Forskare vid Köpenhamns universitet har i samarbete med det danska meteorologiska institutet (DMI) använt detaljerade vädermodeller för att tydligt koppla ökade temperaturer till det historiska molnbrottet över Köpenhamn i juli 2011. Nya metoder som involverar kontrafaktiska väderprognoser skulle kunna koppla väderhändelsen till den globala uppvärmningen för första gången.

Klockan är sju på kvällen den 2 juli 2011. Ett molnbrott av historiska proportioner har precis inträffat norr om Köpenhamn. På taket av sin bil försöker en taxichaufför rädda sig från översvämningsvattnet när regn och hagel störtar ner i vattnet och bilar som flyter runt honom på Lyngbyvej.

Den danska huvudstaden upplevde denna dag ett extremt molnbrott som kostade samhället miljarder kronor. På Rigshospitalet var situationen så svår att översvämningsvattnet var centimeter från att förstöra sjukhusets generatorer och utlösa en evakuering av 1400 patienter.

Nu har Niels Bohr Institute och DMI-forskare använt ett okonventionellt verktyg för att förstå 2011 års extrema skyfall. Kontrafaktisk historia är när du ändrar något i en historisk händelse för att analysera Vad händer om? Klimatforskare, som vanligtvis används av historiker för att förstå vårt förflutna, har börjat använda metoden på liknande sätt.

Deras experiment visar en tydlig korrelation mellan intensiteten av molnbrottet vid den tidpunkten och värmen i atmosfären som ledde fram till dess inträffande.

"Ja, för att uttrycka det enkelt kan man säga att på en planet en grad varmare skulle en liknande vädersituation troligen ha föranlett evakueringen av Rigshospitalet", säger professor Jens Hesselbjerg Christensen vid Niels Bohr Institutet.

Baserat på historisk väderdata

Genom att köra olika vädersimuleringar för dagen för molnbrottet baserade på DMI-modeller tog forskarna fram ett antal kontrafaktiska väderprognoser. Dessa var uppdelade i fem olika värmescenarier, som var och en gjorde det möjligt för studien att visa konsekvenserna av temperaturökningar i atmosfären.

För första gången kunde forskarna visa att ett sekel av mänskligt orsakade temperaturökningar fördubblade risken för det historiska molnbrottet och ökade dess intensitet.

Studien visar också att med stigande temperaturer framför oss kommer det också att finnas en ökad risk för liknande eller ännu starkare molnskurar när liknande vädersituationer uppstår i framtiden.

Modellberäkningarna är baserade på historiska väderdata och stöds därmed av empiriska bevis.

En svår koppling

Modellberäkningar av Danmarks framtida klimat, tillgängliga i DMI:s Klimatatlas, visar tydligt sambandet mellan uppvärmning och ökad risk för molnbrott. Men generellt sett är det fortfarande en vetenskaplig utmaning att koppla specifika väderhändelser till klimatförändringar.

I kölvattnet av översvämningarna i juli 2011 förklarade DMI:s klimatforskare Ole Bøssing Christensen att händelsen inte kunde kopplas direkt till klimatförändringen, men att den överensstämde med klimatmodellernas förutsägelser för framtiden.

"Det var den typen av svar vi kunde ge för några år sedan. Vi hade helt enkelt inte verktygen för att säga mer. Det är just den utmaningen som denna studie försökte lösa", förklarar Jens Hesselbjerg Christensen.

Enligt Rasmus Anker Pedersen, sektionschef vid DMI:s centrum för klimatforskning och medförfattare till studien, lyckades uppdraget.

"Den unika aspekten av denna studie är att vi kan bedöma påverkan av ökad global uppvärmning på en specifik extrem väderhändelse, i motsats till att helt enkelt jämföra molnbrottet med allmänna förändringar i ett varmare klimat", säger han.

Rutnätet av datapunkter i klimatmodeller är inte tillräckligt tätt för att fungera med väderfenomen som molnskurar, som inträffar mycket lokalt och är resultatet av en komplex uppsättning konvergerande väderförhållanden. Men till skillnad från traditionella klimatmodeller är DMI:s vädermodeller inriktade på att bearbeta väderdata i en tillräckligt tät och detaljerad skala.

