Frontiers in Earth Science

Jako przedmiot badań, nauki o atmosferze obejmują wszystkie procesy zachodzące w atmosferze, wraz z jej powiązaniami z innymi systemami, głównie hydrosferą, kriosferą, litosferą, biosferą i przestrzenią kosmiczną. W związku z tym jest to rozległa dyscyplina, a zadanie opisania głównych wyzwań nie jest łatwe i w znacznym stopniu pokrywa się z niektórymi innymi wielkimi wyzwaniami w naukach o Ziemi i środowisku. Ponieważ szczególne nakładanie się może mieć miejsce w przypadku nauk o klimacie, warto pamiętać, że procesy atmosferyczne różnią się od klimatycznych skalą czasową, przy czym te ostatnie zachodzą w długich okresach, zwykle dłuższych niż 30 lat, ale w każdym razie wystarczająco długich, aby uzyskać znaczące średnie. Procesy atmosferyczne są kluczowe dla konfiguracji stanu klimatu, ale także dla wielu czynników sprawczych i sprzężeń zwrotnych, które określają wielkość zmian klimatu i ich możliwe skutki. Ponadto, w ostatnich latach nastąpił imponujący postęp w naukach o atmosferze pod względem korzyści, jakie przynoszą one jednostkom i organizacjom. Przepływ „informacji” atmosferycznych ma duże znaczenie przy podejmowaniu decyzji związanych ze zdrowiem, rolnictwem, energią, zasilaniem i środowiskiem. Ten artykuł „Wielkie wyzwania” koncentruje się na atmosferze, chociaż silna interakcja z innymi częściami Ziemi i jej środowiska, wraz z zaangażowanymi implikacjami społecznymi, jest wspólnym tematem wszystkich opisanych wyzwań.

W ciągu najbliższych kilku lat postęp w naukach o atmosferze jest niezbędny, jeśli zrozumienie podstawowych procesów i ich modelowanie ma się poprawić; będzie to wymagało prawdziwego postępu w podejściach obserwacyjnych, koncepcyjnych i technologicznych. Z tego powodu poniższa niewyczerpująca lista 12 wybranych wyzwań obejmuje te związane z obserwacjami i asymilacją danych, te objęte tradycyjnymi dyscyplinami (fizyka i chemia atmosfery, dynamika atmosfery i prognozowanie pogody), te dotyczące interakcji między atmosferą a jej granicami oraz te związane z atmosferycznym komponentem badań klimatu.

Wyzwanie 1: Asymilacja danych

Wyzwania w zakresie asymilacji danych na potrzeby obserwacji Ziemi w najbliższych latach dotyczą aspektów technicznych i ogólnych aspektów tematycznych, a także zdolności do wykorzystania nowych i ekscytujących możliwości w systemach obserwacji Ziemi. Korzyści wynikające z podjęcia tych wyzwań prawdopodobnie obejmą ulepszenie reanaliz, ulepszenie prognozowania pogody, udoskonalenie systemu obserwacyjnego oraz poprawę podstaw, na których można budować elementy modeli klimatu. Wśród wyzwań technicznych pięć obszarów jest najbardziej znaczących: (1) asymilacja danych sprzężonych w celu uwzględnienia powiązań między różnymi elementami systemu ziemskiego; przykłady obejmują sprzężenie atmosfery i oceanu, oceanu i kriosfery oraz atmosfery i lądu; (2) asymilacja danych zespołowych w celu uwzględnienia naturalnej zmienności i/lub reprezentowania błędów w systemie ziemskim – w tym przypadku wysiłek techniczny będzie koncentrował się na projektowaniu realistycznych zespołów; (3) przeprowadzanie asymilacji danych przy zwiększonych rozdzielczościach przestrzennych, reprezentujących system ziemski w dokładniejszych skalach (mezoskala i dokładniejsze), łącznie z rozwojem teoretycznym w celu uwzględnienia zmian w warunkach równowagi; (4) lepsze przedstawienie błędów (losowych i stronniczych) w obserwacjach i modelach wykorzystywanych w asymilacji danych, łącznie z przedstawieniem błędów prognoz, błędów modelu i korektą stronniczości online; (5) rozszerzenie i konsolidacja wspólnej estymacji stanu i podejścia do modelowania odwrotnego w celu badania cykli biogeochemicznych (np.g., cykl węglowy). Nadrzędnym wyzwaniem jest tutaj konsolidacja i integracja wspólnotowych wysiłków asymilacji danych agencji meteorologicznych i kosmicznych, badań i działań operacyjnych, oraz z in situ i satelitarnych platform obserwacyjnych, w tym wszystkich kontynentalnych i globalnych współpracy, oraz skuteczne zastosowanie tych wysiłków w kierunku rozwoju nowych misji w obserwacji Ziemi.

