Arktyka zamienia się w krainę deszczu znacznie wcześniej, niż prognozowano

W miarę jak Arktyka ociepla się szybciej niż reszta świata, przybywa dowodów na to, że region ten doświadcza bezprecedensowych zmian środowiskowych. Jedną z nich są zmiany w opadach. Przewiduje się, że w XXI wieku będą zachodzić zmiany w cyklu hydrologicznym regionu, przy zwiększonym parowaniu z coraz bardziej wolnych od lodu obszarów arktycznych mórz i większej ilości opadów. Najnowsze prognozy modelu z szóstej fazy Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) wskazują na szybsze ocieplenie Arktyki i utratę lodu morskiego do końca tego wieku niż w poprzednich prognozach, a w konsekwencji na większe i szybsze zmiany w cyklu hydrologicznym. Arktyczne opady (deszcz) wzrastają szybciej w modelu CMIP6 niż w CMIP5 z powodu większej skali ocieplenia klimatu, a tym samym transportu wilgoci w kierunku biegunów, większego przy tym arktycznego wzmocnienia i i utraty lodu morskiego. Przewiduje się, że przejście od Arktyki zdominowanej przez śnieg do Arktyki zdominowanej przez deszcz latem i jesienią nastąpi kilkadziesiąt lat wcześniej i przy niższym poziomie globalnego ocieplenia, potencjalnie w świecie cieplejszym poniżej wartości 1,5°C, co będzie miało głębokie konsekwencje klimatyczne, środowiskowe i społeczno-gospodarcze.

Ogóle założenie naukowe

Panuje powszechna zgoda co do tego, że opady w Arktyce wzrosną w XXI wieku, przy czym szacunki wahają się od 30% do 60% do roku 2100 (Bintanja i inni, 2017). Wilgotniejsza Arktyka wynika ze zwiększonego parowania, będącego skutkiem większej ilości otwartej wody wskutek utraty lodu morskiego; wyższych temperatur powietrza, zwiększających zdolność atmosfery do przenoszenia wilgoci; oraz zwiększonego transportu wilgoci w kierunku biegunowym.

Oczekuje się również, że w takiej sytuacji będzie to widoczne w sektorze atlantyckim. Zjawisko to w region Morza Barentsa i Grenlandzkiego już teraz jest  obserwowane (Bintanja i inni, 2017). Nie ma jednak pewności co do regionalnego zasięgu i sezonowości tych zmian. Z wcześniejszych badań wynika, że opady deszczu zwiększą się wiosną, jesienią i zimą, teraz z kolei przewiduje się, że opady deszczu i śniegu zwiększą się w niektórych regionach jesienią i zimą. Te zwiększone opady, zdominowane przez deszcz, mogą mieć wyraźny wpływ na bilans masy lądolodu grenlandzkiego (Fettweis i inni, 2013) i globalny poziom morza, odprowadzanie wód rzecznych do oceanu, zasięg i grubość arktycznego lodu morskiego, zmarzlinę, a także florę, faunę i wpływ na systemy społeczno-ekologiczne (Stammler i inni, 2020).

Wyniki nowych badań w ramach szóstej fazy projektu Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6) umożliwiają ocenę najnowszych prognoz zmian klimatu w ramach różnych scenariuszy wymuszania emisji. W porównaniu z CMIP5, CMIP6 poprawił symulacje średniego stanu lodu morskiego i trendów w okresie obserwacji satelitarnych, jak również poprawił symulacje historycznej pokrywy śnieżnej i globalnych intensywności opadów. W takiej sytuacji wychodzimy z założenia że inne aspekty cyklu hydrologicznego, takie jak opady w Arktyce również uległy poprawie (Scoccimarroi inni, 2020).

Przedstawione wyniki badań obejmują prognozy zmian opadów w Arktyce do 2100 roku. Kluczowym wnioskiem jest to, że CMIP6 przewiduje większy i szybszy wzrost opadów oraz wcześniejsze przejście do Arktyki zdominowanej przez opady latem i jesienią.

