Introduction to the Special Issue on Earth’s Climate and Weather: Dominant Variability and Disastrous Extremes

We live on beautiful Planet Earth, which was born 4.6 billion years ago along with the rest of the solar system. Earth consists of an atmosphere, biosphere, hydrosphere and geosphere. Most of the time, Earth’s weather and climate are benevolent. We can hike in the forest, stand on a mountain top, lie down on the beach, and surf on the sea. With the advances of modern science and technology, we can also explore the poles and Mount Everest, dive into the Challenger Deep in the Mariana Trench, and even take measurements of Earth from space.

However, once in a while, extreme weather and climate events hit the world, such as tropical cyclones, winter blizzards, summer heat waves, tornadoes, floods, and droughts. Sometimes, a mega-drought can last for decades or centuries. Throughout history, persistent mega-droughts drove the migration of early humans out of Africa (Scholz et al., 2007), the Migration Period and collapse of Western Roman Empire in Europe (Buntgen et al., 2011), the collapse of Maya civilization in the Americas (Kennett et al., 2012), and the collapses of several dynasties in China (Zhang et al., 2008). As we enter the new millennium, weather- and climate-related disasters are still frequently causing large numbers of fatalities and costly property damage (e.g. Goodkind & West, 2001; United Nation News, 2013). Three of the deadliest heat waves of the last decade caused 128,500 fatalities in France, Russia, India and Pakistan (Haider & Anis, 2015; McMichael & Lindgren, 2011; Reuters, 2015; Robine et al., 2008). Cyclone Nargis killed 138,000 people in Bangladesh in 2008 (Fritz et al., 2009). In the United States, $268 billion in damage was caused by three major hurricanes in 2017 (NOAA NCEI, 2018), which wiped out 60% of the country’s annual GDP growth in that year.

The large number of fatalities and high cost of damage in recent years reflect the persistent difficulty in predicting weather- and climate-related disasters. For example, we still cannot predict the rapid intensification of hurricanes (Cangialosi, 2020), the occurrence of deadly tornadoes (Brooks et al., 2019), and the occurrence of widespread droughts around the world.

The Earth’s climate is a complex system with strong feedbacks among its different components, i.e. the atmosphere, ocean, land, sea ice and biogeochemistry. Earth’s climate also covers a very wide range of time and spatial scales, from billions of years to seconds and from the whole globe to 10⁻⁶ metres. The key phenomena are summarized in Figure 1. Generally, weather refers to the short-term, small-scale phenomena that last for seconds up to about half a month, and occur over one community, one state or one country, while climate refers to long-term, large-scale phenomena that last for one season up to 4.5 billion years, and occur over one continent, one ocean basin or the whole globe. The intraseasonal variability lies in between and connects weather and climate. In order to predict weather- and climate-related disasters successfully, research must move through three important stages: (i) comprehensive observations of the phenomena, (ii) deep understanding of the physical mechanisms, and (iii) accurate prediction. We have made significant progress on the first stage, thanks to the excellent works of many scientists, are now working on the second, and will eventually advance to the third. Figure 2 provides a brief overview of climate and weather research, including the history of observations and the histories of theories, modelling and predictions.

Fig. 1 Dominant variability and disastrous extremes of Earth’s climate system.

Fig. 2 History of climate and weather research.

The purpose of this special issue is to present a set of detailed review papers on some of the current frontiers in climate and weather research. They summarize the comprehensive observations obtained to date, the current understanding of the physical mechanisms and the major challenges/difficulties remaining, and the state-of-the-art of modelling and predictions. The special issue focuses on the interdisciplinary nature of the problems and tries to break though the barriers that exist between the different disciplines and fields.

The special issue is written by a group of leading climate scientists who have committed their time and energy to write the most comprehensive reviews. The special issue was also afforded a long preparation time in order to acquire an excellent set of reviews that will significantly contribute to the progress of climate and weather research.

Bluestein et al. (2022) described current observation systems that provide data for the analysis and prediction of climate and day-to-day weather, along with plans for future systems. They reviewed the satellite, radar, lidar, sodar, radiosonde, rawinsondes, aircraft, and other sounding systems. They covered comprehensively the measurements of temperature, moisture, wind, air composition, and energy budget on planetary and synoptic scales, as well as measuring systems for mesoscale and convective-scale weather. They discussed the key observation issues such as coordination among providers, data assimilation considerations, and data curation, together with special issues for the future global observation systems.