Wyzwanie 2: Procesy o małej skali w atmosferze

Wyzwania są widoczne w odniesieniu do naszego fundamentalnego zrozumienia procesów o małej skali i związanych z nimi zastosowań, z których wiele jest obecnie aktywnie dyskutowanych i badanych. Po pierwsze, zwiększona moc obliczeniowa pozwala na bardziej szczegółową symulację problemów mechaniki płynów, dzięki czemu nawet stabilnie uwarstwione przepływy są obecnie modelowane przez bezpośrednią symulację numeryczną. Jednocześnie, te zaawansowane techniki obliczeniowe wymagają również nowej generacji schematów parametryzacji dla numerycznego prognozowania pogody (NWP) i modelowania klimatu. Przy wysokich rozdzielczościach, na przykład, złożona dynamika, która występuje na obszarach miejskich nie może być pominięta i wymagane są specjalne schematy NWP do jej reprezentacji. Przy mniejszych rozmiarach siatki w NWP pojawia się tak zwana szara strefa turbulencji, a wpływ tego zjawiska musi być zrozumiany i określony ilościowo. Istnieje możliwość poprawy w zakresie odwzorowania chmur i cyklu dobowego głębokiej konwekcji, to samo dotyczy procesów fizycznych, które rządzą stabilnymi warstwami granicznymi i cyklem dobowym, a także nieciągłego charakteru turbulencji, zwłaszcza w spokojnych warunkach. Wyższe rozdzielczości wymagają ponadto bardziej zaawansowanych technik pozwalających na interpretację dokonanych obserwacji. W meteorologii warstwy granicznej dalszej uwagi wymaga zamknięcie bilansu energii powierzchniowej i budżetu cieplnego w obserwacjach terenowych. Wreszcie, wyzwania związane z danymi stojące przed meteorologią również wzrosną, w szczególności ze względu na większą dostępność zarówno profesjonalnych, jak i pochodzących z tłumu obserwacji (Muller et al., 2013).

Wyzwanie 3: Chemia zanieczyszczeń powietrza

Kluczowe elementy programu mającego na celu sprostanie najważniejszym wyzwaniom dla naukowców w dziedzinie chemii zanieczyszczeń powietrza można opisać w ramach następujących trzech pozycji: (1) Zanieczyszczenia wewnętrzne a zdrowie: biorąc pod uwagę tendencję ludzi do pozostawania w dużej mierze w pomieszczeniach zamkniętych do pracy, szkoły i wypoczynku, ważne jest badanie wpływu zanieczyszczeń wewnętrznych na zdrowie człowieka w wyniku emisji wewnętrznych i/lub infiltracji zewnętrznego powietrza atmosferycznego. W ostatnich latach procesy regulujące jakość powietrza w pomieszczeniach uległy znacznym zmianom w wyniku modyfikacji przepisów budowlanych mających na celu poprawę efektywności energetycznej. Nadal pozostaje wiele niewiadomych dotyczących źródeł, związków i procesów, które wpływają na jakość powietrza w pomieszczeniach i jej wpływ na samopoczucie ludzi. (2) Pył i jakość powietrza: dzięki ciągłej poprawie charakterystyki emisji z pojazdów skutki zanieczyszczenia aerozolowego na obszarach miejskich można obecnie w coraz większym stopniu przypisać innym źródłom emisji, takim jak transport pyłu naturalnego i resuspensja pyłu drogowego, głównie na obszarach Europy Południowej o suchszym klimacie, na obszarach dotkniętych transportem pyłu z pustyń Afryki Północnej. Zrozumienie tych skutków oraz zastosowanie środków łagodzących (w przypadku resuspensji pyłu drogowego) to obszary przyszłych badań. (3) Spalanie biomasy: w związku ze zmianami klimatu oraz obawami dotyczącymi wpływu i kosztów paliw kopalnych, spalanie biomasy jest obecnie powszechnie stosowane w Europie do ogrzewania domów. Na wielu obszarach miejskich, głównie w zimie, stwierdzono, że domowa biomasa jest ważnym źródłem zanieczyszczenia powietrza cząstkami stałymi. Obecnie kładzie się nacisk na ocenę wpływu spalania biomasy na jakość powietrza w miastach, jak również na badanie charakterystyki emisji z urządzeń i instalacji spalających biomasę, a także na wpływ składu cząstek spalanej biomasy na zdrowie człowieka.

