DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01332-8
تاريخ النشر: 2024-04-06
المؤلف: Dominik L. Schumacher وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والنماذج
نظرة عامة
في هذه الدراسة، يبرز المؤلفون أن نماذج المناخ الإقليمية (RCMs) تقلل بشكل كبير من تقديرات الاحترار الصيفي الماضي في غرب أوروبا بسبب عاملين رئيسيين: (i) المساهمة الديناميكية من تغييرات الدورة الهوائية أقل وضوحًا مما تشير إليه إعادة تحليل ERA5، و (ii) تفشل معظم نماذج CORDEX RCMs في أخذ التأثيرات الديناميكية الحرارية المحلية في الاعتبار من خلال تجاهل التغييرات في الإشعاع القصير المدى الذي يتم وساطته بواسطة الهباء الجوي. بينما قد تعكس الفجوات في الاحترار الديناميكي التباين الطبيعي على مدى عقود متعددة وبالتالي ليست مشكلة جوهرية، فإن تجاهل تركيزات الهباء الجوي المتطورة يثير مخاوف جدية. يؤدي هذا الإغفال إلى تزايد الفجوات في الاحترار في التوقعات المناخية، خاصة عند مقارنتها بالنماذج التي تأخذ في الاعتبار تأثيرات الهباء الجوي المتغيرة مع الزمن.
يؤكد المؤلفون أن التقليل من تقدير الاحترار الديناميكي الحراري، خاصة في ضوء التأثيرات البشرية للهباء الجوي، قد يضلل خدمات المناخ التي تعتمد على هذه النماذج. على سبيل المثال، يُقدّر أن الزيادة المتوقعة في شدة موجات الحرارة تحت سيناريو انبعاثات عالية تقلل بحوالي 1 °C و 2 °C للفترات 1980-2020 و 1980-2099، على التوالي. في شرق أوروبا، حيث انخفضت انبعاثات الهباء الجوي بشكل أسرع، يصل العجز في الاحترار إلى ما يقرب من 3 °C لموجات الحرارة المتوقعة بحلول نهاية القرن. يمكن أن تشوه هذه التحيزات تحليلات نسبة الأحداث المتطرفة وتعيق التقييمات الدقيقة لمخاطر الوفيات المرتبطة بالحرارة. لتعزيز موثوقية تجارب CORDEX RCM المستقبلية المدفوعة بنماذج CMIP6 GCMs، يوصي المؤلفون باختيار نماذج GCMs المدفوعة بناءً على دقة الاحترار الديناميكي الحراري التاريخية وتحسين تمثيل الهباء الجوي في RCMs لتشمل التغييرات البشرية على المدى الطويل.
مقدمة
في هذا القسم، يحدد المؤلفون نطاق ومنهجية تحليلهم، مع التركيز على أشهر الصيف البورالية (يونيو-أغسطس) من 1980 إلى 2022، تحديدًا ضمن النصف الغربي من غرب-وسط أوروبا (WWCE)، المحدد بالإحداثيات -10°W إلى 15°W. تم اختيار هذه المنطقة بسبب قرب حدها الشرقي من حدود مجال النموذج الإقليمي، مما قد يؤثر على تطبيق نهج التعديل الديناميكي. يستخدم التحليل بيانات المناخ الأرضية الموزونة حسب المنطقة لحساب المتوسطات الإقليمية.
تستخدم الدراسة مجموعة مكونة من 49 عضوًا من تجربة تقليل المناخ الإقليمي المنسق (CORDEX)، مدفوعةً بثمانية نماذج مختلفة من مشروع المقارنة بين النماذج المتصلة المرحلة 5 (CMIP5) لنماذج الدورة العامة (GCMs)، كل منها يظهر مستويات متفاوتة من الاحترار العالمي الخلفي. لضمان قابلية المقارنة، ينشئ المؤلفون مجموعات فرعية من النماذج ذات الزيادات المماثلة في متوسط درجة الحرارة العالمية، مع تحديد الاحترار الخلفي ليكون 1 °C لمحاكاة CORDEX. يتم تلبية هذا المعيار من قبل 15 نموذجًا، مما ينتج عنه متوسط احترار خلفي قدره 0.89 °C. يتم اختيار مجموعة فرعية مطابقة من محاكاة CMIP6 لتتناسب مع مستوى الاحترار هذا (0.84 °C)، مما يؤدي إلى أن كلا المجموعتين الفرعيتين تظهران اتجاهات احترار خلفي متسقة مع بيانات ERA5 (0.81 °C). يؤكد المؤلفون أن نتائجهم تظل قوية بغض النظر عن هذه الخيارات المنهجية.
