Rzeki atmosferyczne, często nazywane „rzekami w niebie”, transportują ogromne ilości pary wodnej, wpływając na globalny klimat. W ramach nowych badań opracowano równanie prognostyczne umożliwiające zrozumienie siły i ruchu tych systemów, co może usprawnić prognozowanie ekstremalnych warunków pogodowych.
Kiedy ulewne deszcze i intensywne wiatry uderzają w gęsto zaludnione obszary przybrzeżne, całym miastom grozi dewastacja. Jednakże przy odpowiednim ostrzeżeniu rządy i mieszkańcy mają szansę przygotować się na potencjalne szkody i złagodzić je.
Te ekstremalne zjawiska pogodowe często mają swoje źródło w rzekach atmosferycznych — długich pasmach stężonej pary wodnej, czasami nazywanych „rzekami na niebie”, przenoszonych przez silne wiatry. Meteorolodzy aktywnie śledzą te atmosferyczne rzeki, ale głębsze zrozumienie fizyki leżącej u ich podstaw może prowadzić do znacznie dokładniejszych prognoz.
Przełom w przewidywaniu
W badaniu opublikowanym dzisiaj (4 listopada) w Komunikacja przyrodniczastarszy autor Da Yang, adiunkt nauk geofizycznych na Uniwersytecie im Uniwersytet w Chicagoi pierwszy autor Hing Ong, pracownik naukowy ze stopniem doktora, obecnie w Argonne National Laboratory, wprowadzają nowe równanie mające na celu pogłębienie naszej wiedzy na temat sił napędzających rzeki atmosferyczne.
Mają nadzieję, że nowe ramy poprawią dokładność prognoz atmosferycznych dla rzek, szczególnie w przypadku ekstremalnych zjawisk pogodowych oraz w kontekście zmieniającego się klimatu. To ulepszone zrozumienie na poziomie procesu umożliwia również jaśniejszą komunikację wyników prognoz ekstremalnych warunków pogodowych.
Globalny zasięg rzek atmosferycznych
Rzeki atmosferyczne to długie, wąskie obszary skoncentrowanej pary wodnej, którym towarzyszą silne wiatry przenoszące wilgoć z tropików w stronę biegunów. Mogą przetransportować aż 15-krotność ilości wody przepływającej przez ujście rzeki Missisipi, a także nieść ze sobą ulewne deszcze, śnieg i silne wiatry. Aż połowa rocznych opadów w Kalifornii pochodzi z rzek atmosferycznych.
Chociaż zachodnie wybrzeże Ameryki Północnej jest szczególnie podatne na ekstremalne opady atmosferyczne przenoszone przez rzeki atmosferyczne – zwane „Ananasowym Ekspresem”, gdy pochodzą z Hawajów – te rzeki na niebie występują na całym świecie. Średnio w dowolnym punkcie jest ich pięć na północnych średnich szerokościach geograficznych i pięć na południowych średnich szerokościach geograficznych, przemieszczających się z zachodu na wschód. Nie wszystkie są na tyle potężne, aby powodować niszczycielskie powodzie i osunięcia ziemi; słabsze systemy mogą być korzystne, uzupełniając zbiorniki i łagodząc susze.
Rzeki atmosferyczne są istotnym elementem globalnego klimatu, a zrozumienie ich pomoże poprawić zdolność prognozowania pogody, zarządzania zasobami wodnymi i przewidywania ryzyka powodziowego. Wiele z istniejących badań nad rzekami atmosferycznymi obejmuje ich charakterystykę: monitorowanie, śledzenie i ocenę, aby pomóc w określeniu poziomu zagrożenia. Brakowało jednak sposobu na określenie ewolucji rzeki atmosferycznej.
Postępy w śledzeniu i monitorowaniu
Rzeki atmosferyczne monitoruje się za pomocą miernika zwanego zintegrowanym transportem pary (IVT), który opisuje ilość i prędkość pary wodnej przemieszczającej się przez atmosferę.