Przewidywane zmiany do końca XXI wieku
Średnia z zestawu wielu modeli opadów w Arktyce wzrasta we wszystkich porach roku w XXI wieku, zwłaszcza jesienią, dla scenariuszy emisji CO₂ Reprezentatywnej Ścieżki Stężenia 8.5 (RCP8.5) i Wspólnej Ścieżki Społeczno-Ekonomicznej 5-8.5 (SSP5-8.5)  w scenariuszach CMIP5 i CMIP6. Ten całkowity wzrost opadów jest w dużej mierze zdominowany przez wzrost opadów we wszystkich porach roku w obu modelach CMIP. W lecie i jesienią wzrostowi opadów towarzyszy spadek opadów śniegu. Zimą jednak opady śniegu nadal rosną i pod koniec stulecia pozostaną dominującym typem opadów na większości obszaru Arktyki. Wiosną opady śniegu ulegają niewielkim zmianom na przestrzeni stulecia.

Zmiany w całkowitych opadach (TP) (czerwona krzywa wraz z odchyleniami standardowymi), opadach śniegu (snow - niebieska krzywa) i opadach deszczu (rain - zielona krzywa) w modelu CMIP5 i CMIP6 w stosunku do średniej 1981-2009 dla a grudnia-lutego (DJF), b marca-maja (MAM), c czerwca-sierpnia (JJA) i d września-listopada (SON). Jasnoniebieska pionowa przerywana linia oznacza koniec okresu historycznego dla CMIP5, a jasnofioletowa pionowa przerywana linia oznacza koniec okresu historycznego dla CMIP6. 

W prawej części jest przedstawione zastosowanie scenariuszy emisyjnych RCP8.5 i SSP5-8.5 dla CMIP5 i CMIP6. Cienie wokół każdej linii podkreślają rozrzut oparty na dolnych 5ciu i 95ciu. percentylach wśród członków modelu. Wykresy skrzypiec przedstawiają rozpiętość modeli od 2090 do 2100 roku dla każdego opadu całkowitego (TP), opadu śniegu (snow) i opadu deszczu (rain), przy czym czarne przerywane linie reprezentują 25ty. i 75ty. percentyl, a czarna pionowa linia reprezentuje średnią wszystkich modeli. Nature Communications

Ogólnie rzecz biorąc, model CMIP6 przewiduje większy wzrost opadów niż CMIP5, zdominowany przez zwiększone opady deszczu. Pod koniec tego wieku w stosunku do roku 2000 następuje 422% wzrost opadów w CMIP6 w porównaniu do 260% w CMIP5 w zimie; odpowiednie wartości wynoszą 261% i 141% wiosną, 71% i 51% latem oraz 268% i 192% jesienią. Rezultatem są różnice: około 0,3 mm dziennie lub 27,3 mm na sezon w opadach do 2100 roku między dwoma CMIP jesienią i różnicą około 0,2 mm dziennie (18,2 mm na sezon) wiosną i zimą. Tendencje są również większe w CMIP6 jesienią, opady wzrastają o 0,9 mm dziennie (81,9 mm na sezon) od 2020 do 2100 roku w porównaniu z 0,7 mm dziennie-1 (63,7 mm na sezon) w CMIP5, co daje 24% większy wzrost opadów.  Większe wzrosty opadów symulowane są również w innych porach roku - zima ma o 39% większy wzrost w CMIP6, podczas gdy wiosna i lato mają odpowiednio 36% i 14% większe wzrosty. W CMIP6 obserwuje się większe zmniejszenie opadów śniegu latem (16%) i jesienią (38%) pod koniec wieku, co jest zgodne z krótszym sezonem występowania pokrywy śnieżnej niż zakładały to wcześniejsze prognozy. Podobne wzorce pojawiają się dla scenariusza RCP4.5, choć zmiana opadów w poszczególnych sezonach jest skromniejsza niż dla RCP8.5, co wiąże się z mniejszą ilością CO₂, a tym samym mniejszymi skutkami ocieplenia klimatu. 

