Реклама на сайте

Изменения снежного покрова в центральной и восточной части Соединенных Штатов в будущих сценариях потепления

  1. Долгосрочная историческая проверка В предыдущем исследовании было показано, что эмпирическая гиперболическая...

Долгосрочная историческая проверка

В предыдущем исследовании было показано, что эмпирическая гиперболическая касательная функция может быть использована для описания взаимосвязи между частотой снега и температурой 10 (см. раздел Методы). Чтобы проверить этот метод для центральной и восточной части США, мы сравнили наблюдаемые случаи выпадения снега зимой (ноябрь-март) с вычисленными значениями выпадения снега с использованием наблюдаемой температуры для десяти репрезентативных станций (выбранных для исторического периода 1900–2014 гг. Из истории США). Набор данных Сети климатологии (USHCN) 13 ) (). Этот набор данных использовался в этой части нашего анализа, потому что мы хотели проверить взаимосвязь в течение длительного периода времени. Расположение десяти станций показано в Рис. S1 , Они распространяются на весь регион, подверженный сезонным снегопадам, и покрывают различные ландшафты (например, побережье, горы, озера и т. Д.) (См. Таблица S1 ). Цифры отображаются от низкоширотных (38 ° с.ш.) до высокоширотных (46,65 ° с.ш.) местоположений. Большинство наклонов линейных регрессий между моделируемыми отношениями и наблюдаемыми отношениями близки к 1, что указывает на то, что эмпирическая гиперболическая касательная функция может достаточно хорошо воспроизвести наблюдаемые отношения частоты снега. Как правило, величина уклона уменьшается с широтой, с наибольшим значением 0,879 над станцией Хот-Спрингс (38 ° с.ш.) и самым низким значением 0,492 над станцией Преск-Айл (46,65 ° с.ш.), что указывает на небольшую недооценку.

Наблюдаемые и смоделированные соотношения снежных явлений на десяти репрезентативных станциях (синие точки) и соответствующая линейная регрессия (красные линии), основанные на периоде 1900–2014 ггНаблюдаемые и смоделированные соотношения снежных явлений на десяти репрезентативных станциях (синие точки) и соответствующая линейная регрессия (красные линии), основанные на периоде 1900–2014 гг.

Зеленые линии показывают 95% доверительные интервалы. В заголовках указаны размеры выборки, наклоны линейных регрессий и коэффициенты определения.

Все рассчитанные по уравнению явления снега могут объяснить более 40% ( p <0,0001) от общей дисперсии наблюдаемых явлений снега, при этом большинство больше 50%. В течение исторического периода времени в большей части переходной зоны снег / дождь, определяемой как зона между зоной с преобладанием дождя (<10% частоты снега) и зоной с преобладанием снега (> 90% частоты снега) 11 рассчитанные по уравнению частоты снега, полученные из эмпирической гиперболической функции тангенса, могут фиксировать как величины, так и временные вариации наблюдаемых частот снега (). Таким образом, эмпирическая гиперболическая функция тангенса является разумным методом, который следует использовать при оценке крупномасштабной диаграммы частоты снега для будущих климатических сценариев.

Распределения по ансамблю усредненной частоты снега по наблюдениям (1981-2000 гг.) (Левый столбец), моделированию по историческим данным (1981-2000 гг.) (Средний левый столбец), RCP4.5 (2081–2100) (средний правый столбец) и RCP8 .5 (2081–2100) (правая колонка) сценарии выбросов (Единица измерения:%).

Карты были сгенерированы NCAR Command Language (NCL).

Будущие изменения

Наблюдаемая частота появления снега в центральной и восточной части США за период 1981-2000 гг. Была оценена с использованием набора данных о температуре поверхности и осадках с высоким пространственным разрешением (12,5 км). 14 , Наблюдаемые пространственные закономерности частоты снега за период 1981-2000 гг. Показаны на рис. Для каждого из пяти месяцев со снегом (ноябрь-март) существует переходная зона между заснеженной областью и областью, где преобладает дождь. Переходные зоны являются почти зональными, с небольшими сдвигами на юг над западом США и Аппалачи, что указывает на то, что более низкие температуры в районе возвышенности приводят к увеличению частоты выпадения снега. Например, в течение января () переходная зона расположена около 32–40 ° с.ш. с наклоном (южный сдвиг) над западной частью и Аппалачскими горами. Расположение переходных зон смещается в поперечном направлении в разные месяцы, так как они в основном контролируются температурой 10 , В январе самая холодная температура, самое южное местоположение переходной зоны и наибольшее пространственное распределение вероятности снегопада; в течение февраля () и декабря () переходная зона составляет около 34–42 ° с.ш., а за март () и ноябрь () - около 38–46 ° с.ш. Однако в регионе к югу от переходной зоны все еще наблюдаются снегопады (на основе наблюдений), поскольку в этом регионе снега очень мало 15 уклоны относительно применения эмпирической функции в текущем исследовании должны быть очень малы.

Смоделированные распределения частот снега на основе средних по ансамблю 10 ГКМ ( Таблица S2 ) из архива 5-го этапа проекта сопряженных моделей (CMIP5) за тот же период (1981–2000 гг.) при историческом прогоне 16 уменьшено с помощью метода сконструированных аналогов с коррекцией смещения (BCCA) 17 , похожи на наблюдения. В частности, расположение и ширина зон перехода между снегом и дождем между заснеженным районом над северной частью и заснеженным районом над южной частью очень похожи (). Основное отличие состоит в том, что моделируемый южный наклон в январе и феврале больше (), а моделируемая переходная зона в ноябре шире ().

