Det dödliga tornado-utbrottet som slet genom samhällen från Arkansas till Illinois natten mellan den 10 och 11 december 2021, var så ovanligt i sin varaktighet och styrka, särskilt för december, att många människor inklusive den amerikanske presidenten frågar vilken roll klimatförändringar kan ha spelat — och om tromber kommer att bli vanligare i en värmande värld.

Båda frågorna är lättare att ställa än att svara på, men forskning ger nya ledtrådar.

Jag är en atmosfärisk forskare som studerar svåra konvektiva stormar som tornados och påverkan av klimatförändringar. Här är vad vetenskaplig forskning visar hittills.

Klimatmodeller kan inte se tornados än – men de kan känna igen tornadoförhållanden

För att förstå hur stigande globala temperaturer kommer att påverka klimatet i framtiden använder forskare komplexa datormodeller som kännetecknar hela jordsystemet, från solens energi som strömmar in till hur jorden reagerar och allt däremellan, år till år och årstid till årstid. Dessa modeller löser miljontals ekvationer på global skala. Varje beräkning går ihop och kräver mycket mer datorkraft än vad en stationär dator klarar av.

För att projicera hur jordens klimat kommer att förändras fram till slutet av århundradet måste vi för närvarande använda en bred skala. Tänk på det som zoomfunktionen på en kamera som tittar på ett avlägset berg. Du kan se skogen, men enskilda träd är svårare att urskilja, och en kotte i ett av dessa träd är för liten för att ses även när du spränger bilden. Med klimatmodeller, ju mindre föremål, desto svårare är det att se.

Tornado och de svåra stormar som skapar dem är långt under den typiska skala som klimatmodeller kan förutsäga.

Vad vi istället kan göra är att titta på de storskaliga ingredienserna som gör förhållanden mogna för tornados.

Två nyckelingredienser för svåra stormar är (1) energi som drivs av varm, fuktig luft som främjar starka uppströmmar och (2) ändrad vindhastighet och vindriktning, känd som vindskjuvning, vilket gör att stormar blir starkare och håller längre. En tredje ingrediens, som är svårare att identifiera, är en utlösande faktor för att få stormar att bildas, som en riktigt varm dag, eller kanske en kallfront. Utan denna ingrediens leder inte alla gynnsamma miljöer till svåra stormar eller tornados, men de två första förhållandena gör fortfarande svåra stormar mer sannolika.

Genom att använda dessa ingredienser för att karakterisera sannolikheten för att svåra stormar och tornados bildas, kan klimatmodeller berätta något om den förändrade risken.

Hur stormförhållandena sannolikt kommer att förändras

Klimatmodellprognoser för USA tyder på att den totala sannolikheten för gynnsamma ingredienser för svåra stormar kommer att öka i slutet av 2000-talet. Den främsta anledningen är att uppvärmning av temperaturer tillsammans med ökande fukt i atmosfären ökar risken för kraftiga uppströmmar.

Stigande globala temperaturer driver på betydande förändringar för årstider som vi traditionellt sett sällan producerar hårt väder. Starkare ökningar av varm fuktig luft under hösten, vintern och tidigt på våren innebär att det kommer att finnas fler dagar med gynnsamma miljöer för kraftigt åskväder - och när dessa stormar inträffar har de potential för större intensitet.

Vad studier visar om frekvens och intensitet

Över mindre områden kan vi simulera åskväder i dessa framtida klimat, vilket kommer oss närmare att svara på om det kommer att bildas kraftiga stormar. Flera studier har modellerat förändringar av frekvensen av intensiva stormar för att bättre förstå denna förändring i miljön.

Vi ser redan under de senaste decennierna bevis på förändringar mot förhållanden som är mer gynnsamma för svåra stormar under de kallare årstiderna, medan sannolikheten för att stormar bildas minskar sommartid.

För tornados blir det svårare. Även i en annars spot-on prognos för nästa dag finns det ingen garanti för att en tromb kommer att bildas. Endast en liten bråkdel av de stormar som produceras i en gynnsam miljö kommer att producera en tornado överhuvudtaget.

Flera simuleringar har utforskat vad som skulle hända om ett tornado-utbrott eller en tornadoproducerande storm inträffade vid olika nivåer av global uppvärmning. Prognoser tyder på att starkare, tornadoproducerande stormar kan vara mer sannolikt när de globala temperaturerna stiger, även om de förstärks mindre än vi kan förvänta oss från ökningen av tillgänglig energi.

Inverkan av 1 grads uppvärmning

Mycket av det vi vet om hur ett uppvärmande klimat påverkar svåra stormar och tornados är regionalt, främst i USA. Inte alla regioner runt om i världen kommer att se förändringar i miljöer med svår storm i samma takt.

I en färsk studie fann jag och kollegor att ökningstakten i miljöer med svåra stormar kommer att vara större på norra halvklotet, och att den ökar mer på högre breddgrader. I USA tyder vår forskning på att för varje 1 grad Celsius (1,8 F) som temperaturen stiger, är en 14–25 % ökning av gynnsamma miljöer sannolikt under våren, hösten och vintern, med den största ökningen på vintern. Detta drivs främst av den ökande energin som är tillgänglig på grund av högre temperaturer. Tänk på att det handlar om gynnsamma miljöer, inte nödvändigtvis tornados.

Vad säger detta om decembers tornados?

För att svara på om klimatförändringarna påverkade sannolikheten eller intensiteten av tornados i december 2021-utbrottet, är det fortfarande svårt att tillskriva klimatförändringar någon enskild händelse som denna. Kortsiktiga influenser som El Niño-södra oscillationen kan också komplicera bilden.

Det finns säkert signaler som pekar i riktning mot en stormigare framtid, men hur detta manifesterar sig för tornados är ett öppet forskningsområde.