Den förödande vintertorkan som drabbade Kalifornien från 2013 till 2015, såväl som årets ovanligt blöta Kalifornien vinter, tycks vara förknippad med samma fenomen:ett distinkt vågmönster som framträder i den övre atmosfären och kretsar runt jordklotet.

Forskare vid National Center for Atmospheric Research (NCAR) fann i en färsk studie att den ihållande högtrycksryggen utanför Nordamerikas västkust som hindrade stormar från att komma på land under vintrarna 2013-14 och 2014-15 var förknippad med vågmönstret, som de kallar vågnummer-5. Uppföljningsarbete visade att vågnummer-5 dök upp igen i vinter men med sina hög- och lågtrycksegenskaper i en annan position, tillåta dränkande stormar från Stilla havet att göra land.

"Detta vågmönster är ett globalt dynamiskt system som ibland gör torka eller översvämningar i Kalifornien mer sannolikt att inträffa, " sa NCAR-forskaren Haiyan Teng, huvudförfattare till tidningen Kalifornien. "När vi lär oss mer, detta kan så småningom öppna ett nytt fönster till långsiktig förutsägbarhet."

Fyndet är en del av en framväxande forskning om vågmönstret som har löftet om bättre förståelse av säsongsbetonade vädermönster i Kalifornien och på andra håll. Ännu en ny tidning, ledd av NCAR-forskaren Grant Branstator, undersöker det kraftfulla vågmönstret mer på djupet, analysera de fysiska processer som bidrar till dess bildande samt dess årstidsvariationer och hur den varierar i styrka och plats.

Kalifornien-studien publicerades i Journal of Climate medan den omfattande studien av vågmönstren dyker upp i Journal of the Atmospheric Sciences . Båda tidningarna finansierades av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor, såväl som av Department of Energy, National Oceanic and Atmospheric Administration, och NASA.

De nya tidningarna följer en studie från 2013 av Teng och Branstator som visar att ett mönster relaterat till vågnummer-5 tenderade att dyka upp cirka 15-20 dagar före stora sommarvärmevågor i USA.

Stark påverkan på lokala vädersystem

Wavenumber-5 består av fem par alternerande hög- och lågtrycksfunktioner som omger jordklotet cirka sex miles (10 kilometer) över marken. Det är en typ av atmosfäriskt fenomen som kallas en Rossby-våg, en mycket storskalig planetarisk våg som kan ha starka effekter på lokala vädersystem genom att förflytta värme och fukt mellan tropikerna och högre breddgrader samt mellan oceaniska och inre områden och genom att påverka var stormar uppstår.

De långsamma Rossby-vågorna blir ibland nästan stillastående. När de gör det, resultatet kan bli ihållande vädermönster som ofta leder till torka, översvämningar, och värmeböljor. Wavenumber-5 har ofta denna stationära kvalitet när den dyker upp under den nordliga vintern, och, som ett resultat, är förknippat med en större sannolikhet för ihållande extrema händelser.

För att bestämma i vilken grad vågmönstret påverkade torkan i Kalifornien, Teng och Branstator använde tre specialiserade datormodeller, såväl som Kaliforniens nederbördsrekord och 1900-talsdata om globala atmosfäriska cirkulationsmönster. De olika fönstren in i atmosfären och nederbördsmönstren avslöjade att bildandet av en ås vid Kaliforniens kust är förknippat med uppkomsten av det distinkta vågnummer-5-mönstret, som styr regnproducerande lågtryckssystem så att de färdas långt norr om Kalifornien.

Under den gångna vintern, när Kalifornien drabbades av en serie intensiva stormar, wavenumber-5 var också närvarande, sa forskarna. Men mönstret hade skiftat över Nordamerika, ersätta högtrycksryggen utanför kusten med ett lågtryckstråg. Resultatet blev att stormarna som tvingades norrut under torkavintrarna var, istället, får göra land.

Ledtrådar till säsongsbetonade vädermönster

Prognosmakare som förutsäger säsongsbetonade vädermönster har till stor del sett till att förändra havsytans temperaturer i det tropiska Stilla havet, speciellt förändringar i samband med El Niño och La Niña. Men under de torra vintrarna 2013-14 och 2014-15, dessa förhållanden varierade markant:den ena visade början på en El Niño medan havsytans temperaturer under den andra inte var karakteristiska för varken El Niño eller La Niña.

Den nya forskningen indikerar att vågmönstret kan ge en ytterligare källa till förutsägbarhet som ibland kan vara viktigare än effekterna av havsytans temperaturförändringar. Först, dock, forskare behöver bättre förstå varför och när vågmönstret uppstår.

I artikeln publicerad i Journal of the Atmospheric Sciences, Branstator och Teng utforskade vågmönstrets fysik. Med hjälp av en förenklad datormodell av klimatsystemet för att identifiera de väsentliga fysiska processerna, paret fann att vågnummer-5 bildas när starka jetströmmar fungerar som vågledare, dra åt den annars slingrande Rossby-vågen till signaturkonfigurationen av fem höga och fem låga.

"Jetsen verkar för att fokusera energin, " sa Branstator. "När jetplanen är närvarande, energin är fångad och kan inte fly." Men även när strålarna är närvarande, vågnummer-5-mönstret bildas inte alltid, vilket indikerar att andra krafter som kräver studier också är i spel.

Forskarna sökte också specifikt efter vad som kan ha orsakat att vågmönstret kopplat till den svåra torkan i Kalifornien bildades. I tidningen publicerad i Journal of Climate , paret fann att extremt kraftiga regn från december till februari i vissa regioner i det tropiska Stilla havet kunde fördubbla sannolikheten för att den extrema åsen associerad med vågnummer-5 kommer att bildas. Anledningen kan ha att göra med att det tropiska regnet värmer upp delar av den övre atmosfären på ett sådant sätt att det gynnar bildandet av mönstret vågnummer-5.

Men forskarna varnade för att många frågor kvarstår.

"Vi måste söka globalt efter faktorer som orsakar detta vågnummer 5-beteende, " sa Teng, "Våra studier är bara början på det sökandet."