Ger ny precision för klimatförutsägelser

"Om man kan operera på de skalor som vi har kunnat här, fångar man de processer som behövs för att kunna återskapa en specifik händelse i en simulering. Det ger också trovärdighet att kunna förutsäga händelser som ännu inte har ägt rum." " säger Jens Hesselbjerg Christensen.

Han förväntar sig att det kommer att få större betydelse för både vardagsmedborgare och beslutsfattare när konsekvenserna av klimatförändringarna blir konkreta, eftersom de kommer att kunna kopplas till kända händelser, som 2011 års molnbrott. Metoden och användningen av vädermodeller för klimatforskning erbjuder dock perspektiv på global skala.

"Även om vi inte är riktigt där än, förväntar vi oss att det kommer att finnas tillräckligt med datorkraft under loppet av nästa decennium för att distribuera den här typen av modell på en global skala. Detta kommer att möjliggöra en helt ny nivå av precision i våra klimatprognoser. Medan det kommer att kräva mycket processorkraft, att göra det kommer att vara relevant. Det kommer till exempel att hjälpa oss att kvalificera de förberedelser som behövs för klimatanpassning, säger Jens Hesselbjerg Christensen.

Fakta:Molnbrottet den 2 juli 2011, Köpenhamn

Den dyraste naturkatastrofen i Danmark sedan 1999. Försäkringsutbetalningarna uppgick till 6,2 miljarder DKK, fördelat på ca. 90 000 anspråk.

På vissa ställen föll två månaders nederbörd på några timmar. På ett enda dygn föll 135,4 mm vid Köpenhamns botaniska trädgård. En mängd på 31 mm föll inom tio minuter i förorten Ishøj. Mer än 5 000 blixtnedslag registrerades på 3 timmar.

Det kraftiga regnet och hageln gjorde att trafiken stannade på flera ställen i huvudstadsområdet i takt med att vägbanor blev floder. Flera motorvägar var stängda i upp till tre dagar.

Tågtrafiken stördes i en vecka och på vissa ställen stängd i dagar, på grund av allt från översvämmade stationer till blixtnedslag i utrustning och jordskred.

Cirka 10 000 hushåll drabbades av strömavbrott i upp till 12 timmar och cirka 50 000 hem förlorade värme och varmvatten i upp till en vecka.

Fakta:Vad är ett molnbrott?

I Danmark definieras molnskurar som episoder när mer än 15 mm nederbörd faller inom en halvtimme.

Konvektion är den fysiska process som orsakar molnbrott. Bland annat är konvektion när lägre densitet, varm luft stiger.

Varm luft, som kan vara mycket fuktig, drar även befintlig fukt från molnen upp till högre höjder, vilket skapar extrem kondens i de höga molnen.

Dropparna växer så småningom så stora att de inte kan hållas uppe av de vertikala luftströmmarna, då molnen plötsligt tömmer sin fukt.

Fakta:Hur forskarna gjorde det

På basis av väderinformation fram till och med midnatt den 2 juli 2011 simulerade forskarna vädret runt Köpenhamn med hjälp av dagens noggrant testade och exakta DMI-vädermodell.

Skalan i dessa vädermodeller är mycket exakt. Avståndet mellan datapunkterna i DMI:s modell, känd som grid size, är cirka 2,5 km. Som jämförelse är rutnätspunkterna för globala klimatmodeller inte närmare än ungefär 50 km från varandra.

Forskarna genomförde 13 simuleringar i en så kallad ensemble av prognoser, eftersom väder – och inte minst åskväder – är kaotiska händelser med buller och hög oförutsägbarhet.

Simuleringarna har anpassats och delats upp i fem värmescenarier:-1 grad (förindustriell ålder), 0 (normalt 2011), +1, +2 och +3 grader varmare global temperatur. + Utforska vidare

Att slå värmen blir svårare, säger vetenskapen