Wyzwanie 4: Interakcje aerozol-chmura

Nie ma wątpliwości, że cząstki aerozolu aktywnie uczestniczą w tworzeniu chmur poprzez dostarczanie jąder kondensacji chmur (CCN) i jąder lodu (IN). Sugeruje się, że zmiany w koncentracji aerozoli zmienią czas życia chmur i wydajność opadów, a tym samym wpłyną na wymuszenie radiacyjne systemu ziemskiego. Tematowi temu poświęcono wiele wysiłku, co zaowocowało szybkim rozwojem wiedzy, metodologii i technik (np. Wang, 2013). Pomimo tego postępu, nadal trudno jest wyciągnąć jakiekolwiek sensowne wnioski na temat efektów klimatologicznych aerozoli w skalach regionalnych i globalnych. Z kolei interakcje aerozol-chmura w skalach molekularnych i mikrofizycznych stają się coraz bardziej przewidywalne, a ich modelowanie bardziej deterministyczne. Wydaje się, że istnieje znacząca luka w naszej wiedzy pomiędzy procesami zachodzącymi w małej skali (molekularnej i mikrofizycznej) a zdarzeniami zachodzącymi w dużej skali (regionalnej/globalnej) w tym obszarze. Sugerujemy, że istnieje potrzeba syntezy wieloskalowych wyników, aby jasno zidentyfikować związane z tym problemy i poprawić obecny zestaw narzędzi i metodologii wymaganych do wypełnienia tej luki.

Wyzwanie 5: Przewidywanie pogody

Zjawiska opisywane przez płyny są złożone, jednak wygląd praw ruchu płynów jest zwodniczo prosty, równania rządzące tymi prawami są nieliniowe, co implikuje wiele (i trudnych do zrozumienia) rodzajów efektów zwrotnych. Atmosfera i czasowa ewolucja jej stanu nie jest wolna od tego problemu. W każdym razie, jednym z flagowych osiągnięć badań w dziedzinie nauk o atmosferze w ciągu ostatnich kilku dekad było ustanowienie wiarygodnych prognoz w zakresie 2-7 dni, ze względu na ogromne potencjalne korzyści ekonomiczne; jednak takie techniki nadal cierpią z powodu problemów wynikających z gromadzenia i wykorzystania danych, które są zbierane głównie nad oceanami. Wykorzystanie nowych danych z satelitów i naziemnej teledetekcji mogłoby pomóc w tym względzie, podobnie jak prawidłowe utrzymanie tradycyjnych zestawów danych, takich jak obecnie nieco przestarzała globalna sieć rawinsondy. Priorytetem są również udoskonalenia w pomiarach pary wodnej i właściwości powierzchni ziemi. Badań Naukowych (National Research Council, 1998), a mianowicie: lepsze zrozumienie charakteru interakcji pomiędzy procesami zachodzącymi w atmosferze i na powierzchni ziemi, cyklu hydrologicznego, dynamiki głębokiej konwekcji, roli tropopauzy w dynamice atmosfery, nowy impuls w rozwoju modeli mezoskalowych oraz poprawa parametryzacji wykorzystywanych w opartych na falach modelach pogody i klimatu. Przykładem znaczenia tych ulepszeń jest opór orograficznej fali grawitacyjnej, którego parametryzacja w modelach prognozowania pogody i klimatu wymaga aktualizacji, biorąc pod uwagę znaczenie niektórych efektów, które okazały się istotne w ostatnich badaniach. Wśród nich jest wpływ uskoku wiatru zarówno na opór powierzchniowy jak i strumień pędu fali (oraz jego rozpraszanie), a także opór wytwarzany przez uwięzione fale morskie, których energia rozchodzi się i jest rozpraszana raczej w dół od ich źródła niż w górę. Implikacje tych orograficznych fal grawitacyjnych dla turbulencji czystego powietrza (CAT), bardzo poważnego zagrożenia dla lotnictwa, nie zostały w sposób zadowalający określone ilościowo. Większość metod prognozowania CAT wykorzystuje empiryczne predyktory, które nie są jednoznacznie związane z falami grawitacyjnymi, ale wiadomo, że kierunkowe ścinanie (które jest wszechobecne w przyrodzie) prowadzi do łamania się fal grawitacyjnych, co może być ważnym źródłem CAT. Uwięzienie fal grawitacyjnych na zawietrznej części gór lub wzniesień prowadzi do powstawania niestabilnych, turbulentnych, zamkniętych cyrkulacji zwanych rotorami, które również stanowią poważne zagrożenie dla lotnictwa. Nasze rozumienie warunków niezbędnych do powstania tych struktur przepływu jest niekompletne i bez wątpienia skorzysta z ostatnich postępów w teorii fal górskich.

