Введение: Связь между климатом и катастрофой

Научный анализ все чаще показывает, что крупным событиям, таким как ураганы, наводнения, лесные пожары, волны тепла и даже некоторые землетрясения, предшествуют и формируются различные региональные климатические аномалии. Эти аномалии - отходы от долгосрочной средней температуры, осадков, давления или ветра - действуют как предварительные условия, которые усиливают или вызывают экстремальные события. Понимание этих моделей не просто академическое; оно предоставляет специалистам по планированию чрезвычайных ситуаций, страховщикам и сообществам время для подготовки и снижения риска.

В этой статье рассматриваются климатические аномалии, наиболее сильно связанные с крупными стихийными бедствиями в разных регионах, на основе данных наблюдений, динамики климата и рецензируемых исследований. Основное внимание уделяется физическим механизмам, которые связывают сдвиг в климатической переменной с повышенным риском конкретного типа бедствия.

Ураганы и аномалии температуры поверхности моря

Тропические циклоны, известные как ураганы в Атлантическом и восточном Тихом океане, питаются теплой океанской водой. Основная климатическая аномалия, приводящая к образованию и интенсификации ураганов, выше средней температуры поверхности моря (SST) в тропических и субтропических океанах. Когда SST превышают 26,5 ° C (около 80 ° F) над глубоким слоем, атмосфера выше становится неустойчивой и влажной, обеспечивая энергию, необходимую для развития циклона.

Однако, связь идет глубже, чем простой температурный порог. Аномальное тепло в основной области развития Атлантики — между 10°N и 20°N от Карибского моря до побережья Западной Африки — последовательно коррелирует с более активными сезонами ураганов. Сезон ураганов в Атлантике 2020 года, который произвел рекордные 30 названных штормов, произошел в период, когда аномалии SST в этом регионе достигли +1,0°C выше базового уровня 1981-2010 гг. Исследования показывают, что каждое потепление на 0,5°C выше среднего может увеличить вероятность крупного урагана (категория 3 или выше) примерно на 10-15%.

Помимо SST, еще одной критической аномалией является вертикальный сдвиг ветра . Низкий сдвиг ветра, определяемый как небольшая разница в скорости и направлении ветра между нижней и верхней тропосферой, необходим для поддержания структуры тропического циклона. Региональные климатические модели, которые подавляют сдвиг ветра, такие как более слабая атлантическая субтропическая струя или благоприятная фаза колебания Мэддена-Джулиана (MJO), создают окна повышенного риска урагана. И наоборот, высокий сдвиг ветра от событий Эль-Ниньо в Тихом океане часто подавляет активность атлантического урагана, нарушая организацию шторма.

Решающее значение здесь имеют долгосрочные климатические колебания. Атлантическое многокадальное колебание (AMO) , которое измеряет вариабельность SST в масштабах бассейна в течение 30-40 лет, сдвиги между теплыми и холодными фазами. С конца 1990-х годов AMO находится в теплой фазе, способствуя повышенным аномалиям SST и более активным режимам ураганов. Между тем, Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO) модулирует сдвиг ветра и штормовые треки через Тихий океан и Атлантику. Эль-Ниньо обычно снижает частоту ураганов в Атлантике, но может смещать активность тихоокеанского тайфуна на восток.

Climate.gov предоставляет доступный обзор связи между потеплением океана и интенсивностью ураганов, и данные ясно показывают, что региональные аномалии SST являются единственным наиболее надежным предиктором сезонного потенциала ураганов.

Атмосферная влага и сильные осадки

В то время как ветер и штормовые нагоны вызывают немедленное разрушение, наводнения пресной водой от ураганных осадков стали растущей угрозой. Климатические аномалии, которые повышают содержание влаги в атмосфере - более теплый воздух содержит больше водяного пара на Клаузиус - масштабирование Клапейрона (приблизительно на 7% больше на градус Цельсия) - непосредственно увеличивают скорость осадков. Ураганы, такие как Харви (2017) и Флоренция (2018), произвели рекордные осадки отчасти потому, что аномалии Гольфстрима и западной Атлантики SST были на 1-3 ° C выше нормы, питая штормы с необычайной влагой. Системы прогнозирования теперь интегрируют эти аномалии влаги для улучшения прогнозов осадков для предупреждений о внутренних наводнениях.

