В средиземноморских климатических регионах засухи и тепловые волны не просто случайны — они глубоко взаимосвязаны через сложный цикл обратной связи, который усиливает оба явления. По мере роста глобальных температур понимание этой связи становится критически важным для управления все более дефицитными водными ресурсами, защиты уязвимых экосистем и охраны здоровья человека. Эти сложные экстремальные явления становятся все более частыми, более продолжительными и более серьезными, создавая беспрецедентные проблемы для обществ по всему Средиземноморскому бассейну, а также в других климатических зонах средиземноморского типа, таких как Калифорния, центральная Чили, регион Кейп в Южной Африке и части южной Австралии.

Понимание средиземноморского климата

Средиземноморский климат характеризуется характерным сезонным ритмом: жаркое, сухое лето и мягкая, влажная зима. Эта климатическая картина в значительной степени формируется сезонной миграцией субтропических систем высокого давления. В летние месяцы эти зоны высокого давления усиливаются и расширяются, эффективно блокируя дождевые погодные системы и приводя к длительным сухим периодам. Напротив, зима приносит влияние западных ветров, которые переносят прохладные, влажные воздушные массы, обеспечивая первичные осадки в регионе. Эта сезонная дихотомия создает узкое окно для осадков, которые должны поддерживать как естественные экосистемы, так и потребности в воде человека в течение длительного сухого сезона.

Естественная растительность в средиземноморских регионах развила замечательные приспособления, чтобы справиться с этой сезонностью и повторяющимся засухоустойчивым стрессом. Примеры включают чапаральные кустарники в Калифорнии, кустарники маки во Франции и Италии, сообщества гаррига в Греции и растительность финбоса в Южной Африке. Эти растительные сообщества обычно устойчивы к засухе и адаптированы к пожару, полагаясь на такие черты, как глубокие корни, склерофилльные листья и прорастание семян, стимулируемое огнем.

Однако деятельность человека, в первую очередь урбанизация, сельское хозяйство и обезлесение, изменили ландшафт и повысили уязвимость к засухе и экстремальным жарам. Изменения в почвенном покрове могут усугубить потерю влаги в почве и уменьшить региональное испарение, усиливая местное потепление. Хотя средиземноморские климатические зоны покрывают только около 2% поверхности Земли, они поддерживают более 10% населения мира и некоторые из наиболее продуктивных сельскохозяйственных регионов во всем мире, что делает их климатическую динамику критически важной.

Физические механизмы, связывающие засухи и тепловые волны

Обратная связь с почвенной влагой

Одной из наиболее значительных физических связей между засухой и тепловыми волнами является механизм обратной связи влажности почвы. Во время засухи дефицит осадков приводит к истощению влаги почвы. В нормальных условиях влажность почвы поддерживает испарение и транспирацию растений, процессы, которые потребляют энергию и охлаждают поверхность земли. Когда почвы высыхают, это испарительное охлаждение значительно снижается, а вместо этого больше поступающего солнечного излучения преобразуется в чувственное тепло, которое непосредственно нагревает воздух над поверхностью.

Эта петля обратной связи может повышать температуру поверхностного воздуха на несколько градусов Цельсия, существенно увеличивая вероятность, интенсивность и продолжительность тепловых волн. И наоборот, во время тепловой волны повышенные температуры ускоряют испарение из оставшейся влаги почвы и увеличивают напряжение воды растений, что еще больше ухудшает условия засухи. Эта двунаправленная обратная связь создает самоусиливающийся цикл, который усиливает экстремальную жару и сухость.

Альбедо и радиационные эффекты

Другим важным фактором является изменение поверхностного альбедо и энергетического баланса, вызванное засухой. Сухие почвы часто имеют более светлый цвет по сравнению с влажными почвами, что повышает отражательную способность поверхности (альбедо). В то время как более высокое альбедо может интуитивно предполагать охлаждение, снижение испарительного охлаждения и изменения свойств поверхности земли обычно приводят к чистому потеплению. Кроме того, длительная засуха может вызвать вымирание растительности, уменьшение покрова навеса и изменение поверхностных тепловых потоков.

Гибель растительности обнажает голую почву, которая нагревается быстрее и излучает больше длинноволнового излучения обратно в атмосферу. Такие взаимодействия между сушей и атмосферой имеют решающее значение для преодоления сложных экстремальных явлений, связанных с засухой и жарой, поскольку они влияют не только на местные температуры, но и на региональные климатические модели посредством обратной связи.

