Sudėtingas potvynių pavojaus tikimybės vaizdas | gamtos komunikacijos

Sudėtingas potvynių pavojaus tikimybės vaizdas | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Hidrologija
  • Gamtiniai pavojai

Anotacija

El Niño ir La Niña įvykiai, ENSO klimato kintamumo kraštutinumai, daro įtaką upių tėkmei ir potvyniams pasauliniu mastu. Istorinės ekstremalių (didelių ar mažų) kritulių tikimybės įvertinimai yra naudojami teikiant gyvybiškai svarbią informaciją apie neigiamo poveikio tikimybę ekstremalių ENSO įvykių metu. Tačiau netiesiškumas tarp kritulių ir potvynio masto motyvuoja poreikiu įvertinti istorines tikimybes naudojant hidrologinių duomenų rinkinių analizę. Ši analizė atliekama naudojant ERA-20CM-R upės tėkmės rekonstrukciją XX a. Mūsų rezultatai rodo, kad padidėjusio ar sumažėjusio potvynių pavojaus tikimybė ENSO įvykių metu yra daug sudėtingesnė, nei dažnai suvokiama ir pranešama; tikimybės labai skiriasi visame pasaulyje, turint didelių duomenų neapibrėžtumų ir aiškių skirtumų lyginant hidrologinę analizę su krituliais.

Įvadas

El Niño pietinis svyravimas (ENSO) yra ryškiausias per metus vykstančio klimato kintamumo modelis 1 ir yra žinomas, kad jis daro įtaką 2 upės tėkmei ir 3, 4, 5 potvyniui pasaulio mastu. Nesant hidrologinių analizių, produktai, nurodantys ekstremalių kritulių tikimybę, dažnai naudojami kaip ankstyvas potvynio rodiklis ekstremalių ENSO įvykių metu 6 . Tačiau netiesiškumas tarp kritulių ir potvynio dydžio bei dažnio 7 reiškia, kad svarbu įvertinti ENSO poveikį ne tik krituliams, bet ir upių tėkmei bei potvyniams. Tai ypač svarbu, nes, kaip teigė Chiew ir McMahon 2, „tikėtina, kad srauto ir ENSO santykis yra stipresnis nei kritulių ir ENSO santykis, nes kritulių įvairovė padidėja nuotėkyje ir dėl to, kad srautas srautą integruoja erdvėje.

Čia atliekama visuotinė hidrologinė analizė, siekiant įvertinti istorinę padidėjusio ar sumažėjusio potvynių pavojaus tikimybę bet kurį mėnesį El Niño / La Niña įvykių metu, įvertinant papildomą upių srauto tiesioginio analizės pranašumą, palyginti su kritulių naudojimu kaip pakaitalas. potvynio pavojus.

Istorinės tikimybės suteikia naudingos informacijos apie tipišką ENSO poveikį, pagrįstą istoriniais įrodymais 8, 9, ir yra, kaip teigia Masonas ir Goddardas, 8 „geresnis būsimo klimato įvertinimas nei prielaida, kad sezoninės sąlygos bus tokios pačios kaip vidutinės“. Nepaisant to, naudojant tokią informaciją yra keletas pagrindinių aspektų. Vienas tokių argumentų yra tas, kad nė vienas iš dviejų „El Niño“ įvykių nėra tas pats 8, 10 ; smailės amplitudės, laiko evoliucijos ir atšilimo erdvinės struktūros skirtumai greičiausiai turės įtakos upės tėkmei susidarančio laiko grafikui ir dydžiui. Yra daugybė siūlomų būdų, kaip klasifikuoti ENSO įvairovę 11, pavyzdžiui, „El Niño“ įvykiai dažnai apibūdinami kaip „Rytų Ramusis vandenynas“ (EP) arba „Centrinis Ramusis vandenynas“ (CP), atsižvelgiant į tai, kur vyksta didžiausias atšilimas. Nors tai pernelyg supaprastina ENSO įvairovės sudėtingumą, didžiausio atšilimo vieta gali pakeisti upių tėkmės įtaką. Papildomas aspektas yra šiltėjančios vandenyno temperatūros įtaka ENSO įvykiams ir su jais susijęs poveikis. Neseniai atlikti tyrimai 12, 13 rodo, kad numatomi Walkerio cirkuliacijos pokyčiai ir su tuo susijęs pusiaujo Ramiojo vandenyno srovių susilpnėjimas turėtų sukelti dažnesnius ir ekstremalesnius El Niño ir La Niña įvykius 12, 14 .