Наводнение и аномалии режима осадков

Наводнение является наиболее распространенным стихийным бедствием в мире, и его связь с климатическими аномалиями является одновременно прямой и сложной. Наиболее очевидной аномалией является выше среднего осадков в течение нескольких дней до нескольких недель, но региональное выражение сильно варьируется.

Атмосферные реки — узкие, нити нитей интенсивных водных паров — являются доминирующим механизмом, вызывающим наводнения в западных Соединенных Штатах, Европе и частях Восточной Азии. Аномальная стойкость или интенсивность атмосферных рек в зимние месяцы была связана с экстремальными наводнениями. Калифорнийские наводнения в начале 2023 года, например, были вызваны последовательностью необычайно сильных атмосферных рек («Ананасовый экспресс»), частично связанных с отрицательной фазой тихоокеанского — североамериканского рисунка и теплой аномалией SST в центральной части Тихого океана. Эти крупномасштабные аномалии направляли влажные шлейфы к Западному побережью и задерживали их в течение нескольких дней, насыщая водоразделы и подавляющие системы контроля за наводнениями.

В районах муссонов аномалии в наступающем времени, продолжительности или общем сезонном количестве осадков являются решающими. Южноазиатский муссон, который обеспечивает примерно 70-80% годовых осадков в Индию и соседние страны, модулируется ENSO и Диполем Индийского океана (IOD). Положительный IOD (теплый западный Индийский океан) часто усиливает муссонный дождь над индийским субконтинентом, увеличивая риск широко распространенных наводнений. И наоборот, отрицательный IOD может способствовать засухе. Пакистанские наводнения 2022 года, которые затопили одну треть страны, произошли в контексте сильной положительной фазы IOD в сочетании с рекордными аномалиями SST в Аравийском море, которые поставляли исключительную влагу в муссоновую систему.

Еще одна часто упускаемая из виду аномалия — это быстрое таяние снега. В высокогорных и горных регионах аномально теплые весенние температуры могут вызвать внезапное, синхронное таяние глубоких снежных покровов, подавляющих речные каналы. Этот процесс был ключевым фактором наводнения Красной реки в 1997 году на севере США и в Канаде, а также весенних наводнений 2023 года на Верхнем Среднем Западе. Эквивалент воды в снежном покрове, высота линии замерзания и суточные температурные диапазоны отслеживаются как ведущие показатели риска наводнений, вызванных таянием.

USGS отслеживает динамику таяния снега и их связь с опасностями наводнений, предоставляя общедоступные данные, которые местные агентства используют для калибровки прогнозов наводнений.

Влажность почвы и усиление стока

Аномалии осадков не действуют изолированно. Когда почвы уже насыщены от предыдущих осадков или таяния снега, резко усиливается дополнительный сток. Аномальная предшествующая влажность почвы — влажность почвы до события осадков — является критическим фактором, отделяющим управляемое событие дождя от катастрофического наводнения. Европейские поверхности суши испытали устойчивые положительные аномалии влажности почвы в июле 2021 года до смертельных наводнений в Германии, Бельгии и Нидерландах, где 15-20 см осадков выпали за 48 часов на уже насыщенную землю. Климатические модели показывают, что такие сложные аномалии — высокие осадки на предварительно влажных почвах — станут более распространенными в условиях потепления климата из-за увеличения атмосферной влаги и изменения штормовых следов.

Оригинальное название: Wildfires: The Drought-Heat-Wind Nexus

Активность лесных пожаров тесно связана с региональными климатическими аномалиями, которые высыхают растительность и создают условия, подверженные воспламенению. Наиболее важной аномалией является дефицит осадков — засуха, которая снижает содержание влаги в топливе в живой и мертвой растительности. Однако точные сроки и пространственная протяженность имеют большое значение.

