Trudno w to było uwierzyć! Rekordowa fala upałów w Wielkiej Brytanii (2022)

To działo się rok temu: rekordowa fala upałów w Wielkiej Brytanii (2022) zaskoczyła nie tylko zwykłych Brytyjczyków ale też meteorologów i amatorów bacznie śledzących, co dzieje się w pogodzie. Co prawda została przewidziana przez modele pogody, ale… w prognozy te trudno było początkowo uwierzyć. Takich upałów spodziewano się dopiero za kilka dekad! O brytyjskiej fali upałów i modelach pogody specjalnie dla czytelników Nauki o klimacie napisał Piotr Florek z brytyjskiego Met Office.

Był wieczór 29 czerwca 2022 roku, kiedy wśród osób zajmujących się pogodą: zarówno zawodowych meteorologów jak i udzielających się w internecie amatorów—pasjonatów tego tematu zapanowało pewne poruszenie. Przyczyną była prognoza numerycznego modelu pogody określanego powszechnie akronimem GFS, od Globalny System Prognozowania [Global Forecasting System].

Czemu wszyscy śledzą prognozy GFS?

Modele takie jak GFS są skomplikowanymi programami komputerowymi, które w oparciu o prawa fizyki i wiedzę na temat aktualnego stanu atmosfery — pochodzącą z pomiarów wykonanych przez instrumenty znajdujące się na stacjach meteorologicznych, krążące wokół Ziemi satelity, czujniki unoszone przez balony meteorologiczne i z wielu innych źródeł  — przewidują przyszłą pogodę dla całej planety. Przewidywanie to w praktyce oznacza wykonanie ogromnej liczby obliczeń przy pomocy superkomputera, i choć instytucji które takie obliczenia wykonują jest relatywnie niewiele, będące ich efektem prognozy są zazwyczaj udostępniane wszystkim chętnym.

W przypadku amerykańskiego modelu GFS prognozy są udostępniane publicznie i za darmo, co jest główną przyczyną jego popularności wśród amatorów i pół–zawodowców. Wielu z nich wykorzystuje je do własnych celów, tworząc pomysłowe wizualizacje albo po prostu prognozy pogody dla swojego miasta czy regionu. Z tego też powodu już kilka godzin po zakończeniu obliczeń przez superkomputer ich efekty, w postaci kolorowych mapek i wykresów, są oglądane przez tysiące osób. Szybko zatem udaje się znaleźć prognozy dziwne czy nietypowe.

Dlaczego w prognozę trudno było uwierzyć?

W tym przypadku nietypowe były upały, które pojawiły się na samym końcu objętego obliczeniami okresu: model zasilony danymi obserwacyjnymi z godziny 12 czasu Greenwich (12Z, jak mówią meteorolodzy i wojskowi) przewidywał w 384-tej, ostatniej godzinie prognozy ponad 36 stopni w południowo-wschodniej Anglii. Ówczesny rekord temperatury maksymalnej dla Wysp Brytyjskich, zarejestrowany w lipcu 2019 roku przez stację meteorologiczną w Ogrodzie Botanicznym w Cambridge wynosił 38,7 stopni Celsjusza.

Ostatnia godzina prognozy wypadała na godzinę 13-tą czasu lokalnego, więc choć model GFS zakończył obliczenia, nie było trudno odgadnąć — zwłaszcza analizując przewidywane właściwości masy powietrza kilka kilometrów nad powierzchnią Ziemi — że w sytuacji takiej temperatura powinna rosnąć przez resztę popołudnia, przekraczając nie tylko poziom dotychczasowego rekordu, ale też psychologiczną granicę 40 stopni Celsjusza. W zgodnej opinii wielu wypowiadających się na ten temat meteorologów o długim stażu, wartość taka nigdy się do tej pory nie pojawiła na mapach prognoz pogody.

To miało być za 30 lat!

