Klimatforskare har vetat i decennier att klimatförändringarna har mer att göra än högre temperaturer. Havsnivåerna stiger, skogsbränder brinner och torkan minskar vattentillgången över hela världen.

Extrema väderhändelser, såsom orkaner och åskväder, kommer sannolikt att bli värre också. Men för att förutsäga hur mycket dessa stormar kommer att förändras i en varmare värld, vi måste förstå hur de fungerar i det nuvarande klimatet.

Dan Chavas, en biträdande professor i atmosfärsvetenskap vid Purdue University, försöker lösa det dilemmat.

"När människor frågar hur stormar kommer att förändras i framtiden, min fråga är, "Hur väl förstår vi hur det fenomenet fungerar i klimatet i allmänhet?" sa han. "Ibland hoppar man över det mellansteget. Om du inte har en grundläggande förståelse för förhållandet mellan klimat och vilken typ av storm du än tittar på, det är svårt att säga att du kan svara på klimatfrågan."

Trots att de orsakar hundratals dödsfall och skador för miljarder dollar varje år i USA, det finns mycket om orkaner som vi fortfarande inte förstår. Plats, vattentemperatur, tryck och molncirkulation spelar alla en roll i stormens yttersta svårighetsgrad, men det är inte helt klart hur de fungerar tillsammans.

Forskare förstår ännu inte vad som bestämmer storleken på en orkan, antingen. Stormar kan vara mycket stora eller mycket små och ha samma maximala vindhastighet. Som expert på extremväders fysik, mycket av Chavas arbete hittills har fokuserat på vad som styr storleken på en orkan och hur vindhastigheten förändras som en funktion av avståndet från stormens centrum.

På senare tid, han har börjat försöka avgöra vad som bestämmer frekvensen vid vilken orkaner bildas. Det finns cirka 90 tropiska stormar på jorden varje år, men ingen vet riktigt vad som styr den siffran.

"Detta är en stor öppen fråga inom vårt område - vi vet inte varför det inte finns nio eller 900, " sa Chavas. "Jag forskar om hur orkaner bildas för att ta reda på varför de dyker upp där de gör, vad styr frekvensen, och hur det varierar med latitud och i allmänhet med rum och tid."

Chavas använder datormodeller för att simulera stormar på jorden. I sin forskning, han jämför ofta två versioner av planeten – en som ser mycket ut som den faktiska jorden, och en mycket förenklad version där mark inte finns, haven täcker hela planeten och solen skiner likadant överallt.

I detta imaginära, okomplicerad värld, det finns tusentals tropiska cykloner.

"De har många intressanta egenskaper som potentiellt är mycket relevanta för den verkliga världen, " Sa Chavas. "Som en biolog använder en mus eller en fruktfluga som en experimentell testplats, vi använder en förenklad version av jorden. Vi kan manipulera vad som händer där – få världen att snurra dubbelt så snabbt, eller gör den större eller mindre – och testa teori."

För en riktigt bra uppskattning av hur extremt väder kommer att förändras i framtiden, forskare skulle behöva en fysisk förståelse för hur dessa fenomen fungerar tillsammans med prognossimuleringar – för att titta på båda samtidigt och se om de matchar.

Men spänningen mellan fysikteori och verkliga fenomen inom väder- och klimatvetenskap gör detta svårt. Många fysiker arbetar i miljöer som är enklare än det faktiska klimatsystemet, ibland så mycket att deras resultat inte gäller den verkliga världen.

Å andra sidan, väderprognoser tenderar att vara praktiskt inriktade. Många meteorologer är fokuserade på att skapa korrekta prognoser, och om de kan göra det, de ser mindre behov av att förstå den underliggande fysiken. Genom att föra sina forskningsrön från den förenklade världen till den verkliga världen, Chavas täpper till detta gap.

"Vi kan alltid simulera klimatet in i framtiden, men det hjälper mycket om vi har teorier för att förstå hur väderfenomen fungerar och hur de uppstår i ett system som sträcker sig till alla klimat, " sa han. "Om vi ​​vet hur saker och ting kommer att förändras oavsett om klimatet är 10 grader varmare eller 10 grader svalare, eller om någon annan aspekt av klimatsystemet ändras, då kan vi äntligen säga att vi förstår det riktigt bra."

Att ha datorkraft att driva en global klimatmodell som löser mindre stormar blev verklighet först under det senaste decenniet. Klimatmodeller kan förutsäga förändringar i nederbörd ganska bra, men när de rör sig mot orkaner och tornados, dessa system i mindre skala blir svårare att lösa. Modellerna som används av den mellanstatliga panelen för klimatförändringar, FN:s organ som producerar regelbundna klimatutvärderingsrapporter, inkluderar inte tornados alls.

Utan enorma klimatmodeller för att ge exakta förutsägelser om hårt väder, Chavas har vänt sitt fokus närmare hemmet, i Klippiga bergen.

"En hypotes som har svävat runt i forskarsamhället under lång tid säger att det finns en hot spot för svåra åskväder och tornados över Nordamerika, ", sa han. "Tanken är att ha Klippiga bergen i väster och Mexikanska golfen i söder skapar en gynnsam miljö för extrema väderhändelser."

Om bergen är avgörande för stormbildning, att sedan ta bort dem borde eliminera hårt väder (så hypotesen lyder). Hypotetiskt sett, på en planet helt täckt av vatten, det skulle inte bli några kraftiga åskväder.

Chavas har nyligen börjat testa dessa antaganden i klimatmodeller där han manipulerar dessa egenskaper på en imaginär jord. Han hoppas kunna publicera preliminära resultat om detta inom de närmaste månaderna.

"Vilka egenskaper är viktiga för bildandet av hårt väder, och hur kan omfattningen av åskväder och tornadoaktivitet bero på aspekter av bergen, eller förhållandet mellan var berget och vattenmassorna finns?" sa han. "Den mesta forskningen hittills tar bara hänsyn till vår nuvarande konfiguration av nordamerikansk topografi och landytor, från vilket vi kan göra antaganden om hur det ger upphov till hårt väder på jorden. Men tills vi gör experiment där vi ändrar dessa parametrar, vi kommer inte att vara säkra på att vi förstår dessa system särskilt väl."