Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Sheil D., Nobre A.D., Bunyard P., Li B.-L. (2014) Why does air passage over forest yield more rain? Examining the coupling between rainfall, pressure, and atmospheric moisture content. Journal of Hydrometeorology, 15, 411-426, doi:10.1175/JHM-D-12-0190.1. Supplemental information.
Abstract
The influence of forest loss on rainfall remains poorly understood. Addressing this challenge, Spracklen et al. recently presented a pantropical study of rainfall and land cover that showed that satellite-derived rainfall measures were positively correlated with the degree to which model-derived air trajectories had been exposed to forest cover. This result confirms the influence of vegetation on regional rainfall patterns suggested in previous studies. However, the conclusion of Spracklen et al.—that differences in rainfall reflect air moisture content resulting from evapotranspiration while the circulation pattern remains unchanged—appears undermined by methodological inconsistencies. Here methodological problems are identified with the underlying analyses and the quantitative estimates for rainfall change predicted if forest cover is lost in the Amazon. Alternative explanations are presented that include the distinct role of forest evapotranspiration in creating low-pressure systems that draw moisture from the oceans to the continental hinterland. A wholly new analysis of meteorological data from three regions in Brazil, including the central Amazon forest, reveals a tendency for rainy days during the wet season with column water vapor (CWV) exceeding 50mm to have higher pressure than rainless days, while at lower CWV, rainy days tend to have lower pressure than rainless days. The coupling between atmospheric moisture content and circulation dynamics underlines that the danger posed by forest loss is greater than suggested by consideration of moisture recycling alone.

Notes

Makarieva A.M., Gorshkov V.G., Sheil D., Nobre A.D., Bunyard P., Li B.-L. (2014) Why does air passage over forest yield more rain? Examining the coupling between rainfall, pressure, and atmospheric moisture content. Journal of Hydrometeorology, 15, 411-426, doi:10.1175/JHM-D-12-0190.1. Abstract. PDF (1.5 Mb). Supplemental information.

The effects of forests on weather are generally viewed solely in terms of moisture recycling. That is, evaporation from forest returns moisture to the atmosphere where it can increase local rain. In our new paper, using a recent study of Spracklen et al. (2012) Nature 489: 282 as an example, we discuss deficiencies in this perspective.

Among other things, we argue that the existing global circulation models cannot be used for evaluation of the climatic effects of deforestation because of their inability to reproduce various phenomena that we have ascribed to a new mechanism we have termed the biotic pump -- by this mechanism forests generate large-scale pressure gradients that cause winds to flow and bring moisture from oceans to land.

Water cycle on land and biotic pump
Water cycle on land and the forest moisture pump

Moist air arrives to land in the lower atmosphere, rises and becomes depleted of moisture (as clouds form and rain falls). This dry air returns to the ocean in the upper atmosphere while the net imported moisture returns to the ocean via rivers (and other minor flows). Air circulation models describe the aerial component of the water cycle: i.e. how much moisture is carried by winds. Measures of river runoff provide an independent check on any such models' validity as this runoff must match what the winds bring in. (Unfortunately the models escape such a check in the oceans as there is no runoff to measure!)

Current air circulation models do not pass this check: inputs don't match outputs. For example, the Amazon models can only account for half the measured river runoff. Similar considerable discrepancies are common for all regional models and no fix to this problem has yet been identified (e.g., Hagemann et al. 2011).

In the new paper we provide new evidence for the biotic pump. We analyse the relationship between wind direction and surface air pressure in forested and deforested regions of the Amazon basin. This highlights how the intense evaporation from forest creates low pressure. Let's take a look -- schematically -- how this condensation-evaporation cycle works.

Stage 1: After rain the atmosphere is dehumidified

Immediately after rain the local atmosphere is relatively dry (water vapor has condensed and precipitated). Winds are negligible. The atmosphere slowly regains water vapor via evaporation.

Stage 2: Evaporation enriches the atmosphere with water vapor

Owing to the high cumulative surface of leaves, the forest enriches the atmosphere with water vapor more rapidly than does the ocean. Total air pressure in the area slowly grows reflecting the accumulating water vapor. (Our analyses show that rainy days in the Amazon forests are on average characterized by a slightly higher pressure than the rainless days. In the deforested region the opposite is true -- we discuss this is greater detail in the paper (see Section 4b,c), but the pattern is consistent with the biotic pump.)