Wyzwanie 6: Remote Sensing for Meteorology and Climate

Ziemna i satelitarna teledetekcja zapewniła duży postęp w naszym rozumieniu zarówno pogody, jak i systemów klimatycznych, a także zmian w nich zachodzących (Yang i in., 2013), poprzez umożliwienie kwantyfikacji procesów i stanów przestrzenno-czasowych atmosfery, lądów i oceanów. Dobrym tego przykładem jest intensywne wykorzystanie zdjęć satelitarnych w meteorologii oraz przestrzenne wzorce wzrostu poziomu morza. Czas trwania tych szeregów czasowych jest zazwyczaj zbyt krótki, aby można je było wykorzystać do uchwycenia długoterminowych trendów wielu zmiennych klimatycznych, dlatego jednym z głównych wyzwań jest wydłużenie czasu trwania tych szeregów czasowych. Teledetekcja regionalnych i globalnych cyklów chmur i opadów jest również niezbędna do monitorowania klimatu i weryfikacji wyników modelowania. Istnieją dwa znaczące wyzwania w dziedzinie fizyki atmosfery; pierwszym z nich jest zaprojektowanie innowacyjnych badań skupiających się na mikrofizyce chmur i związku z fizyką wyładowań atmosferycznych, wraz ze wszystkimi aspektami związanymi z obserwacją i pomiarami elektryczności atmosferycznej, a drugim jest opracowanie nowych pasywnych badań radiometrycznych i radarowych, które pomogą nam zrozumieć strukturę chmur i opadów ze szczególnym uwzględnieniem procesów ciepłego deszczu tropikalnego, lekkich opadów na średnich szerokościach geograficznych, opadów śniegu, zawartości wody ciekłej i lodowej w chmurach, wody opadowej i profili pary wodnej. Jednym z wyzwań hydrometeorologicznych jest rozszerzenie i udoskonalenie naszych obserwacji i modelowania atmosferycznej i kontynentalnej części cyklu wodnego w celu umożliwienia jego zamknięcia (np. obszary górskie, regiony polarne).

