Den 11 december 2014, ett godståg av en storm ångade genom stora delar av Kalifornien, slänga San Francisco Bay Area med tre centimeter regn på bara en timme. Stormen drevs av vad meteorologer kallar "Pineapple Express" - en atmosfärisk fuktflod som piskas upp över Stilla havets tropiska vatten och sveper norrut med jetströmmen.

På kvällen, rekord nederbörd hade satt igång leror, översvämningar, och strömavbrott i hela staten. Stormen, som har kallats Kaliforniens "decenniets storm, "är bland statens mest extrema nederbördshändelser i den senaste historien.

Nu har MIT -forskare funnit att sådana extrema nederbördshändelser i Kalifornien borde bli vanligare när jordens klimat värms under detta århundrade. Forskarna utvecklade en ny teknik som förutspår frekvensen av lokala, extrema nederbördshändelser genom att identifiera storskaliga mönster i atmosfäriska data. För Kalifornien, de räknade ut att om världens medeltemperaturer stiger med 4 grader Celsius år 2100, staten kommer att uppleva tre mer extrema nederbördshändelser än det nuvarande genomsnittet, per år.

Forskarna, som har publicerat sina resultat i Journal of Climate , säga att deras teknik minskar avsevärt osäkerheten i extrema stormprognoser från standardklimamodeller.

"En av kamperna är, grova klimatmodeller ger ett brett spektrum av resultat. [Regn] kan öka eller minska, "säger Adam Schlosser, senior forskare i MIT:s gemensamma program om vetenskap och politik för global förändring. "Vad vår metod säger dig är, för Kalifornien, Vi är mycket övertygade om att [kraftig nederbörd] kommer att öka i slutet av seklet. "

Forskningen leds av Xiang Gao, en forskare i det gemensamma programmet om vetenskap och politik för global förändring. Tidningens medförfattare inkluderar Paul O'Gorman, docent i jorden, atmosfärisk, och planetvetenskap; Erwan Monier, huvudforskare inom det gemensamma programmet; och Dara Entekhabi, Bacardi Stockholm Water Foundations professor i samhälls- och miljöteknik.

Storskalig anslutning

För närvarande, forskare uppskattar frekvensen av lokala kraftiga nederbördshändelser huvudsakligen med hjälp av nederbördsinformation simulerad från globala klimatmodeller. Men sådana modeller utför vanligtvis komplexa beräkningar för att simulera klimatprocesser över hundratals och till och med tusentals kilometer. Vid en sådan grov upplösning, det är extremt svårt för sådana modeller att på ett adekvat sätt representera småskaliga funktioner som fuktkonvektion och topografi, som är avgörande för att göra exakta förutsägelser av nederbörd.

För att få en bättre bild av hur framtida nederbördshändelser kan förändras region för region, Gao bestämde sig för att fokusera på inte simulerad nederbörd utan storskaliga atmosfärsmönster, vilka klimatmodeller kan simulera mycket mer pålitligt.

"Vi har faktiskt funnit att det finns ett samband mellan vad klimatmodeller gör riktigt bra, som ska simulera storskaliga rörelser i atmosfären, och lokala, kraftiga nederbördshändelser, "Schlosser säger." Vi kan använda denna förening för att berätta hur ofta dessa händelser inträffar nu, och hur de kommer att förändras lokalt, som i New England, eller västkusten. "

Väderbilder

Även om definitionerna varierar för vad som anses vara en extrem nederbördshändelse, i det här fallet definierade forskarna en sådan händelse som att den låg inom de 5 bästa procenten av en regions nederbördsmängder under en viss säsong, under perioder på nästan tre decennier. De fokuserade sin analys på två områden:Kalifornien och Mellanvästern, regioner som generellt sett upplever relativt stora mängder nederbörd på vintern och sommaren, respektive.

För båda regionerna, laget analyserade storskaliga atmosfäriska egenskaper som vindströmmar och fuktinnehåll, från 1979 till 2005, och noterade deras mönster varje dag som extrem nederbörd inträffade. Med hjälp av statistisk analys, forskarna identifierade avslöjande mönster i atmosfäriska data som var förknippade med kraftiga stormar.

"Vi tar i princip ögonblicksbilder av all relevant väderinformation, och vi hittar en gemensam bild, som används som vår röda flagga, "Schlosser förklarar." När vi undersöker historiska simuleringar från en serie av toppmoderna klimatmodeller, vi klämmer fast varje gång vi ser det mönstret. "

Med hjälp av det nya schemat, laget kunde kollektivt återge frekvensen av extrema händelser som observerades under 27-årsperioden. Mer viktigt, resultaten är mycket mer exakta än de som baseras på simulerad nederbörd från samma klimatmodeller.

"Ingen av modellerna är ens nära observationerna, "Säger Gao." Och oavsett kombinationen av atmosfäriska variabler som vi använde, de nya planerna var mycket närmare observationer. "

"Användbar information"

Stärkt av deras resultat, laget använde sin teknik på storskaliga atmosfärsmönster från klimatmodeller för att förutsäga hur frekvensen av kraftiga stormar kan förändras i ett uppvärmande klimat i Kalifornien och Mellanvästern under nästa århundrade. De analyserade varje region under två klimatscenarier:ett "business as usual" -fall, där världen beräknas värmas med 4 grader Celsius år 2100, och ett policystyrt fall, där global miljöpolitik som reglerar växthusgaser bör hålla temperaturökningen till 2 grader Celsius.

För varje scenario, laget flaggade de modellerade storskaliga atmosfärsmönstren som de hade bestämt sig för att förknippas med kraftiga stormar. I Mellanvästern, årliga fall av sommarens extrema nederbörd minskade något under båda uppvärmningsscenarierna, även om forskarna säger att resultaten inte är utan osäkerhet.

För Kalifornien, bilden är mycket tydligare:Under det mer intensiva scenariot med global uppvärmning, staten kommer att uppleva ytterligare tre extrema nederbördshändelser per år, i storleksordningen stormen i december 2014. Under det policydrivna scenariot, Schlosser säger "den trenden halveras."

Teamet tillämpar nu sin teknik för att förutsäga förändringar i värmeböljor från ett globalt uppvärmande klimat. Forskarna letar efter mönster i atmosfäriska data som korrelerar med tidigare värmeböljor. Om de mer pålitligt kan förutsäga frekvensen av värmeböljor i framtiden, Schlosser säger att det kan vara oerhört användbart för långsiktigt underhåll av elnät och transformatorer.

"Det är användbar information, "Säger Schlosser.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.