The dynamics of temperature extremes
Theodore G. Shepherd
Climate science
Nature volume 522, pages 425–427 (25 June 2015)
Changes in the occurrence of atmospheric circulation patterns are not well understood. A study finds that these have been a big factor in observed changes in regional temperature extremes during recent decades. See Letter p.465
The planet is unequivocally warming1, but the rate of warming varies in time and space. Although such variations are not unexpected, and do not challenge our grasp of the physics of global warming, understanding what drives them is crucial for predicting climate conditions at the regional scale. On page 465 of this issue, Horton et al.2use a new analytical method to argue that, over many regions and seasons, changes in the occurrence of atmospheric circulation patterns were a substantial driver of the observed changes in mid-latitude temperature extremes in the Northern Hemisphere over land for the 35 years to 2013. Such changes have increased not only the likelihood of summertime heatwaves in Europe, but also, since 1990, the occurrence of low wintertime temperature extremes across central Asia3.
Identifying changes in climate extremes at the regional scale is hampered by the chaotic internal variability of the climate system, which adds a large degree of noise to the climate-change signal. Climate variability is manifested in changes in the occurrence of atmospheric circulation patterns, which can vary strongly from year to year, but can show trends over multidecadal periods too. Such variations are also reflected in many climate extremes4. For example, European heatwaves (Fig. 1) are more frequent when the summertime jet stream is 'blocked' from taking its usual path across the North Atlantic Ocean, because stagnant air over the continent can warm excessively through land–surface feedbacks5.
Figure 1: The River Loire in France during the 2003 European heatwave.
Horton et al.2 report that this heatwave was part of a long-term trend towards more anticyclonic summertime circulation regimes over Europe. Image: Frank Perry/AFP/Getty
Full size image
On top of this internal variability, climate change itself is expected to lead to changes in the occurrence of atmospheric circulation patterns, although there is as yet little consensus on what these changes will be1. Both internal variability and the circulation response to climate change can lead to regional changes in temperature extremes that are larger or smaller than — or even opposite to — those expected from global warming over extended time periods6.
To deal with the confounding effects of atmospheric circulation on changes in temperature extremes, Horton et al. applied a cluster analysis to geopotential height fields — which map the heights needed to reach a given pressure, taking into account variations in surface pressure and atmospheric density — at an altitude of about 5 kilometres, to identify robust changes in the occurrence of circulation regimes. Their approach restricts the analysis to the years after 1979, when observations from meteorological satellites improved the reliability of analysed changes in atmospheric circulation at mid-latitudes. But it avoids previously voiced concerns about using subjective measures of atmospheric circulation7. The authors then partitioned observed changes in temperature extremes into those associated with changes in the occurrence of circulation regimes (dynamic changes) and those that have no such association (thermodynamic changes). This kind of partitioning is a growing theme in climate science8.
Horton and colleagues find that most regions have experienced a clear increase in summertime high temperature extremes since 1979. For roughly half of those regions (eastern North America, Europe and western Asia), the researchers identify a substantial contribution to the observed trends (one-third to one-half) from the increased occurrence of anticyclonic circulations, which are associated with atmospheric blocking. The implication is that the tendency for increased summertime heatwaves that can be expected from global warming has been substantially enhanced in these regions over the past 35 years by circulation changes that make heatwaves more likely.
Although global warming suggests that, in general, the likelihood of low temperature extremes should decrease, Horton et al. find an increase in wintertime low temperature extremes over central Asia since 1990 — the period over which the extent of Arctic sea ice has rapidly declined. They attribute this increase primarily to the increased occurrence of a circulation pattern associated with the transport of cold Arctic air into central Asia. Modelling studies9 have suggested that such an altered circulation is attributable to declining sea-ice extent in the Barents and Kara seas. However, the authors find no evidence of increased wintertime low temperature extremes over North America, despite the attention given to claims of such an increase3.