Anksčiau tyrimai buvo apriboti reanalizės duomenų rinkiniais, ne ilgesniais kaip ∼ 40 metų 3, 4, 5, kuriuose yra ⩽ 10 El Niño ir ⩽ 13 La Niña įvykių imties, arba stebėjimo duomenimis, kurių aprėptis nenuosekli, tiek erdviniu, tiek laiko atžvilgiu 2 . Mes sukūrėme dvidešimtojo amžiaus (1901–2010 m.) Upių tėkmės rekonstravimo modelį, kad gautume hidrologinių duomenų rinkinį, nuoseklų globalų aprėptį per ilgą laikotarpį. Essou et al tyrimai. 15 pav . Nurodoma, kad visuotiniai meteorologinės reanalizės duomenų rinkiniai „turi puikų potencialą būti naudojami kaip stebėjimų tarpininkai“, kad būtų galima atlikti hidrologinius modelius, ypač regionuose, kuriuose stebėjimų nedaug. Šis duomenų rinkinys buvo sukurtas priverčiant atlikti pasaulinės potvynių supratimo sistemos 16, 17 („GloFAS“) tyrimo versiją (aprašytą metoduose) su Europos vidutinio nuotolio orų prognozių centro (ECMWF) meteorologinio modelio ERA-20CM 18 rekonstrukcija. pagaminti 10 narių, 0, 5 ° skyros upės tėkmės (toliau - ERA-20CM-R) rekonstrukciją, kurioje būtų 259 200 tinklo taškų, apimančių globalų upių tinklą (papildomas 1 pav.). 1 paveiksle pavaizduotos trijų pagrindinių šiame tyrime naudotų kintamųjų laiko eilutės kartu su 30 El Niño ir 33 La Niña įvykių, nurodytų ERA-20CM-R, laiko (žr. Metodus).

Image

a ) Trijų mėnesių vidutinė jūros paviršiaus temperatūros anomalija Niño3.4 regione (SSTA3.4) ir tinklelio taškų skaičius visame pasaulyje, kuriuose vidutinis upės debitas per mėnesį ( b ) viršija aukščiausią 25 procentilį ir ( c ) yra žemiau apatinė 25-oji procentilė. Kietos linijos parodo 10 ansamblio narių vidurkį, o užtemimas parodo narių pasiskirstymą. SSTA3.4 yra naudojamas El Niño ir La Niña metams identifikuoti duomenų rinkinyje, paryškintame atitinkamai pilkai šešėliais ir iškirptomis juostomis.

Visas dydis

Ankstesnis Ward et al darbas . 4 buvo nagrinėjama El Niño įtaka potvynių grįžimo laikotarpiams, apskaičiuojant procentinę anomaliją El Niño metais, palyginti su klimatologija (apibrėžta kaip ilgalaikis istorinių upių sąlygų ar meteorologinių parametrų vidurkis). Siekiant tiksliai įvertinti ENSO sukelto potvynių pavojaus istorines tikimybes, ši analizė buvo pakartota naudojant naują duomenų rinkinį ERA-20CM-R ir buvo gauti panašūs rezultatai (papildomas 2 pav.).

Šiame tyrime, naudojant visų metų ir visų El Niño / La Niña metų klimatologiją, mes apskaičiuojame procentinę dalį buvusių El Niño / La Niña įvykių, kai upės tėkmė nukrito į viršutinę (apatinę) klimatologijos kvartilę, čia apibrėžtą kaip 'neįprastai didelis (mažas) srautas'. Mūsų rezultatai rodo, kad padidėjusio ar sumažėjusio potvynių pavojaus tikimybė ENSO įvykių metu yra daug sudėtingesnė, nei dažnai suvokiama ir pranešama; tikimybės labai skiriasi visame pasaulyje, turint didelių duomenų neapibrėžtumų ir aiškių skirtumų lyginant hidrologinę analizę su krituliais.

Rezultatai

Istorinės tikimybės El Niño metu

2a paveiksle parodyta istorinė vasario mėnesio tikimybė El Niño metu, o visas El Niño ir La Niña rezultatų rinkinys pateiktas atitinkamai 7 ir 8 paveiksluose. „El Niño“ įvykiai paprastai trunka dvejus kalendorinius metus, išsivysto borealiniame pavasaryje ir pasiekia didžiausią mastą tų pačių metų žiemą, o po to pereina į kitą pavasarį / vasarą. Netrukus po piko vasario mėn. Yra didžiausia El Niño paveiktų regionų tikimybė ir teritorinis aprėptis (kur didelę įtaką turi> 40% neįprastai aukšto ar žemo upių tėkmės tikimybė); 34, 5% sausumos paviršiaus rodo reikšmingą neįprastai aukšto arba žemo upių tėkmės tikimybės padidėjimą (19, 2% aukšto, 15, 3% žemo), palyginti su bet kuriais konkrečiais metais.