Wyzwanie 7: Atmospheric Branch of the Hydrological Cycle

Pośród wielu wyzwań związanych z cyklem hydrologicznym, te dotyczące atmosferycznego transportu wilgoci muszą otrzymać specjalną wzmiankę ze względu na ich istnienie w całości w sferze nauk atmosferycznych. Tutaj rozważamy najbardziej palące z wyzwań opisanych w niedawnym przeglądzie Gimeno et al. (2012). Diagnoza źródeł wilgoci stała się głównym narzędziem badawczym w analizie zjawisk ekstremalnych (np. powodzi, susz) i może być uważana za podstawowe narzędzie w regionalnych i globalnych ocenach klimatycznych; konieczne jest zatem sprawdzenie spójności różnych podejść stosowanych do ustalania relacji źródło-pochłaniacz dla atmosferycznej pary wodnej. Kluczowe znaczenie ma poprawa naszego zrozumienia, w jaki sposób źródła wilgoci wpływają na izotopy opadów atmosferycznych; jest to ważne samo w sobie, ale jest to również kluczowe dla prawidłowej interpretacji najbardziej znaczących archiwów paleoklimatycznych, w tym rdzeni lodowych i osadów jaskiniowych. Kolejnym wyzwaniem jest lepsze zrozumienie roli transportu wilgoci jako głównego czynnika odpowiedzialnego za ekstrema meteorologiczne (obfite opady deszczu dzięki strukturom takim jak nisko położone dżety i rzeki atmosferyczne lub susza dzięki długotrwałemu zmniejszonemu dopływowi pary wodnej z regionów źródłowych wilgoci). Aby ocenić, czy regiony źródeł wilgoci pozostawały w ostatnich latach nieruchome, należy zrozumieć wpływ głównych rodzajów zmienności klimatu na zmienność regionów wilgoci oraz to, w jaki sposób transport wilgoci odbywa się w zmieniającym się klimacie. Te nierozwiązane pytania stanowią istotne wyzwanie dla klimatologów.

Wyzwanie 8: Interaction of Scales in Climate Simulation

Interakcja pomiędzy różnymi skalami przestrzennymi i czasowymi skutkuje tym, co nazywamy klimatem. (Lorenz 1967) był jednym z pierwszych, którzy podkreślili znaczenie interakcji skal w wyjaśnianiu niektórych kluczowych cech klimatu obserwowanych w różnych regionach. Nieliniowy charakter większości z tych interakcji skalowych utrudnia ich modelowanie, co w konsekwencji nadal stanowi źródło niepewności w symulacjach klimatycznych. Zaproponowano pewne empiryczne metody zmniejszania skali danych wyjściowych z modeli klimatycznych, ale nadal są one nieco kontrowersyjne (Pielke i Wilby, 2011), zwłaszcza gdy są stosowane do interpretacji długoterminowych prognoz klimatycznych w skali regionalnej. Wykorzystanie warunków brzegowych z modelu globalnego, w którym przewidywane są sprzężone interakcje pomiędzy wszystkimi głównymi podsystemami systemu klimatycznego (atmosfera, ocean, biosfera i kriosfera), wiąże się z wieloma problemami, takimi jak zatrzymanie wielkoskalowych błędów klimatycznych w modelach globalnych, duża zależność od bocznych warunków brzegowych lub brak dwukierunkowej interakcji pomiędzy modelami regionalnymi i globalnymi. Rola procesów atmosferycznych o małej skali, zwykle w zjawiskach krótkotrwałych, okazuje się bardzo istotna szczególnie w regionach tropikalnych, gdzie mezoskalowe systemy konwekcyjne oddziałują z cyrkulacjami wielkoskalowymi i mają kluczowe znaczenie w cyklu hydrologicznym. Na przykład cyklony tropikalne mogą powodować bardzo mokre lub suche lata w niektórych regionach, w zależności od ich aktywności i trajektorii. Ten element jest raczej trudny do symulowania w modelach klimatycznych, ale jego wkład w klimat regionalny jest niewątpliwy i musi być lepiej zrozumiany w celu włączenia go do systemów modelowania klimatu.