К концу 21-го века (2081–2100 гг.) По репрезентативным сценариям концентрации 4.5 (RCP4.5) и RCP8.5 16 из-за потепления ( Figs S2 – S4 ), переходная зона равномерно сдвигается на север в течение всех пяти месяцев по обоим сценариям (), что указывает на то, что на больших площадях, где преобладает снег, в будущем преобладают дожди. Согласно сценарию типичных путей концентрации 4.5 (RCP4.5), северное смещение переходных зон составляет около 2 ° широты в течение декабря (), января () и февраля (), и около 4 ° широты в течение ноября () и марта ( ). Величина этих северных сдвигов увеличивается примерно до 5 ° по сценарию RCP8.5 (). В будущем в переходной зоне или даже в заснеженной зоне исторического периода будут некоторые районы, которые превратятся в районы, где преобладают дожди, а некоторые районы, где преобладает снег, которые переместятся в зону смешанной фазы. в соответствии с наблюдаемым снижением отношения снега к осадкам, обнаруженным в предыдущих исследованиях 15 , 18 , 19 , Это происходит из-за северного сдвига в переходной зоне, особенно в соответствии с RCP8.5, во время которого в большей части центральной и восточной части США преобладают дожди. Тем не менее, стоит отметить, что результаты, представленные в таблице, представляют климатологические средние значения (средние значения за 20 лет) для будущих сценариев и, таким образом, не исключают возможность случайного выпадения снега при сценариях будущего потепления в регионе, где преобладают дожди.

Более того, поскольку повышается суточная минимальная температура ( Рис. S4 ) обычно больше, чем увеличение среднесуточной температуры ( Рис. S2 ) и суточная максимальная температура ( Рис. S3 ) изменения максимально возможных снежных явлений ( Рис. S6 ) также больше, чем изменения минимально возможных снегопадов ( Рис. S5 ) и усредненные снежные явления (). Это указывает на то, что будущие изменения распределения вероятностей появления снега - это не просто равномерный переход к более низким значениям, но также и изменения асимметрии в сторону более низких значений.

Регион со снижением частоты снега также является зонально-распределенным, с наклоном к югу над западной частью региона и в Аппалачи (аналогично переходной зоне), обычно начинающимся от южной границы исторической переходной зоны и расширение на 10 ° широты к северу для декабря (), января (), февраля () по сценарию RCP4.5 и 12 ° для ноября () и марта (). Величины снижения частоты снега варьируются от нуля на севере (районы с преобладанием снега) и на юге (регионы с преобладанием дождя) до примерно 80% в середине, что указывает на то, что эти ранее заснеженные регионы изменятся на регионы с преобладанием дождя , Ситуации в сценарии RCP8.5 () аналогичны, с более широкими областями снижения частоты снега (на 3–4 ° севернее, чем в сценарии RCP4.5). Площади регионов с большим снижением частоты снега (> 80%) также больше, чем в сценарии RCP4.5, что указывает на то, что в предыдущих сценариях с преобладанием снега более преобладающие районы переходят в районы с преобладанием дождя. Величины снижения частоты снега также больше по сценарию RCP8.5 в той же области (регион, окружающий Чикаго, показан на Рис. S7 В качестве примера).

Изменения усредненной по ансамблю частоты снега (сценарии RCP относительно исторического моделирования) для сценариев выбросов RCP4.5 (левый столбец) и RCP8.5 (правый столбец) за пять месяцев (единица измерения:%).

Карты были сгенерированы NCAR Command Language (NCL).

Для количественной оценки уменьшения площади со снежным покровом сравниваются процентные доли площади с частотой снега> 10% и> 90% по трем сценариям. Эти два пороговых значения выбраны потому, что частота снега <10% считается преобладающей в виде дождя, а частота снега> 90% считается преобладающей в снеге, после того как приняты во внимание систематические ошибки эмпирических уравнений, показанные при рассмотрении. Согласно историческому сценарию на регион с очевидной частотой выпадения снега (> 10%) приходится около 37,5%, 67,5%, 72,5%, 67,5% и 47,5% всей центральной и восточной части США за пять месяцев с ноября по март. Эти цифры упали до примерно 22,5%, 50%, 65%, 55% и 35% в сценарии RCP4.5 и примерно до 10%, 40%, 52,5%, 45% и 22,5% в сценарии RCP8.5 (). С другой стороны, по историческому сценарию на регион с наибольшей частотой выпадения снега (> 90%) приходится около 1%, 22,5%, 30%, 20% и 1% всей центральной и восточной части США на пять месяцев, и эти цифры упадут до 0%, 7,5%, 17,5%, 7,5% и 0% по сценарию RCP4.5 и до 0%, 2%, 7,5%, 2% и 0% по сценарию RCP8 .5 сценарий ().

Процентные доли площадей с частотой выпадения снега более 10% ( а ) и 90% ( б ) при исторических (зеленый), RCP4,5 (синий) и RCP8,5 (красный) сценариях выбросов за пять месяцев (единица измерения: %).

Неопределенности в изменениях площади с выпадением снега из-за сценариев, определяемых как различия между двумя сценариями RCP, составляют около 10% от общей области исследования для основного снежного сезона (). Это согласуется с неопределенностями в северных сдвигах переходной зоны, которые имеют величину около 3 ° широты (). Для изменений площади с очевидной частотой выпадения снега (> 10%), неопределенности между GCM, определенные как стандартные отклонения изменений от всех GCM, составляют менее 3% от общей области исследования для ноября-января и 5–6% для Февраль-март по сценарию RCP4.5 ( Рис. S8a ). Для сценария RCP8.5 неопределенности между GCM составляют 3% для ноября и 3–10% для декабря-марта. Для изменений площади с большой частотой выпадения снега (> 90%) погрешности между GCM составляют ~ 2–5% для середины зимы в обоих сценариях RCP ( Рис. S8b ).