Atmosfärsforskare vid Alfred Wegener Institute, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) har utvecklat en klimatmodell som exakt kan avbilda jetströmmens ofta observerade slingrande förlopp, en stor luftström över norra halvklotet. Genombrottet kom när forskarna kombinerade sin globala klimatmodell med en ny maskininlärningsalgoritm för ozonkemi. Med den kombinerade modellen, de visar att jetströmmens vågliknande förlopp på vintern och efterföljande extrema väderförhållanden som kalla luftutbrott i Centraleuropa och Nordamerika är det direkta resultatet av klimatförändringarna. Deras resultat publicerades i Vetenskapliga rapporter den 28 maj 2019.

I åratal, klimatforskare runt om i världen har undersökt frågan om jetströmmens slingrande kurs över norra halvklotet – observerad med ökande frekvens de senaste åren – är en produkt av klimatförändringar, eller ett slumpmässigt fenomen som kan spåras tillbaka till naturliga variationer i klimatsystemet. Termen "jetström" avser ett kraftfullt band av västliga vindar över de mellersta breddgraderna, som driver stora vädersystem från väst till öst. Dessa vindar piska runt planeten på en höjd av ungefär 10 kilometer, drivs av temperaturskillnader mellan tropikerna och Arktis, och i det förflutna, nådde ofta topphastigheter på upp till 500 kilometer i timmen.

Men dessa dagar, som observationer bekräftar, vindarna vacklar alltmer. De blåser mer sällan längs en rak bana parallellt med ekvatorn; istället, de sveper över norra halvklotet i massiva vågor. I tur och ordning, under vintern, dessa vågor producerar ovanliga inträngningar av kall luft från Arktis till de mellersta breddgraderna – som den extrema kylan som drabbade mellanvästern i USA i slutet av januari 2019. På sommaren en försvagad jetström leder till långvariga värmeböljor och torra förhållanden, som de som upplevs i Europa i t.ex. 2003, 2006, 2015 och 2018.

Maskininlärning gör att klimatmodellen kan förstå ozonets roll

Dessa grundläggande kopplingar har varit kända sedan en tid tillbaka. Ändå, forskare hade inte lyckats realistiskt skildra jetströmmens vacklande kurs i klimatmodeller eller visa ett samband mellan de vacklande vindarna och de globala klimatförändringarna. Atmosfäriska forskare vid AWI i Potsdam har nu passerat det hindret genom att komplettera sin globala klimatmodell med en innovativ komponent för ozonkemi. "Vi har utvecklat en maskininlärningsalgoritm som gör att vi kan representera ozonskiktet som ett interaktivt element i modellen, och därigenom, att reflektera interaktionerna från stratosfären och ozonskiktet, "säger författaren och AWI:s atmosfäriska forskare Erik Romanowsky." Med det nya modellsystemet kan vi nu realistiskt återge de observerade förändringarna i jetströmmen. "

Enligt teamets resultat, havsisens reträtt och den åtföljande ökade aktiviteten av atmosfäriska vågor skapar en betydande, ozonförstärkt uppvärmning av den polära stratosfären. Eftersom de låga polära temperaturerna bildar jetströmmens motor, de stigande temperaturerna i stratosfären får den att vackla. I tur och ordning, denna försvagning av jetströmmen sprider sig nu nedåt från stratosfären, ger extrema väderförhållanden.

Den försvagade jetströmmen beror på klimatförändringar

Dessutom, med den nya modellen kan forskarna också närmare analysera orsakerna till den slingrande jetströmmen. "Vår studie visar att förändringarna i jetströmmen åtminstone delvis beror på förlusten av arktisk havsis. Om isöverdraget fortsätter att minska, vi tror att både frekvensen och intensiteten av de extrema väderhändelser som tidigare observerats på de mellersta breddgraderna kommer att öka, " säger prof Markus Rex, Chef för atmosfärsforskning vid AWI. "Dessutom, våra fynd bekräftar att de oftare förekommande kalla faserna på vintern i USA, Europa och Asien är på intet sätt en motsägelse till den globala uppvärmningen; snarare, de är en del av antropogena klimatförändringar."

Teamets ansträngningar representerar också ett betydande tekniskt framsteg:"Efter den framgångsrika användningen av maskininlärning i denna studie, vi använder nu för första gången artificiell intelligens i klimatmodellering, hjälpa oss att komma fram till mer realistiska klimatmodellsystem. Detta har en enorm potential för framtida klimatmodeller, som vi tror kommer att leverera mer tillförlitliga klimatprognoser och därför en mer robust grund för politiskt beslutsfattande, säger Markus Rex.

Under den arktiska expeditionen MOSAiC, som inleds i september och under vilken den tyska forskningsisbrytaren Polarstern kommer att driva genom det centrala Arktis tillsammans med havsisen under ett helt år, forskarna planerar att samla in de senaste is- och atmosfäriska data. Detta kommer att hjälpa dem att tillämpa den nya klimatmodellen i framtiden, för att simulera den framtida utvecklingen av det arktiska klimatet och havsisen. Som Markus Rex förklarar, "Vårt mål är att i detalj förstå hur den arktiska havsisreträtten kommer att fortskrida - för först då kommer vi att kunna bedöma hur och i vilken skala förändringarna i Arktis kommer att leda till extrema väderförhållanden på mellanbreddgraderna."