Физика осадков
в теплом климате

Научный консенсус в отношении изменения климата заключается в том, что атмосферные температуры растут и будут продолжать расти. Средние глобальные температуры уже на 1 °C выше, чем в доиндустриальные времена (относительно 1850–1900 гг.), в основном из-за деятельности человека, увеличивающей количество парниковых газов в атмосфере (IPCC, 2018a). Парижская конференция сторон (КС) 2020 года согласовала цель ограничения потепления, вызванного изменением климата, на 1,5 °C, хотя без быстрого принятия мер по сокращению выбросов углерода и парниковых газов глобальное потепление может легко превысить этот предел.

Фактически, Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) предупреждает, что даже повышение средней глобальной температуры на 1,5°C приведет к увеличению частоты и интенсивности осадков. Но что связывает более теплый климат с увеличением количества интенсивных дождей? Этот пост в блоге объяснит физику изменений количества осадков в условиях потепления климата.

Простой обзор физики

Прогнозы климата одновременно предупреждают о более высоких среднегодовых приземных температурах, более высоких уровнях интенсивных осадков и более частых интенсивных ливневых дождях. Содержание влаги в атмосфере увеличивается по мере изменения температуры: чем теплее атмосфера, тем больше воды удерживается в атмосфере, и, следовательно, можно ожидать большего количества осадков.

Это объясняется зависимостью Клаузиуса-Клапейрона между температурой поверхности и водяным паром. Согласно соотношению Клаузиуса-Клапейрона, содержание воды в атмосфере увеличивается на 6–7 % на 1 °C. Таким образом, даже всего лишь повышение температуры на 1,5 °C может привести к увеличению количества воды в атмосфере примерно на 9%, что может оказать серьезное влияние на систему штормов и последующие дожди.

Штормовые системы, путешествующие через океаны, будут иметь повышенное содержание влаги из-за испарения воды с поверхности моря, образуя более крупную штормовую систему и, следовательно, больше осадков. JBA недавно обсудил риск наводнения из-за усиления дождей из-за изменения климата, и позже в этом блоге этот вопрос будет рассмотрен в отношении ливневых систем.

Как образуются осадки

В метеорологии осадками могут быть жидкие или твердые воды, выпадающие из атмосферы и достигающие поверхности Земли. Типы осадков включают дождь, мокрый снег или снег, в зависимости от температуры атмосферы. Во время круговорота воды (рис. 1) вода испаряется с поверхности в атмосферу и переходит из жидкого состояния в парообразное. Водяной пар образует облачные капли, которые соединяются вместе, пока тяжелые капли не выпадают из облаков в виде осадков. Несколько процессов влияют на этот простой взгляд на путь от испарения до осадков.

Рисунок 1: Схема круговорота воды, показывающая связи между водными массами, атмосферой и транспирацией и конденсацией водяного пара.

Более подробно взаимосвязь между температурой поверхности и осадками

Связь между осадками и температурой поверхности определяется уравнениями Клаузиуса-Клапейрона. Уравнения Клаузиуса-Клапейрона рассчитывают энергию, необходимую для проведения химической реакции при заданном давлении. Что касается осадков, уравнения Клаузиуса-Клапейрона можно использовать для расчета тепловой энергии, необходимой для конденсации водяного пара в капли, когда известно атмосферное давление.

Когда капли воды испаряются в атмосферу, они поднимаются вверх. Поскольку соотношение Клаузиуса-Клапейрона зависит от атмосферного давления, потребность в тепловой энергии для фазового перехода ниже при более низком давлении. Когда капли воды движутся вверх, происходят две вещи:

1. Атмосферное давление снижается, и
2. Атмосферная температура понижается (это известно как градиент температуры и обычно оценивается в -6,5 ° C на километр).

Когда водяной пар достигает высоты, на которой атмосферное давление и температура удовлетворяют соотношению Клаузиуса-Клапейрона, водяной пар конденсируется в облачные капли.

Влияние потепления климата на зависимость приземной температуры от осадков

Выброс углекислого газа и других парниковых газов в атмосферу людьми уже привел к изменению климата в виде потепления атмосферы. Долгосрочные измерения показывают, что с 1900 года атмосфера уже нагрелась на 1°C. Согласно прогнозам МГЭИК, дополнительное потепление неизбежно, и предпринимаются попытки удержать глобальное потепление атмосферы на уровне ниже 1,5°C. Хотя, как упоминалось ранее, это все равно может увеличить частоту и интенсивность осадков (IPCC, 2018b). Чтобы понять, как увеличение среднегодовой приземной температуры повлияет на количество осадков, мы можем применить соотношение Клаузиуса-Клапейрона в географическом контексте.

Поскольку уравнения Клаузиуса-Клапейрона определяют взаимосвязь между паром и давлением, их также можно использовать для определения давления насыщенного пара в зависимости от температуры. В метеорологии давление насыщенного пара — это максимальное давление водяного пара при данной температуре до того, как он сконденсируется. Следовательно, давление, необходимое для конденсации капли воды, увеличивается экспоненциально по отношению к изменению температуры.

