Connecting the drops: Exploring precipitation changes from a process and weather perspective

Abstract

Nedbør er kilden til en av de viktigste ressursene for mennesker: ferskvann. På den andre siden kan ekstremnedbør utgjøre en trussel i form av flom og skred. Det er derfor avgjørende å fastslå hvordan nedbøren har forandret seg i fortid, nåtid og fremtid, de viktigste drivkreftene bak, samt om klimamodeller simulerer nedbøren realistisk. Den globale gjennomsnittsnedbøren er forventet å øke under klimaendringer, og ekstremnedbør enda mer. Denne økningen skyldes bidrag både fra termodynamiske og dynamiske bidrag, der sistnevnte er den største kilden til usikkerhet. I de fire artiklene undersøker vi historiske og fremtidige nedbørendringer fra et prosess- og værperspektiv ved hjelp av observasjoner, reanalyse og en klimamodell.

I artikkel I bruker vi nedbørsobservasjoner fra hele Norge til å undersøke endringer i nedbør det siste århundret. Vi finner at nedbøren økte med 19% i perioden 1900-2019, hvorav nesten halvparten av økningen kom mellom 1980 og 1999. Vi bruker en enkel diagnostisk modell for å tallfeste bidragene fra endringer i vertikalhastighet (dynamisk bidrag), temperatur (termodynamisk bidrag) og relativ fuktighet til den observerte nedbørsendringen. Modellen viser at det er variasjoner i bidraget fra vertikalhastigheten som bestemmer den langsiktige trenden, i tillegg til variasjonene fra år til år. Perioden hvor nedbøren øker mest, sammenfaller hvor lavtrykksaktiviteten i Nord-Atlanteren var høy, og vi formoder at disse henger sammen.

I artikkel II forsøker vi å finne nøyaktig hvilke værfenomener som bidrar til nedbøren. Vi tilskriver nedbør til lavtrykk, fronter, fuktighetstransportakser (FTA, som likner på atmosfæriske elver på midlere breddegrader) og kaldluftsutbrudd, samt kombinasjonene av disse. Ved hjelp av ERA5-reanalysen presenterer vi den første globale klimatologien for værfenomenenes bidrag til sesong- (sommer og vinter) og ekstremnedbør. Mesteparten av nedbøren på midlere breddegrader skyldes kombinasjonen av lavtrykk, fronter, og FTA-er (28%), mens lavtrykk er viktigst i polare strøk (27%). Nesten halvparten av alle ekstreme nedbørshendelser utenfor tropene skyldes kombinasjonen av lavtrykk, fronter og FTA-er, og denne kombinasjonen forekommer fire ganger så ofte under ekstreme nedbørshendelser på midlere breddegrader.

I artikkel III bruker vi samme metode som i artikkel II for å knytte klimaframskrivninger av nedbør til endringer i værfenomener. Vi tilskriver nedbør til værfenomener i 10 ensemble-medlemmer i klimamodellen CESM2-LE mellom 1950 og 2100. For å få tillit til klimaframskrivningene evaluerer vi først hvorvidt CESM2-LE representerer dagens klima sammenlignet med ERA5. CESM2-LE representerer de unike egenskapene til de ulike kombinasjonene av værfenomenene godt. Framskrivningene viser at de værfenomenene som bidrar mest til nedbør i dagens klima, også bidrar mest til nedbørsendringene. Det blir færre antall nedbørshendelser, men intensiteten av hendelsene øker. Langs lavtrykksbanene skyldes nesten halvparten av intensitetsforandringen at det blir flere hendelser av typen kombinasjonen lavtrykk, fronter, og FTA-er, mens intensitetsforandringen i de enkelte kombinasjonene bidrar med resten.

I artikkel IV retter vi fokus mot endringer i ekstremnedbør. Ettersom ekstremnedbør forventes å øke mer enn global gjennomsnittsnedbør, tallfester vi hvorvidt de ulike værfenomenene er assosiert med ulik endring i nedbørintensitet. Utenfor tropiske strøk finner vi at nedbør langs fronter øker betydelig mer en annen nedbør for de høyeste prosentilene. Dette tyder på at ikke alle værfenomenene greier å ta utbytte av det økte fuktighetsinnholdet i atmosfæren og gjøre det om til nedbør.