One concern with this study is that it is based on 35-year (and, in some cases, only 24-year) time series, which are quite short by climate standards. Horton and co-workers performed an extensive analysis to determine the statistical significance of the trends, but this establishes only that discernible changes occurred over the periods in question. As the authors note, the identified circulation trends may merely reflect multidecadal natural variability and cannot be associated definitively with climate change. This is clearly an important issue to resolve. Other climate extremes, such as droughts and flooding, may be even more susceptible to circulation changes than are temperature extremes.
A better observational record of past changes in atmospheric circulation, over the previous century and possibly over even longer timescales, would help to put the recent changes in context. Such records might be acquired by analysing data from ships' logbooks or by developing climate proxies, for example. Improved prediction capabilities also require a better understanding of the mechanisms of climate variability. Finally, a better understanding of the physics of the expected atmospheric circulation response to climate change would provide testable hypotheses. In particular, can the most extreme predictions of circulation changes be constrained or excluded by the observational record? Unless progress is made on these fronts, we will continue to be surprised by deviations from the thermodynamic expectations of global warming.
References
1. IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (eds Stocker, T. F. et al.) (Cambridge Univ. Press, 2013).
2. Horton, D. E. et al. Nature 522, 465–469 (2015).
Show contextfor reference 2
3. Cohen, J. et al. Nature Geosci. 7, 627–637 (2014).
4. Screen, J. A. & Simmonds, I. Nature Clim. Change 4, 704–709 (2014).
Show contextfor reference 4
5. Miralles, D. G., Teuling, A. J., van Heerwaarden, C. C. & Vilà-Guerau de Arellano, J. Nature Geosci. 7, 345–349 (2014).
6. Deser, C., Phillips, A. S., Alexander, M. A. & Smoliak, B. V. J. Clim.27, 2271–2296 (2014).
Show contextfor reference 6
7. Barnes, E. A. Geophys. Res. Lett. 40, 4734–4739 (2013).
Show contextfor reference 7
8. Shepherd, T. G. Nature Geosci. 7, 703–708 (2014).
9. Mori, M., Watanabe, M., Shiogama, H., Inoue, J. & Kimoto, M.Nature Geosci. 7, 869–873 (2014).
علم المناخ: دينـاميّـات درجـات الحـرارة المتطـرفـة
ما زالت التغيرات الواقعة في أنماط الدورات الجوية غير مفهومة. توضح هذه الدراسة أن تلك التغيرات كانت عاملًا مهمًّا، أثَّر على درجات الحرارة الإقليمية المتطرفة التي لوحظت خلال العقود الأخيرة.ثيودور جي. شيبارد
يمر هذا الكوكب ـ بدون شك ـ بمرحلة احترار1، إلا أن المعدل يختلف باختلاف الزمان والمكان. وعلى الرغم من أن هذه التباينات متوقعة، ولا تمثل تحديًا لإلمامنا بفيزياء الاحتباس الحراري، إلا أن فهْمها أمرٌ ضروري جدًّا؛ للتنبؤ بالظروف المناخية الإقليمية. يَستخدم هورتون وزملاؤه2 طريقة تحليلية جديدة، لكي يطرحوا فكرة أنه في مناطق وفصول متعددة، كانت تغيرات أنماط الدورات الجوية الدافع الرئيس لحدوث التغيرات الملحوظة في درجات الحرارة المتطرفة فوق الأرض، عند الارتفاعات المتوسطة في النصف الشرقي من الكرة الأرضية، في الثلاثة وخمسين عامًا السابقة لسنة 2013. ولم ترفع هذه التغيرات من احتمال حدوث موجات حارة صيفية في أوروبا فحسب، بل زادت كذلك ـ بدءًا من عام 1990ـ من درجات الحرارة الدنيا في فصل الشتاء على امتداد آسيا الوسطى3.
