Atmosferische onderzoekers van het Alfred Wegener Instituut, Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) heeft een klimaatmodel ontwikkeld dat het vaak waargenomen kronkelende verloop van de jetstream nauwkeurig kan weergeven, een grote luchtstroom over het noordelijk halfrond. De doorbraak kwam toen de wetenschappers hun wereldwijde klimaatmodel combineerden met een nieuw machine learning-algoritme voor ozonchemie. Met behulp van het gecombineerde model, ze tonen aan dat het golfachtige verloop van de jetstream in de winter en de daaropvolgende extreme weersomstandigheden zoals uitbraken van koude lucht in Centraal-Europa en Noord-Amerika het directe gevolg zijn van klimaatverandering. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 28 mei 2019.

Voor jaren, klimaatonderzoekers over de hele wereld hebben de vraag onderzocht of de kronkelende koers van de jetstream over het noordelijk halfrond - die de afgelopen jaren steeds vaker is waargenomen - een product is van klimaatverandering, of een willekeurig fenomeen dat terug te voeren is op natuurlijke variaties in het klimaatsysteem. De term "straalstroom" verwijst naar een krachtige band van westenwinden over de middelste breedtegraden, die grote weersystemen van west naar oost duwen. Deze winden zwiepen rond de planeet op een hoogte van ongeveer 10 kilometer, worden gedreven door temperatuurverschillen tussen de tropen en het noordpoolgebied, en in het verleden, bereikten vaak topsnelheden tot 500 kilometer per uur.

Maar deze dagen, zoals waarnemingen bevestigen, de wind hapert steeds meer. Ze blazen minder vaak langs een rechte koers evenwijdig aan de evenaar; in plaats daarvan, ze vegen over het noordelijk halfrond in enorme golven. Beurtelings, tijdens de winter, deze golven produceren ongebruikelijke binnendringen van koude lucht van het noordpoolgebied naar de middelste breedtegraden, zoals de extreme kou die eind januari 2019 het middenwesten van de VS trof. In de zomer, een verzwakte straalstroom leidt tot langdurige hittegolven en droge omstandigheden, zoals die ervaren in Europa in b.v. 2003, 2006, 2015 en 2018.

Door machine learning kan het klimaatmodel de rol van ozon begrijpen

Deze fundamentele verbanden zijn al enige tijd bekend. Hoe dan ook, onderzoekers waren er niet in geslaagd om de wankele koers van de jetstream realistisch weer te geven in klimaatmodellen of om een ​​verband aan te tonen tussen de haperende wind en de wereldwijde klimaatverandering. Atmosferische onderzoekers van de AWI in Potsdam zijn die hindernis nu gepasseerd door hun wereldwijde klimaatmodel aan te vullen met een innovatieve component voor ozonchemie. "We hebben een machine learning-algoritme ontwikkeld waarmee we de ozonlaag kunnen weergeven als een interactief element in het model, en daarbij, om de interacties van de stratosfeer en de ozonlaag weer te geven, ", zegt eerste auteur en AWI-atmosfeeronderzoeker Erik Romanowsky. "Met het nieuwe modelsysteem kunnen we de waargenomen veranderingen in de jetstream nu realistisch reproduceren."

Volgens de bevindingen van het team, zee-ijsterugtrekking en de daarmee gepaard gaande verhoogde activiteit van atmosferische golven creëren een significante, door ozon versterkte opwarming van de polaire stratosfeer. Aangezien de lage polaire temperaturen de motor van de jetstream vormen, de stijgende temperaturen in de stratosfeer zorgen ervoor dat het hapert. Beurtelings, deze verzwakking van de straalstroom verspreidt zich nu naar beneden vanuit de stratosfeer, weersextremen produceren.

De verzwakte straalstroom is te wijten aan klimaatverandering

In aanvulling, met het nieuwe model kunnen de onderzoekers ook de oorzaken van de meanderende jetstream nader analyseren. "Onze studie laat zien dat de veranderingen in de straalstroom op zijn minst gedeeltelijk te wijten zijn aan het verlies van Arctisch zee-ijs. Als de ijsbedekking blijft afnemen, we geloven dat zowel de frequentie als de intensiteit van de extreme weersomstandigheden die eerder op de middelste breedtegraden werden waargenomen, zullen toenemen, " zegt prof Markus Rex, Hoofd Atmosferisch Onderzoek bij de AWI. "In aanvulling, onze bevindingen bevestigen dat de vaker voorkomende koude fasen in de winter in de VS, Europa en Azië zijn geenszins in tegenspraak met de opwarming van de aarde; liever, ze maken deel uit van antropogene klimaatverandering."

De inspanningen van het team vertegenwoordigen ook een aanzienlijke technologische vooruitgang:"Na het succesvolle gebruik van machine learning in deze studie, we gebruiken nu voor het eerst kunstmatige intelligentie in klimaatmodellering, helpen ons te komen tot meer realistische klimaatmodelsystemen. Dit biedt een enorm potentieel voor toekomstige klimaatmodellen, die naar onze mening betrouwbaardere klimaatprognoses zullen opleveren en daarmee een stevigere basis voor politieke besluitvorming, ' zegt Markus Rex.

Tijdens de Arctische expeditie MOSAiC, die in september van start gaat en waarin de Duitse onderzoeksijsbreker Polarstern een jaar lang samen met het zee-ijs door het centrale noordpoolgebied zal drijven, de onderzoekers zijn van plan om de nieuwste ijs- en atmosferische gegevens te verzamelen. Dit zal hen helpen het nieuwe klimaatmodel toe te passen op de toekomst, om de toekomstige ontwikkeling van het Arctische klimaat en het zee-ijs te simuleren. Zoals Markus Rex uitlegt, "Ons doel is om in detail te begrijpen hoe de terugtrekking van het zee-ijs in het Noordpoolgebied zal verlopen - want alleen dan zullen we kunnen inschatten hoe en op welke schaal de veranderingen in het Noordpoolgebied zullen leiden tot extreme weersomstandigheden op de middelste breedtegraden."