Op 11 december 2014, een goederentrein van een storm stoomde door een groot deel van Californië, de San Francisco Bay Area overspoelen met vijf centimeter regen in slechts een uur. De storm werd aangewakkerd door wat meteorologen de "Pineapple Express" noemen - een atmosferische rivier van vocht die over de tropische wateren van de Stille Oceaan wordt opgezweept en met de jetstream naar het noorden wordt meegesleurd.

Tegen de avond, recordregens hadden modderstromen veroorzaakt, overstromingen, en stroomuitval in het hele land. De storm, die Californië's "storm van het decennium" wordt genoemd, " is een van de meest extreme neerslaggebeurtenissen van de staat in de recente geschiedenis.

Nu hebben MIT-wetenschappers ontdekt dat dergelijke extreme neerslaggebeurtenissen in Californië vaker zouden moeten voorkomen naarmate het klimaat op aarde deze eeuw opwarmt. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek die de frequentie van lokale, extreme regenval door het identificeren van veelbetekenende grootschalige patronen in atmosferische gegevens. Voor Californië, dat hebben ze berekend, als de gemiddelde temperatuur in de wereld tegen het jaar 2100 met 4 graden Celsius stijgt, de staat zal drie extremere neerslaggebeurtenissen ervaren dan het huidige gemiddelde, per jaar.

De onderzoekers, die hun resultaten hebben gepubliceerd in de Tijdschrift voor Klimaat , zeggen dat hun techniek de onzekerheid van extreme stormvoorspellingen die door standaard klimaatmodellen worden gemaakt, aanzienlijk vermindert.

"Een van de worstelingen is, grove klimaatmodellen produceren een breed scala aan resultaten. [Regenval] kan toenemen of afnemen, " zegt Adam Schlosser, senior onderzoeker in het Joint Program on the Science and Policy of Global Change van MIT. "Wat onze methode je vertelt is, voor Californië, we hebben er alle vertrouwen in dat [zware neerslag] tegen het einde van de eeuw zal toenemen."

Het onderzoek werd geleid door Xiang Gao, een onderzoekswetenschapper in het Joint Programme on the Science and Policy of Global Change. De co-auteurs van het artikel zijn onder meer Paul O'Gorman, universitair hoofddocent aarde, atmosferisch, en planetaire wetenschappen; Erwan Monier, hoofdonderzoeker in het gezamenlijke programma; en Dara Entekhabi, de Bacardi Stockholm Water Foundations hoogleraar civiele en milieutechniek.

Grootschalige verbinding

Momenteel, onderzoekers schatten de frequentie van lokale zware neerslaggebeurtenissen voornamelijk door gebruik te maken van neerslaginformatie die is gesimuleerd uit wereldwijde klimaatmodellen. Maar dergelijke modellen voeren doorgaans complexe berekeningen uit om klimaatprocessen over honderden en zelfs duizenden kilometers te simuleren. Bij zo'n grove resolutie, het is buitengewoon moeilijk voor dergelijke modellen om kleinschalige kenmerken zoals vochtconvectie en topografie adequaat weer te geven, die essentieel zijn voor het maken van nauwkeurige voorspellingen van neerslag.

Om een ​​beter beeld te krijgen van hoe toekomstige neerslaggebeurtenissen van regio tot regio kunnen veranderen, Gao besloot zich te concentreren op niet gesimuleerde neerslag maar grootschalige atmosferische patronen, die klimaatmodellen veel betrouwbaarder kunnen simuleren.

"We hebben ontdekt dat er een verband is tussen wat klimaatmodellen echt goed doen, dat is om grootschalige bewegingen van de atmosfeer te simuleren, en lokaal, zware neerslaggebeurtenissen, "zegt Schlosser. "We kunnen deze associatie gebruiken om te bepalen hoe vaak deze gebeurtenissen nu plaatsvinden, en hoe ze lokaal zullen veranderen, zoals in New England, of de westkust."

Weer snapshots

Hoewel de definities variëren voor wat wordt beschouwd als een extreme neerslaggebeurtenis, in dit geval definieerden de onderzoekers een dergelijke gebeurtenis als binnen de top 5 procent van de neerslaghoeveelheden van een regio in een bepaald seizoen, over een periode van bijna drie decennia. Ze richtten hun analyse op twee gebieden:Californië en het Midwesten, regio's waar in de winter en zomer over het algemeen relatief veel neerslag valt, respectievelijk.

Voor beide regio's is het team analyseerde grootschalige atmosferische kenmerken zoals windstromingen en vochtgehalte, van 1979 tot 2005, en merkten elke dag hun patronen op dat er extreme neerslag plaatsvond. Met behulp van statistische analyse, de onderzoekers identificeerden veelbetekenende patronen in de atmosferische gegevens die werden geassocieerd met zware stormen.

"We nemen in wezen snapshots van alle relevante weersinformatie, en we vinden een gemeenschappelijk beeld, die wordt gebruikt als onze rode vlag, " legt Schlosser uit. "Als we historische simulaties onderzoeken van een reeks ultramoderne klimaatmodellen, we pinnen elke keer dat we dat patroon zien."

Door gebruik te maken van de nieuwe regeling, het team was in staat om collectief de frequentie van extreme gebeurtenissen te reproduceren die werden waargenomen over een periode van 27 jaar. Belangrijker, de resultaten zijn veel nauwkeuriger dan die op basis van gesimuleerde neerslag uit dezelfde klimaatmodellen.

"Geen van de modellen komt zelfs maar in de buurt van de waarnemingen, " zegt Gao. "En ongeacht de combinatie van atmosferische variabelen die we gebruikten, de nieuwe regelingen waren veel dichter bij waarnemingen."

"Handvatbare informatie"

Gesterkt door hun resultaten, het team paste hun techniek toe op grootschalige atmosferische patronen van klimaatmodellen om te voorspellen hoe de frequentie van zware stormen in de komende eeuw kan veranderen in een opwarmend klimaat in Californië en het Midwesten. Ze analyseerden elke regio onder twee klimaatscenario's:een "business as usual"-case, waarin de wereld naar verwachting in 2100 met 4 graden Celsius zal opwarmen, en een beleidsgestuurde casus, waarin wereldwijd milieubeleid dat broeikasgassen reguleert de temperatuurstijging tot 2 graden Celsius moet houden.

Voor elk scenario is het team markeerde die gemodelleerde grootschalige atmosferische patronen waarvan ze hadden vastgesteld dat ze geassocieerd waren met zware stormen. In het middenwesten, jaarlijkse gevallen van extreme zomerneerslag namen licht af onder beide opwarmingsscenario's, hoewel de onderzoekers zeggen dat de resultaten niet zonder onzekerheid zijn.

Voor Californië, het beeld is veel duidelijker:in het meer intense scenario van de opwarming van de aarde, de staat zal nog drie extreme neerslaggebeurtenissen per jaar ervaren, in de orde van de storm van december 2014. In het beleidsgestuurde scenario Schlosser zegt:"die trend is gehalveerd."

Het team past nu zijn techniek toe om veranderingen in hittegolven door een wereldwijd opwarmend klimaat te voorspellen. De onderzoekers zoeken naar patronen in atmosferische gegevens die correleren met hittegolven uit het verleden. Als ze de frequentie van hittegolven in de toekomst betrouwbaarder kunnen voorspellen, Schlosser zegt dat dat zeer nuttig kan zijn voor het langetermijnonderhoud van elektriciteitsnetten en transformatoren.

"Dat is bruikbare informatie, ' zegt Schlosser.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.