Lin and Qian (2022b) summarized Earth’s climate history from 4.6 billion years to one minute. Earth’s climate history is important for understanding the dynamics and feedbacks of climate system. Earth’s climate history shows dominant climate modes such as the supercontinent cycles, inter-glacial cycles, millennial cycles, multi-decadal oscillation, interannual oscillation, seasonal cycle and diurnal cycle. The amplitudes of the dominant climate variability generally decrease from the billion-year timescales to interannual timescales, then significantly increase at subannual to diurnal timescales.

Ditlevsen (2022) reviewed the glacial cycles and millennial scale climate variability. The glacial cycles had the oscillation period changing from 40 kyr before 1 My BP to 100 kyr starting from the Middle Pleistocene Transition (MPT). The glacial cycles are often linked to changes in Earth’s orbit, but the 100 kyr cycles are more difficult to relate directly to the astronomical forcing, which is called the 100 kyr problem in paleoclimate. They reviewed the proposed mechanisms for the 100 kyr problem. On millennial timescale the Dansgaard-Oeschger events are the most extreme climate fluctuations in the glacial climate. They reviewed possible mechanisms for these events and discuss the role of stochasticity in generating these events.

Lin, Qian, and Schubert (2022) reviewed the history of research on droughts and mega-droughts, and suggested possible future research directions. Drought is the deadliest natural disaster on Earth due to its long duration, wide spatial coverage and direct connection with food supply for human beings. Interannual droughts are in many places driven by the El Nino-Southern Oscillation, multi-decadal mega-droughts are often driven by the Atlantic Multi-Decadal Oscillation, while centennial mega-droughts are often driven by the Global Inter-Centennial Oscillation. The key physical mechanisms driving droughts and mega-droughts include global sea surface temperature anomalies, local land-atmosphere feedbacks, internal atmospheric variability, as well as external forcings from outside the climate system.

Lin and Qian (2022a) reviews the history of research on the Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO), including its dynamics, global teleconnections, global impacts, and connection to global mean surface temperature. The AMO is a global-scale coupled ocean-atmosphere oscillation of the climate system with significant sea surface temperature anomalies in all ocean basins. It is associated with significant oscillation of the Atlantic Meridional Overturning Circulation, which is likely driven by tidal gravitational forcing through tidal mixing and enhanced by volcano forcing and cloud-radiation feedback. The AMO strongly affects surface air temperature and Palmer Drought Severity Index over all the continents.

Lin (2022) reviewed the basic observed features of the Madden-Julian Oscillation (MJO), possible mechanisms, the related teleconnections and tropical-extratropical interactions, its interannual variation, and its simulation and predictions. The MJO is the dominant mode of tropical intraseasonal variability. It has a tremendous global impact and represents a major source of skill for subseasonal to seasonal predictions. Our knowledge on the MJO has been advanced in recent decades, but challenges remain in understanding, simulating and predicting the MJO and its global influences.

Lin, Qian, and Klotzbach (2022) reviewed the history of tropical cyclone research from the late nineteenth century until the present with an emphasis on observational studies. The topics include tropical cyclone theory, climatology, structure, genesis indices and intraseasonal-to-centennial variability and trends. Possible future directions are also suggested.

Tochimoto (2022) reviewed global climatology of tornadoes, and current understanding of synoptic-scale and mesoscale environments of tornadoes and tornado outbreaks. The study of tornadoes has involved the investigation of atmospheric processes from global scale to synoptic scale, mesoscale, and micro scale. The study on near-storm environment of tornadoes and tornado outbreaks over decades focued on the differences between tornadic and nontornadic thunderstorms. It is still a challenge to predict whether or not a tornado will occur, and possible future research directions are suggested.

Lin, Qian, Bechtold, et al. (2022) reviewed the observations and parameterizations of atmospheric convection with emphasis on the cloud structure, bulk effects, and closure assumption. Convective parameterization is the long-lasting bottleneck of global climate modelling and one of the most difficult problems in atmospheric sciences. The representative state-of-the-art convection schemes are presented, including the ECMWF convection scheme, the Grell scheme used in NCEP model and WRF model, the Zhang-MacFarlane scheme used in NCAR and DOE models, and parameterizations of shallow moist convection. A new strategy is proposed for convection scheme development using reanalysis-driven model experiments, aided by satellite simulators evaluating key characteristics.

Seiki et al. (2022) reviewed cloud microphysics in global cloud-resolving models (GCRMs) with introductions to the latest progress and researches. GCRMs are a new type of general circulation model that explicitly calculates the growth of cloud systems with fine spatial resolutions and more than 10 GCRMs have been developed at present. Since GCRMs deal with climatology and meteorology, it is a challenging issue to establish cloud microphysics schemes for GCRMs. The latest combined use of multiple satellite simulators makes it possible to constrain uncertain processes in cloud microphysics without artificial tuning.