يصعب التعرف على تغيرات الأحوال المناخية المتطرفة على المستوى المحلي، بسبب التباين الداخلي الفوضوي للنظام المناخي، الذي يضيف درجة كبيرة من الضوضاء إلى مؤشرات التغير المناخي. وتتمثل التباينات المناخية في التغيرات التي تحدث في أنماط الدورات الجوية، التي تختلف بشدة من عام إلى آخر، إلا أنها تظهر منحى محددًا على امتداد عقود عدّة. وتنعكس هذه التباينات كذلك على عديد من الأوضاع المناخية المتطرفة4. على سبيل المثال.. تتكرر موجات الحر في أوروبا (الشكل 1) حينما يمنع التيار النفاث الصيفي من أن يسلك مساره المعتاد عبر شمال المحيط الأطلنطي، حيث يمكن للهواء الراكد فوق القارة أن يسخن بدرجة مفرطة، من خلال دورات التغذية الراجعة من سطح الأرض5. وبالإضافة إلى التباين الداخلي، من المتوقع أن يسبب التغير المناخي ذاته تغيرات في أنماط الدورات الجوية، رغم أنه لم يتم الإجماع بعد على ماهية هذه التغيرات1. ويمكن أن يتسبب كل من التباين الداخلي واستجابة الدورات للتغير المناخي في تغييرات إقليمية في درجات الحرارة المتطرفة التي قد تكون أكبر أو أصغر من القِيَم المتوقعة، بسبب الاحتباس الحراري على مدى فترات طويلة6، أو حتى معاكِسة لها
يذكر هورتون وزملاؤه2 أن الموجة الحارة تلك كانت جزءًا من اتجاه طويل الأمد نحو أنظمة دورات صيفية مضادة للأعاصير بدرجة أكبر في أوروبا.
وللتعامل مع هذه الآثار المحيِّرة للدورات الجوية على التغيرات في درجات الحرارة المتطرفة، استخدم هورتون وزملاؤه التحليل العنقودي لمناطق ارتفاع الجهد الأرضي الكامن عند ارتفاع 5 كيلومترات، للتعرف على التغيرات القوية في حدوث أنظمة الدورات. ويقوم هذا الارتفاع برسم خريطة للارتفاعات اللازمة؛ للوصول إلى قدر معين من الضغط، مع الأخذ في الاعتبار التباينات في الضغط السطحي، والكثافة الجوية. ويحصر نهج هذا الفريق البحثي التحليل في الأعوام التالية لسنة 1979، حين حسَّنت الملاحظات المتحصل عليها من الأقمار الصناعية الجوية من دِقّة التغيرات التي تم تحليلها في الدورات الجوية عند الارتفاعات المتوسطة، لكنها تتفادى المخاوف التي ذكرت مسبقًا بشأن استخدام معايير خاصة للدورات الجوية7. قام المؤلفون بعد ذلك بتقسيم التغيرات الملاحظة في درجات الحرارة المتطرفة إلى مجموعة مرتبطة بالتغيرات في حدوث أنظمة الدورات (تغيرات ديناميكية)، ومجموعة أخرى تخلو من هذا الترابط (تغيرات الديناميكا الحرارية). وقد بدأ هذا النوع من التقسيم في الازدياد مؤخرًا في علم المناخ8.
وجد هورتون وزملاؤه أن غالبية المناطق قد شهدت زيادة ملحوظة في درجات الحرارة العالية الصيفية في عام 1979. وفي ما يقرب من نصف هذه الأقاليم (شرق أمريكا الشمالية، وأوروبا، وغرب آسيا)، اكتشف الباحثون أن زيادة حدوث الدورات الهوائية المعاكسة للتيار، المرتبطة بالاعتراض الجوي، قد أسهمت بشكل كبير في المنحى المشهود (وهو ما يقدر بنحو الثلث إلى النصف). والأثر الضمني لما سبق هو أن احتمال زيادة موجات الحر الصيفية المتوقعة بسبب الاحتباس الحراري تم تعزيزه بدرجة كبيرة في هذه المناطق على امتداد الخمسة والثلاثين عامًا الماضية، بسبب تغيرات الدورات التي ترفع من احتمال حدوث موجات حارة.