Probability to observe rain within one hour of measuring a given CWV
Rainfall probability as a function of the total amount of water vapor in the atmosphere (CWV). As used in Fig. 5 of Makarieva et al. (2014) based on the data of Holloway and Neelin (2010).

Small differences in evaporation rates translate into large differences in the probability of rainfall due to the sharply rising relationship between water vapor content and the likelihood of rain. Thus rain is much more likely to start again over the forest.

Stage 3: Condensation begins over forest

Once sufficient water vapor has accumulated over the forest, condensation begins. Local air pressure starts to decline. In contrast to the gradual process of water vapor evaporation, condensation can occur quickly.

Stage 4: Condensation creates winds that bring moisture to sustain condensation

The resulting pressure differences now draw wet air from the ocean to the forest, this air rises and cools. Now moisture generated locally via forest evaporation precipitates on land together with additional moisture brought from the ocean. This additional moisture is what ensures land remains wet while rivers keep running back to the ocean.

Thus, rather than merely recycling moisture, forests actually drive the water cycle on land. Recognition of this role will lead to re-evaluation of the importance of natural forests and the need for forest conservation to prevent water scarcity. We urge a major reassessment of the role of forests in atmospheric dynamics.

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Шейл Д., Нобре А.Д., Буньярд П., Ли Б.-Л. (2014) Почему ветер, дующий с леса, приносит больше дождя? Исследование зависимостей между осадками, давлением и содержанием влаги в атмосфере. Journal of Hydrometeorology, 15, 411-426, doi:10.1175/JHM-D-12-0190.1. [на англ. яз.] Приложение.
Аннотация
Влияние обезлесивания на осадки до сих пор изучено плохо. Для исследования этой проблемы Spracklen et al. проанализировали распределение тропических осадков в зависимости от типа растительного покрова. Они обнаружили, что оцениваемые по спутниковым данным осадки больше там, где воздушные траектории, определяемые из моделей атмосферной циркуляции, захватывают на своём пути леса. Этот результат согласуется с обнаруженным в предшествующих работах влиянием растительности на региональный режим осадков. Однако мы показываем, что заключение Spracklen et al., что различие в осадках обуславливается лишь большим влагосодержанием в воздухе над лесом за счёт эвапотранспирации при неизменной циркуляции воздуха в лесных и обезлесенных условиях, неверно. Мы анализируем физические ошибки, обусловившие этот вывод Spracklen et al. и сделанные ими количественные оценки изменения осадков в бассейне Амазонки при его обезлесивании. Мы приводим альтернативное объяснение, где эвапотранспирация играет ключевую роль в создании зон пониженного давления на суше, которые отвечают за поток влаги с океанов вглубь континентов. Наш анализ метеорологических данных из трёх регионов Бразилии включая центральный регион Амазонского леса, показал, что в дождливые дни влажного сезона, когда содержание атмосферной влаги (САВ) превышает 50 мм, атмосферное давление в среднем более высокое, чем в дни без осадков. В то же время в дождливые дни при более низких значениях (САВ) давление ниже, чем в сухие дни. Наблюдаемая связь между содержанием атмосферной влаги и динамикой атмосферной циркуляции показывает, что утрата лесного покрова значительно опаснее, чем можно было бы предположить из традиционных исследований одной лишь "рециркуляции влаги" (moisture recycling) лесом.

Примечания

Макарьева А.М., Горшков В.Г., Шейл Д., Нобре А.Д., Буньярд П., Ли Б.-Л. (2014) Почему ветер, дующий с леса, приносит больше дождя? Исследование зависимостей между осадками, давлением и содержанием влаги в атмосфере. Journal of Hydrometeorology, 15, 411-426, doi:10.1175/JHM-D-12-0190.1. Аннотация. PDF(1.5 Mb). Приложение.

Традиционное рассмотрение роли лесов в круговороте воды на суше сводилось к т.н. "moisture recycling" -- т.е. возвращению влаги осадков обратно в атмосферу. Считается, что ветер приносит влагу на сушу в количестве, не зависящем от присутствия или отсутствия суше леса. Испарение с поверхности лесного покрова возвращает часть этой влаги обратно в атмосферу, откуда она опять может выпасть дождём над сушей, так что осадки на суше становятся больше приносимого с океана потока влаги. В этой новой работе на примере критики статьи Spracklen et al. (2012) Nature 489: 282 мы обсуждаем концептуальные ошибки такого подхода и показываем, что на его основе невозможно достоверно предсказать влияние обезлесивания на региональный круговорот воды.