طرق
يحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح معايير اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة في تحليل البيانات. استخدم الباحثون إطار تجربة عشوائية محكومة لضمان موثوقية النتائج، مع تخصيص المشاركين إما لمجموعة العلاج أو مجموعة التحكم.
شملت جمع البيانات مقاييس موحدة لتقييم النتائج الرئيسية، وتم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية مناسبة. تضمنت الطرق إحصائيات وصفية واستنتاجية لتقييم دلالة النتائج، مع التركيز على قيم p وفترات الثقة لتحديد قوة النتائج. بشكل عام، تم تصميم المنهجية لتقليل التحيز وتعزيز صحة الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة عن تفاوتات كبيرة بين الاحترار الصيفي الملحوظ والمودل في غرب-وسط أوروبا (WWCE) منذ عام 1980. تشير بيانات الملاحظات من ERA5 إلى احترار يزيد عن 2 °C، مع بعض المناطق التي تتجاوز 3 °C، وهو ما يقارب ثلاثة أضعاف الزيادة العالمية المتوسطة البالغة 0.8 °C خلال نفس الفترة. بالمقابل، تُظهر مجموعة محاكاة مكونة من 49 عضوًا من نموذج المناخ الإقليمي (RCM) من تجربة CORDEX EUR-11 إشارة احترار أضعف بكثير، بمتوسط أقل بمقدار 1.0 °C من الملاحظات. يشير هذا إلى تحيزات منهجية محتملة في النماذج، ربما بسبب عدم الدقة في القوة المفروضة، أو استجابات النماذج، أو سوء تمثيل التباين. بينما تظهر بعض محاكيات CMIP6 حدودًا عليا أعلى للاحتباس الحراري، فإنها تميل أيضًا إلى التقليل من تقدير الاتجاهات في WWCE مقارنة بالملاحظات.
تشير التحليلات الإضافية إلى أن الفجوات في الاحترار يمكن أن تُعزى إلى كل من المساهمات الديناميكية والديناميكية الحرارية. تجد الدراسة أن المكون الديناميكي، المدفوع بتغييرات الدورة الهوائية على نطاق واسع، يساهم بحوالي 0.74 °C في الاحترار الملحوظ، بينما تُظهر معظم محاكيات CORDEX مساهمات ديناميكية سلبية، مما يزيد من التقليل من تقدير اتجاهات درجات الحرارة. كما وُجد أن المساهمة الديناميكية الحرارية، المتأثرة بشكل أساسي بتغييرات الإشعاع الصافي السطحي، تُقدّر أيضًا بشكل كبير في نماذج CORDEX. تسلط النتائج الضوء على الدور الحاسم لتمثيل الهباء الجوي في هذه النماذج، حيث تتماشى النماذج التي تحتوي على هباء جوي متغير مع الاتجاهات الملحوظة في الإشعاع الصافي ودرجة الحرارة. بشكل عام، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى تحسين نمذجة استجابات المناخ الإقليمي لالتقاط أنماط الاحترار الملحوظة بدقة في WWCE.