В средиземноморском климате (Калифорния, Южная Европа, Австралия, Чили) сезон лесных пожаров следует за сухим летом. Климатическая аномалия продолжительной или усиленной засухи в осенние месяцы - когда часто развиваются сильные нисходящие ветры (Диабло, Санта-Ана, Сирокко) - создает самые опасные условия пожара. Пожар в лагере 2018 года в Калифорнии, самый смертоносный в истории штата, произошел после того, как регион пережил рекордно теплую и сухую осень, которая оставила растительность критически сухой. Аномалии осадков в октябре 2018 года были на 80 процентов ниже исторического среднего, в то время как температура была на 3-5 ° C выше нормы. Эта комбинация создала уровни влажности топлива, которые приближались к рекордным минимумам.

Другая критическая аномалия — низкая относительная влажность в сочетании с сильными ветрами. В пожароопасных регионах эти условия часто связаны с градиентами давления синоптического масштаба — например, с сильной системой высокого давления над внутренним бассейном и низким давлением вдоль побережья в Калифорнии. Изменение климата, по прогнозам, увеличит частоту таких моделей давления в некоторых регионах, удлинив «сезон пожаров» и расширив географическую область риска.

В бореальных лесах (Аляска, Канада, Сибирь) риск лесных пожаров обусловлен аномальным теплом и ранним таянием снега. Более тёплые, чем в среднем, источники высыхают лесное дно раньше, что позволяет пожарам воспламеняться и распространяться более легко. Канадскому сезону лесных пожаров 2023 года, который сгорел более 18 миллионов гектаров, предшествовала необычайно теплая и сухая весна с аномалиями +2-4 ° C на большей части Британской Колумбии и Альберты. Эти условия были частью более широкой картины высокоамплитудных струйных волн, связанных с усилением Арктики — ускоренным потеплением Арктики относительно средних широт, что, по некоторым исследованиям, увеличивает вероятность стойких погодных режимов, которые высыхают ландшафты.

НАСА предоставляет спутниковые доказательства обратной связи между климатическими аномалиями и пожарной активностью, показывая, как засухоустойчивая растительность и пирокумулонимбусные облака могут впрыскивать дым в стратосферу и изменять региональные радиационные бюджеты.

Землетрясения и климат: связь с субтлерами

Землетрясения в основном являются тектоническим явлением, вызванным медленным накоплением напряжения на границах плит. Однако растущее количество исследований указывает на то, что климатические аномалии могут модулировать время сейсмических событий через изменения давления пор в пределах разломов. Сильные дожди, быстрое таяние снега или накопление резервуара могут увеличить гидравлическую головку в породах, уменьшая эффективное напряжение и потенциально способствуя возникновению землетрясения на разломе, который уже был близок к провалу.

Хорошо задокументированный случай - землетрясение Тохоку 2011 года (Япония Mw 9.1), для которого некоторые исследования рассмотрели роль глубокого давления грунтовых вод от сезонного таяния снега, хотя величина эффекта остается предметом обсуждения. Более убедительно, вызванная водохранилищем сейсмичность в Койне (Индия) и Зипингпу (Китай) демонстрирует, что нагромождение больших водных масс изменяет местные поля напряжения и скорости сейсмичности. Хотя это антропогенные, а не чисто климатические, механизм порового давления аналогичен природным тяжелым аномалиям осадков.

Другие исследования показывают, что эрозия и разгрузка осадков в регионах, где сильные осадки вызывают быстрое изменение ландшафта, могут разгрузить кору, вызывая гибкую реакцию, которая может вызвать неглубокую сейсмичность в геологически активных горных поясах, таких как Гималаи и Альпы Новой Зеландии. Однако эти эффекты являются вторым порядком по сравнению с тектоническими силами. Ключевой вывод заключается в том, что, хотя климатические аномалии не вызывают землетрясений, они могут влиять на натяжение и запуск мелких сейсмических событий в конкретных, высокочувствительных условиях.