Wyzwanie 9: Extreme Events

W ostatnich latach skutki różnych zjawisk meteorologicznych i klimatycznych zyskały na znaczeniu w oczach mediów i całej populacji, częściowo w konsekwencji ekstremalnych wydarzeń, takich jak fale upałów w Europie (2003), Rosji (2010), czy USA (2011), lub śmiertelnych i niezwykle kosztownych huraganów, które uderzyły w gęsto zaludnione obszary w ostatnich latach, w tym Nowy Orlean (Katrina, 2005) i obszar metropolitalny Nowego Jorku (Sandy, 2012). Podobnie, przedłużające się okresy suszy spowodowały poważne problemy dla producentów zbóż, w tym w południowej Australii (2002-2010) lub w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych, lub poprzez zwiększone prawdopodobieństwo pożarów lasów (Amazonia, 2005 i 2010). Niektóre z tych ekstremalnych zjawisk są ściśle związane z występowaniem dynamicznych układów cyrkulacyjnych, takich jak Oscylacja Północnoatlantycka (NAO), lub z blokowaniem i przemieszczaniem się szlaków burzowych oraz strumienia jet stream. Ekstrema są z definicji rzadkie w szeregu czasowym, istnieje zatem pilna potrzeba, związana z analizą zdarzeń ekstremalnych, przedłużenia szeregu klimatycznego tak daleko, jak to możliwe, i z tego powodu rekonstrukcje minionego klimatu oparte na danych instrumentalnych, historycznych i proxy są nadal niezbędne. Ostatni raport IPCC (IPCC, 2013) pokazuje, że to rosnące zainteresowanie ekstremalnymi zdarzeniami klimatycznymi musi być rozpatrywane w szerszym kontekście zmian klimatu, biorąc pod uwagę, że oczekiwane zmiany w klimacie globalnym, regionalnym, a nawet lokalnym będą najprawdopodobniej odczuwalne poprzez zmiany w wielkości i częstotliwości zdarzeń ekstremalnych.

Wyzwanie 10: Solar Influence on Climate

Oszacowano, że około 8% ostatnich globalnych zmian klimatycznych można przypisać zmienności słonecznej, ale liczba ta musi być traktowana z ostrożnością, biorąc pod uwagę, że wiele aspektów wymuszania słonecznego i mechanizmów sprzęgających zmienność słoneczną z ziemskim systemem klimatycznym pozostaje słabo poznanych (Gray i in., 2010). Wraz z rosnącą złożonością i zaawansowaniem modeli atmosferycznych i klimatycznych oraz potrzebą zwiększenia dokładności przewidywań, ważne jest, aby móc włączyć do tych modeli pełniejszy obraz wymuszania słonecznego. Źródła wymuszenia słonecznego można podzielić na komponenty radiacyjne i cząsteczkowe. Naukowy punkt ciężkości w przypadku wymuszenia radiacyjnego przesuwa się obecnie z odpowiedzi globalnych na regionalne, wywołane zmianami w widmowej irradiancji słonecznej (SSI). Pozostaje wiele pytań dotyczących natury zmian w SSI, jak należy je wprowadzać do modeli i jak zmienią się one w przyszłych cyklach słonecznych, jeśli Słońce odejdzie od swojego obecnego wielkiego maksimum aktywności słonecznej w kierunku nowego minimum maundera. Element napędzany cząsteczkami jest dalej podzielony na efekt opadów cząstek energetycznych (EPP) i efekt promieniowania kosmicznego (CR). Efekt EPP początkowo wpływa na górną stratosferę i dolną termosferę. Podczas gdy chemiczne efekty EPP na atmosferę są obecnie dobrze poznane, istnieje pilna potrzeba zrozumienia dalszych efektów dynamicznych, jak również potencjalnych mechanizmów i wielkości w odniesieniu do klimatu Ziemi. Potencjalny wpływ EPP na klimat jest rozwijającym się obszarem badawczym, który nabiera większego znaczenia teraz, gdy modele klimatyczne rozciągają się na wyższe wysokości, na które EPP ma bardziej bezpośredni wpływ. EPP zapewnia jedną z kluczowych dróg transportu z niższej termosfery do stratosfery i dalej, aż do troposfery poprzez sprzężenie stratosfera-troposfera w regionach polarnych. Wpływ EPP może również stać się bardziej wyraźny w najbliższej przyszłości, gdy wymuszanie radiacyjne stanie się bardziej zależne od przejścia do minimum aktywności słonecznej typu „maunder”. Składnik napędzany przez CR jest obecnie uważany za najsłabiej poznany spośród źródeł wymuszenia słonecznego, chociaż prowadzone są specjalne międzynarodowe badania mające na celu rozwiązanie tego problemu. Ostatnie wyniki sugerują, że chociaż CR mogą stymulować zarodkowanie aerozolu, w kategoriach globalnych efekty te nie są duże, a pytania pozostają na temat fizycznych mechanizmów łączących CR i zarodkowanie aerozolu.