Nie tylko średnie zmiany w zestawie modeli są większe w CMIP6 niż w CMIP5, ale istnieje również większy rozrzut między modelami w CMIP6, co wskazuje na większą niepewność w prognozowanych zmianach opadów. Większy rozrzut w całkowitych opadach, opadach deszczu i śniegu w CMIP6 jest prawdopodobnie związany z większym rozrzutem w temperaturze powietrza przy powierzchni Ziemi, otwartej wodzie i wartości strumieniu wilgoci w kolumnie atmosfery pod koniec wieku (2091-2100).

Lewa kolumna pokazuje zmiany w a, e opadach śniegu i c, g opadach deszczu pod koniec tego wieku w a, c grudniu-lutym (DJF) i e, g wrześniu-listopadzie (SON) w modelu CMIP6. Zakreskowane obszary to regiony, w których różnice nie są istotne statystycznie na 95% poziomie ufności. 

Prawa kolumna pokazuje różnicę w opadach śniegu b, f i opadach deszczu d, h na koniec tego wieku (2091-2100) w stosunku do początku tego wieku (2005-2014) pomiędzy CMIP5 i CMIP6 (CMIP6-CMIP5) dla b, d grudzień-luty i f, h wrzesień-listopad. zakreskowane obszary wskazują na istotność statystyczną na 95% poziomie ufności. Nature Communications

W CMIP6 przewiduje się również bardziej rozległe zmiany przestrzenne w opadach śniegu i deszczu w Arktyce, zwłaszcza jesienią i zimą w przypadku scenariusza RCP8.5, a w mniejszym stopniu w przypadku RCP4.5. Do 2100 roku w obu zestawach CMIP przewidywane są duże wzrosty jesiennych opadów w Arktyce, ale są one wyraźniejsze w CMIP6, ze statystycznie istotnym wzrostem do 0,6 mm dziennie wokół Grenlandii i Morza Barentsa. Towarzyszy temu większy statystycznie istotny spadek jesiennych opadów śniegu o około 0,4 mm dziennie w porównaniu z CMIP5, z wyjątkiem wschodniej Grenlandii. Chociaż różnice między CMIP6 a CMIP5 są przestrzennie bardziej ograniczone w zimie niż jesienią, większe wzrosty opadów są widoczne w CMIP6 na całym Oceanie Arktycznym i morzach peryferyjnych, zwłaszcza na Morzu Grenlandzkim i Morzu Barentsa. Przewiduje się znaczny wzrost opadów śniegu zimą do 2100 roku, co jest zgodne z ustaleniami Krastinga, który ocenił symulacje CMIP5. Jednak te wzrosty opadów śniegu są ponownie większe w CMIP6, zwłaszcza na Syberii i kanadyjskim Archipelagu Arktycznym. Chociaż różnice między CMIP6 a CMIP5 wiosną i latem są mniej wyraźne, CMIP6 zakłada większy wzrost opadów zbiegający się z większym spadkiem opadów śniegu w porównaniu z CMIP5, w całej Arktyce i w obu porach roku.

Przejście do opadów zdominowanych przez deszcz
Przejście z reżimu opadów zdominowanych przez śnieg do reżimu opadów zdominowanych przez deszcz następuje wcześniej w modelu CMIP6, szczególnie jesienią. W tym przypadku, jak pokazuje zestaw map poniżej (mapa l) większość Oceanu Arktycznego, Syberii i Archipelagu Kanadyjskiego zostaje zdominowana przez opady deszczu jedną lub dwie dekady wcześniej. Choć zmiany do końca stulecia rysują się jako radykalne, to większość Arktyki pozostanie w dużej mierze zdominowana przez opadu śniegu zimą i wiosną do końca tego wieku.

Liczone w dekadach stany przejścia z reżimu opadów zdominowanego przez śnieg do reżimu zdominowanego przez deszcz dla CMIP6 (pierwsza kolumna) i CMIP5 (druga kolumna), przyjmowanych jako moment, w którym roczny opad śniegu w stosunku do rocznego opadu spada poniżej 50% i ich różnic (trzecia kolumna) dla a-c grudzień-luty (DJF), d-f marzec-maj (MAM), g-i czerwiec-sierpień (JJA) i j-l wrzesień-listopad (SON). Obszary, które nie przejdą do 2100 roku są zacieniowane na niebiesko. Obszary zacieniowane na biało w pierwszych dwóch kolumnach to obszary zdominowane przez opady deszczu przed rokiem 2000. Nature Communications

