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英国闪电镇 - 英国英国
闪电在英国朗塞斯顿镇。 资料来源:Chris Robbins / Alamy Stock Photo。
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2021年4月12日事故

嘉宾帖子:“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
客人的帖子 嘉宾帖子:“高分辨率”气候模型将如何帮助欧洲应对极端天气

“对流”风暴会造成地球上一些最剧烈的天气,包括极端降雨、冰雹、闪电和强风。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,成本上升到每年数十亿欧元

科学家期待对流风暴的频率和强度会随着气候变暖而改变。理解这些变化对于确保关键基础设施抵御极端天气至关重要。

然而,准确的对流天气预测需要“高分辨率”气候模型.然而,气候服务往往缺乏这样详细的数据,而且通常是建立在可用的粗糙气候模型输出上。

因此,适应规划 - 例如,城市洪水管理,对太阳能电池板和作物的摩托损坏以及对电力网络的闪电影响 - 通常留给粗糙的假设。

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

在一双新的论文发表在气候动力学,我们展示了在使用cpm方面的最新进展是如何使欧洲气候变化风险评估的可用信息发生重大变化的。

高分辨率模型

为了模拟地球的气候,一个模型将地球的表面和覆盖的大气划分成一个巨大的网格。然后,该模型为每个网格单元计算气候变量,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。建模者必须在小网格单元的附加细节和高分辨率模型运行所需的更大计算能力之间找到平衡。

“对流允许的模型”(CPMS)是地球气候的非常高分辨率模型,具有小于5km的网格间距。CPMS更好​​地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一个关键过程。(您可以在Lizziekendon博士之前阅读更多关于对流和CPMS的更多信息必威手机官网篇文章)。

这种改进的细节水平在下面的地图中示出。它们显示伦敦地区由12公里格栅盒覆盖,表示典型的区域气候模型(左),与CPMS(右)中使用的2.2km格栅盒相比。

伦敦地图比较12km和2.2km气候模型网格箱的尺寸
伦敦地图比较12km(左)和2.2km(右)气候模型网格盒的尺寸。信用:英国遇见办公室。

cpm被广泛用于天气预报,但随着超级计算能力的提高,它们越来越可以用于长期气候预测,比如英国气候预测(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——主要是由次日的强降雨造成的——是最严重的可能会变得更频繁在未来欧洲。城市具有特别高的脆弱性,具有城市洪水的风险和暴露的人数预计将增加

cpm首次为短期极端降水的未来变化提供了可靠的预测。我们的研究显示夏季每小时的降雨比之前预想的更强显示超过关键洪水警报阈值的频率有显著变化。

CPMS还表明了传统的气候模型可能会低估冬季平均降雨量的变化,冬季对流阵雨是一个关键因素。

利用其更详细的过程表示,cpm成功地模拟了强对流风暴的关键物理过程。这包括解决风暴中的气流——被称为上升气流和下降气流——和更好地表示冰雹,软冰雹("格拉努尔”)和闪电。

准确模拟冰的过程对于正确模拟风暴中的电荷非常重要。例如,最近的研究这表明,包括这些过程可以导致未来的闪电变化投影与在早期工作中发现的相反的迹象。

CPMS还提供有关逆极数的未来变化的新信息和“sting-jets”。Sting射流是在一些气旋中发现的高风速的核心,需要高分辨率的模型来充分反映。它们造成了一些最严重的破坏表面狂风,例如1987年的英国大风暴

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对给定区域的一个CPM的模拟。但是,通过在同一地区运行几个不同的cpm(每个cpm都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,并了解未来高影响天气的更多不确定性。

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针对欧洲的一套新的多模型CPM预测使我们能够首次评估这种不确定性,并提供了一种用于风险评估的新一代气候预测的一瞥。

这些新的预测是两个项目共同努力的结果——EUCP,前面提到的,和CORDEX-FPSCONV,这是“旗舰飞行员对欧洲对流现象和地中海”下的“协调区域气候降尺度实验”。