Wyzwanie 11: Miejska pogoda i klimat

Miejska wyspa ciepła (UHI) jest prawdopodobnie najlepiej znanym efektem obecności miast na lokalny mikroklimat; temperatura powietrza w mieście w nocy może być znacznie wyższa (do 10°C lub więcej) niż w otaczającym obszarze. Klimat miejski, wyłaniająca się 20 lat temu gałąź meteorologii, jest obecnie dojrzałą dziedziną badań. Obejmuje szereg tematów, od podstawowych badań teoretycznych po badania stosowane, których głównym celem jest wykorzystanie wiedzy klimatycznej do lepszego projektowania miast na całym świecie. Mikrometeorologia zawsze była głównym obszarem zainteresowania w badaniach miejskich ze względu na skalę, w jakiej jest prowadzona. Od lat 70-tych XX wieku instrumentaliści zajmujący się klimatologią miejską są pionierami w ciągłym rozwoju oprzyrządowania i analizy procesów. Procesy prowadzące do powstawania UHI (głównie o charakterze fizycznym ze względu na trójwymiarowy kształt i materiały, z których zbudowana jest tkanka miejska) wyłoniły się z tych wczesnych badań. Obecnie pozostaje wiele wyzwań związanych z pomiarami tej dość złożonej miejskiej warstwy granicznej. Nowe instrumenty teledetekcji krótkiego zasięgu są wykorzystywane w celu uzyskania specjalistycznego spojrzenia na zachodzące procesy fizyczne. Taki rozwój instrumentalny będzie nieuchronnie kontynuowany. Modelarze atmosferyczni zajęli się klimatem miejskim dopiero wtedy, gdy modele atmosferyczne osiągnęły wystarczająco wysoką rozdzielczość (kilka km), aby móc jednoznacznie reprezentować miasta. Pierwsze modele przedstawiające wymianę energii i wody pomiędzy powierzchniami miejskimi a atmosferą pojawiły się na początku XXI wieku (patrz przeglądy w Masson, 2006 i Martilli, 2007) i są obecnie coraz częściej wykorzystywane w numerycznych modelach prognozowania pogody. Pierwsze międzynarodowe porównania modeli miejskich (Grimmond et al., 2010, 2011) omówiły pewne oczywiste sposoby poprawy, na przykład w zakresie reprezentacji roślinności miejskiej. Ponadto, około 15 lat później niż modele atmosferyczne, regionalne modele klimatu mają obecnie rozdzielczości przestrzenne zgodne ze skalami miejskimi. Stanowi to oczywiście nowe wyzwanie dla właściwej reprezentacji miast w modelach klimatycznych. Podobnie, badania meteorologii miejskiej nie mogą ograniczać się do fizyki czy chemii, ale muszą uwzględniać zachowania mieszkańców. Chociaż istnieją już badania biometeorologiczne, zwłaszcza w zakresie poziomu komfortu człowieka, interakcje między światem meteorologicznym i społecznym, zarówno w zakresie komfortu człowieka, jak i np. zużycia energii zależnego od warunków meteorologicznych, nadal stanowią jedno z głównych wyzwań dla meteorologów miejskich.

Wyzwanie 12: Zubożenie i odbudowa warstwy ozonowej

Choć w wielu regionach nadal obserwuje się minima stężenia ozonu w stratosferze, zaczynają być dostrzegane oznaki odbudowy. W stratosferze Antarktydy stężenie halowęglowodorów osiągnęło szczyt około 2000 roku, a następnie zaczęło się zmniejszać. Obecne prognozy wskazują, że całkowite ożywienie może nastąpić około 2050 roku. Oznacza to, że jednym z głównych wyzwań jest zapewnienie stałego monitorowania zarówno ozonu, jak i gazów zubożających warstwę ozonową w celu zagwarantowania odbudowy. Poprawa podstawowego zrozumienia procesów oraz ich symulacje są szczególnie ważne w kontekście zmieniającego się klimatu. Symulacje muszą być prowadzone w obu kierunkach, tzn. jak zmieniający się klimat wpłynie na warstwę ozonową oraz jak odbudowa ozonu wpłynie na pogodę i klimat. Kluczowe znaczenie w tym przypadku wydają się mieć tzw. modele klimatyczno-chemiczne (CCMs, Lamarque et al., 2013).