Występują też regionalne różnice. Przejście do reżimu opadowego zarówno zimą, jak i wiosną następuje około 10 lat wcześniej na Morzu Barentsa w CMIP6 (mapa c i f), ale wiosną przechodzi później niż w CMIP5 w części Ameryki Północnej i Europy. To późniejsze przejście na wiosnę jest prawdopodobnie spowodowane wyższym współczynnikiem opadów śniegu w CMIP6 na początku tego wieku. Miejsce, gdzie opady śniegu będą ustępować opadom deszczu jest nawet Grenlandia, wraz z wznoszącą się na wysokości ponad 3000 m.n.p.m. centralną częścią lądolodu. Tam na przełomie XXI i XXII wieku w okresie letnim będą dominować już opady deszczu, a nie śniegu. Ewentualnie stanie się to w pierwszych dekadach XXII wieku. Warto przypomnieć, że w sierpniu 2021 roku na Summit Station zanotowano pierwszy raz w historii opady deszczu.

Przewidywane zmiany opadów atmosferycznych w ramach scenariuszy globalnego ocieplenia
Biorąc pod uwagę konieczność utrzymania się w granicach od 1,5°C do 2°C globalnego ocieplenia, aby złagodzić skutki poważnej zmiany klimatu, warto zbadać, jak te granice temperatury wiążą się z przejściem do systemu opadów zdominowanego przez deszcz w całej Arktyce. Oceniając poszczególne regiony w skali całego roku, morza Beauforta, Czukockie, Beringa, Łaptiewów i Wschodniosyberyjskie pozostaną zdominowane przez opady śniegu zarówno w przypadku ocieplenia o 1,5 °C, jak i 2 °C, natomiast przejście na system opadów zdominowany przez deszcz prawdopodobnie nastąpi na Morzu Grenlandzkim i Norweskim, niezależnie od limitu 1,5°C lub 2°C, zwłaszcza w CMIP6. W zachodniej Rosji i Europie przejście na opady deszczu wymaga raczej globalnego ocieplenia o 2°C, przy czym model CMIP6 bardziej wykazuje taką zmianę niż CMIP5. Oczekuje się, że region Grenlandii przejdzie na opady zdominowane przez deszcz przy ociepleniu o 1,5°C tylko w modelu CMIP6, ale w obu modelach, gdy zrealizowane zostanie ocieplenie o 2°C. Przeanalizowany został również stosunek opadów śniegu dla ocieplenia klimatu o 3°C, ponieważ uważa się, że prawdopodobieństwo utrzymania się ocieplenia o 2°C wynosi tylko około 5% przy obecnie realizowanej polityce. Przy ociepleniu o 3°C większość regionów, z wyjątkiem tych w pacyficznym sektorze Arktyki, przejdzie na system zdominowany przez deszcz. Jednakże w ujęciu sezonowym, do końca wieku zima nadal będzie zdominowana przez opady śniegu, a przy globalnym ociepleniu o 3°C większość regionów Arktyki będzie zdominowana przez opady śniegu zimą i wiosną.

 

Podsumowując powyższe wyniki badań pokazują, że Arktyka będzie w ciągu najbliższych dziesięcioleci przechodzi z typowego polarnego klimatu, gdzie dominuje śnieg, w klimat bardziej północnoatlantycki, gdzie dominuje deszcz. Trzeba też wziąć pod uwagę fakt, że nawet zimą będą lata, gdzie w drugiej połowie tego stulecia niektóre regiony doświadczą częściej deszczu niż śniegu. W ciągu ostatnich pięciu lat kilkakrotnie zanotowano temperatury powyżej zera na w okresie grudzień-styczeń w pobliżu bieguna północnego. Wyższe temperatury, a tym samym częstsze odwilże będą skutkować częstszymi opadami deszczu. Opady te będą dodatnim sprzężeniem zwrotnym, prowadzącym do redukcji lodu morskiego.

Na podstawie New climate models reveal faster and larger increases in Arctic precipitation than previously projected, Nature Communications