bennphoto / Shutterstock
De opwarming van de aarde door verhoogde concentraties broeikasgassen heeft nu al invloed op ons leven. Verzengende zomers, hevigere hittegolven, langere droogteperiodes, langduriger overstromingen en meer bosbranden zijn gevolgen die verband houden met deze opwarming.
Een minder voor de hand liggend gevolg van de opwarming van de aarde krijgt ook steeds meer aandacht van wetenschappers: een mogelijke toename in de intensiteit en frequentie van koude periodes in de winter op het noordelijk halfrond.
Weersverschijnselen zoals het Beest uit het Oosten in de winter van 2018, de koudegolf van Arctische lucht die in februari 2021 tot Texas in het zuiden reikte, of de storm die Madrid en Athene begin 2021 dagenlang ongewoon bedekt met sneeuw achterliet, komen steeds vaker voor.
Sommige van de mechanismen die leiden tot hun optreden worden versterkt door de opwarming van de aarde. Belangrijke klimaatmechanismen, zoals de uitwisseling van energie en luchtmassa’s tussen verschillende hoogten in de atmosfeer, ontwikkelen zich op manieren die naar verwachting zullen leiden tot een toename van zowel de intensiteit als de duur van koudegolven. Deze houden verband met het gedrag van een gebied in de hoge atmosfeer dat de stratosfeer wordt genoemd.
Winterkoudegolven hebben grote maatschappelijke gevolgen, van directe effecten op de gezondheid en verlies van levens, tot effecten op transport en infrastructuur, pieken in de vraag naar energie en schade aan landbouwbronnen.
De Akropolis in Athene bedekt met sneeuw in 2021.
Savvas Karmaniolas / Shutterstock
Deze winter hebben we deze effecten gezien in grote delen van Europa en de VS, met geannuleerde vluchten, sluitingen van vliegvelden, files op de weg en automobilisten die vastzitten in extreme kou. Er was ook een sterke stijging van de vraag naar energie voor verwarming binnenshuis, een toename van het aantal ziekenhuisopnames door koude en de activering van diensten die nodig zijn om de meest kwetsbaren te helpen.
We moeten prognose-instrumenten ontwikkelen die deze gebeurtenissen verder van tevoren kunnen voorspellen.
Polaire wervelwind
Sommige van deze koude periodes zijn gekoppeld aan verstoringen in een seizoensgebonden atmosferisch fenomeen dat de stratosferische polaire vortex (SPV) wordt genoemd.
Op het noordelijk halfrond bestaat deze draaikolk uit massa’s koude lucht gecentreerd boven de noordpool, omgeven door een straal van zeer sterke westenwinden tussen 15-50 km boven de grond. Deze draaiende winden werken als een muur en houden koude lucht beperkt tot het noordpoolgebied, waardoor het niet naar lagere breedtegraden kan reizen.
Iets dat de draaikolk kan verstoren is een plotselinge stratosferische opwarming (SSW), wanneer de stratosfeer een abrupte temperatuurstijging ondervindt doordat energie en momentum worden overgedragen van lagere naar hogere hoogten.
Wanneer een grote SSW optreedt, kan de muur van sterke winden rond de polaire stratosfeer breken, waardoor koude lucht aan de polaire vortex kan ontsnappen en naar lagere atmosferische hoogten en lagere breedtegraden kan reizen. Wanneer die lucht het aardoppervlak nadert, kunnen er grote koudegolven ontstaan.
Zelfs als SSW’s niet sterk genoeg zijn om de vortex te doorbreken, kunnen ze hem wel verzwakken. Dit kan ervoor zorgen dat polaire luchtcirculatiepatronen verder naar het zuiden meanderen, naar lagere breedtegraden, en bevolkte gebieden van Noord-Amerika en Eurazië bereiken, in plaats van dichter bij de noordpool te blijven. Die gebieden kunnen dan temperaturen ervaren die tientallen graden lager liggen dan hun wintergemiddelde.