Image

a ) neįprastai aukšto (mėlyno) arba žemo (raudonojo) mėnesio vidutinio upės išleidimo tikimybė. Remiantis 10 ERA-20CM-R ansamblio narių vidurkiu, viršijančiu 110 metų upės išleidimo klimatologijos 75-ąjį procentilį arba žemiau 25-ojo procentilio. b ) a punkte nurodytos tikimybės neapibrėžtumas, ty skirtumas tarp mažiausio ir maksimalaus 10 ansamblio narių (%). Dėžutėje ( b, intarpas) pateiktas neapibrėžties diapazono grafinis pavaizdavimas viename tinklelio taške, pažymėtame žemėlapyje „x“, kai a punkte nurodyta vidutinė tikimybė yra 63%. Diapazonas pateikiamas atsižvelgiant į mažiausią ir maksimalų 10 ansamblio narių skirtumą; šiuo atveju 53 ir 81%, ir tai sudaro 28% intervalą, patenkančią į b punkte nurodytą 20–40% skliaustą. Vasario mėnuo pasirinktas taip, kad netrukus po El Niño viršūnės jis mato didelę El Niño paveiktų sausumos plotų erdvinę aprėptį.

Visas dydis

El Niño įtaką upių tėkmei galima pamatyti jau birželio mėnesį (žr. Papildomą 7 pav.), Netrukus po to, kai ENSO linkusi pereiti į šiltąją fazę, kai kuriuose regionuose, daugiausia tik tropikuose, pradedama matyti iki 50% tikimybė, kad ansamblyje teka aukšta arba maža upė, teka. Rugpjūčio ir rugsėjo mėnesiais didžiojoje Pietų Amerikos dalyje, į pietus nuo Amazonės upės, šiek tiek tikėtina (∼ 40–60% tikimybė), kad upės tėkmė bus didesnė nei įprasta; tačiau lapkritį, arčiau įprastos El Niño įvykių viršūnės, visoje Brazilijoje pastebimas perėjimas prie sausesnių sąlygų. Pietinėje JAV yra didelė upių tėkmės tikimybė (iki 70%) nuo gruodžio mėn., O Meksika yra dar vienas regionas, kuriame El Niño įtaka keičiasi nuo sumažėjusio potvynių pavojaus iki rugsėjo / spalio mėn. Ir padidėjusio potvynio. pavojus nuo lapkričio mėn. Kiti regionai yra daug nuoseklesni, pavyzdžiui, Indonezija, kuriai būdingas didelis neįtikėtinai mažas upių srautas per visą El Niño evoliuciją, viršūnę ir skilimą. Vis dėlto svarbu pažymėti, kad visame pasaulyje šių tikimybių netikrumas gali būti didelis.

Vertinant netikrumą

Iš tikrųjų pačios istorinės tikimybės rodo netikrumą, kaip upės tėkmė reaguoja į ENSO įvykius. 10 ansamblio „ERA-20CM-R“ narių taip pat leidžia interpretuoti duomenų rinkinio neapibrėžtį, nes kiekvienas ansamblio narys vaizduoja vienodai tikėtiną upės tėkmės rekonstravimą. Norėdami pateikti šios neapibrėžties indikaciją, 2b paveiksle parodytas tikimybės diapazonas aplink vidutinę tikimybę, parodytą 2a pav. El Niño įtaka kai kuriose vietose yra dar labiau tikra; pavyzdžiui, Ekvadoro pakrantėje / šiaurinėje Peru tikimybės skiriasi tik 9%. Šios vietos (tamsiausias atspalvis, 5–10% diapazonas) išsiskiria 2b pav. Tai yra sritys, kuriose galima panaudoti tokias istorines tikimybes kaip padidėjusio ar sumažėjusio potvynių pavojaus ankstyvąjį rodiklį, nes jos paprastai turi didelę tikimybę kartu su mažais neapibrėžtumais. Tačiau didžiojoje pasaulio dalyje diapazonas yra 20–40%, o kai kuriuose mažuose regionuose, pavyzdžiui, šiaurės vakarų Ispanijoje ir rytinėje Argentinoje, ansamblio narių diapazonas yra iki 70%. Tai reiškia, kad nors kai kuriuose regionuose pastebima didelė padidėjusio potvynio pavojaus tikimybė (pvz., Šiaurinėje Peru iki 77%), didžiojoje pasaulio dalyje tikimybė yra daug mažesnė ir daug neaiškesnė, nei gali būti naudinga priimant sprendimus.

Hidrologijos svarba

Įvertinę neįprastai didelių ar mažų kritulių istorinę tikimybę, naudodamiesi ERA-20CM kritulių duomenų rinkiniu, patvirtiname, kad hidrologinės analizės metu galima gauti papildomos informacijos. Pavyzdžiui, tikėtina, kad vasario mėn. Šiaurės Afrikos dalyse bus daug kritulių (papildomas 3a pav.); tačiau Nilo upė greičiausiai matys sausas upės sąlygas (2a pav.), rodančią, kad upę labiau veikia upės, o ne vietiniai krituliai.