Одним из убедительных указаний на то, что существующие модели глобальной циркуляции не могут быть использованы для выяснения климатической роли лесов и обезлесивания, является неспособность этих моделей воспроизводить механизм биотического насоса. Согласно концепции биотического насоса, леса не просто испаряют влагу, но, тем самым, создают градиенты давления на больших масштабах, которые и приводят в движение влажные воздушные массы, заставляя их перемещаться с океана на сушу.

Круговорот воды на суше и лесной насос
Круговорот воды на суше и лесной насос атмосферной влаги

Влажный воздух поступает на сушу в нижней части атмосферы, поднимается и лишается влаги в ходе конденсации. Сухой воздух возвращается на океан в верхней части атмосферы. Импортированная с океана влага возвращается в океан в виде речного стока. Циркуляционные модели описывают только воздушный компонент круговорота воды, т.е. они количественно определяют, сколько влаги поступает на сушу в составе воздушных потоков. Речной сток, измеряемый независимо, даёт возможность проверить, насколько верно модели описывают потоки влаги: согласно закону сохранения вещества, воздушныйприток влаги с океана и речной сток в океан должны быть равны друг другу. (Отметим, что в океане, где видимого стока не существует, такой возможности проверитьциркуляционные модели нет!)

Модели не проходят этот тест. Например, в Амазонке модельный поток влаги с океана через атмосферу оказывается в два раза меньше речного стока, а не равен ему. Подобные расхождения имеют место для всех регионов, и никакими подгонками исправить их не удаётся (см., напр., Hagemann et al. 2011). Недооценка реального притока влаги через атмосферу означает игнорирование биотического насоса, т.е. роли растительного покрова в образовании ветров, и одновременно переоценку локальных потоков испарения, которое полагается равным осадкам минус приток влаги с океана через атмосферу.

В этой статье на основе анализа зависимостей между направлением ветра и давления воздуха в лесных и обезлесенных районах бассейна Амазонки получены новые данные по биотическому насосу. Мы также обсуждаем, каким образом интенсивное испарение с поверхности лесного полога приводит к образованию зоны пониженного давления. Рассмотрим, как работает этот цикл конденсации и испарения.

Стадия 1: После дождя количество влаги в атмосфере мало.

После дождя содержание влаги в атмосфере является пониженным за счёт конденсации и осадков. Ветер практически отсутствует. Атмосфера начинает вновь пополнять свой запас влаги путём испарения. Это медленный процесс.

Стадия 2: Испарение восполняет запас влаги в атмосфере.

Благодаря высокому листовому индексу (большой испаряющей поверхности листьев) леса, атмосфера над лесом обогащается влагой быстрее, чем над океаном. Давление воздуха медленно растёт, отражая увеличение количества водяного пара в атмосфере. (Была установлена интересная закономерность: дождливые дни в лесу Амазонки характеризуются в среднем несколько более высоким давлением, чем дни без дождей. В обезлесенных регионах верно обратное - в разделе 3b,c статьи мы обсуждаем, почему.)

Вероятность дождя в течение часа после наблюдения данного значения CWV
Вероятность дождя в течение ближайшего часа как функция количества влаги в атмосферном столбе (CWV -- columnar water vapor). Рис. 5 статьи Makarieva et al. (2014) на основе данных Holloway and Neelin (2010).

Даже небольшая разница в скорости испарения между океаном и лесом играет большую роль, так как вероятность инициации конденсации увеличивается очень резко с ростом влагосодержания атмосферы, см. рис.

Стадия 3: Конденсация начинается над лесом.

Как только критическое количество влаги над лесом накоплено, начинается конденсация. Достигнув своего максимума, локальное давление начинает быстро падать. В отличие от испарения, конденсация происходит очень быстро.

Стадия 4: Конденсация создаёт ветер, который приносит влагу для поддержания конденсации.

Образующаяся разница давлений заставляет воздух над океаном двигаться в сторону леса. В результате, испарившаяся с поверхности океана влага выпадает осадками над лесом. Жидкий сток влаги компенсируется воздушным притоком влаги.

Затем цикл повторяется. Изучение его количественных параметров, в особенности, отношения между содержанием влаги в атмосфере и давлением воздуха, необходимо для понимания роли лесов в атмосферной динамике.