Finally, Lin et al. (2022) summarizes the current challenges in climate and weather research and provides suggestions for future research directions in global observing systems, in modelling and prediction, and in academic environment and education systems. Overall, the special issue emphasizes the big picture and key physics in a set of concise, high quality reviews.

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the author(s).

Introduction au numéro spécial sur le climat et la météo de la Terre : Variabilité dominante et extrêmes désastreux[Traduit par la redaction]* Auteur correspondant email: [email protected]

Nous vivons sur la magnifique planète Terre, née il y a 4,6 milliards d’années avec le reste du système solaire. La Terre est constituée d’une atmosphère, d’une biosphère, d’une hydrosphère et d’une géosphère. La plupart du temps, le temps et le climat de la Terre sont bienveillants. Nous pouvons faire des randonnées dans la forêt, nous tenir au sommet d’une montagne, nous allonger sur la plage et surfer sur la mer. Grâce aux progrès de la science et de la technologie modernes, nous pouvons aussi explorer les pôles et le mont Everest, plonger dans les profondeurs de Challenger dans la fosse des Mariannes, et même prendre des mesures de la Terre depuis l’espace.

Néanmoins, de temps à autre, des phénomènes météorologiques et climatiques extrêmes frappent le monde, tels que des cyclones tropicaux, des blizzards en hiver, des vagues de chaleur en été, des tornades, des inondations et des sécheresses. Parfois, une méga-sécheresse peut durer des décennies ou des siècles. Au cours de l’histoire, des méga-sécheresses persistantes ont entraîné la migration des premiers humains hors d’Afrique (Scholz et coll., 2007), la période de migration et l’effondrement de l’Empire romain occidental en Europe (Buntgen et coll., 2011), l’effondrement de la civilisation maya en Amérique (Kennett et coll., 2012) et l’effondrement de plusieurs dynasties en Chine (Zhang et coll., 2008). À l’aube du nouveau millénaire, les catastrophes liées à la météo et au climat causent encore fréquemment un grand nombre de décès et des dommages matériels coûteux (par exemple, Goodkind et West, 2001; United Nation News, 2013). Trois des vagues de chaleur les plus meurtrières de la dernière décennie ont fait 128 500 morts en France, en Russie, en Inde et au Pakistan (Robine et coll., 2008; McMichael et Lindgren, 2011; Reuters, 2015; Haider et Anis, 2015). Le cyclone Nargis a tué 138 000 personnes au Bangladesh en 2008 (Fritz et coll., 2009). Aux États-Unis, 268 milliards de dollars de dommages ont été causés par trois ouragans majeurs en 2017 (NOAA NCEI, 2018), ce qui a anéanti 60% de la croissance annuelle du PIB du pays cette année-là.

Le grand nombre de décès et le coût élevé des dommages subis ces dernières années reflètent la difficulté persistante à prévoir les catastrophes liées à la météo et au climat. Par exemple, nous ne pouvons toujours pas prévoir l’intensification rapide des ouragans (Cangialosi, 2020), l’apparition de tornades meurtrières (Brooks et coll., 2019) et la survenue de sécheresses généralisées dans le monde.

Le climat de la Terre est un système complexe avec de fortes rétroactions entre ses différentes composantes, c’est-à-dire l’atmosphère, l’océan, les terres, la glace de mer et la biogéochimie. Le climat de la Terre couvre également un très large éventail d’échelles temporelles et spatiales, allant de milliards d’années à des secondes et de la planète entière à 10⁻⁶ mètres. Les principaux phénomènes sont résumés dans la Figure 1. En règle générale, la météo désigne les phénomènes à court terme et à petite échelle qui durent de quelques secondes à environ un demi-mois et se produisent dans une communauté, un État ou un pays, tandis que le climat désigne les phénomènes à long terme et à grande échelle qui durent d’une saison à 4,5 milliards d’années et se produisent sur un continent, un bassin océanique ou le globe entier. La variabilité intrasaisonnière se situe entre le temps et le climat et les relie. Pour réussir à prévoir les catastrophes liées au temps et au climat, la recherche doit franchir trois étapes importantes : (i) des observations complètes des phénomènes; (ii) une compréhension approfondie des mécanismes physiques; et (iii) une prédiction précise. Nous avons réalisé des progrès considérables sur la première étape, grâce à l’excellent travail de nombreux scientifiques, nous travaillons maintenant sur la deuxième, et nous finirons par passer à la troisième. La Figure 2 donne un bref aperçu de la recherche sur le climat et le temps, y compris l’histoire des observations et celle des théories, de la modélisation et des prédictions.

