Global uppvärmning orsakad av ökade koncentrationer av växthusgaser påverkar redan våra liv. Brännande somrar, mer intensiva värmeböljor, längre torkaperioder, mer utdragna översvämningar och vildare skogsbränder är konsekvenser kopplade till denna uppvärmning.
En mindre uppenbar konsekvens av den globala uppvärmningen är också att få växande uppmärksamhet från forskare:en potentiell ökning av intensiteten och frekvensen av vinterkylning på norra halvklotet.
Väderfenomen som Odjuret från öster vintern 2018, kylan av arktisk luft som nådde så långt söderut som Texas i februari 2021, eller stormen som lämnade Madrid och Aten ovanligt täckta av snö i flera dagar i början av 2021, blir allt vanligare. .
Vissa av de mekanismer som leder till att de uppstår stärks av den globala uppvärmningen. Viktiga klimatmekanismer, som utbyte av energi och luftmassor mellan olika höjdområden i atmosfären, utvecklas på sätt som förväntas orsaka en ökning av både intensiteten och varaktigheten av köldknäpparna. Dessa länkar till beteendet i en region i den höga atmosfären som kallas stratosfären.
Vinterförkylning har stora samhälleliga effekter, från direkta effekter på hälsa och förlust av människoliv, till effekter på transporter och infrastruktur, ökad energiefterfrågan och skador på jordbruksresurser.
Den här vintern har vi sett dessa effekter över stora delar av Europa och USA, med inställda flyg, stängda flygplatser, vägköer och förare instängda i extrem kyla. Det har också skett en kraftig ökning av energibehovet för att klara inomhusuppvärmning, en ökning av kylrelaterade sjukhusinläggningar och aktivering av tjänster som behövs för att hjälpa de mest utsatta.
Vi behöver utveckla prognosverktyg som kan förutsäga dessa händelser längre i förväg.
Några av dessa köldknäppar är kopplade till störningar i ett säsongsbetonat atmosfäriskt fenomen som kallas stratosfärisk polarvirvel (SPV).
På norra halvklotet består denna virvel av massor av kall luft centrerad över nordpolen, omgiven av en stråle av mycket starka västliga vindar mellan 15-50 km över marken. Dessa snurrande vindar fungerar som en vägg och håller kall luft begränsad till den arktiska regionen, vilket hindrar den från att resa till lägre breddgrader.
Något som kan störa virveln är en plötslig stratosfärisk uppvärmning (SSW), när stratosfären upplever en abrupt temperaturökning på grund av att energi och momentum överförs från lägre till högre höjder.
När en stor SSW inträffar kan väggen av starka vindar runt den polära stratosfären bryta, vilket gör att kall luft kan fly från polarvirveln och resa ner till lägre atmosfäriska höjder och lägre breddgrader. När den luften närmar sig jordens yta kan betydande köldperioder inträffa.
Även när SSW inte är tillräckligt starka för att bryta virveln kan de försvaga den. Detta kan få polära luftcirkulationsmönster att slingra sig längre söderut till lägre breddgrader och nå befolkade områden i Nordamerika och Eurasien, istället för att stanna närmare nordpolen. Dessa områden kan då uppleva temperaturer som är tiotals grader lägre än deras vintergenomsnitt.
Under klimatförändringarna förändras överföringen av energi från de lägsta lagren av jordens atmosfär till det högre stratosfäriska lagret och verkar störa polarvirveln i högre grad. En studie har visat att styrkan och varaktigheten av SSWs i stratosfären har ökat under de senaste 40 åren. Denna ökning förväntas också resultera i starkare vinterkylning på ytnivåer.
Att korrekt förutse dessa köldknäppar är avgörande för att hjälpa samhället att förbereda sig på lämpligt sätt för dem. Att utveckla datorbaserade prognosverktyg som återger realistiska interaktioner mellan de lägre nivåerna av troposfären och stratosfärområdet är ett viktigt steg mot detta mål.
För att korrekt simulera stratosfärens beteende och hur den interagerar med troposfären måste prognosverktyg inkludera realistiska beskrivningar av förekomsten och distributionen av stratosfäriskt ozon. Ozon påverkar samspelet mellan luftmassor utanför och inuti virveln, och därför även transporten av kallare luft från högre till lägre höjder.
Men att inkludera alla kemiska processer som ozon är involverat i, med den upplösning som behövs för att förutsäga dessa väderhändelser, är oöverkomligt när det gäller den datorkraft som behövs. Detta är ännu mer sant om vi vill förutsäga händelser en säsong framåt.
Min forskning tittar på sätt att förbättra prognosmodeller för att bättre fånga den typ av stratosfäriskt beteende som leder till dessa köldperioder. För att göra detta har jag utvecklat alternativ som realistiskt kan simulera processer i stratosfären, inklusive aspekter av ozonkemi, med mindre datorkraft.
I en studie jag ledde använde vi dessa alternativ för att simulera interaktioner mellan ozonlagret, temperatur och solstrålning i den globala datormodell som används för att ta fram några av de bästa väderprognoserna i världen.
Experimenten vi gjorde med denna modell visade att inkludering av denna realistiska alternativa representation av stratosfäriskt ozon ledde till förbättringar i simuleringar av temperaturfördelning i stratosfären. Detta betyder att det kan hjälpa till att ge användbar information om utlösare av förkylningsperioder som SSW.
Att utveckla och använda dessa alternativ i klimatmodellering är en viktig milstolpe mot vad vi kallar sömlös förutsägelse:att använda samma datormodelleringsverktyg för att förutsäga både väder och klimat. Detta möjliggör en mer exakt fastställande av orsakssamband mellan klimatförändringar och extrema väderhändelser.
En fråga som många kanske undrar är om denna extrema kyla skulle kunna motverka den globala uppvärmningen. Tyvärr inte. Även om den här vintern har fört med sig dagar med extremt kalla temperaturer och kraftigt snöfall på norra halvklotet, har den nuvarande sommaren på södra halvklotet sett några av de varmaste dagarna någonsin för befolkade områden i Australien, med temperaturer på runt 50ºC.
Den globala uppvärmningen gör extremväder mer extrema och vetenskapliga studier börjar ge bevis för att detta även gäller extrema vinterkyla perioder. Att utveckla de bästa möjliga modelleringsverktygen är avgörande för att förutsäga utvecklingen av extrema väderhändelser under de kommande åren så att vi kan vara bättre förberedda på dem.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