Norėdami dar labiau pabrėžti hidrologinio poveikio įvertinimo svarbą, 3 pav. Pavaizduoti regionai, pavaizduoti rožine (žalia) spalva, kur didelio upės tėkmės tikimybė yra didesnė (mažesnė) nei gausių kritulių. Šie skirtumai leidžia manyti, kad El Niño įtaka yra ryškesnė upių tėkmėje rausvuose regionuose, ir, atvirkščiai, žalia spalva pabrėžiami regionai, kuriuose kritulių naudojimas kaip potvynio pavojaus tarpinė priemonė pervertina tikimybes. Tai taip pat galėtų reikšti, kad šis regionas greičiausiai patirs nedidelę El Niño įtaką upių tėkmei. Atitinkami mažo srauto rezultatai pateikti papildomame 4 pav.

Image

Regionai, kuriuose neįprastai didelių kritulių tikimybės skirtumas, palyginti su didelio upių tėkmės tikimybe, vasario mėnesį El Niño metu yra didesnis nei 10% (remiantis ansamblio vidurkiu). Rožinis atspalvis rodo, kad gausių kritulių tikimybė yra mažesnė už didelio upių tėkmės tikimybę, o žalias atspalvis rodo, kad kritulių tikimybė yra didesnė.

Visas dydis

Istorinės tikimybės La Niña metu

„El Niño“ renginius dažnai seka „La Niña“, šaunioji ENSO fazė. Nors „La Niña“ įvykiai paprastai mažiau aptariami žiniasklaidoje, jų įtaka krituliams, kaip ir „El Niño“, dažnai naudojama kaip potvynių pavojaus pakaitalas. Todėl mes išplėtėme šią analizę, kad įvertintume padidėjusio (arba sumažėjusio) potvynio pavojaus tikimybę La Niña metais. Pastebime, kad daugelis El Niño paveiktų regionų La Niña metu gali pastebėti priešingą atsakymą. 4 paveiksle pavaizduotos šios tikimybės dar kartą vasario mėn. Įvykusio „La Niña“ įvykio metu, o visas rezultatų rinkinys pateiktas papildomame 8 paveiksle. Akivaizdu, kad La Niña daro mažesnę žemės paviršiaus dalį reikšmingą, palyginti su El Niño. mėnesį (22% žemės paviršiaus, palyginti su 34, 5%). Tikimybės, nors ir išlieka reikšmingos, taip pat linkusios būti mažesnės nei tą patį mėnesį „El Niño“ metu; Didžiausia potvynių pavojaus padidėjimo tikimybė, parodyta 4a pav., yra 67, o sumažėjusio potvynio pavojaus - 69%. Vėlgi, netikrumas, susijęs su šia vidutine tikimybe, yra didelis (20–40 proc., O kai kuriose vietose> 70 proc.) Visame žemės rutulyje; tai galima pamatyti 4b pav.

Image

a ) Neįprastai aukšto (purpurinio) arba žemo (oranžinio) vidutinio mėnesio upių išleidimo tikimybė vasario mėnesį La Niña metu. Remiantis 10 ERA-20CM-R ansamblio narių vidurkiu, viršijančiu 110- osios upės nuotėkio klimatologijos 75- ąjį procentilį arba žemiau 25 -ojo procentilio. b ) a punkte nurodytos tikimybės neapibrėžtumas, ty skirtumas tarp maksimalaus ir mažiausio 10 ansamblio narių skirtumo (%).

Visas dydis

Didžiausia tikimybė El Niño / La Niña metu

Nors mėnesiniai istorinių tikimybių žemėlapiai rodo padidėjusio (arba sumažėjusio) potvynio pavojaus tikimybę, ir kai tikėtina, kad tai įvyks, galbūt naudinga atsižvelgti į įvykį kaip visumą, nes piko sąlygos skirtingu metu būna skirtingomis. pasaulis. 5a pav. B rodo didžiausią padidėjusio potvynio pavojaus tikimybę per bet kurį mėnesį įvykusį „El Niño“ (La Niña) įvykį; tai apžvelgia, ar regione gali pasikeisti upių sąlygos, ar ne per įvykį ar po jo. 5 paveikslas taip pat parodo, kur didelis tikimybių netikrumas; paprastai ten, kur tikimybė yra mažesnė, tuo tarpu regionai, kuriuose didelė tikimybė, taip pat rodo didesnį tikrumą. Ši analizė dar kartą patvirtina, kad didžiojoje pasaulio dalyje tokios istorinės tikimybės yra daug neaiškios, nei dažnai pranešama. Atitinkami sumažėjusio potvynių pavojaus rezultatai pateikti papildomame 5 pav.

Image

Didžiausia neįprastai didelio upių tėkmės tikimybė per bet kurį mėnesį per ( a ) El Niño ir b ) La Niña įvykį. Remiantis 10 ERA-20CM-R ansamblio narių vidurkiu, viršijančiu 75-ąjį procentilį arba nukritusį žemiau 25-osios procentilės, 110 metų upės išleidimo klimatologijoje ENSO įvykio metu arba netrukus po jo. Stiplingas parodo, kur yra neapibrėžtumas, susijęs su šia tikimybe, ty ansamblio narių diapazonas viršija 25% tikimybę.

