I år slogs höga temperaturrekord över stora delar av Europa, eftersom skördarna vissnade på fälten på grund av utbredd torka. Är detta ett förebud om vad som kommer att komma när jordens klimat stadigt värms upp?

Elfatih Eltahir, MIT professor i civil- och miljöteknik och H. M. King Bhumibol professor i hydrologi och klimat, och tidigare doktoranden Alexandre Tuel Ph.D. '20 publicerade nyligen ett stycke i Bulletin of the Atomic Scientists beskriver hur deras forskning hjälper till att förklara detta onormala europeiska väder. Fynden baseras delvis på analyser som beskrivs i deras bok "Future Climate of the Mediterranean and Europe", som publicerades tidigare i år. MIT News bad de två författarna att beskriva dynamiken bakom dessa extrema väderhändelser.

Fråga:Förutsågs den europeiska värmeböljan i somras baserat på befintliga klimatmodeller?

Eltahir:Klimatmodeller projicerar allt torrare somrar över Europa. Detta gäller särskilt för andra hälften av 2000-talet och för södra Europa. Extrem torrhet förknippas ofta med varma förhållanden och värmeböljor, eftersom varje minskning av avdunstning värmer upp jorden och luften ovanför den. I allmänhet är modellerna överens om att göra sådana prognoser om europeiska somrar. Men att förstå de fysiska mekanismerna som är ansvariga för dessa projektioner är ett aktivt forskningsområde.

Samma modeller som projicerar torra somrar över södra Europa projicerar även torra vintrar över det närliggande Medelhavet. Faktum är att Medelhavet sticker ut som en av de mest påverkade regionerna - en bokstavlig "hot spot" - för vintertorka som utlöses av klimatförändringar. Återigen, tills nyligen, förstod man inte sambandet mellan prognoserna om sommartorrhet över Europa och torra vintrar över Medelhavet.

I nyligen genomförd doktorandforskning från MIT, utförd vid institutionen för civil- och miljöteknik, utvecklades en hypotes för att förklara varför Medelhavet utmärker sig som en het plats för vintertorka under klimatförändringar. Vidare erbjuder samma teori en mekanistisk förståelse som kopplar samman prognoserna av torra somrar över södra Europa och torra vintrar över Medelhavet.

Det som är spännande med det observerade klimatet över Europa förra sommaren är det faktum att den observerade torkan startade och utvecklades med rumsliga och tidsmässiga mönster som överensstämmer med vår föreslagna teori, och i synnerhet kopplingen till de torra förhållanden som observerades över Medelhavet under de föregående vinter.

F:Vad är det med området runt Medelhavsbassängen som producerar sådana ovanliga väderextremer?

Eltahir:Flera faktorer samverkar för att orsaka extrema värmeböljor som den som Europa har upplevt i sommar, såväl som tidigare, 2003, 2015, 2018, 2019 och 2020. Bland dessa kan dock ömsesidig påverkan mellan atmosfärisk dynamik och ytförhållanden, så kallade land-atmosfärsåterkopplingar, verkar spela en mycket viktig roll.

I det nuvarande klimatet ligger södra Europa i övergångszonen mellan de torra subtroperna (Saharaöknen i Nordafrika) och de relativt våta mellanbreddgraderna (med ett klimat som liknar det i Stilla havets nordvästra). Höga sommartemperaturer tenderar att få nederbörden som faller till marken att avdunsta snabbt, och som en följd av detta är markfuktigheten under sommaren mycket beroende av nederbörden under våren.

En torr vår i Europa (som 2022-åren) orsakar torra jordar på senvåren och försommaren. Denna brist på ytvatten begränsar i sin tur ytavdunstning under sommaren. Två viktiga konsekvenser följer:För det första går inkommande strålningsenergi från solen i första hand till ökande lufttemperatur snarare än att avdunsta vatten; och för det andra minskar inflödet av vatten till luftlager nära ytan, vilket gör luften torrare och nederbörd mindre sannolikt. Tillsammans ökar dessa två influenser sannolikheten för värmeböljor och torka.

