Hvorfor er Europa så sårbart over for hedebølger

I år blev højtemperaturrekorder knust over store dele af Europa, da afgrøder visnede på markerne på grund af udbredt tørke. Er dette en varsel om ting, der kommer, når jordens klima støt varmes op?

Elfatih Eltahir, MIT professor i civil- og miljøteknik og H. M. King Bhumibol professor i hydrologi og klima, og tidligere doktorand Alexandre Tuel Ph.D. '20 har for nylig offentliggjort et stykke i Bulletin of the Atomic Scientists beskriver, hvordan deres forskning hjælper med at forklare dette unormale europæiske vejr. Resultaterne er delvist baseret på analyser beskrevet i deres bog "Future Climate of the Mediterranean and Europe", udgivet tidligere i år. MIT News bad de to forfattere om at beskrive dynamikken bag disse ekstreme vejrbegivenheder.

Spørgsmål:Var den europæiske hedebølge denne sommer forudset baseret på eksisterende klimamodeller?

Eltahir:Klimamodeller projicerer stadig mere tørre somre over Europa. Dette gælder især for anden halvdel af det 21. århundrede og for Sydeuropa. Ekstrem tørhed er ofte forbundet med varme forhold og hedebølger, da enhver reduktion i fordampning opvarmer jorden og luften over den. Generelt er modeller enige om at lave sådanne fremskrivninger om europæiske somre. At forstå de fysiske mekanismer, der er ansvarlige for disse projektioner, er imidlertid et aktivt forskningsområde.

De samme modeller, der projicerer tørre somre over det sydlige Europa, projicerer også tørre vintre over det nærliggende Middelhav. Faktisk skiller Middelhavet sig ud som en af ​​de mest berørte regioner - et bogstaveligt "hot spot" - for vintertørker udløst af klimaændringer. Igen, indtil for nylig, blev sammenhængen mellem fremskrivningerne af sommertørhed over Europa og tørre vintre over Middelhavet ikke forstået.

I nyere MIT ph.d.-forskning, udført i Institut for Civil- og Miljøteknik, blev der udviklet en hypotese for at forklare, hvorfor Middelhavet skiller sig ud som et hot spot for vintertørke under klimaændringer. Yderligere tilbyder den samme teori en mekanistisk forståelse, der forbinder fremskrivningerne af tørre somre over Sydeuropa og tørre vintre over Middelhavet.

Det spændende ved det observerede klima over Europa sidste sommer er det faktum, at den observerede tørke startede og udviklede sig med rumlige og tidsmæssige mønstre, der er i overensstemmelse med vores foreslåede teori, og især forbindelsen til de tørre forhold observeret over Middelhavet under de foregående vinter.

Sp:Hvad er det ved området omkring Middelhavsområdet, der producerer sådanne usædvanlige ekstreme vejrforhold?

Eltahir:Flere faktorer går sammen for at forårsage ekstreme hedebølger som den, Europa har oplevet denne sommer, såvel som tidligere, i 2003, 2015, 2018, 2019 og 2020. Blandt disse dog gensidige påvirkninger mellem atmosfærisk dynamik og overfladeforhold, kendt som land-atmosfære-feedback, ser ud til at spille en meget vigtig rolle.

I det nuværende klima ligger Sydeuropa i overgangszonen mellem de tørre subtroper (Sahara-ørkenen i Nordafrika) og de relativt våde mellembreddegrader (med et klima, der ligner det i Stillehavets nordvest). Høje sommertemperaturer har en tendens til at få den nedbør, der falder til jorden, til at fordampe hurtigt, og som følge heraf er jordfugtighed om sommeren meget afhængig af forårsnedbør.

Et tørt forår i Europa (såsom 2022) forårsager tør jord i det sene forår og forsommeren. Denne mangel på overfladevand begrænser igen overfladefordampningen om sommeren. To vigtige konsekvenser følger:For det første går indkommende strålingsenergi fra solen fortrinsvis ind i stigende lufttemperatur frem for at fordampe vand; og for det andet falder tilstrømningen af ​​vand til luftlag nær overfladen, hvilket gør luften tørrere og nedbør mindre sandsynlig. Kombineret øger disse to påvirkninger sandsynligheden for hedebølger og tørke.