Атмосферные блокирующие шаблоны

Масштабные схемы циркуляции атмосферы также играют ключевую роль в увязке засух и тепловых волн. Постоянные хребты высокого давления, известные как блокирующие антициклоны, часто развиваются над средиземноморскими регионами во время летних тепловых волн. Эти блокирующие системы подавляют образование облаков и осадков, способствуя сухим условиям, одновременно захватывая горячие воздушные массы над областью в течение длительных периодов.

Застой этих воздушных масс препятствует охлаждению через адвекцию, приводя к накоплению тепла и усугубляя дефицит влаги. Последние исследования показывают, что частота, интенсивность и продолжительность блокирующих событий увеличились в последние десятилетия, потенциально связанные с усилением Арктики и результирующими изменениями динамики струйного потока. Эти сдвиги могут еще больше усилить сложные события засухо-тепловой волны в средиземноморском климате.

Роль изменения климата

Изменение климата усиливает связь между засухами и тепловыми волнами в средиземноморском климате по нескольким путям. Повышение глобальных температур увеличивает способность атмосферы удерживать влагу, что парадоксальным образом изменяет региональные модели осадков, часто приводя к уменьшению количества осадков во время критических влажных сезонов. Многие средиземноморские регионы наблюдали тенденцию к высыханию, со значительным снижением зимних осадков в Южной Европе, Северной Африке и на Ближнем Востоке, в то время как летние температуры растут быстрее, чем в среднем по миру.

В Шестом оценочном докладе МГЭИК, который даже при умеренных сценариях выбросов, средиземноморские регионы будут испытывать более частые, интенсивные и более длительные засухи и тепловые волны, ожидается, что сложные события, где засуха и тепловые волны происходят одновременно или последовательно, станут в два-три раза более распространенными к середине века.

Более высокие базовые температуры означают, что любая заданная тепловая волна сегодня горячее, чем это было бы в доиндустриальных климатических условиях. Когда условия засухи уже присутствуют, сочетание сухих почв и чрезмерного тепла создает петлю обратной связи, которая может вытолкнуть события за пределы исторических крайностей. Примечательным примером является европейская тепловая волна 2003 года, которой предшествовала сильная весенняя засуха, установив основу для рекордных летних температур, которые вызвали более 70 000 избыточных смертей.

Влияние на экосистемы и водные ресурсы

Лесные пожары

Наиболее непосредственным и заметным воздействием обратной связи засухо-тепловой волны является повышенный риск возникновения лесных пожаров. Сухая растительность, усугубляемая низкой влажностью и высокими температурами, создает идеальные условия для воспламенения и быстрого распространения огня. В средиземноморских климатических регионах периоды пожаров удлиняются, а пожары становятся все более интенсивными и разрушительными.

Австралийские лесные пожары 2019–2020 годов, которые сожгли более 18 миллионов гектаров и нанесли значительный экологический и социальный ущерб, были усугублены продолжительной засухой и рекордной жарой. Аналогичным образом, Калифорния пережила свои самые большие и самые разрушительные лесные пожары в течение засухи, с обширными потерями жизни, имущества и лесных ресурсов. Национальная интегрированная информационная система по засухе NAA активно отслеживает связь между условиями засухи и сожженными полями лесных пожаров, предоставляя критически важные данные для управления и реагирования.

Нехватка воды

Водные ресурсы в средиземноморском климате в значительной степени зависят от зимних осадков и накопления снежных покровов в горных районах. Засуха сокращает эти поступления, а тепловые волны ускоряют испарение из водохранилищ и увеличивают спрос на ирригацию в сельском хозяйстве. Такое сочетание часто приводит к острой нехватке воды и необходимости нормирования.

Например, Кейптаун столкнулся с многолетней засухой в сочетании с рекордной жарой, которая в 2018 году опасно приблизила город к «нулевому дню» — точке, в которой муниципальные запасы воды будут отключены. Добыча подземных вод часто увеличивается во время засухи, чтобы компенсировать дефицит поверхностных вод, но это может привести к таким проблемам, как вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты и оседание земель, что еще больше ставит под угрозу долгосрочную водную безопасность.

Потеря биоразнообразия

Местные виды растений и животных в средиземноморских регионах эволюционировали, чтобы терпеть сезонные засухи, но растущая частота и тяжесть событий засухи-тепловой волны выталкивают многих за пределы их физиологических порогов.Длительная засуха и экстремальная жара вызывают широко распространенную смертность у ключевых видов деревьев, таких как пробковый дуб и сосна Алеппо, которые испытали вымирание через Средиземноморский бассейн.