Jedynym wyjątkiem była fikcyjna prognoza przygotowana we wrześniu 2020 roku przez brytyjską służbę meteorologiczną, Met Office. Stanowiła ona część szerszej kampanii informacyjnej prowadzonej w ramach klimatycznej konferencji ONZ przez instytucje meteorologiczne różnych krajów. Prognoza Met Office dotyczyła odległej przyszłości: 23 lipca 2050 roku, a jej celem miało być zobrazowanie wciąż w wielu oczach abstrakcyjnego pojęcia zmiany klimatu przy pomocy zdarzenia, które przyszłe pokolenia będą miały okazję — albo raczej nieszczęście—doświadczyć osobiście, i pokazywać, jak mogłaby wyglądać pogoda na planecie, której klimat został trwale zmieniony przez kolejne dekady globalnego ocieplenia.

40-stopniowe upały, nienotowane w Anglii od czasu rozpoczęcia systematycznych pomiarów temperatury w skali całego kraju pod koniec XIX wieku, miały być więc czytelnym zwiastunem tego, jak bardzo zmieni się klimat w XXI wieku. Były to upały tak skrajnie nieprawdopodobne, że w praktyce niemożliwe: według oszacowań klimatologów z Met Office, w warunkach klimatycznych odpowiadających tym z XX wieku, zarejestrowanie temperatur przekraczających 40 stopni było zdarzeniem z kategorii „lato tysiąclecia” (Christidis i in., 2020).

Zjawisko stuletnie (czy tysiącletnie), to zjawisko tak ekstremalne, że prawdopodobieństwo jego wystąpienia to ok. raz na 100 (czy 1000) lat. Często używa się tego określenia w odniesieniu do powodzi (powódź stulecia, tysiąclecia) lub upałów (upał stulecia, tysiąclecia).  

Kolejne prognozy pokazały to samo!

Można więc zrozumieć, że kiedy model GFS wygenerował prognozę sugerującą możliwość zaistnienia takich upałów, wzbudziło to pewne zainteresowanie. Prognoza powtórzyła się następnego dnia: tym razem 40 stopni Celsjusza przewidywano już w horyzoncie czasowym objętym obliczeniami modelu. Bardzo prawdopodobne, że był to pierwszy raz w historii, kiedy wartość taka pojawiła się na mapce Wielkiej Brytanii. Godne uwagi było też to, że niewiele niższą, ale bliską rekordowej temperaturę prognoza przewidywała na dużym obszarze południowo-wschodniej Anglii, a także ponad 45 stopni w północnej Francji.

Dlaczego prognoz nie brano na poważnie?

Zainteresowanie nie wynikało z tego, że ktoś naprawdę wierzył, że zobaczymy latem 2022 roku te wartości na termometrach. Przewidywane warunki miały zaistnieć w połowie lipca, były zatem prognozowane z ponad dwutygodniowym wyprzedzeniem. Użyteczność typowej prognozy pogody rzadko przekracza pięć-sześć dni, co jest ogromnym postępem w stosunku do prognoz pogody czasów mojej młodości, które porównywalną sprawdzalność traciły już dwa-trzy dni wcześniej. Prognoza na dwa tygodnie, niezależnie od tego co pokazuje, jest więc w najlepszym razie ciekawostką, a przewidywana pogoda z definicji uznawana za coś mało prawdopodobnego.

Chaos i prognozy probabilistyczne

Przyczyną jest zjawisko zwane popularnie chaosem, z często przywoływaną metaforą motyla, który uderzeniami skrzydełek ma wiele dni później spowodować huragan w odległej części globu. W rzeczywistości chodzi o to, że matematycznym opisie pogody, który jest podstawą jej numerycznych modeli, nawet drobne błędy w danych wejściowych, dotyczących teraźniejszego, zaobserwowanego stanu atmosfery, będą szybko rosnąć.