Tuel:Gennem jord-atmosfære-feedback giver tørre kilder et gunstigt miljø for vedvarende varme og tørre somre, men er naturligvis ikke nok til direkte at forårsage hedebølger. Der kræves en gnist for at antænde brændstoffet. I Europa og andre steder er denne gnist leveret af storstilet atmosfærisk dynamik. Hvis en anticyklon sætter sig over et område med meget tør jord, kan overfladetemperaturen hurtigt stige i vejret, efterhånden som jord-atmosfære-feedback spiller ind og udvikler sig til en hedebølge, der kan vare ved i ugevis.

Følsomheden over for forårsnedbør gør Sydeuropa og Middelhavet særligt tilbøjelige til vedvarende sommervarmebølger. Dette vil spille en stadig vigtigere rolle i fremtiden, da forårets nedbør forventes at aftage, hvilket gør brændende somre endnu mere sandsynlige i dette hjørne af verden. Faldet i forårsnedbør, som opstår som en unormalt tør vinter omkring Middelhavet, er meget robust på tværs af klimafremskrivninger. Sydeuropa og Middelhavet skiller sig virkelig ud fra de fleste andre landområder, hvor nedbøren i gennemsnit vil stige med den globale opvarmning.

I vores arbejde viste vi, at dette middelhavsvinterfald var drevet af to uafhængige faktorer:På den ene side tendenser i den store cirkulation, især stationære atmosfæriske bølger, og på den anden side reduceret opvarmning af Middelhavet ift. de omkringliggende kontinenter - et velkendt træk ved den globale opvarmning. Begge faktorer fører til øget overfladelufttryk og reduceret nedbør over Middelhavet og Sydeuropa.

Spørgsmål:Hvad kan vi forvente i løbet af de kommende årtier med hensyn til hyppigheden og sværhedsgraden af ​​disse former for tørke, oversvømmelser og andre ekstremer i europæisk vejr?

Tuel:Klimamodeller har længe vist, at frekvensen og intensiteten af ​​hedebølger var nødt til at stige, efterhånden som det globale klima opvarmes, og Europa er ingen undtagelse. Årsagen er enkel:Efterhånden som den globale temperatur stiger, skifter temperaturfordelingen mod højere værdier, og hedebølgerne bliver mere intense og hyppigere. Sydeuropa og Middelhavet vil dog blive særligt hårdt ramt. Årsagen til dette er relateret til de jord-atmosfære-feedbacks, vi lige har diskuteret. Vinternedbør over Middelhavet og forårsnedbør over Sydeuropa vil falde betydeligt, hvilket vil føre til et fald i forsommerens jordfugtighed over det sydlige Europa og vil presse de gennemsnitlige sommertemperaturer endnu højere; regionen vil blive et sandt hot spot for klimaændringer.

I den forstand kan 2022 virkelig være en smagsprøve på fremtiden. Rækkefølgen af ​​de seneste hedebølger i Europa tyder dog på, at tingene kan gå hurtigere, end klimamodellernes fremskrivninger antyder. Årtiers variabilitet eller dårligt forståede tendenser i storstilet atmosfærisk dynamik kan spille en rolle her, selvom det stadig diskuteres. En anden mulighed er, at klimamodeller har en tendens til at undervurdere størrelsen af ​​jord-atmosfære-feedback og bagatellisere indflydelsen af ​​tørre jordfugtighedsanomalier på sommervejret.

Potentielle tendenser i oversvømmelser er sværere at vurdere, fordi oversvømmelser skyldes en mangfoldighed af faktorer, såsom ekstrem nedbør, jordfugtighedsniveauer eller jorddække. Ekstrem nedbør forventes generelt at stige i de fleste regioner, men der er stadig meget høje usikkerheder, især fordi ekstrem nedbør er meget afhængig af atmosfærisk dynamik, som modellerne ikke altid er enige om.

Hvad der er næsten sikkert, er, at med opvarmning øges vandindholdet i atmosfæren (efter en termodynamisk lov kendt som Clausius-Clapeyron-forholdet). Hvis dynamikken er gunstig for nedbør, kan der således falde meget mere af det i et varmere klima. Sidste års oversvømmelser i Tyskland blev for eksempel udløst af en hidtil uset kraftig nedbør, som klimaændringer gjorde mere sandsynlige.