Это означает, что соотношение Клаузиуса-Клапейрона можно использовать для определения содержания влаги в атмосфере. Более высокие атмосферные температуры увеличат содержание влаги в атмосфере до конденсации, потому что изменение климата не повлияет на атмосферное давление так же, как на температуру. Это приводит к ранее упомянутому расчету, согласно которому содержание влаги в атмосфере будет увеличиваться на ~6,5% при повышении температуры на 1°C, и означает, что потепление атмосферы на 1,5°C приведет к увеличению содержания влаги в атмосфере на ~9%.

Влияние на штормы и осадки

Это увеличение на ~ 9% влияет на штормовые системы и, следовательно, на количество осадков. Ураган Харви обрушился на побережье Техаса в августе 2017 года. За семь дней в районах Техаса, включая Галвестон и Хьюстон, выпало почти 1,5 метра осадков.

Исследования, опубликованные после этого события, показывают, что интенсивность урагана Харви объясняется сочетанием остановки урагана в одном месте и изменения климата. В Мексиканском заливе, источнике влаги во время урагана Харви, с доиндустриальных времен произошло антропогенное повышение температуры поверхности моря на 1 °C (Pall et al., 2017; Trenberth et al., 2018). Сравнивая данные об осадках, вызванных ураганом Харви, с аналогичным событием 1950 года, анализ экстремальных значений пришел к выводу, что изменение климата способствовало увеличению количества осадков на 5–7 % во всем регионе, пострадавшем от урагана (Risser and Wehner, 2017).

В связи с увеличением количества осадков и более широкими последствиями изменения климата организациям важно подумать о потенциальном риске для своего бизнеса. Модель наводнений в связи с изменением климата в Великобритании, разработанная JBA, оценивает и количественно определяет риск будущих наводнений в Великобритании в условиях потепления климата и дополняет наш спектр глобальных аналитических данных об изменении климата, помогая клиентам понимать и управлять последствиями изменения климата для их активов, а также обеспечивать долгосрочное планирование. .

Для получения дополнительной информации о нашей работе в области изменения климата, включая индивидуальные консультационные услуги, предлагаемые нашей командой экспертов, свяжитесь с нами.

использованная литература

МГЭИК, 2018a: Резюме для политиков. В: Глобальное потепление на 1,5°C. Специальный доклад МГЭИК о последствиях глобального потепления на 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем и соответствующих глобальных путях выбросов парниковых газов в контексте усиления глобального реагирования на угрозу изменения климата, устойчивого развития и усилий по искоренению бедности [Массон-Дельмотт, В., П. Жай, Х.-О. Пёртнер, Д. Робертс, Дж. Скеа, П. Р. Шукла, А. Пирани, В. Муфума-Окиа, К. Пеан, Р. Пидкок, С. Коннорс, Дж. Б. Р. Мэтьюз, Ю. Чен, X. Чжоу, М. И. Гомис, Э. Лонной, Т. Мэйкок, М. Тигнор и Т. Уотерфилд (ред.)]. Всемирная метеорологическая организация, Женева, Швейцария.

МГЭИК, 2018b. Воздействие глобального потепления на 1,5ºC на природные и антропогенные системы. В: Глобальное потепление на 1,5°C. Специальный доклад МГЭИК о последствиях глобального потепления на 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем и соответствующих глобальных путях выбросов парниковых газов в контексте усиления глобального реагирования на угрозу изменения климата, устойчивого развития и усилий по искоренению бедности [Массон-Дельмотт, В., П. Жай, Х.-О. Пёртнер, Д. Робертс, Дж. Скеа, П. Р. Шукла, А. Пирани, В. Муфума-Окиа, К. Пеан, Р. Пидкок, С. Коннорс, Дж. Б. Р. Мэтьюз, Ю. Чен, X. Чжоу, М. И. Гомис, Э. Лонной, Т. Мэйкок, М. Тигнор и Т. Уотерфилд (ред.)]. Всемирная метеорологическая организация, Женева, Швейцария.

Пол П., Патрикола С. М., Венер М. Ф., Стоун Д. А., Пасиорек С. Дж., Коллинз В. Д. 2017. Диагностика обусловленного антропогенного вклада в обильные осадки в Колорадо в сентябре 2013 г. Экстремальные явления погоды и климата, 17, стр. 1-6.

Риссер, М.Д., Венер, М.Ф. 2017. Атрибутивные антропогенные изменения вероятности и величины наблюдаемых экстремальных осадков во время урагана Харви. Письма о геофизических исследованиях № 44 (24), doi: 10.1002/2017GL075888.

Тренберт, К.Э., Ченг, Л., Джейкобс, П., Чжан, Ю., Фасулло, Дж. 2018. Ураган Харви связан с содержанием тепла в океане и адаптацией к изменению климата. Будущее Земли, 6(5), doi: 10.1029/2018EF000825