Jedynym praktycznym sposobem okiełznania chaosu są prognozy probabilistyczne, w których zamiast jednej symulacji komputerowej wykonuje się ich kilkanaście albo kilkadziesiąt, każda rozpoczynająca się (albo jak mówią meteorolodzy i klimatolodzy, “inicjalizowana”) od nieznacznie różniących się warunków początkowych. Różnice pomiędzy prognozami będą rosnąć wraz z upływem symulowanego czasu, choć rozrzut wyników — zwanych zbiorczo „wiązką” — nie jest jednorodny w przestrzeni, i też zależy od stanu atmosfery. W praktyce oznacza to, że czasami pogoda jest bardziej, a czasami mniej przewidywalna. W efekcie wiązka prognoz temperatury będzie pokazywać jednocześnie dni upalne i chłodne, oraz zupełnie przeciętne. 

Nawet w optymalnych warunkach szansa, że prognoza pogody obliczona z dwutygodniowym wyprzedzeniem sprawdzi się z jakąś sensowną dokładnością jest bardzo niewielka. Graficznie może to zobrazować „wykres spaghetti” całej wiązki prognoz, która wraz z przyrostem błędów prognozy poszerza się, osiągając po kilkunastu dniach cały zakres wartości danego parametru. W efekcie wiązka prognoz temperatury będzie pokazywać jednocześnie dni upalne i chłodne, oraz zupełnie przeciętne. Tych ostatnich będzie najwięcej, bo są one najbardziej prawdopodobne. A cała wiązka prognoz, kiedy już straci „pamięć” warunków początkowych, pokazuje tak naprawdę jak często w danym miejscu występuje dany rodzaj pogody. W pewnym sensie wiązka taka obrazuje więc klimat, a nie pogodę, jako zbiór możliwości wraz z oszacowaniem prawdopodobieństwa ich wystąpienia (czyli rozkład statystyczny).

Nieprawdopodobne stało się realne? Meteorolodzy byli podejrzliwi!

Niezwykłość prognozy GFS z końca czerwca polegała więc na tym, że pokazywała zdarzenie spoza dotychczasowego zakresu wiązki: model numeryczny z jakiegoś powodu uznał, że zaistnienie 40-stopniowych upałów stało się w Anglii możliwe (choć na tym etapie wciąż, przypomnijmy, mało prawdopodobne).

Naturalnie, meteorolodzy byli podejrzliwi. Modele numeryczne pogody — jak wszystkie modele używane w nauce — są niedoskonałym odzwierciedleniem (fragmentu) rzeczywistego świata, można więc oczekiwać, że „niemożliwa” prognoza jest wynikiem jakiegoś błędu. Szybko zwrócono uwagę, że wraz z zaistnieniem upałów model GFS przewidywał też bardzo niską wilgotność gleby. Symulowana powierzchnia gruntu w wirtualnej Anglii była sucha jak pieprz, co skutecznie odcinało jedną z możliwych dróg jej schładzania, poprzez tak zwany strumień ciepła utajonego, czyli po prostu odparowywanie wody (jak i ewapotranspirację). Pomiary wilgotności gruntu wskazywały że ziemia nie była aż tak sucha, a zatem można było oczekiwać, że rzeczywiste temperatury nie będą tak wysokie jak przewidywał model. Było trochę śmiechu, a meteorolodzy odetchnęli z ulgą.

Z czasem w prognozy trzeba było jednak uwierzyć…

GFS był jednak uparty, i również w kolejnych dniach pokazywał bardzo wysokie temperatury. Wkrótce dołączyły do niego inne globalne modele: między innymi IFS z Europejskiego Centrum Prognoz Średnioterminowych (ECMWF), niemiecki ICON i brytyjski UM. Prognozowane upały przesunęły się co prawda w czasie — z piątku na sobotę, z soboty na niedzielę, i ostatecznie na poniedziałek z kulminacją we wtorek 19 lipca — ale jednocześnie zaczęły być pokazywane przez znaczącą część, a momentami przez większość, symulacji w wiązce prognoz (a tak naprawdę przez każdą wiązkę każdego ośrodka). 40-stopniowe upały przewidywane były także przez prognozy deterministyczne, wykonywane przez modele uruchamiane w wyższej rozdzielczości, a zatem dokładniejsze. 

