Охлаждающий эффект облаков «недооценивается» климатическими моделями, говорится в новом исследовании

Согласно новому исследованию, облака могут оказывать большее охлаждающее воздействие на планету, чем предполагают современные климатические модели.

Статья, опубликованная в журнале Nature Climate Change, направлена ​​на исправление «давней» и «нерешенной» проблемы в моделировании климата, а именно того, что существующие модели имитируют слишком много осадков из облаков и, следовательно, недооценивают их продолжительность жизни и охлаждающий эффект.

Авторы обновили существующую климатическую модель более реалистичным моделированием осадков из «теплых» облаков — тех, которые содержат только воду, а не комбинацию воды и льда. Они обнаружили, что это обновление делает «обратную связь в течение жизни облака» — процесс, при котором более высокие температуры увеличивают продолжительность жизни облаков — почти в три раза больше.

Авторы отмечают, что новейшее поколение глобальных климатических моделей — шестой проект взаимного сравнения связанных моделей (CMIP6) — предсказывает более быстрое потепление в будущем, чем его предшественники. Во многом это связано с тем, что новые модели имитируют меньший эффект охлаждения от облаков.

Тем не менее, ведущий автор исследования сообщает Carbon Brief, что устранение «проблемы» в моделировании осадков «уменьшает количество потепления, предсказанное моделью, примерно на ту же величину, что и увеличение потепления между CMIP5 и CMIP6».

В связи с этим он говорит, что ключевой вывод из исследования заключается в том, чтобы «относиться к дополнительному потеплению в CMIP6 с недоверием, пока в моделях не будут исправлены некоторые другие известные проблемы с облаками».

Охлаждающие облака

Влияние облаков на глобальную температуру — сложная область исследований, над которой ученые работают десятилетиями.

В гостевом посте Carbon Brief, опубликованном в 2018 году, профессор Элли Хайвуд, профессор физики климата на факультете метеорологии Университета Рединга, объясняет, как облака могут влиять на глобальную температуру:

«Низкие яркие облака в значительной степени оказывают охлаждающее воздействие, потому что они отражают солнечный свет от поверхности Земли. Высокие тонкие облака, состоящие из кристаллов льда, более-менее прозрачны для солнечного света, но поглощают уходящее инфракрасное излучение, переизлучая небольшую долю и, тем самым, нагревая планету. Еще больше усложняет ситуацию то, что в большинстве мест одновременно существует несколько слоев облаков».

В статье Хайвуд приходит к выводу, что облака оказывают общий охлаждающий эффект на планету. Она также рассказывает об обширной работе, проделанной учеными-климатологами для более точного моделирования облачных процессов, но отмечает, что облака по-прежнему являются «наиболее интригующими и сложными компонентами климатической системы».

Ученые ожидают, что по мере потепления климата многие облака перейдут из «прохладных» в «теплые». Прохладные облака состоят из смеси частиц льда и капель воды, а теплые облака содержат только жидкость. Этот фазовый переход повлияет на охлаждающие свойства облаков двумя основными способами.

Во-первых, капли воды в облаках обычно меньше, чем частицы льда, что дает им большее отношение площади поверхности к массе и позволяет им легче отражать солнечный свет. Это означает, что по мере того, как облака переходят от холодных к теплым, они становятся более отражающими. В статье это называется «оптическим компонентом» фазовой обратной связи.

Во-вторых, теплые облака менее эффективны в отношении осадков — это означает, что они не начинают выделять дождевые капли так же быстро, как холодные облака. Благодаря тому, что дождь идет реже, теплые облака живут дольше — это называется «компонентом времени жизни» фазовой обратной связи.

Доктор Кейт Марвел, младший научный сотрудник Колумбийского университета и Института космических исследований имени Годдарда НАСА, не участвовавшая в исследовании, рассказала Carbon Brief, что из-за оптики и компонентов жизненного цикла облачной обратной связи «если вы сделаете облака более жидкие, они блокируют больше солнечного света а также прослужит дольше».