Visas dydis

Palyginimas su pastebėjimais

Taip pat buvo atliktas istorinių tikimybių palyginimas su stebimais duomenų rinkiniais (žr. Metodus ir papildomą 6 pav.). Nors tai pasirodė sudėtinga pasauliniu mastu dėl to, kad trūksta nuoseklių ir išsamių upių tėkmės rekordų pasaulio regionuose, kuriuose ENSO įvykiai daro didžiausią įtaką, vertinimas rodo galimą kritulių ir upių tėkmės rekonstrukcijų tikimybės pervertinimą. Tai pabrėžia, kad nors šių modelių rekonstrukcijos šiuo metu yra geriausi turimi duomenys tokiems tyrimams, reikia išsamesnių upių tėkmės stebėjimų regionuose, kuriuos paveikė ENSO įvykiai.

Rezultatuose akivaizdus tokių istorinių tikimybių sudėtingumas ir netikrumas. Iš tikrųjų 2016 m. Vasario mėn. Potvynio, įvykusio per stiprų 2015–2016 m. „El Niño“ įvykį, stebėjimai atspindi šį sudėtingą ENSO sukelto potvynio pavojaus vaizdą. Laukiamas potvynis (remiantis rezultatais, parodytais 2a pav.) Peru, Bolivijoje, Argentinoje ir Angoloje buvo stebimas 19 ; dar keliuose kituose regionuose, tokiuose kaip Rytų Kinija, Japonija ir Artimųjų Rytų dalys, potvynių įvykių neužfiksuota. Potvynis taip pat įvyko Indonezijoje, nepaisant didelių sausų upių sąlygų tikimybės. Du pavyzdžiai Kenijoje ir Peru, kai prieš El Niño buvo imtasi pasirengimo potvyniams veiksmų, potvyniai buvo daug lengvesni nei tikėtasi 20, 21 . Neseniai paskelbtame „Nature“ susirašinėjime 22 taip pat atkreiptas dėmesys į netikėtus žiemos orus JAV; Kalifornijoje karščiai buvo banguoti, o ne užsitęsę lietaus atvejai, o Sietle laukė didėjančios sausros ir vietoj to ištvėrė rekordiškai šlapią žiemą (taip pat žr. Papildomą 7 pav.).

Diskusija

Mes atlikome pasaulinę ENSO, kaip potvynių pavojaus prognozuotojo, hidrologinę analizę, remdamiesi istorinės tikimybės įverčiais, naudodami naują prailgintą upės tėkmės modelį. Be kritulių, svarbu atsižvelgti ir į hidrologiją, nes yra skirtumų tarp didelio upių tėkmės ir kritulių tikimybės bei gebėjimo toliau vertinti teritorijas, kuriose, tikėtina, pastebima atsilikusi El Niño įtaka upių tėkmei. Mes darome išvadą, kad nors atrodo, kad galima panaudoti istorines tikimybes, siekiant įvertinti regionus visame pasaulyje, kuriems labiau tikėtina potvynis El Niño / La Niña metu, ir iš tikrųjų apskritti didelius žemės rutulio plotus po vienu drėgnų ar sausesnis, realybė yra daug sudėtingesnė. Todėl svarbu atlikti mokslinius tyrimus, kuriuose pagrindinis dėmesys skiriamas dominančiam regionui (regionams), ir išnagrinėti ENSO įvairovės ir kitų klimato pokyčių veiksnių įtaką hidrologijai ir potvynių pavojui.

Metodai

Naujas dvidešimto amžiaus upių tėkmės duomenų rinkinys

Šiam tyrimui mes sukūrėme dvidešimtąjį amžių (1901–2010) upių išleidimo rekonstrukciją, kad gautume duomenų rinkinį, nuoseklų visuotinį aprėptį per ilgą laikotarpį. Tai buvo pasiekta verčiant alternatyvų „GloFAS 16, 17“ sąranką su 10 ECMWF atmosferos modelio ansamblio „ERA-20CM 18“ narių sukurti 10 narių upių išleidimo ansamblį visuotiniam upių tinklui (ERA-20CM). -R).

„GloFAS“ sąranka paima nuotėkį iš ECMWF integruotos prognozės sistemos (IFS) ir vykdo ją pagal Lisfloodo hidrologinio maršruto modelį 16 . Norėdami sukurti upės nuotėkio rekonstrukciją 0, 5 ° skiriamąja geba iš sujungtų ERA-20CM nuotėkio duomenų, mes, naudodami „Catchment“ pagrįstą makro masto 23 potvynio (CaMa-Flood) maršruto modelį. Visuotinio upių tinklo „CaMa-Flood“ žemėlapis pateiktas papildomame 1 pav. Čia pažymime, kad šiame tyrime naudojama GloFAS versija nėra kalibruota.

