Forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och ett dussin andra internationella forskningsinstitutioner har tagit fram den mest genomarbetade uppsättningen av prognoser hittills som illustrerar möjliga framtider för stora monsunregioner.

Flera regioner runt om i världen planerar energiproduktion, jordbruksmetoder och andra viktiga ekonomiska ansträngningar baserade på den årliga ankomsten av monsuner, vilket innebär en säsongsmässig förskjutning i vindriktningen som ger perioder med jämn nederbörd. Dock, okontrollerade utsläpp av växthusgaser kan störa dessa traditionellt förutsägbara händelser.

Med hjälp av RegCM4, den senaste versionen av en populär regional klimatmodell utvecklad av International Centre for Theoretical Physics i Italien, teamet körde en serie simuleringar för att projektera och utvärdera förändringar i nio monsunregioner på fem kontinenter. Forskarna designade simuleringarna med ett tätt rutnät för varje region med ett avstånd på mindre än 16 miles, vilket gav en betydande detaljnivå.

Laget, del av en global satsning som kallas Coordinated Regional Downscaling Experiment, eller CORDEX, publicerade sina resultat i Klimatdynamik .

"Det här är första gången som en regional klimatmodell har använts för att ge en global bild av förändringar i monsuner, " sa huvudförfattaren Moetasim Ashfaq, en klimatberäkningsforskare vid ORNL. "Det tog mycket tid och ansträngning att sammanställa och analysera så högprofilerade, högupplösta data, och dessa detaljerade simuleringar skulle inte ha varit möjliga utan ett betydande internationellt samarbete."

ORNL-forskare simulerade den sydasiatiska monsunregionen med hjälp av resurser från laboratoriets Compute and Data Environment for Science och datorklustret Eos, och resten av simuleringarna utfördes vid olika andra datorcenter. Teamet upptäckte gemensamma drag i regionala monsunsvar på ökade utsläpp av växthusgaser. Dessa svar inkluderade förseningar från monsunstart, kortare monsunsäsonger och mer intensiva säsongsvariationer.

Simuleringarna förutspådde och jämförde förändringar som skulle inträffa i olika scenarier från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, eller IPCC, känd som Representation Concentration Pathway, eller RCP8.5 och RCP2.6.

RCP8.5 antar att koldioxidutsläpp följer ett "business as usual"-scenario utan politiska ingripanden, RCP2.6 bygger på mycket lägre utsläppsökningar med aggressiva begränsningspolicyer. Även om monsunmönstren sannolikt kommer att förändras för båda RCP, simuleringarna avslöjade att förändringsmängden sannolikt skulle vara minimal under RCP2.6 men kan vara signifikant under RCP8.5.

"Om utsläppen minskar baserat på RCP2.6 fram till år 2100, simuleringarna visar att den långa, skadliga förändringar i monsunbeteenden kan för det mesta undvikas, ", sa Ashfaq. "Om du tittar på det bästa scenariot, vi ser fortfarande förändringar, men de skiljer sig obetydligt från den typiska variationen från år till år i regionala monsuner som samhällen redan är vana vid."

Årstider av förändring

Sju av de nio monsunregionerna visade en gradvis fördröjning av monsunstart med en kontinuerlig ökning av globala utsläpp, vilket skulle kunna skapa omfattande konsekvenser som direkt påverkar ungefär två tredjedelar av världens befolkning i slutet av detta århundrade. Till skillnad från de områden som får relativt jämna mängder nederbörd under alla årstider, tätbefolkade monsunregioner får 60 % till 70 % av sin nederbörd under sommarmonsunsäsongen.

"RCP8.5-simuleringarna avslöjar kraftiga förseningar i början av regnperioder som krusar genom många aspekter av vardagen i dessa regioner, " sa Ashfaq. "Till exempel, en monsun som vanligtvis börjar den första veckan i juni i Sydasien och Västafrika kan försenas så länge som 15 (dagar) till 20 dagar eller till och med en hel månad över delar av dessa regioner i slutet av 2000-talet."

Även om simuleringarna också visade en försening i slutet av regnperioden, annars känd som monsunnedgång, denna förändring var inte alls lika dramatisk som förseningen av monsunstart, förkorta längden av hela monsunsäsongen. Forskarna upptäckte också att drabbade monsunregioner sannolikt kommer att se mer nederbörd under den perioden, leder till mer intensiva regn. Omvänt, resten av året skulle det bli längre torrperioder.

Denna ökade säsongsvariation kan förvärra förekomsten av översvämningar, torka, skogsbränder och andra extrema klimathändelser som redan utgör utmaningar för dessa regioner. Betydande förändringar i monsunbeteende kan bidra till utbrott av vektorburna sjukdomar, som kolera, dengue och malaria.

Eftersom jordbruksaktiviteter i monsunregioner typiskt sett är tidsinställda att sammanfalla med den periodiska uppkomsten och upphörandet av regnperioden, dessa faktorer kan förändra produktionen av regnberoende skördar.

"Mer än hälften av världens utbud av arabicakaffe produceras i Brasilien, och mer än 70 % av kakaon som används för att göra choklad kommer från Västafrika, Mer än en tredjedel av risexporten kommer från Indien och Pakistan. ", sa Ashfaq. "Om det regionala jordbruket utsätts för förseningar i monsunstart och kortare regnperioder, produktionen av dessa typer av råvaror kommer att minska och ha en betydande inverkan på den globala ekonomin."

Många länder i dessa regioner är beroende av vattenkraft för att generera el, inklusive Brasilien, som producerar 75 % av sin energi via denna metod. Kortare monsunsäsonger skulle inte ge tillräckligt med nederbörd vid rätt tidpunkt för att ge tillräcklig ström utan att se över nuvarande verksamhet.

En delikat balans

Förutom att identifiera potentiella monsunförändringar och deras konsekvenser, teamet undersökte också de bakomliggande orsakerna till dessa förändringar.

I avsaknad av organiserade vädersystem och en ihållande fukttillförsel, den relativt torra säsongen före monsunen får endast intermittent och konvektiv nederbörd, som är termiskt driven. Markerna i dessa regioner blir varmare varje år under perioden före monsunen, når vanligtvis yttemperaturer på 120 grader Fahrenheit. Kombinationen av konvektiv nederbörd som värmer den övre atmosfären och varma ytförhållanden som värmer den nedre atmosfären orsakar skillnader mellan varm luft över land och hav som tvingar torrperioden att ge vika för monsunregn.

Dock, simuleringarna visade att en kontinuerlig ökning av globala utsläpp kommer att göra pre-monsunmiljön mindre gynnsam för konvektiv nederbörd, vilket kommer att fördröja uppvärmningen av den övre atmosfären och övergången från den torra till den regniga säsongen. En nyckelfaktor som forskarna fastställt kommer att minska konvektiv nederbörd under pre-monsunperioden är bildandet av ett djupare och mindre mättat gränsskikt – en del av den lägre atmosfären där fukt och energi utbyts mellan marken och atmosfären.

"Den uppåtriktade kraften som behövs för att lyfta luftpaket till deras nivå av fri konvektion ökar med djupet på gränsskiktet, " sa Ashfaq. "Och ju varmare atmosfären är, ju mer fukt behövs för konvektiv instabilitet, vilket är avgörande för utvecklingen av åskväder. Att uppfylla kravet under perioden före monsunen är utmanande på grund av den begränsade fukttillgången när vindar blåser bort från landet."

Teamet kommer att bidra med sina CORDEX-simuleringar till det regionala klimatförändringskapitlet i nästa IPCC-utvärdering.