Fig. 1 Variabilité dominante et extrêmes désastreux du système climatique de la Terre.

Fig. 2 Histoire de la recherche sur le climat et le temps.

L’objectif de ce numéro spécial est de présenter un ensemble d’articles de synthèse détaillés sur certaines des frontières actuelles de la recherche sur le climat et le temps. Ils résument les observations complètes obtenues à ce jour, la compréhension actuelle des mécanismes physiques et les principaux défis/difficultés qui subsistent, ainsi que l’état d’avancement de la modélisation et des prédictions. Le présent numéro spécial se penche sur la nature interdisciplinaire des problèmes et tente de briser les barrières qui existent entre les différents domaines et disciplines.

Le numéro spécial est rédigé par un groupe d’éminents climatologues qui ont consacré leur temps et leur énergie à la rédaction des revues les plus complètes. Ce numéro spécial a aussi bénéficié d’un long temps de préparation afin d’acquérir un excellent ensemble de revues qui contribueront de manière significative aux progrès de la recherche sur le climat et la météo.

Bluestein et coll., (2022) ont décrit les systèmes d’observation actuels qui fournissent des données pour l’analyse et la prévision du climat et du temps au jour le jour, ainsi que les plans pour les systèmes futurs. Ils ont passé en revue les systèmes de sondage par satellite, radar, lidar, sodar, radiosonde, rawinsonde, avion et autres. Ils ont couvert de manière exhaustive les mesures de la température, de l’humidité, du vent, de la composition de l’air et du bilan énergétique à l’échelle planétaire et synoptique, ainsi que les systèmes de mesure du temps à méso-échelle et à l’échelle convective. Ils ont examiné les principaux problèmes d’observation, tels que la coordination entre les fournisseurs, les considérations relatives à l’assimilation des données et la conservation des données, ainsi que les problèmes particuliers des futurs systèmes d’observation mondiaux.

Lin et Qian (2022b) ont résumé l’histoire du climat de la Terre de 4,6 milliards d’années à une minute. L’histoire du climat de la Terre est importante pour comprendre la dynamique et les rétroactions du système climatique. L’histoire du climat de la Terre montre des modes climatiques dominants tels que les cycles des supercontinents, les cycles interglaciaires, les cycles millénaires, l’oscillation multidécennale, l’oscillation interannuelle, le cycle saisonnier et le cycle diurne. Les amplitudes de la variabilité climatique dominante diminuent généralement des échelles de temps de milliards d’années aux échelles de temps interannuelles, puis augmentent significativement aux échelles de temps subannuelles à diurnes.

Ditlevsen (2022) a passé en revue les cycles glaciaires et la variabilité climatique à l’échelle millénaire. La période d’oscillation des cycles glaciaires est passée de 40 ans avant 1 000 ans BP à 100 ans à partir de la transition du pléistocène moyen. Les cycles glaciaires sont souvent liés aux changements de l’orbite de la Terre, mais les cycles de 100 kyrs sont plus difficiles à relier directement au forçage astronomique, ce qui est appelé le problème de 100 kyrs en paléoclimat. Ils ont passé en revue les mécanismes proposés pour le problème des 100 ans. Sur une échelle de temps millénaire, les événements Dansgaard-Oeschger sont les fluctuations climatiques les plus extrêmes du climat glaciaire. Ils ont passé en revue les mécanismes possibles pour ces événements et discutent du rôle de la stochasticité dans la génération de ces événements.

Lin, Qian, et Schubert (2022) ont passé en revue l’histoire de la recherche sur les sécheresses et les méga-sécheresses, et ont suggéré des orientations possibles pour la recherche future. La sécheresse est la catastrophe naturelle la plus meurtrière sur Terre en raison de sa longue durée, de sa large couverture spatiale et de son lien direct avec l’approvisionnement alimentaire des êtres humains. Les sécheresses interannuelles sont souvent provoquées par l’El Niño-oscillation australe, les méga-sécheresses pluridécennales par l’oscillation multidécennale de l’Atlantique et les méga-sécheresses centennales par l’oscillation globale intercentennale. Les principaux mécanismes physiques à l’origine des sécheresses et des méga-sécheresses sont les anomalies de la température de surface de la mer, les rétroactions terre-atmosphère locales, la variabilité atmosphérique interne, ainsi que les forçages externes au système climatique.