В Калифорнии засуха 2012–2016 годов привела к гибели более 100 миллионов деревьев, а водный стресс сделал деревья более уязвимыми для заражения корой жуков. Эта потеря среды обитания угрожает не только растительным сообществам, но и зависящим от них видам дикой природы. Более того, сдвиги в распределении видов и снижение видов ключевых камней могут привести к долгосрочным изменениям в функции экосистемы и устойчивости.

Влияние на сельское хозяйство и продовольственную безопасность

Климат Средиземноморья поддерживает глобально значимое сельское хозяйство, включая основные и высокоценные культуры, такие как оливки, виноград, цитрусовые, миндаль и пшеница. Как засуха, так и тепловой стресс негативно влияют на урожайность и качество сельскохозяйственных культур, создавая серьезные угрозы продовольственной безопасности и средствам к существованию в сельских районах.

Например, в период жары 2022 года в Южной Европе производство оливкового масла сократилось более чем на 40%, поскольку экстремальная жара нарушила цветение и фруктовый набор. Виноградные лозы, используемые для производства вина, чувствительны к дефициту воды и экстремальным температурам; сроки сбора урожая во многих регионах продвинулись на несколько недель по сравнению с прошлыми десятилетиями, что повлияло на состав винограда и качество вина. Увеличение спроса на ирригацию во время засухи ограничивает водоснабжение и повышает производственные затраты.

Фермеры сталкиваются с трудными вариантами адаптации к этим изменяющимся условиям. Некоторые переходят к более засухоустойчивым сортам сельскохозяйственных культур или альтернативным культурам, в то время как другие обращаются к неустойчивой перекачке грунтовых вод для удовлетворения потребностей в ирригации. Такие меры адаптации, как капельное орошение, мульчирование и мониторинг влажности почвы, могут повысить эффективность использования воды, но долгосрочная сельскохозяйственная жизнеспособность остается неопределенной во многих средиземноморских регионах. Продовольственная и сельскохозяйственная организация подчеркивает важность комплексного управления засухой и климатически оптимизированного сельского хозяйства для защиты продовольственной безопасности в этих меняющихся условиях.

Воздействие на здоровье человека

Тепловые волны уже являются самой смертоносной природной опасностью во многих средиземноморских странах, вызывая тысячи заболеваний и смертей, связанных с жарой, ежегодно. Когда они усугубляются засухой, последствия для здоровья человека значительно умножаются.

Высокие температуры повышают риск возникновения таких связанных с жарой состояний, как тепловое истощение, тепловой удар, сердечно-сосудистый стресс и заболевания почек, особенно среди уязвимых групп населения, включая пожилых людей, маленьких детей и работников на открытом воздухе.Засуха усугубляет проблемы качества воздуха за счет увеличения концентрации пыли и твердых частиц, в то время как дым от лесных пожаров добавляет опасные загрязнители, ухудшая респираторные и сердечно-сосудистые заболевания.

Европейская жара 2022 года привела к более чем 60 000 избыточных смертей, причем самые серьезные последствия наблюдаются в пострадавших от засухи странах, таких как Италия и Испания. Помимо физического здоровья, также затрагивается психическое здоровье; фермеры и сельские общины, сталкивающиеся с неурожаем, нехваткой воды и потерей средств к существованию, испытывают повышенные показатели депрессии, тревоги и самоубийств. Системы общественного здравоохранения должны адаптироваться к этим сложным рискам, улучшая системы раннего предупреждения, создавая центры охлаждения и обеспечивая целевую общественную поддержку и поддержку.

Экономические последствия

Прямые расходы включают ущерб инфраструктуре, такой как водопроводы, которые лопаются из-за высыхания почвы, дороги, которые пристегиваются при экстремальной жаре, и электрические сети, напряжённые повышенным спросом на охлаждение, наряду с потерями сельского хозяйства, расходами на борьбу с лесными пожарами и увеличением расходов на здравоохранение.

Косвенные расходы включают потерю доходов от туризма, когда природные парки закрываются из-за лесных пожаров или жары, увеличения страховых требований и долгосрочного снижения стоимости имущества в районах, подверженных пожарам или засухе.Недавнее исследование, опубликованное в Nature Communications, прогнозирует, что сложные засухо-тепловые события в Европе могут привести к экономическим потерям, превышающим 1 триллион евро ежегодно к концу века в сценариях с высокими выбросами, подчеркивая срочность решения этих связанных опасностей.