来自22种不同气候建模团体的联合团队为阿尔卑斯山区的单个公共区域运行不同的CPM模型,也包括地中海的一部分和一些往往受短持续时间极端降水影响的邻近的陆地区域。这些极端可能会导致灾难性的洪水,尤其是发生在该地区典型的小而陡的河流集水区。

这一地区的特点是非常复杂的地理,包括一个被城市化的海岸线和复杂的山地系统包围的近乎封闭的海洋。这使得它在粗糙尺度的气候模型中特别具有挑战性,并且是一个很好的cpm测试案例。

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采用多模型CPM集合对大阿尔卑斯地区进行了研究。资料来源:Ban等人(2021).

高山案例研究

研究的第一部分评估了多模式CPMs在当今阿尔卑斯地区代表气候的现实程度。

先前的研究个别模型已经证明了cpm在表示降雨方面的显著改进,特别是在降雨的时间和极端天气的强度方面。

我们的多模型研究证实,这些改进在不同的cpm中是一致的,这让我们对研究结果充满信心。特别是,cpm始终能更好地反映降雨的发生和高影响极端事件的强度——用粗糙分辨率模型解决长期存在的问题。

下面的地图显示了3公里尺度的CPMs如何清楚地捕捉到夏季强降雨事件的强度,比前一代(12公里)模型要好得多。

高寒地区夏季强降水分别为3km和12km模式。
高寒地区夏季强降水分别为3km和12km模式。信贷:Nikolina禁令。

在阿尔卑斯地区,对流通常会在下午晚些时候产生降水,而这一天的降雨时间也一直能更好地捕捉到。

第二部分看着极高排放场景中降雨的变化RCP8.5到本世纪末已经有12次模拟了。这一致表明,当我们使用CPM时,未来夏季和秋季暴雨强度的增加会增强。

此外,当我们查看模型之间的结果分布时,我们看到了与等效的粗模型相比更多的确定性。这减少了结果的传播——以及模型更准确地代表小规模过程的信心的提高——为cpm可能采取行动减少未来降雨预测的不确定性提供了希望。

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

在欧洲阿尔卑斯山地区,破坏性的山洪主要是由当地持续时间短的强烈暴雨造成的。通过将CPMs的高时空分辨率输出与公里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——最初使用的是单个CPM的数据——表明,在高排放情景下,这种山洪暴发的频率和规模将比现在增加。集成的CPM预测意味着我们现在可以测试这个结果有多可靠——它允许我们对未来山洪变化的不确定性作出初步估计。

下一个步骤

通过eucp,大陆欧洲大部分地区的CPM投影的小型多模型集合将很快提供。这将产生新的机会,探索未来的天气极端,他们对欧洲其他地区的影响和不确定性。

就英国而言,这是由英国气候预测补充的,其中包括12型号的集合距离单一CPM的分辨率为2.2km,由不同版本的欧特董事中心全球气候模型驱动。

EUCP多模型预测以前所未有的规模提供了丰富的信息,以了解未来高影响天气事件的未来变化的不确定性。

山洪只是几个影响地区之一,在这些地区,来自cpm的新信息将极具价值。由于对地表和土壤湿度的更详细描述,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的影响(如风能用于可再生能源)和输电的影响(包括冰雹和闪电对电力基础设施的影响)以及对城市热量和人类健康的影响。

然而,新的信息也呈现一些新的科学挑战biwei6868.cpm仍然需要太多的计算能力,使我们能够运行足够大的集合来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,集合的规模不能像阿尔卑斯山那么大,需要新的发展来充分利用有限数量的CPM模拟的可用数据,并将这些数据与更大的粗分辨率气候模型集合的信息综合起来。

幸运的是,一些建模小组已经在寻求混合技术,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.等人(2021)首个公里尺度区域气候模拟多模式集成,第一部分:降水评价,气候动力学。doi: 10.1007 / s00382 - 021 - 05708 - w

Pichelli, E. et al.(2021)首个公里尺度区域气候模拟多模式集成,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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