„ERA-20CM“ modelio rekonstrukcijos naudojimas leidžia nuoseklią analizę pasauliniu mastu ir suteikia daug ilgesnį laikotarpį, per kurį reikia ištirti šiuos ekstremalius įvykius, tačiau reikia atsižvelgti į trūkumus. „ERA-20CM“ apima ENSO ir dvidešimtojo amžiaus klimato tendencijas, taip pat įsisavina jūros paviršiaus temperatūrą ir jūros ledo dangą 18 . Tačiau tai nėra panaši į atmosferos stebėjimus. Tai yra trūkumas, nes modelio rekonstravimas gali pateikti statistinį klimato įvertinimą, tačiau negali atkurti sinoptinių situacijų. Todėl mes atlikome palyginimą su geriausiais kritulių ir upių nuotėkio stebėjimo duomenimis XX amžiuje ir esame patenkinti, kad ENSO telekomunikacijos yra gerai vaizduojamos ERA-20CM (-R). Žinoma, dar daugiau netikrumo kyla dvidešimtojo amžiaus pradžioje, kai buvo mažiau stebėjimų; 10 ansamblio narių tam tikru būdu reprezentuoja šį netikrumą ir yra pagrindinis šio konkretaus duomenų rinkinio pranašumas, todėl yra nagrinėjami visame tyrime.

El Niño metų nustatymas

Norėdami atlikti šią analizę, duomenų rinkinyje pirmiausia nustatėme El Niño / La Niña metus. Tai buvo padaryta naudojant apibrėžimą, kurį JAV nacionalinė vandenynų ir atmosferos administracija (NOAA) naudoja deklaruodama El Niño (La Niña) sąlygas 24 . Šiame apibrėžime teigiama, kad jūros paviršiaus temperatūros (SST) anomalija Ramiojo vandenyno centrinės dalies Niño3.4 regione (5 ° S – 5 ° N, 170 ° –120 ° W) turi likti ≥0, 5 ° C (– 0, 5 ° C). ), mažiausiai penkis iš eilės einančius 3 mėnesius. Čia mes išgavome ERA-20CM SST duomenis ir apskaičiavome Niño3.4 regiono 3 mėnesių vidutinį SST anomaliją, leidžiančią nustatyti 30 (33) metų, kuriais El Niño (La Niña) sąlygos buvo nuo 1901 m. Iki 2010 m. Jie yra išvardyti 1 papildomoje lentelėje, kur „El Niño“ / „La Niña“ metai yra metai, kuriais įvykis vystosi ir paprastai taip pat pasiekia piką, nes ENSO įvykiai dažnai trunka 2 metus, ir šie metai pasibaigia. Pažymime, kad nors tarp ENSO įvykių, nurodytų ERA-20CM, ir įvykių, kuriuos tuo pačiu laikotarpiu paskelbė „NOAA 25“, yra gerai sutariama, vis dėlto yra tam tikrų neatitikimų. Tai greičiausiai lemia skirtingi indeksai / apibrėžimai, naudojami ENSO įvykiams identifikuoti. Pavyzdžiui, 1977 ir 1979 m. „El Niño“ įvykius identifikuoja NOAA, naudodamasi įvairių kintamųjų ENSO rodykle 25, tačiau šiame tyrime jie nenurodyti. 1 pav. Akivaizdu, kad SST ERA-20CM viršijo 0, 5 ° C, tačiau tai ilgai neišlaikė, kad būtų galima jį identifikuoti kaip įvykį. Tai riboja poreikį naudoti vieną iš daugelio skirtingų ENSO įvykių klasifikavimo ir identifikavimo metodų. Šis metodas buvo pasirinktas, nes jis yra operatyviausiu požiūriu pats rašymo metu.

Istorinės tikimybės įvertinimas

Rezultatams, pateiktiems šiame tyrime, 110 metų ERA-20CM-R klimatologija buvo naudojama apskaičiuojant viršutinę ir apatinę 25-ą, 10-ą ir 5-ą upės nuotėkio procentines dalis kiekvienoje tinklelio dėžutėje. Tuomet buvo įvertinta istorinė neįprastai aukšto ar žemo upių tėkmės tikimybė bet kurį mėnesį, apskaičiuojant 30 (33) nustatytų El Niño (La Niña) metų procentinę dalį, kai upės nuotėkis viršijo (didelis srautas) arba buvo žemiau (mažas srautas) trys procentilio slenksčiai kiekvienam iš 10 ansamblio „ERA-20CM-R“ narių. Šiame darbe pateikta analizė pagrįsta procentilėmis, kad būtų išvengta galimų didelių klaidų, kurias sukelia duomenų šališkumas, palyginti su stebėjimais (aptarta toliau).