Tuel:Genom återkopplingar från land-atmosfär ger torra källor en gynnsam miljö för ihållande varma och torra somrar men räcker naturligtvis inte till för att direkt orsaka värmeböljor. En gnista krävs för att antända bränslet. I Europa och på andra håll tillhandahålls denna gnista av storskalig atmosfärisk dynamik. Om en anticyklon sätter sig över ett område med mycket torr jord kan yttemperaturen snabbt skjuta upp när återkopplingar från land-atmosfären spelar in och utvecklas till en värmebölja som kan pågå i veckor.

Känsligheten för nederbörd på våren gör att södra Europa och Medelhavet är särskilt utsatta för ihållande värmeböljor sommar. Detta kommer att spela en allt viktigare roll i framtiden, eftersom vårnederbörden förväntas minska, vilket gör brännande somrar ännu mer sannolikt i detta hörn av världen. Nedgången i vårnederbörden, som har sitt ursprung som en anomalt torr vinter runt Medelhavet, är mycket robust över klimatprognoser. Sydeuropa och Medelhavet sticker verkligen ut från de flesta andra landområden, där nederbörden i genomsnitt kommer att öka med den globala uppvärmningen.

I vårt arbete visade vi att denna vinternedgång i Medelhavet drevs av två oberoende faktorer:å ena sidan trender i den storskaliga cirkulationen, framför allt stationära atmosfäriska vågor, och å andra sidan minskad uppvärmning av Medelhavet i förhållande till de omgivande kontinenterna – ett välkänt inslag i den globala uppvärmningen. Båda faktorerna leder till ökat ytlufttryck och minskad nederbörd över Medelhavet och södra Europa.

F:Vad kan vi förvänta oss under de kommande decennierna när det gäller frekvensen och svårighetsgraden av dessa typer av torka, översvämningar och andra extremer i europeiskt väder?

Tuel:Klimatmodeller har länge visat att värmeböljornas frekvens och intensitet måste öka när det globala klimatet värms upp, och Europa är inget undantag. Anledningen är enkel:När den globala temperaturen stiger skiftar temperaturfördelningen mot högre värden, och värmeböljor blir intensivare och mer frekventa. Sydeuropa och Medelhavet kommer dock att drabbas särskilt hårt. Anledningen till detta är relaterad till de land-atmosfärsåterkopplingar vi just diskuterade. Vinternederbörden över Medelhavet och vårnederbörden över södra Europa kommer att minska avsevärt, vilket kommer att leda till en minskning av försommarens markfuktighet över södra Europa och kommer att pressa den genomsnittliga sommartemperaturen ännu högre; regionen kommer att bli en verklig hotspot för klimatförändringar.

I den meningen kan 2022 verkligen vara ett smakprov på framtiden. De senaste värmeböljornas följder i Europa tyder dock på att saker och ting kan gå snabbare än vad klimatmodellprognoserna antyder. Decadal variation eller dåligt förstådda trender i storskalig atmosfärisk dynamik kan spela en roll här, även om det fortfarande diskuteras. En annan möjlighet är att klimatmodeller tenderar att underskatta omfattningen av land-atmosfärsåterkopplingar och tona ned inverkan av torra markfuktighetsavvikelser på sommarvädret.

Potentiella trender för översvämningar är svårare att bedöma eftersom översvämningar beror på en mängd faktorer, som extrem nederbörd, markfuktighetsnivåer eller marktäcke. Extrem nederbörd förväntas generellt öka i de flesta regioner, men mycket höga osäkerheter kvarstår, särskilt för att extrem nederbörd är starkt beroende av atmosfärens dynamik om vilka modeller inte alltid överensstämmer.

Vad som är nästan säkert är att med uppvärmningen ökar vattenhalten i atmosfären (i enlighet med en termodynamisk lag som kallas förhållandet Clausius-Clapeyron). Således, om dynamiken är gynnsam för nederbörd, kan mycket mer av den falla i ett varmare klimat. Förra årets översvämningar i Tyskland, till exempel, utlöstes av oöverträffade kraftiga regn som klimatförändringar gjorde mer sannolikt.