W międzyczasie wysokie temperatury (w szczególności fala upałów, która dotknęła zachodnią Europę w okolicy 12 lipca) sprawiły, że w wystawionych na słońce miejscach wilgotność gruntu faktycznie osiągnęła bardzo niski poziom, tak jak przewidywały wczesne prognozy GFS. Pod koniec pierwszego tygodnia lipca było już w zasadzie pewne, że zachodnią Europę dotknie intensywna fala upałów, pytanie tylko – jak bardzo, i jaki będzie jej zasięg przestrzenny.

Ekstremalne przewidywania modeli pogody – w szczególności, bezprecedensowe 40 stopni Celsjusza w Wielkiej Brytanii – z ciekawostki zmieniły się więc w realne zagrożenie, i choć wciąż uznawano je za względnie mało prawdopodobne, nie można ich już było wykluczyć jako kompletnie nierealistycznych i błędnych. 

Ogłoszono stan zagrożenia

12 lipca brytyjska służba meteorologiczna ogłosiła “pomarańczowy” alarm pogodowy przestrzegający przed wysokimi temperaturami. Trzy dni później, po raz pierwszy w historii ogłoszono najwyższy, “czerwony” alarm spowodowany falą upałów. Tak wysokie temperatury zagrażają już bowiem zdrowiu i życiu nie tylko osób starszych i cierpiących na schorzenia układu sercowo-naczyniowego, ale też osób teoretycznie w pełni zdrowych. Utrudniają też funkcjonowanie infrastruktury, dzięki której funkcjonuje nasza cywilizacja: systemu elektro-energetycznego, sieci transportowej i łańcuchów dostaw. 

18 i 19 lipca, zgodnie z prognozami, okazały się być w Wielkiej Brytanii dniami bardzo upalnymi. Najwyższe temperatury zmierzono 19 lipca, kiedy padł nowy rekord temperatury maksymalnej, 40,3°C. Niezwykła była też rozległość obszaru objętego upałami: w 46 stacjach meteorologicznych, od Charlwood w Surrey na południu Anglii, po Leeming w północnym Yorkshire, przekroczyły one 38,7 stopni Celsjusza, czyli poprzedni rekord dla całego kraju, ustanowiony zaledwie trzy lata wcześniej, a w 7 stacjach meteorologicznych zanotowało co najmniej 40°C.

Rekordowa fala upałów w Wielkiej Brytanii a globalne ocieplenie

Nasuwa się zatem kilka pytań: czy i kiedy ta ekstremalna fala upałów była przewidywalna? Czy faktycznie została przewidziana z dużym wyprzedzeniem? I jaką rolę odegrało globalne ocieplenie?

Zacznijmy od ostatniego problemu. Przez wiele lat klimatolodzy unikali, zwłaszcza w dyskursie popularno-naukowym, mówienia o przyczynowości w kontekście pojedynczych zjawisk pogodowych. Antropogeniczna zmiana klimatu jest zjawiskiem zachodzącym, w skali czasowej pojedynczego ludzkiego życia, na tyle powoli, że trudno ją powiązać z fenomenami doświadczanymi osobiście. Pogoda obserwowana za oknem jest chwilowa i lokalna, a zatem dotyka ją znacznie większa zmienność niż długoterminowe i wielkoskalowe zjawisko globalnej zmiany klimatu. I choć, na poziomie molekularnym wpływ gazów cieplarnianych jest również chwilowy i lokalny, codzienna zmienność pogody sprawia że jest on dobrze ukryty. Wzrost częstości występowania jakiegoś zjawiska o kilka, kilkanaście czy kilkadziesiąt procent niełatwo jest dostrzec bez analizy statystycznej, zwłaszcza jeśli dotyczy on zjawisk ekstremalnych, które są z natury rzeczy dość rzadkie. Jeśli jednak globalne ocieplenie sprawiło, że jakieś zjawisko pogodowe zdarza się kilkakrotnie, albo kilkunastokrotnie częściej, związek przyczynowo-skutkowy staje się możliwy do zaobserwowania również w skali lokalnej i krótkoterminowej.

