哈德利中心全球气候模型驱动,与单一CPM的分辨率为2.2km。

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

Flash洪水只是来自CPM的新信息的几个影响领域之一。由于土地面积和土壤水分的更详细代表,我们还可以预计进一步新的洞察干旱和热浪。其他重要地区包括对电力发电的气候变化影响 - 例如可再生能源的风 - 以及传输 - 包括对电力基础设施 - 以及城市热量和人类健康的冰雹和闪电影响。

但是,新信息也提出了一些新的科学挑战亚慱彩票APP.CPMS仍然需要太多的计算能力,以允许我们运行足够大的合奏,以完全代表欧洲所有地区的不确定性。

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,一些建模组已经探讨了混合技术,以将CPM建模与统计方法相结合 - 例如机器学习 - 提供更充分的投影不确定性。

禁令,n。等。(2021)在公正分辨率下,第一个区域气候模拟的多模型集合,第一部分:降水评估,气候动态。doi: 10.1007 / s00382 - 021 - 05708 - w

Pichelli,E.等。(2021)公里分辨率第2部分的区域气候模拟第一个多模型集合:历史和未来的降水模拟,气候动态,doi: 10.1007 / s00382 - 021 - 05657 - 4

来自这个故事的Sharelines
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