USGS поддерживает раздел исследований индуцированной сейсмичности, включая триггеры, связанные с климатом, что является полезным ресурсом для понимания этой ниши, но важной связи.

Тепловые волны и атмосферные блокирующие шаблоны

Тепловые волны являются одними из самых смертоносных стихийных бедствий, и их возникновение сильно связано с региональными климатическими аномалиями в виде устойчивых хребтов высокого давления (FLT: 1) («тепловые купола»), которые задерживаются в регионе в течение нескольких дней или недель. Эти хребты создают ясное небо, сужаясь воздух, который нагревается адиабатически, и петлю обратной связи, где земля нагревается и дополнительно нагревает воздух.

Климатическая аномалия, которая позволяет такую блокировку, представляет собой крупномасштабное разрушение струйного потока в высокоамплитудные волны. Ослабленный или волнистый струйный поток, который может быть связан с усилением Арктики и изменениями температурного градиента экватора к полюсу, позволяет системам высокого давления оставаться неподвижными. Тихоокеанская северо-западная волна тепла 2021 года, которая привела к температуре 49,6 ° C (121,3 ° F) в Литтоне, Британская Колумбия, была связана с рисунком «Ω-блок» - хребтом высокого давления, окруженным двумя корытами, который сохранялся почти неделю.

Несколько региональных факторов усиливают тяжесть тепловой волны:

  • Предшествующий дефицит влажности почвы:] Сухие почвы снижают испарительное охлаждение, позволяя температурам подниматься выше.В Европе волнам жары 2003 и 2019 годов предшествовали весенний и ранний летний дефицит осадков 30-50%.
  • Эффекты городских тепловых островов: В городах баланс поверхностной энергии сдвигается в сторону разумного нагрева, особенно когда местные температуры уже превышают 35 °C.
  • Теплая адвекция из аномально горячих источников: Европейская жара 2019 года привлекла воздух из Сахары, которая сама пережила тепловую аномалию в начале сезона.

Климатические прогнозы показывают, что частота таких блокирующих моделей может увеличиваться в некоторых регионах средней широты, хотя точный ответ по-прежнему является активной областью исследований.Несмотря на это, связь между постоянной аномалией давления и экстремальной жарой является одной из самых надежных в науке о климатических катастрофах, формируя основу для среднесрочных прогнозов тепловых волн.

Как глобальные климатические колебания формируют региональный риск бедствий

Помимо отдельных типов аномалий, крупномасштабные климатические колебания действуют как , создавая риск бедствий, меняя базовую вероятность множественных опасностей одновременно. Понимание этих колебаний позволяет проводить сезонные и десятилетние оценки риска.

Эль-Ниньо – Южное колебание (ENSO)

ENSO является доминирующим режимом изменчивости климата в течение года. Во время Эль-Ниньо восточная часть Тихого океана нагревается, изменяя глобальную циркуляцию атмосферы. Региональные эффекты включают:

  • Повышенный риск наводнений в южном ярусе США (Калифорния, побережье Мексиканского залива) и части Перу и Эквадора из-за более южного штормового пути.
  • Снижение активности ураганов в Атлантике из-за увеличения сдвига ветра в тропической Атлантике.
  • Риск засухи и лесных пожаров в Индонезии, Австралии и некоторых частях Южной Америки.

Условия Ла-Нинья часто приводят к противоположным эффектам: больше атлантических ураганов, влажные муссоны в Южной Азии и более сухие условия на юго-западе Северной Америки.

Атлантическая многодекадная осцилляция (АМО)

Как отмечалось ранее, АМО влияет на Атлантические СНТ и, следовательно, на активность ураганов. Она также коррелирует с характером осадков в регионе Сахеля Африки и в некоторых частях США и Европы. Теплая фаза АМО в сочетании с положительным IOD была связана с усилением сахельского осадка и евразийскими экстремальными температурными условиями.