Gautų tikimybių žemėlapiai buvo sudaryti remiantis 10 ansamblio narių vidurkiu. Kadangi ENSO renginių skaičius apima didelę 110 metų laikotarpio dalį, yra tikimybė išgauti atsitiktinius efektus. Todėl sudaryti žemėlapiai rodo tik tuos atvejus, kai tikimybė yra žymiai didesnė nei įprasta, ty ≥40%; „įvykis“ (neįprastai didelis ar mažas srautas), kurio tikimybė per mėnesį „El Niño / La Niña“ yra 40%, yra tik 5% tikimybė, kad tą mėnesį įvyks atsitiktinai, taigi žymiai padidėja tikimybė, palyginti su atsitiktine tikimybe.

Be to, paskirstymas ansamblio nariuose yra skirtas atspindėti duomenų rinkinio netikrumą ir gali nurodyti galimų rezultatų ar tikimybių diapazoną. Remdamiesi diapazonu tarp ansamblio narių, mes toliau apskaičiavome neapibrėžtį, susijusią su viso rutulio vidutine tikimybe. Kiekvienam ansamblio nariui buvo apskaičiuotas atstumas tarp minimalaus ir maksimalaus ansamblio narių kiekvienai tinklelio dėžutei atskirai. Tai leidžia mums suprasti duomenų rinkinio netikrumo sukeltą tikimybės netikrumą.

El Niño / La Niña pradžia būna borealiame pavasarį / vasaros pradžioje ir piko metu būna 25 žiemą, o vėliau pereina į kitą pavasarį. Mėnesinė analizė buvo atliekama 2 metus; pradžios metai ir kiti metai, per kuriuos El Niño / La Niña žlunga, kad būtų galima pastebėti bet kokią prarastą įtaką upių tėkmei. Didelę įtaką rodo rezultatai nuo birželio El Niño / La Niña metais iki kito rugsėjo (16 mėnesių). Nors siekiant supaprastinti būtų naudinga apibendrinti išvadas pagal sezoną, rezultatų įvertinimas rodo, kad įtakos modeliai visame pasaulyje gali dramatiškai pasikeisti, kai kuriais atvejais, nuo vieno mėnesio iki kito. Taigi susumavus šiuos žemėlapius į sezonus, gali būti prarasta informacija keliems mėnesiams.

Upių tėkmės ir kritulių skirtumas

Pagrindinis šio darbo tikslas buvo įvertinti papildomą hidrologinės analizės naudą, kai krituliai naudojami kaip potvynių pavojaus pakaitalas. Tam tikslui, tas pats metodas, naudojamas vertinant upės tėkmės rekonstrukcijos istorines tikimybes (ERA-20CM-R), buvo taikomas ir ERA-20CM kritulių rekonstrukcijai. ERA-20CM kritulių duomenų horizontalioji skiriamoji geba yra ∼ 125 km, o upės tėkmės duomenys - 0, 5 ° (∼ 55 km) skyra. Norint juos palyginti, kritulių duomenų rezultatai buvo perdaryti į aukštesnę upės tėkmės duomenų skiriamąją gebą, naudojant paprastą artimiausio kaimyno perdarymo algoritmą. Tuomet buvo apskaičiuotas skirtumas tarp istorinių kritulių ir upių tėkmės tikimybių 10 ansamblio narių vidurkiui.

Palyginimas su stebėjimais - krituliai

Norint įvertinti rezultatus, parodytus naudojant naują ERA-20CM (-R) duomenų rinkinį, tas pats istorinių tikimybių įvertinimo metodas buvo taikomas ir kitiems, susijusiems duomenų rinkiniams: Visuotiniam kritulių klimatologijos centrui (GPCC), pilnai duomenų reanalizei (GPCC-FD). ) 26, esant 0, 5 ° raiškai, ir Pasaulinio nuotėkio duomenų centro (GRDC) upių nuotėkio stebėjimai 27 . Vėlgi, procentiliai yra naudojami visur, kad būtų galima patikimai palyginti su stebėjimais, nepaisant galimai didelių modelio rekonstravimo verčių paklaidų, palyginti su stebimomis vertėmis.

GPCC-FD reanalizė yra visuotinis tinkleliu iškritusių duomenų rinkinys, pagrįstas interpoliuotais lietaus matuoklio duomenimis 26 . Palyginus ERA-20CM ir GPCC-FD kritulių duomenų rinkinius, matyti, kad El Niño paveiktus regionus gerai reprezentuoja ERA-20CM (žr. Papildomą 3b pav.) Ir atitinka gerai žinomus ENSO jautrius regionus, tokius kaip Australija, Indonezija, Argentina (Rio de la Plata delta) ir pietinės JAV, kurios, kaip įrodyta, puikiai atstovauja GPCC-FD 28 . Tačiau atrodo, kad šio ryšio stiprumas yra pervertintas, palyginti su stebėjimais, nes ERA-20CM duomenys rodo didesnę neįprastai didelių ar mažų kritulių tikimybę nei GPCC-FD. Dalį šio pervertinimo gali sukelti tai, kad ansamblio paskirtis yra sudaryti ERA-20CM žemėlapius, nes, skaičiuojant vidurkį per 10 ansamblio narių, greičiausiai sumažėja dispersija, todėl mes pasirenkame priverstinę signalo dalį.

