Finde pulsen af ​​den polære hvirvel

Hvis du kan forudsige jetstrømmens vej, den øvre atmosfæres bølgende flod af vind, så kan du forudsige vejret – ikke kun for en uge eller to, men for en hel sæson. En ny Stanford-undersøgelse bevæger sig mod det niveau af fremsyn ved at afsløre en fysisk sammenhæng mellem jetstrømmens hastighed og placering og styrken af ​​den polare hvirvel, en hvirvel af luft, der normalt svæver over Arktis.

"Jetstrømmen sætter alt, " sagde Aditi Sheshadri, hovedforfatter og assisterende professor i Earth System Science i School of Earth, Energi, &Environmental Sciences (Stanford Earth). "Storme rider langs den. De interagerer med den. Hvis jetstrømmen skifter, det sted, hvor stormene er stærkest, vil også skifte."

Forskningen, offentliggjort i Journal of Atmospheric Sciences, identificerer to forskellige tilstande i, hvordan luften strømmer i jetstrømmen og de lag af atmosfæren, der klemmer den.

Atmosfærens dybe system

I én tilstand, ændringer i vindhastighed og retning starter tæt på ækvator i troposfæren, det våde, stormfulde atmosfærelag under jetstrømmen og tættest på Jordens overflade. Vindskift i denne tilstand forplanter sig hurtigt op gennem jetstrømmen og ind i den polare hvirvel i det tørre, det øverste lag af atmosfæren kendt som stratosfæren.

I den anden tilstand, styrken af ​​stratosfærens polære hvirvel påvirker jetstrømmens vej og styrke – og hvordan den interagerer med storme i troposfæren. I denne tilstand, den polære hvirvel sender et signal helt ned til overfladen som en puls. En svagere hvirvel frembringer en svag jetstrøm, der glider mod ækvator; en stærkere hvirvel intensiverer jetstrømmen, mens den trækker den mod polen.

"Disse dybe lodrette strukturer er ikke blevet vist før, " sagde Sheshadri. "Det er noget grundlæggende ved selve systemet." Hendes analyse kunne hjælpe med at forklare overfladevejrets påvirkninger af en begivenhed, der fandt sted i begyndelsen af ​​2018, da hvirvelen svækkedes så meget, at den flåede i to - et fænomen, som forskerne ved kan sprænge op til to måneders ekstremt vejr ind i Vesteuropa. Indtil nu, forståelse af disse interaktioner har været baseret på observationer og statistisk modellering snarere end viden om deres fysiske grundlag.

Disse tilstande kan være nøglen til at forudsige de langsigtede virkninger af visse miljøændringer på Jordens overflade. Mens luft menes at strømme relativt uafhængigt i troposfæren og stratosfæren i normale vintre, forarmet ozon, høje niveauer af drivhusgasser, opvarmning af havet, reduceret snedække, og andre forstyrrelser kan rasle denne uafhængighed, påvirker både hvirvelen og jetstrømmen på komplekse måder. Drivhusgas udledning, for eksempel, kan styrke hvirvelen og samtidig booste bølger, der forplanter sig op fra troposfæren og svækker hvirvelen, når de bryder.

"Vi ved ikke, hvilken af ​​disse to effekter af stigende drivhusgasser vil vinde frem, " sagde Sheshadri.

Opbygning af bedre klimamodeller

For at hjælpe med at finde svar, Sheshadris team satte sig for at forstå klimaet som et system, der reagerer på en forudsigelig måde på kendte kræfter, på trods af intern dynamik, der er en blanding af tilfældige og systematiske udsving. De tog en matematisk sætning brugt i næsten et århundrede til at forudsige tilsyneladende tilfældig adfærd i kvantemekaniske systemer og anvendte den på data, der repræsenterer Jordens atmosfære om vinteren.

"Vi har 35 års vinddata, " sagde Sheshadri. "Kan vi sige noget ud fra disse observationer om, hvordan vinden vil ændre sig, hvis for eksempel, øger du kuldioxid? Det var det, der fik det hele i gang."

Nuværende klimamodeller udmærker sig ved at vise temperaturændringer i hele atmosfærens lag over tid og med varierende niveauer af stoffer som ozon eller kuldioxid. "Vi er ret sikre på, hvordan atmosfærens temperaturstruktur vil ændre sig, " sagde Sheshadri. "Men, hvis du ser på ændringer i ting som vind eller regn eller sne – alt, hvad der er en dynamisk størrelse – har vi virkelig meget lidt idé om, hvad der foregår."

Og stadigvæk, disse er nogle af de mest levende målinger for et klima i forandring. "Ingen føler den globale middeltemperatur, " sagde Sheshadri. "Hvor mange gange i løbet af de næste 10 år bliver vi nødt til at håndtere oversvømmelser eller kulde i en bestemt region? Det er den slags spørgsmål, det kan hjælpe med at besvare."

Ved at afsløre de fysiske processer, der understøtter nogle af disse dynamiske variable, metoden udviklet i denne undersøgelse kan også hjælpe med at udrydde fejl i klimamodeller.

"Måden vi gør det i øjeblikket er, at du tager en model og kører den fremad, "kontrol af modellens forudsigelser mod observerede data, Sheshadri forklarede. Men mange modeller bygget på de samme historiske data producerer forskellige forudsigelser for fremtiden, dels fordi de gør forskellige antagelser om, hvordan troposfæren og stratosfæren interagerer, og hvordan jetstrømmen svinger. Indtil nu har der ikke været en måde at kontrollere disse antagelser i forhold til atmosfærens faktiske variation.

"Vi skal være sikre på, at modellerne er rigtige, og af de rigtige grunde, " sagde Sheshadri. Det nye arbejde giver en måde at løse denne usikkerhed på - og til at forudse storme måneder ud i fremtiden.