Från februari till maj 2022 har många platser i Queensland, New South Wales och västra Australien sett rekordstora dagliga och månatliga nederbörd. Upprepade perioder av ihållande och intensivt regn har orsakat förödande och omfattande översvämningar.

Bara i Queensland och New South Wales orsakade översvämningarna och stormarna uppskattningsvis 3,35 miljarder AUD i försäkringsförluster, vilket gör dessa till de dyraste översvämningarna i Australiens historia och den femte mest kostsamma naturkatastrofen. Mer än 20 personer miste livet.

Liknande händelser har inträffat runt södra halvklotet. Brasilien drabbades av kraftigt regn, översvämningar och jordskred i februari och mars, vilket dödade mer än 200 människor. I april och maj var det Sydafrikas tur, då skyfall förstörde hem och infrastruktur, vilket resulterade i cirka 400 dödsfall och 1,5 miljarder USD i egendomsskador.

Bakom de flesta av dessa intensiva regnhändelser ligger en speciell kombination av väderförhållanden:en "cut-off low" över kusten, fäst på plats av en "blocking high" ut mot havet. Denna konfiguration i sig är inte ovanlig, men årets upprepade händelser och deras stora inverkan har varit ovanliga.

Vad orsakade den extrema nederbörden i år?

Utanför tropikerna drivs vädret främst av vad som kallas "Rossby-vågor" eller "planetära vågor". Dessa är vickningar i jetströmmen, som är ett band av starka vindar i den övre atmosfären som går runt jordklotet.

När vindar förskjuts mot norr eller söder av berg eller vädersystem kan de trycka en del av jetströmmen ur sitt normala läge. Denna vågformning i jetströmmen är en Rossby-våg.

Rossbyvågor rör sig då vanligtvis österut, styrda av jetströmmen. Under rätt förhållanden kan vågorna förstärkas och bryta, precis som havsvågor vid stranden.

När detta händer kan den brytande vågen bilda ett område med högtrycksluft på marknivå, som kan stanna på ett ställe under en tid. Denna högtrycksregion kan i sin tur få andra vädersystem (såsom lågtryckssystem som bär regn) att stanna på en plats.

Stannade vädersystem som står kvar länge kan leda till långvariga skyfall, men också till långa värmeböljor.

Under översvämningen på Australiens östkust bildade en förstärkande Rossby-våg ett högtryckssystem över Tasmanhavet, samt en lågtrycksregion i den övre atmosfären känd som en "cut-off low."

Denna uppställning gav de två ingredienserna som krävdes för regn:en tillförsel av fukt, i form av östliga vindar runt den högt transporterande fuktiga luften från havet till landet; och en mekanism för att lyfta upp den fukten, tillhandahållen av närvaron av cut-off låg. När lågnivån rörde sig mellan södra Queensland och norra New South Wales, gjorde regnet det också.

Samma fingeravtryck sågs även under översvämningarna i Sydafrika och Brasilien. För översvämningshändelserna i sydvästra västra Australien förstärktes det fuktiga landflödet av ett lågt mellan kusten och det höga i väster över Indiska oceanen.

Vad betyder klimatförändringarna för dessa händelser?

En av de svåraste utmaningarna för atmosfärsforskare är att förstå hur den globala uppvärmningen kommer att förändra vädret på regional skala.

Väderprognoser är ett avgörande verktyg för att mildra effekterna av extremt väder, och ger förutsägelser om sådana händelser upp till en vecka i förväg. Exakta prognoser är avgörande för att ge kritisk tid för insatsmobilisering, såsom varningar, evakueringar och utplacering av räddningstjänst.

För närvarande befinner sig El Niño–södra oscillationen, ett mått på havsytans temperaturer i Stilla havet, i La Niña-fasen för andra året i rad. La Niña förknippas med regnigare förhållanden än normalt över nordöstra Australien, sydöstra Afrika och norra Brasilien.

Dessutom kommer den globala uppvärmningen sannolikt att leda till mer intensiv nederbörd eftersom varmare luft kan hålla mer fukt. Men vi har fortfarande mycket att lära oss om var regnet sannolikt kommer att falla och hur frekvent och intensiv nederbörden sannolikt kommer att komma.

För att förstå hur extremt väder som årets översvämningar på södra halvklotet kommer att förändras när klimatet värms upp, måste vi förstå de underliggande fysiska processerna som är ansvariga för deras utveckling.

I dagsläget visar olika klimatmodeller olika saker om vad klimatförändringarna betyder för Rossbyvågor och vågbrott. Modellerna har ännu inte tillräckligt hög upplösning för att explicit inkludera några av de detaljerade fysiska processerna relaterade till nederbörd, jetströmmar och Rossby-vågor.

Även om modellerna är överens om att klimatförändringarna kommer att förändra jetströmsvindarnas position och hastighet, är de oense om vad som kommer att hända med Rossby-vågorna. Investeringar i den forskning som krävs för att besvara dessa frågor är därför absolut nödvändig.