Lin et Qian (2022a) passent en revue l’histoire de la recherche sur l’oscillation multidécennale de l’Atlantique (OMA), y compris sa dynamique, les téléconnexions mondiales, les impacts mondiaux et le lien avec la température moyenne de surface mondiale. L’OMA est une oscillation couplée océan-atmosphère du système climatique à l’échelle mondiale, avec des anomalies significatives de la température de surface de la mer dans tous les bassins océaniques. Elle est associée à une oscillation importante de la circulation méridienne de retournement de l’Atlantique, qui est probablement induite par le forçage gravitationnel des marées par le biais du mélange des marées et renforcée par le forçage des volcans et la rétroaction nuage-radiation. L’OMA affecte fortement la température de l’air en surface et l’indice de gravité de la sécheresse de Palmer sur tous les continents.

Lin (2022) a passé en revue les caractéristiques fondamentales observées de l’oscillation de Madden-Julian (OMJ), les mécanismes possibles, les téléconnexions connexes et les interactions tropicales-extratropicales, sa variation interannuelle, ainsi que sa simulation et ses prédictions. La MJO est le mode dominant de la variabilité tropicale intrasaisonnière. Elle a un impact global énorme et représente une source majeure de compétence pour les prévisions sous-saisonnières à saisonnières. Nos connaissances sur l’OMJ ont progressé au cours des dernières décennies, mais il reste des défis à relever pour comprendre, simuler et prédire l’OMJ et ses influences globales.

Lin, Qian, et Klotzbach (2022) ont passé en revue l’histoire de la recherche sur les cyclones tropicaux depuis la fin du XIX^e siècle jusqu’à aujourd’hui, en mettant l’accent sur les études d’observation. Les sujets abordés comprennent la théorie des cyclones tropicaux, la climatologie, la structure, les indices de genèse et la variabilité et les tendances intrasaisonnières à centennales. Des orientations futures possibles sont également suggérées.

Tochimoto (2022) a passé en revue la climatologie mondiale des tornades, ainsi que la compréhension actuelle des environnements d’échelle synoptique et mésoéchelle des tornades et des déclenchements de tornades. L’étude des tornades a impliqué l’investigation des processus atmosphériques de l’échelle globale à l’échelle synoptique, à la méso-échelle et à la micro-échelle. L’étude de l’environnement proche des tornades et de l’éclosion des tornades au cours des décennies a mis l’accent sur les différences entre les orages tornadiques et non tornadiques. Il est toujours difficile de prédire si une tornade va se produire ou non, et des pistes de recherche futures sont suggérées.

Lin, Qian, Bechtold et coll., (2022) ont examiné les observations et les paramétrisations de la convection atmosphérique en mettant l’accent sur la structure des nuages, les effets de masse et l’hypothèse de fermeture. La paramétrisation de la convection est le goulot d’étranglement durable de la modélisation du climat mondial et l’un des problèmes les plus difficiles des sciences de l’atmosphère. Les schémas de convection représentatifs de l’état de la technique sont présentés, y compris le schéma de convection du CEPMMT, le schéma Grell utilisé dans le modèle NCEP et le modèle WRF, le schéma Zhang-MacFarlane utilisé dans les modèles NCAR et DOE, et les paramétrisations de la convection humide peu profonde. Une nouvelle stratégie est proposée pour l’élaboration de schémas de convection au moyen d’expériences de modèles basés sur des réanalyses, avec l’aide de simulateurs par satellite évaluant les caractéristiques clés.

Seiki et coll., (2022) ont passé en revue la microphysique des nuages dans les modèles globaux de résolution des nuages (MGRN) en présentant les dernières avancées et recherches. Les MGRN sont un nouveau type de modèle de circulation générale qui calcule explicitement la croissance des systèmes nuageux avec des résolutions spatiales fines et plus de 10 MGRN ont été élaborés à l’heure actuelle. Puisque les MGRN traitent de la climatologie et de la météorologie, l’établissement de schémas de microphysique des nuages pour les MGRN est un défi. L’utilisation combinée récente de plusieurs simulateurs de satellites permet de contraindre les processus incertains de la microphysique des nuages sans réglage artificiel.

Enfin, Lin et coll., (2022) résument les défis actuels de la recherche sur le climat et la météo et proposent des suggestions pour les orientations futures de la recherche dans les systèmes d’observation mondiaux, dans la modélisation et la prévision, ainsi que dans l’environnement universitaire et les systèmes éducatifs. Dans l’ensemble, ce numéro spécial met l’accent sur l’image globale et la physique clé dans un ensemble de revues concises et de haute qualité.

Additional information

Funding

This study was supported by NSF [grant number: AGS-1347132].