Стратегии смягчения и адаптации

Для эффективного решения взаимосвязанных проблем засухи и жары в средиземноморском климате необходимы скоординированные стратегии в различных масштабах, от местных общин до международного сотрудничества.

  • Охрана и эффективность воды: Принятие передовых технологий орошения, таких как капельное и точное орошение, сокращает количество отходов воды в сельском хозяйстве. Ремонт протекающих городских систем распределения воды и поощрение водосберегающего поведения среди потребителей также помогают сохранить ограниченные запасы. Уборка дождевой воды и переработка серой воды могут дополнять традиционные источники воды.
  • Природные решения: Восстановление водно-болотных угодий и прибрежных зон, восстановление лесов с местными, засухоустойчивыми и огнестойкими видами, а также создание зеленых коридоров в городских районах способствуют снижению местных температур, замедлению стока и повышению подпитки грунтовых вод. Городские зеленые крыши и парки помогают уменьшить эффект городского теплового острова, улучшая пригодность для жизни во время тепловых волн.
  • Системы раннего предупреждения: Улучшение прогнозирования засух, тепловых волн и их сложного возникновения позволяет своевременно предупреждать общественность и принимать меры по обеспечению готовности. Глобальная рамочная программа Всемирной метеорологической организации по климатическим услугам поддерживает развитие таких климатических услуг для содействия принятию решений.
  • Планирование землепользования: Тщательное зонирование во избежание развития пожарных зон высокого риска, создание защитных пространств вокруг сооружений и активное управление лесами посредством контролируемых ожогов и истончения могут снизить опасность лесных пожаров.
  • Устойчивость к строительству: Включение теплоотражающих кровельных материалов, улучшение изоляции здания и проектирование естественной вентиляции снижают температуры в помещении без чрезмерной зависимости от кондиционирования воздуха, тем самым снижая потребности в энергии и смягчая тепловой стресс.
  • Политика и управление: Интегрированные системы управления водными ресурсами, планы действий в чрезвычайных ситуациях в связи с засухой и трансграничное сотрудничество, такие как механизмы солидарности Европейского союза, имеют важное значение для устойчивого управления общими ресурсами и рисками.

Тематические исследования

Европейская тепловая волна 2003 года

Европейская жара 2003 года является ярким примером опасной связи между засухой и экстремальными жарами. Сухая весна привела к критически низкому уровню влажности почвы к началу лета. В августе система постоянного высокого давления застопорилась над Западной Европой более двух недель, подталкивая температуры выше 40°C (104°F) во многих областях. Отсутствие испарительного охлаждения из-за повышения температуры поверхности сухих почв способствовало широкому распространению теплового стресса и более 70 000 избыточных смертей.

Это событие стимулировало обширные научные исследования механизмов обратной связи между сушей и атмосферой и побудило европейские страны разработать и внедрить системы раннего предупреждения о тепловых волнах и мероприятия в области общественного здравоохранения, направленные на снижение уязвимости к будущим событиям.

Засуха в Калифорнии 2012–2016 гг.

Калифорния пережила одну из самых сильных и продолжительных засух с 2012 по 2016 год, характеризующуюся рекордно высокими температурами и устойчивым дефицитом осадков. Эта засуха была отмечена значительным истощением влаги почвы, уменьшением снежного покрова и повышенными темпами испарения. Полученные в результате сложные эффекты усиливали воздействие тепловой волны, способствуя широко распространенной смертности деревьев, повышенной активности лесных пожаров и серьезной нехватке воды.

Агентства по управлению водными ресурсами ввели обязательные ограничения на водоснабжение, и многие фермеры перешли на засухоустойчивые культуры или поля, подверженные паводку, что также повысило осведомленность о необходимости улучшения регулирования подземных вод, поскольку чрезмерная перекачка в этот период привела к долгосрочному истощению водоносных горизонтов и оседания земель.

Сезон пожаров в Австралии 2019–2020 гг.

Разрушительный сезон австралийских лесных пожаров 2019–2020 годов, известный как «Черное лето», был вызван продолжительной засухой и рекордными тепловыми волнами на юго-востоке Австралии. Эти условия создали чрезвычайно сухое топливо и низкую влажность, что позволило пожарам легко воспламеняться и быстро распространяться. Пожары сожгли более 18 миллионов гектаров, уничтожили тысячи домов и вызвали значительные потери жизни и биоразнообразия.

Усилия по восстановлению после пожаров подчеркнули важность интеграции устойчивости к изменению климата в землепользование и городское планирование для смягчения последствий будущих сложных засух и жары.