Om du kan förutsäga jetströmmens bana, den övre atmosfärens böljande flod av vind, då kan du förutsäga vädret - inte bara för en vecka eller två, men för en hel säsong. En ny Stanford-studie går mot den nivån av framförhållning genom att avslöja en fysisk koppling mellan hastigheten och placeringen av jetströmmen och styrkan hos polarvirveln, en luftvirvel som vanligtvis svävar över Arktis.

"Jetströmmen sätter allt, sa Aditi Sheshadri, huvudförfattare och biträdande professor i Earth System Science vid School of Earth, Energi, &Environmental Sciences (Stanford Earth). "Stormar rider längs den. De interagerar med den. Om jetströmmen skiftar, platsen där stormarna är starkast kommer också att förskjutas."

Forskningen, publicerad i Journal of Atmospheric Sciences, identifierar två distinkta lägen i hur luft strömmar inuti jetströmmen och de lager av atmosfär som ligger in i den.

Atmosfärens djupa system

I ett läge, förändringar i vindhastighet och riktning börjar nära ekvatorn i troposfären, det blöta, stormigt lager av atmosfären under jetströmmen och närmast jordens yta. Vindskiftningar i detta läge fortplantar sig snabbt upp genom jetströmmen och in i polarvirveln i det torra, övre skiktet av atmosfären som kallas stratosfären.

I det andra läget, styrkan i stratosfärens polära virvel påverkar jetströmmens väg och styrka – och hur den interagerar med stormar i troposfären. I detta läge, den polära virveln skickar en signal hela vägen ner till ytan som en puls. En svagare virvel producerar en svag jetström som glider mot ekvatorn; en starkare virvel intensifierar jetströmmen samtidigt som den dras mot polen.

"Dessa djupa vertikala strukturer har inte visats tidigare, "Sheshadri sa." Det är något grundläggande med själva systemet. "Hennes analys kan hjälpa till att förklara yttre väderpåverkan av en händelse som inträffade i början av 2018, när virveln försvagades så mycket att den slets i två delar – ett fenomen som forskarna vet kan spränga upp till två månader av extremt väder i västra Europa. Tills nu, förståelsen av dessa interaktioner har baserats på observationer och statistisk modellering snarare än kunskap om deras fysiska grund.

Dessa lägen kan vara nyckeln till att förutsäga de långsiktiga effekterna av vissa miljöförändringar på jordens yta. Medan luft tros strömma relativt oberoende inom troposfären och stratosfären under normala vintrar, utarmat ozon, höga halter av växthusgaser, havets uppvärmning, minskat snötäcke, och andra störningar kan rassla detta oberoende, påverkar både virveln och jetströmmen på komplexa sätt. Växthusgasutsläpp, till exempel, kan stärka virveln samtidigt som de förstärker vågor som fortplantar sig upp från troposfären och försvagar virveln när de går sönder.

"Vi vet inte vilka av dessa två effekter av ökande växthusgaser som kommer att vinna ut, " sa Sheshadri.

Bygga bättre klimatmodeller

För att hjälpa dig hitta svar, Sheshadris team satte sig för att förstå klimatet som ett system som reagerar på ett förutsägbart sätt på kända krafter, trots intern dynamik som är en blandning av slumpmässiga och systematiska fluktuationer. De tog ett matematiskt teorem som använts i nästan ett sekel för att förutsäga till synes slumpmässigt beteende i kvantmekaniska system och tillämpade det på data som representerar jordens atmosfär vintertid.

"Vi har 35 år av vinddata, " Sa Sheshadri. "Kan vi säga något bara från dessa observationer om hur vindarna kommer att förändras om, till exempel, ökar du koldioxid? Det var det som fick det hela igång."

Nuvarande klimatmodeller utmärker sig på att visa temperaturförändringar i hela atmosfärens lager över tid och med varierande nivåer av ämnen som ozon eller koldioxid. "Vi är ganska säkra på hur temperaturstrukturen i atmosfären kommer att förändras, "Sheshadri sa. "Men, om du tittar på förändringar i saker som vind eller regn eller snö – allt som är en dynamisk storhet – har vi egentligen väldigt liten aning om vad som händer."

Och ändå, det här är några av de mest levande mätvärdena för ett föränderligt klimat. "Ingen känner den globala medeltemperaturen, " Sade Sheshadri. "Hur många gånger under de kommande 10 åren kommer vi att behöva hantera översvämningar eller kyla i en viss region? Det är den typen av fråga som kan hjälpa till att besvara."

Genom att avslöja de fysiska processer som ligger till grund för några av dessa dynamiska variabler, den metod som utvecklats i denna studie kan också hjälpa till att rensa bort brister i klimatmodeller.

"Sättet vi gör det här för närvarande är att du tar en modell och kör den framåt, "kontrollera modellens förutsägelser mot observerade data, Sheshadri förklarade. Men många modeller som bygger på samma historiska data ger olika förutsägelser för framtiden, delvis för att de gör olika antaganden om hur troposfären och stratosfären samverkar och hur jetströmmen fluktuerar. Hittills har det inte funnits något sätt att kontrollera dessa antaganden mot atmosfärens faktiska variation.

"Vi måste vara säkra på att modellerna är rätt, och av rätt skäl, ", sa Sheshadri. Det nya arbetet ger ett sätt att lösa den osäkerheten – och att förutse stormar månader in i framtiden.