Ta metryka wystarczy do opracowania algorytmów śledzenia i monitorowania, ale aby odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące ewolucji rzek atmosferycznych, naukowcy potrzebują równania rządzącego. Jest to wyrażenie matematyczne opisujące, jak system zmienia się w oparciu o określone reguły lub zasady.
Yang powiedział, że rządzące równanie pozwoliłoby naukowcom zadawać szersze pytania, takie jak: „Co dostarcza energii do tworzenia i utrzymywania rzek atmosferycznych? I dlaczego przemieszczają się na wschód?”
Nowe równanie: Zintegrowana energia kinetyczna pary (IVKE)
Opracowanie ram odpowiedzi na te pytania wymagało od zespołu opracowania wielkości łączącej ilość pary wodnej i energię silnych wiatrów w jedną zmienną: zintegrowaną energię kinetyczną pary (IVKE).
Nowe równanie jest równie skuteczne i wydajne jak IVT w śledzeniu i monitorowaniu rzek atmosferycznych. Ma jednak „dodatkową zaletę: jest intuicyjnym równaniem zarządzającym opartym na pierwszej zasadzie” – powiedział Yang – „które może nam powiedzieć, co wzmacnia rzekę atmosferyczną, co ją rozprasza i co sprawia, że rozprzestrzenia się na wschód – w czasie rzeczywistym. ”
Przełom ten dodaje wiedzę na poziomie procesu fizycznego do analizy statystycznej rzek atmosferycznych. Roboczy tytuł artykułu opisującego tę wszechstronną strukturę brzmiał „Jeden kamień, dwa ptaki”.
Korzystając z tych nowych ram, zespół Yang odkrył, że rzeki atmosferyczne zwiększają swoją siłę głównie w wyniku zamiany energii potencjalnej na energię kinetyczną. Rzeki słabną z powodu kondensacji i turbulencji i przemieszczają się na wschód w wyniku poziomego ruchu energii kinetycznej i wilgoci przez prądy powietrza.
Pogoda i zmieniający się klimat
Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna (NIEAA), główny ośrodek odpowiedzialny za prognozowanie pogody, bada, monitoruje i publikuje informacje o rzekach atmosferycznych. Yang zasugerował, że nowe ramy opracowane przez jego zespół uzupełniają analizy NOAA oparte na IVT, oferując diagnostykę w czasie rzeczywistym, która zapewnia silniejszą fizyczną podstawę dla wyników prognoz. Takie podejście zwiększa pewność przewidywań, zwłaszcza w przypadku zdarzeń ekstremalnych, i pomaga w diagnozowaniu wydajności modelu, co ostatecznie prowadzi do ulepszeń modeli prognostycznych.
Rola zmian klimatycznych w ewolucji rzek atmosferycznych jest również przedmiotem zainteresowania. „Wiemy, że wraz ze zmianą klimatu wzrasta ilość pary wodnej” – powiedział Yang. „Zakładając, że cyrkulacja nie zmienia się zbytnio, można spodziewać się, że poszczególne rzeki atmosferyczne mogą się wzmocnić.”
W badaniu nie sprawdzano tej zależności, ale będzie to jeden z kolejnych kroków zespołu. Nowa badaczka ze stopniem doktora w laboratorium Yanga, Aidi Zhang, wykorzysta nowe ramy do zbadania, w jaki sposób zmiany klimatyczne wpływają na rzeki atmosferyczne, wykorzystując energię kinetyczną pary.
Badania te to nowy obszar dla Yanga, choć nie tak odległy od jego wiedzy, skupiający się na burzach konwekcyjnych w atmosferze tropikalnej. Przed dołączeniem do UChicago Yang mieszkał przez 15 lat w Kalifornii, co wzbudziło jego zainteresowanie rzekami atmosferycznymi. „Teraz, gdy mieszkam na wyższych szerokościach geograficznych”, powiedział, „powinienem zwracać większą uwagę na burze na średnich szerokościach geograficznych”.
Odniesienie: „Energia kinetyczna pary do wykrywania i zrozumienia rzek atmosferycznych” autorstwa Ong, H. i Yang, D., 4 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53369-0