Samlet sett bidrar våre fire studier til å knytte historiske og fremtidige nedbørsendringer til synoptiske prosesser i atmosfæren. Vi presenterer en ny metode for å tilskrive nedbør til værfenomener. Ved eksplisitt å betrakte ulike kombinasjoner av værfenomener, bidrar vi til en mer nyansert tolkning av nedbørsendringene.

Precipitation provides one of the most fundamental resources to humankind: freshwater. Extreme precipitation, however, can be a threat through floods and landslides. It is, therefore, crucial to determine the change of precipitation in the past, present, and future, as well as its dominant drivers and how it is represented in climate models. Global mean precipitation is projected to increase, with extreme precipitation expected to increase even more. This increase is due to both thermodynamic and dynamic contributions, with the latter being the main source of uncertainty. We therefore explore past and future precipitation changes from a process and weather perspective in four studies, using observations, reanalyses, and a climate model.

In Paper I, we use precipitation observations from Norway to investigate the changing precipitation characteristics over the past century. We find that precipitation in Norway increased by 19% between 1900-2019, almost half of which occurred between 1980-1999. We use a simple diagnostic model to separate the contribution from changes in vertical velocity (dynamic contribution), temperature (thermodynamic contribution), and relative humidity to the changes in precipitation. The model shows that changes and variability in the contribution from vertical velocity determine the long-term trend and the interannual variability. We hypothesize that the changes in vertical velocity are linked to variations in storminess in the North Atlantic, which increased during the same period.

To further pinpoint the synoptic weather features responsible for precipitation, we introduced a novel method for attributing precipitation to weather features in Paper II. We attribute precipitation to cyclones, fronts, moisture transport axes (MTA, Atmospheric river-like features in the midlatitudes), and cold air outbreaks, as well as their combinations. Using the ERA5 reanalysis, we present the first global climatology of the contributions of these features to seasonal (DJF and JJA) and extreme precipitation. Most of the precipitation in the midlatitudes relates to the combination of cyclones, fronts, and MTAs (28%), while in polar regions, most precipitation occurs within the cyclone-only category (27%). Extreme precipitation events in all extratropical regions are predominantly associated with the combination of cyclones, fronts, and MTAs (46%). Moreover, in the midlatitudes, this combination of weather features occurs almost four times more often during extreme events.

In Paper III, we use the same method as in Paper II to link projected changes in precipitation to changes in weather features. We attribute precipitation to weather features in 10 ensemble members of the CESM2-LE between 1950-2100 and decompose the change into changes in intensity and frequency, as well as the contributions from the different weather features. To gain confidence in the future projections, we first evaluate how CESM2-LE represents the current climate compared to ERA5. We find that CESM2-LE represents the precipitation associated with the different weather features and their combinations well. Projections reveal that the weather features that contribute the most to precipitation in the current climate also contribute the most to the changes in precipitation. The total frequency of precipitation is largely decreasing, whereas the intensity contributes positively to the precipitation change. Along the stormtracks, only about half of the projected intensity increase is due to an increase in the precipitation associated with the weather features, whereas the remaining precipitation is due to a shift in which weather features cause the precipitation.

In Paper IV, we shifted the focus from mean precipitation to precipitation extremes. As extreme precipitation is expected to increase more than the global mean, we quantify the changes in 6-hourly precipitation intensity for all the different weather features using the same setup as in Paper III. In the extratropics, we find that precipitation associated with fronts increases substantially more than non-frontal precipitation for the higher percentiles. This suggests that not all weather features are equally effective in converting the additional atmospheric moisture content to precipitation.

Collectively, our four studies help to connect observed and projected changes in precipitation to synoptic processes in the atmosphere. Our novel method of attributing precipitation to weather features and explicitly considering their various combinations allows for a more nuanced interpretation of the precipitation changes.