Door de klimaatverandering verandert de energieoverdracht van de onderste lagen van de aardatmosfeer naar de hogere stratosferische laag en lijkt de polaire vortex meer verstoord te raken. Een studie heeft aangetoond dat de kracht en de duur van SSW’s in de stratosfeer de afgelopen 40 jaar zijn toegenomen. Deze toename zal naar verwachting ook resulteren in sterkere koudegolven aan het oppervlak.
De polaire vortex is een cruciale component in koude periodes op het noordelijk halfrond.
NASA
Voorspellingsuitdaging
Het nauwkeurig voorspellen van deze koude periodes is cruciaal om de samenleving te helpen zich er goed op voor te bereiden. Het ontwikkelen van computergebaseerde voorspellingsinstrumenten die realistische interacties reproduceren tussen de lagere niveaus van de troposfeer en de stratosferische regio is een essentiële stap naar dit doel.
Om het gedrag van de stratosfeer en de interactie met de troposfeer correct te simuleren, moeten voorspellingsinstrumenten realistische beschrijvingen bevatten van de overvloed en distributie van stratosferisch ozon. Ozon beïnvloedt de interactie van luchtmassa’s buiten en binnen de vortex, en dus ook het transport van koudere lucht van hogere naar lagere hoogten.
Het opnemen van alle chemische processen waarbij ozon betrokken is, met de resolutie die nodig is om deze weersverschijnselen te voorspellen, is echter onbetaalbaar wat betreft de benodigde rekenkracht. Dit geldt nog meer als we gebeurtenissen één seizoen vooruit willen voorspellen.
Mijn onderzoek kijkt naar manieren om de voorspellingsmodellen te verbeteren, zodat ze het soort stratosferisch gedrag dat tot deze koude periodes leidt beter kunnen vastleggen. Om dit te doen heb ik alternatieven ontwikkeld die op een realistische manier processen in de stratosfeer kunnen simuleren, inclusief aspecten van ozonchemie, met gebruik van minder rekenkracht.
In een onderzoek dat ik heb geleid, hebben we deze alternatieven gebruikt om interacties tussen de ozonlaag, temperatuur en zonnestraling te simuleren in het wereldwijde computermodel dat wordt gebruikt om enkele van de beste weersvoorspellingen ter wereld te maken.
De experimenten die we deden met dit model toonden aan dat het opnemen van deze realistische alternatieve voorstelling van stratosferisch ozon leidde tot verbeteringen in simulaties van de temperatuurverdeling in de stratosfeer. Dit betekent dat het kan helpen om nuttige informatie te verschaffen over de oorzaken van koudegolven zoals SSW’s.
Het ontwikkelen en gebruiken van deze alternatieven in klimaatmodellering is een belangrijke mijlpaal op weg naar wat we seamless prediction noemen: het gebruik van dezelfde computermodelleertools om zowel weer als klimaat te voorspellen. Hierdoor kunnen causale verbanden tussen klimaatverandering en extreme weersomstandigheden nauwkeuriger worden vastgesteld.
Velen vragen zich misschien af of deze extreme kou de opwarming van de aarde tegengaat. Helaas niet. Terwijl deze winter op het noordelijk halfrond dagen met extreem koude temperaturen en zware sneeuwval heeft gebracht, heeft de huidige zomer op het zuidelijk halfrond enkele van de warmste dagen ooit gezien voor bevolkte gebieden van Australië, met temperaturen van rond de 50ºC.
De opwarming van de aarde maakt extreem weer extremer en wetenschappelijke studies beginnen bewijs te leveren dat dit ook geldt voor extreme koudeperioden in de winter. Het ontwikkelen van de best mogelijke modelleringsinstrumenten is essentieel om de evolutie van extreme weersomstandigheden in de komende jaren te voorspellen, zodat we er beter op voorbereid zijn.
Beatriz Monge-Sanz werkt niet voor, voert geen advies uit over, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten haar academische aanstelling.