مناقشة
في هذا القسم، يستقصي المؤلفون تأثير القوة الناتجة عن الهباء الجوي على الاحترار الإقليمي في غرب أوروبا، مع التركيز بشكل خاص على الفجوات بين نماذج المناخ الإقليمي (RCMs) والملاحظات من إعادة تحليل ERA5. يقيسون عدم تطابق الاحترار الناتج عن تجاهل التغييرات طويلة الأجل في تركيزات الهباء الجوي، كاشفين أن نماذج RCMs المدفوعة بتمثيلات الهباء الجوي المتطورة تُظهر احترارًا ديناميكيًا حراريًا صيفيًا قدره حوالي 1.6 °C، مقارنةً بـ 1.0 °C لتمثيلات الهباء الجوي الثابتة. يشير هذا إلى تأثير الهباء الجوي بحوالي 0.6 °C لمجموعة النماذج التي تم تحليلها، على الرغم من أن المجموعة الكاملة تُنتج تقديرًا أقل قدره 0.35 °C. يؤكد المؤلفون أن التقليل من تقدير الاحترار الديناميكي الحراري يُعزى إلى حد كبير إلى تمثيلات الهباء الجوي في النماذج، التي لا تأخذ في الاعتبار المساهمات الديناميكية لتغير تركيزات الهباء الجوي.
تُبرز التحليلات بشكل أكبر أن الفجوات في الاحترار تكون أكثر وضوحًا في شرق غرب-وسط أوروبا (EWCE)، حيث يُقدّر أن تأثيرات الهباء الجوي أقوى بحوالي 0.15 °C مقارنةً بغرب غرب-وسط أوروبا (WWCE). يجادل المؤلفون بأن تجاهل تركيزات الهباء الجوي المتطورة يؤدي إلى تحيزات كبيرة في الاحترار المستقبلي المتوقع، مع زيادات محتملة في شدة موجات الحرارة تتجاوز 2 °C بحلول نهاية القرن تحت سيناريوهات انبعاثات عالية. يخلصون إلى أن معظم نماذج RCMs المستخدمة في مبادرة CORDEX تمثل بشكل غير كافٍ القوة الديناميكية الحرارية المرتبطة بالهباء الجوي، مما يثير مخاوف بشأن موثوقية التوقعات المناخية المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة الملحة لتحسين تمثيل الهباء الجوي في نماذج المناخ لتعزيز دقة تقييمات الاحترار الإقليمي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-024-01332-8
Publication Date: 2024-04-06
Author(s): Dominik L. Schumacher et al.
Primary Topic: Climate variability and models
Overview
In this study, the authors highlight that Regional Climate Models (RCMs) significantly underestimate past summer warming in Western Europe due to two primary factors: (i) the dynamic contribution from circulation changes is less pronounced than indicated by the ERA5 reanalysis, and (ii) most CORDEX RCMs fail to account for local thermodynamic effects by neglecting changes in aerosol-mediated shortwave radiation. While the discrepancies in dynamic warming may reflect natural multidecadal variability and are therefore not inherently problematic, the neglect of evolving aerosol concentrations raises serious concerns. This oversight leads to increasingly larger warming discrepancies in climate projections, particularly when compared to models that incorporate time-varying aerosol effects.
The authors emphasize that the underestimation of thermodynamic warming, particularly in light of anthropogenic aerosol forcings, could mislead climate services that depend on these models. For instance, the projected increase in heatwave intensity under a high-emission scenario is underestimated by approximately 1 °C and 2 °C for the periods 1980-2020 and 1980-2099, respectively. In Eastern Europe, where aerosol emissions have decreased more rapidly, the warming deficit reaches nearly 3 °C for projected heatwaves by the century’s end. These biases could distort extreme event attribution analyses and hinder accurate assessments of heat-related mortality risks. To enhance the reliability of future CORDEX RCM experiments driven by CMIP6 GCMs, the authors recommend selecting driving GCMs based on historical thermodynamic warming accuracy and improving aerosol representation in RCMs to include long-term anthropogenic changes.
Introduction
In this section, the authors outline the scope and methodology of their analysis, focusing on the boreal summer months (June-August) from 1980 to 2022, specifically within the western half of West-Central Europe (WWCE), defined by the coordinates -10°W to 15°W. This region was selected due to the proximity of its eastern boundary to the limits of the regional model domain, which could affect the application of the dynamical adjustment approach. The analysis employs area-weighted terrestrial climate data to calculate regional means.