W przypadku upałów tak intensywnych jak te z lipca 2022 roku, globalne ocieplenie sprawiło że są one co najmniej dziesięciokrotnie częstsze (Zachariah i in., 2022) (choć wciąż bardzo rzadkie, o czym więcej niżej). Oznacza to, że możemy obserwować zjawiska których nasze prababcie i pradziadkowie praktycznie nie mieli szans doświadczyć w całym swoim życiu. Przesuwamy się z obszaru “globalne ocieplenie zwiększa ryzyko zaistnienia zjawiska ekstremalnych upałów” w kierunku “globalne ocieplenie czyni wcześniej niemożliwe ekstremalne upały możliwymi”. Jest to już bardziej zgodne z naszymi codziennymi intuicjami dotyczącymi związków przyczynowo-skutkowych, a także probabilistyczną teorią przyczynowości.

Z jakim wyprzedzeniem da się przewidzieć podobne upały?

Pytanie o przewidywalność tej konkretnej fali upałów z 18-19 lipca 2022 roku jest mniej filozoficzne, a bardziej techniczne. Jak widzieliśmy wcześniej, to że modele numeryczne w odległym horyzoncie czasowym przewidują czasami ekstremalne warunki nie jest niczym dziwnym. Nikt nie traktuje ich poważnie, bo większość z nich się nie sprawdza i szybko zostaje zapomniane (choć w tym przypadku tendencja GFS-a do powracania do prognozowania 40 stopni w południowo-wschodniej Anglii w połowie lipca wzbudziła zainteresowanie). 

Analizując wykonane w lipcu prognozy zespół meteorologów z ECMWF (Magnusson i in., 2022) doszedł do wniosku że przewidywalność fali upałów (w modelu IFS) nie przekraczała horyzontu 2 tygodni, co sugeruje że GFS miał po prostu szczęście. Należy więc z ostrożnością traktować takie prognozy w przyszłości: przy kilkudziesięciu realizacjach w wiązce i wielu modelach, na mapach pogody bez wątpienia będą się od czasu do czasu pojawiać bardzo mało prawdopodobne prognozy numeryczne bez wątpienia będą pojawiać się na mapach pogody każdego lata, które niekoniecznie się sprawdzą. To, że w 2022 roku GFS ze swoją wczesną prognozą “trafił” niemal w dziesiątkę, nie znaczy że nabrał magicznych mocy predykcyjnych.

Wracając do chronologii prognoz i związanych z nimi reakcji służb meteorologicznych, ryzyko związane z nadciągającymi ekstremami temperaturowymi zostało uznane za wysokie na tydzień przed samym zdarzeniem, kiedy w Wielkiej Brytanii ogłoszono “pomarańczowy alarm”. Nawet wtedy jednak prawdopodobieństwo osiągnięcia 40 stopni Celsjusza oceniano jako niskie, poniżej 10% w analizach Met Office i podobnie ECMWF. Do 50% wzrosło ono 15 lipca, kiedy ogłoszono “czerwony alarm”, a do 70% w przeddzień kulminacji fali upałów. Niezwykła intensywność upałów z 19 lipca nie była więc gwarantowana, choć na kilka dni wcześniej w środowisku meteorologów i klimatologów sceptycyzm wobec przewidywań modeli ustąpił powszechnej akceptacji, że będziemy mieć okazję obserwować historyczne zdarzenie.

Czy podobne upały będą się powtarzać?

Kolejnym nasuwającym się pytaniem jest: kiedy możemy spodziewać się kolejnego takiego wydarzenia? Według oszacowań wykonanych przed (Christidis i in., 2020) i po (Zachariah i in., 2022) 19 lipca 2022 roku, przekroczenie progu 40°C było zdarzeniem rzadkim (choć około dziesięciokrotnie częstszym niż 100 lat wcześniej), i można się go spodziewać, przy obecnym klimacie, mniej więcej raz na sto lat. 