Palyginimas su stebėjimais - upės išleidimas

Kadangi nėra tinkleliuoto upių nuotekų stebėjimo duomenų rinkinio visuotiniam upių tinklui, buvo naudojami GRDC archyvuoti stočių duomenys. Norint nustatyti tas stotis, kurios galėtų būti naudingos šiame tyrime, buvo pasirinkti duomenų tinkamumo kriterijai. Pirma, buvo įtrauktos tik stotys, turinčios bent 75 metų stebėjimo duomenis nuo 1901 iki 2010 m .; Tai galėtų būti stotys, registruojančios kiekvieną dieną ar mėnesį. Iš jų visos stotys, kuriose trūksta daugiau nei 50% duomenų, buvo pašalintos. Iš viso kriterijus atitinka 1287 stotys (232 kas mėnesį, 1 055 per dieną), iš kurių daugumoje trūksta <30% duomenų. Kiekviena iš šių stočių buvo patikrinta rankiniu būdu, siekiant įsitikinti, ar jos atitinka teisingą upės tašką (atsižvelgiant į vietą ir aukštupio plotą) pavyzdiniame upių tinkle. Pagrindinis GRDC stebėjimų naudojimo šiame tyrime apribojimas yra tas, kad daugelis šių stočių yra upių baseinuose, esančiuose ne atogrąžų ir subtropikų zonose - regionuose, kuriems paprastai daro didžiausią įtaką ENSO įvykiai. Tai pabrėžia, kad reikia nuoseklesnių visuotinių upių tėkmės stebėjimų, tačiau, jei jų nėra, modelių rekonstravimas ir reanalizė pateikia geriausius turimus duomenis regioniniams ir pasauliniams tyrimams, remiantis istoriniais įrodymais.

Norėdami palyginti rezultatus, paremtus stebėjimais, su ERA-20CM-R, parengėme neįprastai aukšto upės tėkmės istorinės tikimybės patikimumo diagramą (papildomas 5 pav.), Palygindami prognozuojamą (istorinę) įvykio tikimybę (šiuo atveju, upės tėkmė viršija tam tikrą procentilį) stebėtu įvykio dažniu. Tai buvo pasiekta pirmiausia suradus visus tinklo taškus ERA-20CM-R duomenų rinkinyje, kuriame yra GRDC stotis, atitinkanti aukščiau aprašytus kriterijus. Kiekvienai „prognozės“ procentinei juostai (10% šiukšliadėžėms, kaip parodyta rezultatuose pateiktuose žemėlapiuose) buvo apskaičiuotas stebimas upių tėkmės dažnis, viršijantis 110 metų klimatologijos viršutinę 25-ą, 10-ą ir 5-ą procentines dalis. kiekvienoje GRDC stotyje, prieš imant vidurkį visose stotyse ir visus 16 analizei naudotų mėnesių (birželio – rugsėjo mėn.). Tai leidžia palyginti numatomą tikimybę su stebimu dažniu. Patikimumo schema (papildomas 5 pav.) Ir prognozuotų bei realizuotų tikimybių neatitikimas rodo, kad prognozuojamas tikimybes galima pervertinti. Tačiau yra tam tikrų apribojimų, nes turime labai mažai stebėjimo stočių arba jų nėra, su kuriomis galima palyginti didesnės tikimybės rezultatus (5 papildomas 5 pav., Įterpimas), ypač regionuose, kuriems didžiausią įtaką daro „El Niño / La“. Niña ir kur patikimumas gali būti geresnis, pavyzdžiui, atogrąžų. Tai rodo, kad tokia patikimumo analizė gali nevisiškai atspindėti rezultatus. Be to, duomenų įrašai įvairiose stotyse skiriasi; todėl El Niño / La Niña metų skaičius, įtrauktas į kiekvienos stoties stebėjimo įrašus, taip pat skiriasi.

Duomenų prieinamumas

ERA-20CM, GPCC-FD ir GRDC duomenys, pagrindžiantys šio tyrimo išvadas, yra viešai prieinami internete: //www.ecmwf.int/lt/research/climate-reanalysis/era-20cm-model-integrations, // www .dwd.de / EN / ourservices / gpcc / gpcc.html ir www.bafg.de/GRDC. ERA-20CM-R duomenis, pagrindžiančius šio tyrimo išvadas, gauna pagrįstas prašymas iš atitinkamo autoriaus.

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

    Papildoma lentelė, papildomi paveikslai ir nuorodos

  2. 2.

    Tarpusavio apžvalgos byla

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.