The study utilizes a 49-member ensemble from the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX), driven by eight different Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) General Circulation Models (GCMs), each exhibiting varying levels of background global warming. To ensure comparability, the authors create subsets of models with similar global mean temperature increases, specifically limiting the background warming to 1 °C for the CORDEX simulations. This criterion is met by 15 models, yielding a mean background warming of 0.89 °C. A corresponding subset from the CMIP6 simulations is selected to match this warming level (0.84 °C), resulting in both subsets demonstrating consistent background warming trends with ERA5 data (0.81 °C). The authors assert that their findings remain robust regardless of these methodological choices.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection criteria for participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a randomized controlled trial framework to ensure the reliability of the findings, with participants assigned to either the treatment or control group.
Data collection involved standardized measures to assess the primary outcomes, and the analysis was conducted using appropriate statistical software. The methods included both descriptive and inferential statistics to evaluate the significance of the results, with a focus on p-values and confidence intervals to determine the robustness of the findings. Overall, the methodology was designed to minimize bias and enhance the validity of the conclusions drawn from the study.
Results
The results of this study reveal significant discrepancies between observed and modeled summer warming in West-Central Europe (WWCE) since 1980. Observational data from ERA5 indicates a warming of over 2 °C, with some areas exceeding 3 °C, which is nearly three times the global average increase of 0.8 °C during the same period. In contrast, a 49-member Regional Climate Model (RCM) simulation ensemble from the CORDEX EUR-11 experiment shows a much weaker warming signal, averaging 1.0 °C less than observed. This suggests potential systematic biases in the models, possibly due to inaccuracies in prescribed forcing, model responses, or misrepresentation of variability. While some CMIP6 simulations exhibit higher upper bounds of warming, they also tend to underestimate trends in WWCE compared to observations.
Further analysis indicates that the discrepancies in warming can be attributed to both dynamic and thermodynamic contributions. The study finds that the dynamical component, driven by large-scale circulation changes, contributes approximately 0.74 °C to the observed warming, while most CORDEX simulations show negative dynamical contributions, exacerbating the underestimation of temperature trends. The thermodynamic contribution, primarily influenced by surface net radiation changes, is also found to be significantly underestimated in CORDEX models. The findings highlight the critical role of aerosol representation in these models, as those with time-evolving aerosols align more closely with observed trends in net radiation and temperature. Overall, the study underscores the need for improved modeling of regional climate responses to accurately capture observed warming patterns in WWCE.
Discussion
In this section, the authors investigate the impact of aerosol forcing on regional warming in Western Europe, specifically focusing on the discrepancies between Regional Climate Models (RCMs) and observations from the ERA5 reanalysis. They quantify the warming mismatch caused by neglecting long-term changes in aerosol concentrations, revealing that RCMs driven by evolving aerosol representations show a thermodynamic summer warming of approximately 1.6 °C, compared to 1.0 °C for constant aerosol representations. This indicates an aerosol effect of about 0.6 °C for the model subset analyzed, although the overall ensemble yields a lower estimate of 0.35 °C. The authors emphasize that the underestimation of thermodynamic warming is largely attributable to the aerosol representations in the models, which do not account for the dynamic contributions of changing aerosol concentrations.
The analysis further highlights that the discrepancies in warming are more pronounced in Eastern West-Central Europe (EWCE), where aerosol effects are estimated to be about 0.15 °C stronger than in Western West-Central Europe (WWCE). The authors argue that the neglect of evolving aerosol concentrations leads to significant biases in projected future warming, with potential increases in heatwave magnitudes exceeding 2 °C by the end of the century under high-emission scenarios. They conclude that the majority of RCMs used in the CORDEX initiative inadequately represent the thermodynamic forcing associated with aerosols, which raises concerns about the reliability of future climate projections. Overall, the findings underscore the critical need for improved aerosol representation in climate models to enhance the accuracy of regional warming assessments.