Problem polega oczywiście na tym, że wskutek nieprzerwanej emisji gazów cieplarnianych “obecny klimat” ustąpi miejsca klimatowi cieplejszemu, co w kolejnych dekadach zwiększy prawdopodobieństwo występowania tak intensywnych ekstremów temperatury. Przy założeniu przyszłego scenariusza umiarkowanej emisji gazów cieplarnianych i jej stabilizacji w drugiej połowie XXI wieku, będzie to już zjawisko którego można się spodziewać średnio raz na piętnaście lat.

Lokalnie rzadko, globalnie częściej

Jest tutaj jednak kolejny haczyk, związany z tym jak doświadczamy i interpretujemy rzadkie zdarzenia. Oszacowania prawdopodobieństwa dotyczą bowiem konkretnego obszaru, stanowiącego względnie niewielką część całej planety. Nawet biorąc pod uwagę same lądy (na których mieszkamy i których pogoda interesuje nas najbardziej), mamy do czynienia z wieloma niezależnymi zdarzeniami pogodowymi. Choć więc szansa, że zdarzenie z kategorii “upały stulecia” w najbliższym czasie powtórzy się akurat w Wielkiej Brytanii zdarzenie z kategorii “upały stulecia” jest niewielka, to jednak jest bardzo prawdopodobne że zdarzenie takie zaobserwowane zostanie gdziekolwiek (*). Zaledwie rok wcześniej widzieliśmy równie (albo nawet bardziej) nieprawdopodobne upały w Kanadzie, gdzie temperatura osiągnęła niemal 50 stopni, a dotychczasowy rekord temperatury maksymalnej został pobity aż o 4,6°C (White i in., 2023). 

Z drugiej strony mniej ekstremalne, ale wciąż bezprecedensowe w historii pomiarów temperatury fale upałów będą się zdarzać relatywnie znacznie częściej, prowadząc do nowych rekordów temperatury na całym świecie, i zmieniając naszą percepcję tego, co uznajemy za “normalną” pogodę.

Jak to wygląda z perspektywy całej Europy?

Lipcowa fala upałów była jedną z trzech, które dotknęły Europę latem 2022 roku, przyczyniając się do pogłębienia warunków suszy obejmującej dużą część kontynentu.(Toreti i in., 2022) Również średnia temperatura lata klimatologicznego (tj. okresu czerwiec-sierpień) pobiła w 2022 roku rekord, ustanowiony zaledwie rok wcześniej, aż o 0,4°C (ECMWF, 2022). To lato było zatem w Europie najgorętsze w historii pomiarów instrumentalnych, i prawdopodobnie również najcieplejsze od co najmniej 700 lat (Bothe i Zorita, 2020).

Na powyższym wykresie warto zwrócić uwagę na słupek odpowiadający gorącemu latu z 2003 roku, zapamiętanemu z powodu intensywnej i śmiercionośnej fali upałów, która w sierpniu dotknęła przede wszystkich Francję. Od tamtego czasu zdarzyły się już cztery lata cieplejsze, i można oczekiwać, że przy obecnych trendach wzrostu temperatury, pomiędzy rokiem 2030 a 2040 częstość analogicznych zdarzeń osiągnie 50%. Bezprecedensowo gorąca pogoda, która 20 lat temu szokowała meteorologów, szybko staje się więc “nową normą”.

---

(*) To samo rozumowanie można oczywiście zastosować do fal ekstremalnego chłodu, choć w tym przypadku pełna symetria jest złamana z tego powodu, że wraz ze zmianą klimatu przesuwamy się z klimatów chłodniejszych do cieplejszych. Dlatego “upały stulecia”, przy obecnym klimacie, są bezprecedensowe w historii pomiarów instrumentalnych temperatury, a “mrozy stulecia”, też przy obecnym klimacie, odpowiada warunkom, które 50 czy 100 lat temu występowały dość często. (wróć do tekstu)