Powyższa lista wyzwań na najbliższe lata w badaniach z zakresu nauk atmosferycznych odnosi się jedynie do kilku najpilniejszych, nierozwiązanych pytań i naturalnie pozostaje niekompletna. Opisane tu wyzwania nie mogą być uważane za prawdopodobne główne tematy badawcze w Frontiers in Atmospheric Science; każda interesująca praca związana z parasolem nauk atmosferycznych powinna znaleźć miejsce w tym czasopiśmie.

Podziękowania

Wspierane częściowo przez MINECO (Hiszpania), projekt TRAMO i FEDER. The team of Associated Editors of Frontiers in Atmospheric Science provides useful comments.

Gimeno, L., Stohl, A., Trigo, R. M., Dominguez, F., Yoshimura, K., Yu, L., et al. (2012). Oceaniczne i lądowe źródła kontynentalnych opadów atmosferycznych. Rev. Geophys. 50:RG4003. doi: 10.1029/2012RG000389

CrossRef Full Text

Gray, L. J., Beer, J., Geller, M., Haigh, J. D., Lockwood, M., Matthes, K., et al. (2010). Słoneczne wpływy na klimat. Rev. Geophys. 48:RG4001. doi: 10.1029/2009RG000282

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2010). The international urban energy balance models comparison project: first results from phase 1. J. Appl. Meteorol. Climatol. 49, 1268-1292. doi: 10.1175/2010JAMC2354.1

CrossRef Full Text

Grimmond, C. S. B., Blackett, M., Best, M. J., Barlow, J., Baik, J-J., Belcher, S. E., et al. (2011). Initial results from Phase 2 of the international urban energy balance model comparison. Int. J. Climatol. 31, 244-272. doi: 10.1002/joc.2227

CrossRef Full Text

IPCC. (2013). Climate Change: Raport Oceniający Międzyrządowego Zespołu do spraw Zmian Klimatu. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

Lamarque, J.-F., Shindell, D. T., Josse, B., Young, P. J., Cionni, I., Eyring, V., et al. (2013). The atmospheric chemistry and climate model intercomparison project (ACCMIP): overview and description of models, simulations and climate diagnostics. Geosci. Model. Dev. 6, 179-206. doi: 10.5194/gmd-6-179-2013

CrossRef Full Text

Lorenz, E. N. (1967). The Nature and Theory of the Atmosphere. Geneva: WMO, 161.

Martilli, A. (2007). Current research and future challenges in urban mesoscale modelling. Int. J. Climatol. 27, 1909-1918. doi: 10.1002/joc.1620

CrossRef Full Text

Masson, V. (2006). Modelowanie powierzchni miejskiej i mezoskalowe oddziaływanie miast. Theor. Appl. Climatol. 84, 35-45. doi: 10.1007/s00704-005-0142-3

CrossRef Full Text

Muller, C. L., Chapman, L., Grimmond, C. S. B., Young, D. T., and Cai, X. (2013). Sensors and the city: a review of urban meteorological networks. Int. J. Climatol. 33, 1585-1600. doi: 10.1002/joc.3678

CrossRef Full Text

National Research Council. (1998). The Atmospheric Sciences: Entering the Twenty-First Century. Washington, DC: The National Academies Press.

Pielke, R. A. Sr., and Wilby, R. L. (2011). Regionalny downscaling klimatyczny – o co chodzi? EOS 93, 52-53. doi: 10.1029/2012EO050008

CrossRef Full Text

Wang, C. (2013). Impact of anthropogenic absorbing aerosols on clouds and precipitation: a review of recent progresses. Atmos. Res. 122, 237-249. doi: 10.1016/j.atmosres.2012.11.005

CrossRef Full Text

Yang, J., Gong, P., Fu, R., Zhang, M., Chen, J., Liang, S., et al. (2013). The role of satellite remote sensing in climate change studies. Nat. Clim. Change 3, 875-883. doi: 10.1038/nclimate1908

CrossRef Full Text

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.