چرا تغییرات مشابه در پوشش ابر می تواند اثرات آب و هوایی متفاوتی داشته باشد

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ابرهای کم ارتفاع دریایی بر فراز اقیانوس های نیمه گرمسیری شرقی جهان با بازتاب نور خورشید به فضا به شدت بر دمای زمین تأثیر می گذارد. چگونگی تغییر این ابرها با گرم شدن سیاره یکی از بزرگترین عدم قطعیت ها در پیش بینی شدت گرمایش آینده است.

با این حال، مدل‌های سیستم زمین در شبیه‌سازی این ابرها مشکل داشته‌اند، زیرا فرآیندهای تلاطم و باران در مقیاس کوچک که آنها را شکل می‌دهند باید تقریبی باشند.

مطالعه‌ای به سرپرستی محققان دانشگاه وایومینگ از 250 پیکربندی آزمایشی یک مدل آب و هوایی موجود برای بررسی چگونگی واکنش ابرها به تغییرات محیطی خود استفاده کرد. محققان دریافتند که تغییرات مشابه در پوشش ابرها بسته به میزان بازتاب ابرها می تواند اثرات آب و هوایی بسیار متفاوتی داشته باشد.

آنها همچنین یک مشکل پایدار را در نحوه واکنش ابرهای شبیه سازی شده به بادهایی که هوا را در مناطق اقیانوسی با دماهای مختلف حرکت می دهند، شناسایی کردند. یافته‌ها فرصت‌هایی را برای بهبود شبیه‌سازی‌های ابری شناسایی می‌کنند، اگرچه این مطالعه این پیشرفت‌ها را اجرا یا آزمایش نکرد.

تیموتی مایرز، دانشمند پژوهشی در دپارتمان علوم جوی UW می‌گوید: «یافته‌ها نشان می‌دهند که چرا ارزیابی مدل‌های اقلیمی مستلزم بررسی چگونگی تغییر ابرها و میزان بازتاب آن‌ها قبل از تغییر است، با پیامدهایی برای ارزیابی بازخورد ابرها و گرم شدن آینده. برای درک اینکه چگونه ابرها بر گرم شدن تأثیر می گذارند، باید بدانیم پوشش آنها چگونه تغییر می کند و چقدر نور خورشید را منعکس می کنند.

مایرز نویسنده اصلی مقاله‌ای با عنوان «تحلیل عامل کنترل ابری نشان می‌دهد تعصب ساختاری E3SMv3 و کنترل‌های حالت متوسط ​​روی حساسیت تابشی استراتوکومولوس» بود که در ۱۸ اکتبر در Geophysical Research Letters منتشر شد.

تراویس آئرنسون و ژاکلین نوجنت، دانشمندان پژوهشی همکار. هانتر براون، دانشیار پژوهشی فوق دکتری؛ و دانیل مک کوی، دانشیار، همگی در دپارتمان علوم جوی UW، به همراه مارک زلینکا، دانشمند جو در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، در این مقاله مشارکت داشتند.

این مطالعه که از فوریه تا آگوست انجام شد، بر اساس Nephele، یک تلاش UW برای کشف عدم قطعیت در فرآیندهای ابری از طریق صدها شبیه‌سازی مدل آب و هوایی است.

مایرز می‌گوید Nephele شامل 250 شبیه‌سازی مدل سیستم زمین با پارامترهای ابری، همرفتی و آئروسل به طور سیستماتیک متفاوت است. شبیه‌سازی‌های اصلی و مشاهدات ماهواره‌ای تجزیه‌وتحلیل شده دوره‌ای از ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۶ را پوشش می‌دهند.

محققان از Energy Exascale Earth System Model نسخه 3 (E3SMv3) برای آزمایش شبیه‌سازی‌های ابری استفاده کردند. E3SMv3 یک نمایش کامپیوتری از سیستم آب و هوای زمین است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) توسعه یافته است. این فعل و انفعالات بین جو، اقیانوس ها، زمین و یخ را شبیه سازی می کند تا چگونگی عملکرد آب و هوا و چگونگی تغییر آن را بررسی کند.

این مطالعه از سیستم‌های محاسباتی Derecho و Casper در مرکز ملی تحقیقات جوی بنیاد ملی علوم - مرکز ابررایانه‌های وایومینگ استفاده کرد. مایرز می گوید E3SMv3 زمین را به یک شبکه تقسیم می کند و از معادلات فیزیکی حرکت سیال و ترمودینامیک برای محاسبه نحوه حرکت هوا و آب و نحوه تبادل گرما و رطوبت استفاده می کند.