«Повсеместная» проблема

Однако в исследовании отмечается, что в климатических моделях, связанных с облачными процессами, существует множество «распространенных» и «нерешенных» проблем.

Авторы подчеркивают, что многие модели в пятом Проекте взаимного сравнения связанных моделей (CMIP5) переоценивают отражательную способность теплых облаков (компонент оптики) и недооценивают их продолжительность жизни (компонент времени жизни).

Доктор Йоханнес Мюльменштедт — ученый-землянин в отделе атмосферных наук и глобальных изменений Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и ведущий автор исследования. Он сообщает Carbon Brief, что в 2010-х годах был опубликован ряд исследований, «показывающих, что облака в климатических моделях содержат гораздо больше льда, чем подтверждают спутниковые наблюдения», что указывает на то, что модели CMIP5 недооценивают количество жидкости, содержащейся в облаках.

Специалисты по моделированию климата всего мира обратили внимание на эти документы и приступили к обновлению своих моделей. Когда был выпущен последующий набор моделей — шестой проект взаимного сравнения связанных моделей, многие из них включали большую долю облачной жидкости.

Это изменение в моделировании облаков имело косвенный эффект увеличения «равновесной чувствительности климата» — количества потепления, которое планета увидит в ответ на удвоение уровня CO2 — во многих моделях CMIP6.

Мюльменштедт объясняет, что это был «один из больших сюрпризов, вышедших из CMIP6», и «в значительной степени» он был связан с изменениями в моделировании внетропических низких облаков над Южным океаном. Marvel подтверждает, что «большая часть увеличения чувствительности климата между климатическими моделями CMIP5 и CMIP6 связана с изменениями в том, как модели имитируют облака».

Высокая климатическая чувствительность моделей CMIP6 привлекла широкое внимание научного сообщества, поскольку более высокая климатическая чувствительность означает, что будущее потепление будет более быстрым и интенсивным, чем считалось ранее.

Однако представление теплых облаков в моделях CMIP6 все еще несовершенно. В этом исследовании авторы подчеркивают значительную «ошибку» в процессах выпадения облачных осадков — теплые облака в моделях CMIP6 производят слишком много дождя. Чтобы показать степень ошибки, авторы обновляют существующую климатическую модель, чтобы включить более точную вероятность теплого дождя, а затем сравнивают ее результаты с исходной моделью.

Они обнаружили, что «обратная связь в течение жизни облака» — процесс, из-за которого более теплые облака не так легко выпадают дождем — может быть почти в три раза больше, чем предполагается в существующих моделях. Это означает, что теплые облака в моделях CMIP6 слишком легко выпадают в осадок и имеют слишком короткий срок службы, в результате чего модели недооценивают охлаждающий эффект облаков в климатической системе.

Мюльменштадт подчеркивает, что исправление этого эффекта продолжительности жизни облаков может иметь такое же большое влияние на прогнозы будущего потепления, как и переход от моделей CMIP5 к моделям CMIP6:

«Жидкие облака в климатических моделях выпадают слишком часто. Мы обнаружили, что исправление этой проблемы в модели, которую мы изучили, уменьшает величину потепления, предсказанную моделью, примерно на ту же величину, что и увеличение потепления между CMIP5 и CMIP6. Таким образом, основной посыл таков: относитесь к дополнительному потеплению в CMIP6 с недоверием, пока в моделях не будут устранены некоторые другие известные проблемы с облаками».

Доктор Тапио Шнайдер, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА, не участвовавший в исследовании, сообщил Carbon Brief, что документ «дополняет длинный ряд исследований, показывающих, что облака сложны, а климатические модели плохо их воспроизводят».

Теплый дождь

Чтобы скорректировать смоделированные процессы осадков, авторы сосредотачиваются на существующей климатической модели из ансамбля CMIP6.На приведенных ниже картах показана «доля теплых дождей» — доля дождей, вызванных процессами, не относящимися к фазе льда в облаках, — в этой модели.

На верхней карте показана доля теплых дождей в современном климате, где красным цветом обозначена высокая доля, а синим — низкая доля. На нижней карте показано, как доля теплых дождей может измениться в будущем, когда на 4 градуса потеплеет по сравнению с современным климатом, где красным цветом показано увеличение доли теплых дождей, а синим цветом — уменьшение.

Карты показывают, что большинство процессов выпадения теплых осадков происходит вблизи экватора, где температура самая высокая, и что они особенно распространены над океаном. По мере того как планета нагревается, увеличение доли теплых дождей особенно заметно в средних широтах южного полушария, в то время как ожидается, что над морем в низких широтах она уменьшится.

Авторы корректируют процессы выпадения осадков, используя спутниковые данные, чтобы определить, сколько дождя выпадает из облаков в современном климате. Затем они изменяют процессы теплого дождя в климатической модели, чтобы более точно соответствовать наблюдаемой со спутника вероятности дождя.

На приведенном ниже графике показана вероятность дождя из теплых облаков на разных широтах, наблюдаемая с использованием спутниковых данных (серый цвет) и смоделированная с использованием исходной модели (красный цвет) и обновленной модели (желтый цвет).

График показывает, что, хотя обновленная модель по-прежнему предсказывает количество осадков с завышенным прогнозом по сравнению со спутниковыми данными, она соответствует спутниковым данным более точно, чем исходная модель.

Экспертный анализ прямо на ваш почтовый ящик.

Получите сводку всех важных статей и документов, отобранных Carbon Brief, по электронной почте. Узнайте больше о наших информационных бюллетенях здесь.
Вводя свой адрес электронной почты, вы соглашаетесь на обработку ваших данных в соответствии с нашей Политикой конфиденциальности.

Ваши данные будут обрабатываться в соответствии с нашей Политикой конфиденциальности.

Согласно статье, использование наблюдений для ограничения облачных процессов, а также состояния облачности «является необходимым шагом на пути к надежным климатическим прогнозам». Мюльменштадт сообщает Carbon Brief, что этот метод может дать информацию о том, как ученые используют наблюдения для повышения точности моделей в будущем:

«Мы, как область, должны выяснить, как лучше всего использовать наблюдения, чтобы уменьшить «пространство для маневра», которое в настоящее время есть у моделей в том, как они представляют облачные процессы. Наблюдения, которые у нас есть в настоящее время, в основном дают нам снимки состояния облаков. Но то, как модели думают об облаках, основано на их динамике — как быстро они формируются, выпадают или испаряются».

Он добавляет, что ученые-климатологи должны подумать, чтобы убедиться, что они могут получить соответствующие данные для проведения такого рода исследований:

«Спутник, который сделал возможным это исследование, является единственным в своем роде и работает с 2006 года, когда срок службы давно истек, благодаря удивительным усилиям НАСА по поддержанию его в рабочем состоянии. Если мы потеряем возможность такого типа наблюдений или если промежутки между наблюдениями станут слишком большими, большая часть нашей науки станет еще сложнее, чем сейчас».

Шнайдер сообщает Carbon Brief, что в документе выделяются источники данных, которые можно «плодотворно использовать» для будущих исследований. Он добавляет:

«Ответ на вопрос о том, что контролирует облачность, имеет решающее значение для понимания или исключения сильно усиливающейся обратной связи облаков с глобальным потеплением, наблюдаемой в недавних климатических моделях. Результаты здесь показывают, что ответ на этот вопрос обязательно включает более строгие ограничения на то, насколько легко облака оседают. как они согреются».

Д-р Алехандро Бодас-Сальседо из Метеорологического бюро Великобритании, не участвовавший в исследовании, говорит, что документ «очень интересен» и «подчеркивает важность процессов выпадения осадков для радиационной обратной связи облаков».

Однако он отмечает, что, поскольку в исследовании тестируется только одна модель, «надежность их заголовка должна быть проверена в рамках нескольких моделей» в качестве следующего шага.

Мюльменштедт, Дж. и соавт. (2021) Недооцененная отрицательная обратная связь облаков от изменений продолжительности жизни облаков, Nature Climate Change, doi: 10.1038/s41558-021-01038-1