Extreme Niederschlags-Temperaturskalierung: Entwirrung von Kausalität und Kovariation

Erwärmte Temperaturen werden voraussichtlich zu intensiveren Niederschlägen führen, hauptsächlich aufgrund des Anstiegs von atmosphärischer Feuchtigkeit in einem Verhältnis von 7%/K, wie die Clausius-Clapeyron (CC)-Gleichung zeigt. Um diesen Effekt zu bewerten, verwenden Studien einen statistischen Ansatz, der als Niederschlags-Temperaturskalierung bekannt ist und das Anpassen einer exponentiellen Regression zwischen Beobachtungen extremer Niederschlagsereignisse und lokalen Temperaturen umfasst, ähnlich dem, wie der Sättigungsdampfdruck mit Temperatur skaliert. Allerdings weisen die geschätzten Sensitivitäten (auch Skalierungsraten genannt) erhebliche Abweichungen von der CC-Skalierung (7%/K) auf. Diese Raten bleiben in den Tropen meist negativ, da die Niederschlags-extreme im Allgemeinen eine monotone Abnahme mit der Temperatur zeigen und hakenförmige Strukturen in den meisten Teilen der Tropen und gemäßigten Breiten aufweisen. Hier zeigen wir, dass der Großteil der Variabilität in den beobachteten Skalierungsraten von dem störenden Strahlungseffekt der mit Niederschlagsereignissen verbundenen Wolken herrührt. Wolken reduzieren die netto strahlungsbedingte Erwärmung der Oberfläche während der Stürme erheblich um bis zu 100 W/m² in den Tropen, was zu einer Abkühlung der Oberflächentemperaturen um bis zu 8 K führt. Diese durch Wolken verursachte Abkühlung führt zu einer Kovariation zwischen Niederschlag und lokaler Temperatur und induziert eine zweiseitige Kausalität in den beobachteten Skalierungsraten. Um diesen Kühleffekt zu isolieren, verwendeten wir ein thermodynamisch eingeschränktes Oberflächenenergie-Bilanzenmodell und zwangen es mit strahlungsfluss unter sowohl "klarem" als auch "bewölktem" Himmel. Wir quantifizierten dann die Änderungen der Oberflächentemperaturen aufgrund von Wolken und entfernten sie von Temperaturbeobachtungen an regnerischen Tagen. Nach der Entfernung dieses Effekts fanden wir eine positive Skalierung in den globalen Landflächen, die eng mit den CC-Raten von 7%/K übereinstimmt. Wir zeigen, dass die strahlungstechnischen Effekte von Wolken allein die beobachteten negativen und hakenförmigen Beziehungen in der Niederschlags-Temperaturskalierung erklären können. Unsere Ergebnisse implizieren, dass die projizierte Intensivierung extremer Niederschläge mit der Temperatur durch Klimamodelle mit den Beobachtungen übereinstimmt, nachdem der Wolkenkühleffekt korrigiert wurde. Unsere Ergebnisse betonen, dass eine klare Unterscheidung zwischen Kausalität und Kovariation getroffen werden sollte, indem Temperaturmessungen vor dem Niederschlagsereignis, die von weniger Wolken geformt sind, von den Temperaturen während des Niederschlagsereignisses, die Wolken enthalten, ausdrücklich getrennt werden. Dies fügt eine entscheidende Wirkung zur Debatte über die Interpretation beobachteten Niederschlags-Temperaturskalierungsraten hinzu. Darüber hinaus kann unsere Methodik zur Beseitigung des Wolkeneffekts auf Temperaturen erweitert werden, um Klimasensitivitäten aus Beobachtungen über Niederschlagsextreme hinaus zu schätzen.