Североатлантическая осцилляция (НАО)

Нано влияет на зимние штормовые трассы над Европой и восточной частью Северной Америки. Отрицательная аномалия NAO часто приводит к более холодным и штормовым условиям над Европой, в то время как положительная фаза приносит мягкий влажный атлантический воздух. Стойкие аномалии NAO могут привести к зимним паводковым или засуховым режимам.

Каждое из этих колебаний взаимодействует с антропогенным потеплением, а это означает, что их последствия теперь накладываются на исходный уровень потепления. Теплое АМО плюс изменение климата, вероятно, приводит к еще более высоким аномалиям SST, чем любой из факторов, усиливая риск урагана.

Практические последствия для прогнозирования и готовности

Связь между климатическими аномалиями и стихийными бедствиями не просто научное любопытство - она все более и более оперативна. Национальные метеорологические службы, перестраховочные компании и гуманитарные организации используют прогнозы на основе аномалий, чтобы предвидеть потенциальную катастрофу за несколько недель до нескольких месяцев.

Например, Центр прогнозирования климата в США выпускает ежемесячные и сезонные прогнозы температуры и осадков на основе ENSO, MJO и долгосрочных тенденций. Эти прогнозы подпитывают карты потенциала наводнений, засух и лесных пожаров. В частном секторе моделисты катастроф включают аномалии SST и влажности почвы в свои модели риска для оценки вероятных максимальных потерь от ураганов и наводнений.

Для политиков и общественные планировщики ключевым выводом является то, что стратегии смягчения последствий должны быть динамичными, а не статическими. Знайте доминирующие климатические аномалии вашего региона: прибрежные сообщества должны отслеживать аномалии SST и ENSO; внутренние сообщества должны контролировать снежный покров, влажность почвы и блокирующие модели. Интегрируя прогнозы климатической аномалии в циклы планирования чрезвычайных ситуаций, общества могут перейти от чисто реактивного реагирования на стихийные бедствия к активному снижению риска.

Источники данных и инструменты мониторинга

Несколько бесплатных и общедоступных источников данных позволяют в режиме реального времени отслеживать климатические аномалии:

  • Лаборатория физических наук NOAA (psl.noaa.gov): предлагает ежедневные карты SST, атмосферной циркуляции и аномалии осадков.
  • Copernicus Climate Change Service (climate.copernicus.eu): предоставляет данные глобального реанализа для аномалий температуры, влажности и влажности почвы.
  • USGS WaterWatch: отслеживает аномалии потока и влажности почвы через водоразделы США.
  • Наблюдения за Землей НАСА (neo.gsfc.nasa.gov): спутниковая визуализация растительности, засухи и пожарных аномалий.

Делая эти инструменты стандартными ориентирами в планировании стихийных бедствий, регионы могут создать слой раннего предупреждения, который закупает критическое время до того, как произойдет катастрофа.

Вывод: аномалия как ранний предупреждающий сигнал

Региональные климатические аномалии не являются абстрактной статистикой — они являются физическими предшественниками, которые, если их понимать с точки зрения их опасных последствий, становятся действенным интеллектом. Теплый бассейн в тропической Атлантике, застопорившийся хребет высокого давления над континентом, сухая почвенная аномалия в подверженном пожару ландшафте — каждый из них является сигналом, достойным внимания.

Наука о связи между климатом и стихийными бедствиями быстро развивается, чему способствуют моделирование с высоким разрешением, улучшенные наборы данных повторного анализа и более глубокое понимание роли естественной изменчивости и изменения климата. Задача сейчас заключается в том, чтобы перевести это понимание в процесс принятия решений на местном, национальном и международном уровнях. Осознанное аномалией управление рисками стихийных бедствий спасает жизни и защищает средства к существованию. Эти модели существуют; мы должны их использовать.