مایرز می‌گوید: «برخی فرآیندها، مانند قطرات ابری که به صورت قطرات باران رشد می‌کنند، برای شبیه‌سازی مستقیم بسیار کوچک هستند، بنابراین مدل از تقریب‌های ساده‌شده‌ای از آنها استفاده می‌کند. "مطالعه ما به بررسی چگونگی تاثیر این تقریب ها بر ابرها و تاثیر آنها بر آب و هوا می پردازد."

مایرز می گوید، محققان مشاهدات ماهواره ای را با 250 شبیه سازی E3SMv3 با استفاده از تنظیمات مختلف برای فرآیندهای ابری نامشخص و آئروسل مقایسه کردند.

او می‌گوید: «ما دریافتیم که این مدل چگونه آب ابر را به باران تبدیل می‌کند، بازتاب ابر را به شدت کنترل می‌کند. زمانی که این تبدیل کارایی کمتری داشته باشد، آب بیشتری در ابرها باقی می‌ماند، که باعث بازتاب بیشتر ابرها می‌شود و تأثیر آب و هوای یک تغییر معین در پوشش ابر را افزایش می‌دهد.»

این مدل جهت اکثر واکنش‌های ابر مشاهده‌شده به تغییرات هواشناسی و آئروسل را به تصویر می‌کشد، اما اغلب قدرت آنها را اغراق می‌کند. مایرز می‌افزاید، همچنین به‌طور مداوم پاسخ ابر ​​به بادهایی که هوای خنک اقیانوس را بر روی آب گرم‌تر حرکت می‌دهند، از دست می‌دهد.

مایرز توضیح می‌دهد: "مطالعه ما نشان می‌دهد که چرا پیش‌بینی تغییرات در پوشش ابری تنها بخشی از چالش است. همین از دست دادن پوشش ابر می‌تواند اثرات بسیار متفاوتی بر اقلیم داشته باشد، بسته به اینکه ابرها در ابتدا چقدر بازتاب دارند." از دست دادن ابرهای با انعکاس زیاد اجازه می دهد تا انرژی خورشیدی بیشتری در سیستم آب و هوایی باقی بماند تا از دست دادن همان ناحیه ابرهای کمتر بازتابنده.

یکی از چالش‌هایی که این مدل هنوز حل نکرده است، پاسخ آن به فرارفت دمای سطحی است که به معنای انتقال با حرکت هوا است. مایرز می‌گوید برای این مطالعه، به بادهایی اشاره دارد که هوا را در مناطق اقیانوس‌ها با دمای سطح متفاوت حرکت می‌دهند.

هنگامی که هوا از مناطق سردتر به مناطق گرمتر اقیانوس حرکت می کند، اقیانوس گرما و رطوبت بیشتری را به هوا می رساند و اختلاط را در نزدیکی سطح تقویت می کند. این شرایط تمایل به حمایت بیشتر از پوشش کم ابر و انعکاس بیشتر نور خورشید دارند.

او می گوید: «ما آن رابطه را در مشاهدات می بینیم، اما مدل آن را بازتولید نمی کند. "هیچ یک از 250 شبیه سازی پاسخ مشاهده شده را در تنظیماتی که ما آزمایش کردیم، بازیابی نکردند. تصحیح مشکل نیازمند بررسی دقیق تر این است که چگونه مدل اساسا فرآیندهای اساسی را نشان می دهد."

مایرز می گوید که ذینفعان فوری این مطالعه، محققان آب و هوا و توسعه دهندگان مدل هستند.

او می‌گوید: "یافته‌های ما فرآیندهای خاصی را برای بررسی و بهبود شناسایی می‌کند. شبیه‌سازی‌های آب و هوایی قابل اعتمادتر از ارزیابی‌های آب و هوا پشتیبانی می‌کنند و به دولت‌ها، مدیران آب، برنامه‌ریزان انرژی و جوامع کمک می‌کنند تا برای تغییرات دما، بارندگی و سایر خطرات آب و هوایی آماده شوند." درک ابرها ضروری است زیرا آنها به شدت بر میزان گرمایش ناشی از افزایش گازهای گلخانه ای تأثیر می گذارند.

T. A. Myers و همکاران، Cloud Controlling Factor Analysis Reveals E3SMv3 Structural Bias and Mean State Control on Stratocumulus Radiative Sensitivity، Geophysical Research Letters (2026). DOI: 10.1029/2026gl125263

اطلاعات مجله: نامه تحقیقات ژئوفیزیک

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →