En ny Columbia Engineering-studie indikerar att världen kommer att uppleva oftare och mer extrem torka och torrhet än vad som för närvarande upplevs under det kommande århundradet, förvärras av både klimatförändringar och land-atmosfärprocesser. Forskarna visar att samtidig jordtorka och atmosfärisk torrhet till stor del drivs av en rad processer i landatmosfär och återkopplingsslingor. De fann också att återkopplingar från land-atmosfär skulle ytterligare intensifiera samtidig marktorka och atmosfärisk torrhet i ett varmare klimat. Studien publicerades idag i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .

Medan tidigare studier har tittat på hur atmosfäriska och oceaniska processer driver klimatextrema, Columbia Engineering-teamet har fokuserat på att undersöka och modellera land-atmosfär-processer, särskilt när det gäller att skapa samtidiga ytterligheter som kan vara mycket destruktiva. Jordtorka, representeras av mycket låg markfuktighet, och atmosfärisk torrhet, representeras av mycket högt ångtrycksunderskott, en kombination av hög temperatur och låg luftfuktighet, är de två huvudsakliga stressfaktorerna som driver utbredd vegetationsdödlighet och minskat markbunden kolupptagning. Samtidig marktorka och lufttorrhet är en tidsperiod då markfuktigheten är extremt låg och ångtrycksunderskottet extremt högt.

"Samtidig marktorka och atmosfärisk torrhet har dramatiska effekter på den naturliga vegetationen, lantbruk, industri, och folkhälsa, säger Pierre Gentine, docent i jord- och miljöteknik och ansluten till Earth Institute. "Framtida intensifiering av samtidig marktorka och lufttorka skulle vara katastrofal för ekosystemen och i hög grad påverka alla aspekter av våra liv."

Forskarna kombinerade omanalysdatauppsättningar och modellexperiment för att identifiera de viktigaste land-atmosfärsprocesserna som leder till samtidig marktorka och lufttorrhet, och använde klimatmodeller och statistiska metoder för att bedöma hur land-atmosfär-processer skulle påverka frekvensen och intensiteten av samtidig marktorka och atmosfärisk torrhet i framtida klimat. Utmaningen de stod inför var hur man isolerar effekterna av återkopplingar från land-atmosfär på samtidig torka och torrhet. Efter att ha provat många olika metoder, de arbetade med GLACE-CMIP5 (Global Land Atmosphere Coupling Experiment—Coupled Model Intercomparison Project) forskare vid ETH Zürichs Institute for Atmospheric and Climate Science och använde sina modellexperiment.

Gentines grupp är den första att isolera detta fenomen och blev förvånade över att deras arbete gav så dramatiska fynd.

"De flesta grupper har fokuserat på att bedöma samtidiga torka och värmeböljor, men vi finner en starkare koppling mellan torka och torrhet än mellan torka och värmeböljor, " säger Sha Zhou, studiens huvudförfattare och en postdoc som arbetar med Gentine. "Samtidiga torka och torrhet har också en starkare inverkan på kolcykeln och därför tyckte vi att detta var en kritisk punkt att studera."

Teamet upptäckte att återkopplingen från marktorka på atmosfären är till stor del ansvarig för att öka frekvensen och intensiteten av atmosfärisk torrhet. Dessutom, återkopplingen av jordfuktighet och nederbörd bidrar till mer frekventa extremt låga nederbördsförhållanden och markfuktighetsförhållanden i de flesta regioner. Dessa återkopplingsslingor leder till en hög sannolikhet för samtidig marktorka och extrem torrhet. CMIP5-simuleringarna tyder på att återkopplingar från land-atmosfär kommer att ytterligare öka frekvensen och intensiteten av samtidig torka och torrhet under 2000-talet, med potentiellt stora mänskliga och ekologiska effekter.

De PNAS studien belyser vikten av markfuktighetsvariabilitet för att möjliggöra en rad processer och återkopplingsslingor som påverkar jordens ytnära klimat.

säger Gentine, "Det är kritiskt att vi bättre kvantifierar och utvärderar representationen av dessa processer i våra klimatmodeller. Noggrann modellrepresentation av både markfuktvariabilitet och tillhörande återkopplingar är avgörande för att vi ska kunna tillhandahålla tillförlitliga simuleringar av frekvensen, varaktighet, och intensiteten av sammansatta torka- och torrhetshändelser och deras förändringar i ett varmare klimat. I sista hand, detta kommer att hjälpa oss att minska framtida risker i samband med dessa händelser."