وعلى الرغم من أن الاحتباس الحراري بصورة عامة يرجح احتمال حدوث انخفاض في درجات الحرارة الدنيا، إلا أن هورتون وزملاءہ لاحظوا وجود زيادة في درجات الحرارة الدنيا بفصل الشتاء على امتداد آسيا الوسطى منذ عام 1990، وهي الفترة التي انحسر فيها جليد بحر القطب الشمالي بشكل سريع. ويرجع هؤلاء الباحثون هذه الزيادة في الأساس إلى ارتفاع وتيرة حدوث أنماط الدورات المرتبطة بنقل هواء القطب الشمالي البارد إلى آسيا الوسطى. كذلك اقترحت دراسات النمذجة9 أن مثل هذه الدورات التي تم تغييرها ترجع إلى المدى الجليدي المتقلّص في بَحْري بارنتس، وكارا، إلا أن المؤلفين لم يجدوا دليلًا على زيادة درجات الحرارة الدنيا في الشتاء في أمريكا الشمالية، على الرغم من الاهتمام الذي أُولِيَ لمزاعم حدوث هذه الزيادة3.
أحد عيوب هذه الدراسة هو أنها تغطي فترة مدتها 35 عامًا (وفي بعض الأحيان 24 عامًا فقط)، وهذه الفترة الزمنية تُعتبر قصيرة جدًّا، حسب المعايير المناخية. وبذلك.. أجرى هورتون وزملاؤه تحليلًا ممتدًّا، لكي يحددوا الأهمية الإحصائية لتلك المسارات، إلا أن هذا يعني فقط أن ثمة تغييرات مميزة قد حدثت في الفترة الزمنية قيد الدراسة. وكما يذكر المؤلفون، قد تمثل مسارات الدورات المكتشفة مجرد انعكاس للتباين الطبيعي الحاصل على مدار عدة عقود، كما لا يمكن ربطها بصورة قاطعة بالتغير المناخي. وهذه نقطة مهمة ينبغي إيجاد حل لها. كذلك قد تكون الأحوال المناخية القاسية الأخرى ـ مثل الجفاف، والفيضانات ـ أكثر عرضة للتأثر بتغيرات الدورات، مقارنةً بدرجات الحرارة المتطرفة.
قد يساعدنا الحصول على سجل أفضل لملاحظات التغيرات السابقة في الدورات الجوية ـ على امتداد القرن الماضي، وربما فترات زمنية أطول ـ في وضع التغيرات الأخيرة في سياقها المناسب. ويمكن الحصول على مثل هذه السجلات من خلال تحليل البيانات من دفاتر سجلات السفن، أو عن طريق تطوير وكلاء للمناخ، على سبيل المثال، وتتطلب إمكانيات التنبؤ المحسَّنة كذلك فهمًا أفضل لآليات التباين المناخي. وأخيرًا، يمكن أن يوفر الفهم الأفضل لفيزياء الاستجابة المتوقعة للدورات الجوية للتغير المناخي فرضيات يمكن اختبارها؛ فبصورة خاصة، هل يمكن وضع حدود، أو حتى استبعاد التنبؤات الأكثر تطرفًا لتغيرات الدورات، اعتمادًا على سجل الملاحظات؟ ما لم يحدث تقدُّم على هذه الجبهات، فإننا سوف نظل نُفَاجَأ بالحيود عن توقعات الديناميكا الحرارية للاحتباس الحراري.
References
IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (eds Stocker, T. F. et al.) (Cambridge Univ. Press, 2013).
Horton, D. E. et al. Nature 522, 465–469 (2015).
Cohen, J. et al. Nature Geosci. 7, 627–637 (2014).
Screen, J. A. & Simmonds, I. Nature Clim. Change 4, 704–709 (2014).
Miralles, D. G., Teuling, A. J., van Heerwaarden, C. C. & Vilà-Guerau de Arellano, J. Nature Geosci. 7, 345–349 (2014).
Deser, C., Phillips, A. S., Alexander, M. A. & Smoliak, B. V. J. Clim. 27, 2271–2296 (2014).
Barnes, E. A. Geophys. Res. Lett. 40, 4734–4739 (2013).
Shepherd, T. G. Nature Geosci. 7, 703–708 (2014).
Mori, M., Watanabe, M., Shiogama, H., Inoue, J. & Kimoto, M. Nature Geosci.7, 869–873 (2014).
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق