Stadslandskap och konstgjorda aerosoler-partiklar suspenderade i atmosfären-har potential att inte bara göra vindbyar starkare och hagel större; de kan också starta stormar tidigare och till och med dra dem mot städer, enligt ny forskning som undersöker effekterna av stadsutveckling på farligt väder, ledd av forskare vid U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory.

Genom att modellera två åskväder - ett nära Houston, Texas, och en annan i Kansas City, Missouri.-atmosfärforskaren Jiwen Fan retade ut de separata och synergistiska effekter som stadslandskap och människors orsakade aerosoler kan ha på stormar, regn och hagel.

Vid stormen i Kansas City, urban mark och aerosoler arbetade tillsammans för att förstärka frekvensen av stora hagel med ungefär 20 procent. I Houston, en annars mildare åskväder förstärks, mer långvarig nederbörd som utvecklats tidigare, bland andra förändringar.

Fan delade sina fynd vid American Geophysical Unions höstmöte 2020, på tisdag, 1 december och svarade på frågor på tisdagen, 15 december.

"Nyheten i vår studie är att vi betraktar både stadsland och aerosoler tillsammans, "sa Fan, "istället för deras separata effekter."

I tidigare arbeten, forskare har visat att stadsmarken formar vädret, både genom sin topografiska natur och värmen den producerar. Städer är ofta varmare än sin omgivning, eftersom byggnader inte bara absorberar och behåller solens värme annorlunda än träd och jordbruksmark, men blockerar också vindflödet.

Ändå fokuserar många studier främst på hur städer och aerosoler förändrar nederbörd och temperatur, eller bara undersöka påverkan av dessa faktorer separat, snarare än deras gemensamma effekt.

Simulerade stormar avslöjar förändringar i farligt väder

Fan modellerade två väldigt olika typer av stormar:Kansas Citys våldsamma, roterande, hagelfylld åskväder, och Houstons mildare, åskväder som orsakas av havsbris. Hon simulerade flera versioner av samma stormar, med och utan städer och aerosoler närvarande, för att isolera effekterna av dessa två distinkta faktorer.

I Houston, eftermiddagsduschar svällde när stadsmarker och aerosoler arbetade synergistiskt för att förstärka nederbörden. Jämfört med simuleringar utan städer, regnet dränkte Houston ungefär en halvtimme tidigare, öka dess totala med ytterligare 1,5 millimeter. Havsbrisvindarna blåste också starkare, piskad av inflytande av stadsmark.

När det är svalare, tätare luft från havsbrisen flödade mot Houston, det tog med sig fukt och krockade med varmare, lättare stadsluft. De två blandades vid mötet, skapa starkare konvektion jämfört med simuleringar utan stadsmark.

Houstons åskmoln började som varma moln med bara flytande droppar, men den förstärkta havsbrisen orsakade en snabbare övergång till blandade fasmoln, uppkallad efter sin samtidiga blandning av vattenånga, ispartiklar och underkylda vattendroppar. Även efter att havsbrisen sipprade av, sa Fan, kvarvarande värme från staden fortsatte mata stormkonvektion bra hela natten, orsakar längre regn. Kontrast det med Fans simulering där staden togs bort, visar en svagare havsbris och en storm som försvann tidigare.

Aerosoler spelade en större roll för att öka nederbörden än stadsmark i Houston. När moln i blandad fas bildades och konvektionen växte sig starkare, många ultrafina partiklar omvandlades till molndroppar. Denna omvandling förbättrade omvandlingen av vattenånga till molnkondensat, därigenom ökad latent uppvärmning och ytterligare förstärkning av stormen.

Vid stormen i Kansas City, värmen från staden fördes medvind, där den mötte den redan bildade stormen vid den norra stads-landsbygdens gräns. När det är varmare, torrare luft möttes av svalare, fuktigare landsbygdsluft, det intensifierade konvergensen, skapa turbulent blandning och en mer våldsam storm som rörde sig mot stadsmark.

I motsats till Houstons åskväder, Kansas Citys aerosoler påverkade inte storminitiering eller utbredning, inte heller de, själva, påverkar hagel kraftigt. Men, när det simuleras tillsammans med stadsmark, de två förstärkta haglarna, synergistiskt ger en farligare hagel. På grund av detta förhållande, sa Fan, Det är viktigt att tänka på både urbana mark och aerosoler när du utforskar städernas inverkan på väder och tillhörande faror.

Hagel ensam orsakar miljarder dollar i USA och, enligt National Oceanic and Atmospheric Administration, det är möjligt för särskilt stora hagel att falla med över fhail100 miles per timme.

Redovisning av aerosoler

Stadsland och aerosoler formar vädret annorlunda, enligt Fan, beroende på andra miljöförhållanden, som om luften redan är förorenad.

"Aerosoleffekten beror verkligen på bakgrundskoncentrationen, "sa Fan." Om miljön redan är förorenad, att lägga till fler aerosoler verkar inte påverka mycket. Men om du redan är i rent skick och lägger till aerosoler, det kan ge stor påverkan. "

Houstons livliga sjöfartskanal och närliggande oljeraffinaderier, varav tre ligger i tunnelbanan, släpper ut aerosoler regelbundet i atmosfären, sa Fan. Fuktighet, för, tillade hon, kan förstärka aerosoleffekten.

Fan hoppas att hennes arbete kan leda till mer exakta förutsägelser om farligt väder, mildra dödsfall och skada som orsakas av stormar. Hon planerar att djupare utforska hur vidsträckt urbanisering kommer att forma allvarliga stormar i framtida klimatscenarier.