ETH-klimaatonderzoeker Daniela Domeisen heeft gedocumenteerd hoe de stratosfeer extreme weersomstandigheden beïnvloedt. Wat haar verbaasde was het enorme scala aan mogelijke effecten. Ze legt uit wat dit betekent voor klimaatonderzoek en lange termijn weersvoorspellingen.

ETH-nieuws:in je nieuwe studie, je hebt veel voorbeelden verzameld van extreme weersomstandigheden die verband houden met wat er in de stratosfeer gebeurt. Maar ons is altijd verteld dat zulke extreme gebeurtenissen te wijten zijn aan de opwarming van de aarde. Is dat niet meer het geval?

Daniela Domeisen:Nee, dat is nog steeds waar. Wetenschappers weten al lang dat de stratosfeer - de atmosferische laag tussen 15 en 50 kilometer boven het aardoppervlak - ook het oppervlakteweer beïnvloedt. Maar heel weinig mensen hebben onderzocht hoe de stratosfeer ook extreme gebeurtenissen kan veroorzaken en beïnvloeden. Dat laten we zien in ons onderzoek.

Wat zijn enkele voorbeelden van extreme gebeurtenissen die verband houden met de stratosfeer?

Extreme koudegolven op het noordelijk halfrond zijn het meest grondig onderzocht van de besproken weersextremen. Deze kunnen optreden wanneer de polaire vortex in de stratosfeer plotseling opwarmt en instort - zoals nu gebeurt. Een ander voorbeeld is de reeks zware stormen die Engeland in februari 2020 trof, tot zware overstromingen leiden. Opvallend was dat de stormen allemaal hetzelfde pad volgden. Dit had een direct verband met wat er op dat moment in de stratosfeer gebeurde:in februari, de polaire vortex was ongewoon sterk, waardoor het het pad van de stormen kon stabiliseren. Typisch, stormen veranderen vaak van pad, maar in dit geval ze bleven hetzelfde pad volgen. We hebben ook bewijs gevonden dat de stratosfeer een rol speelt in andere uitersten, bijvoorbeeld de extreme bosbranden in Australië en mini-orkanen in de Noordelijke IJszee.

Heeft het grote aantal van dergelijke extreme gebeurtenissen u verrast?

Ja. Dit is wat het onderzoek aan het licht brengt. In de loop van ons onderzoek, we vonden steeds meer aanwijzingen voor verbanden tussen deze grillige weersomstandigheden en de stratosfeer.

Waarom zijn het bijna altijd gebieden van het noordelijk halfrond die worden getroffen? Komen dergelijke gebeurtenissen gewoon minder vaak voor op het zuidelijk halfrond?

Dat is een geval van publicatiebias:er zijn veel meer studies naar extreme gebeurtenissen op het noordelijk dan op het zuidelijk halfrond. De bosbranden in Australië zijn een goed voorbeeld van een gebeurtenis op het zuidelijk halfrond. De polaire vortex boven het zuidelijk halfrond stortte veel eerder dan normaal in, die de woeste branden aanmoedigden. Dan is er het feit dat er meer mensen op het noordelijk dan op het zuidelijk halfrond wonen, omdat laatstgenoemde minder landmassa's heeft. Momenteel, we weten heel weinig over de mate waarin de stratosfeer het weer beïnvloedt in b.v. Zuid-Amerika of zuidelijk Afrika.

Hoe is de stratosfeer verbonden met de troposfeer, waar komt ons weer voor?

De belangrijkste signalen die van de troposfeer naar de stratosfeer worden gestuurd, komen in de vorm van grootschalige atmosferische golven veroorzaakt door bergen en door temperatuurverschillen tussen het land en de oceaan. Boven in de stratosfeer, deze golven verstoren de wind en kunnen sterk genoeg zijn om de polaire vortex te vernietigen op een hoogte van ongeveer 30 km met typische windsnelheden van meer dan 200 km/u. Wat minder duidelijk is, is hoe signalen terugkeren van de stratosfeer naar het aardoppervlak. Na een verstoring van de polaire vortex zien we vaak dat de temperatuur in de lagere stratosfeer op een hoogte van 10-15 km met enkele graden Celsius stijgt. Dit heeft weer invloed op ons weer, maar we hebben nog niet tot op de bodem uitgezocht hoe een dergelijke gebeurtenis b.v. een stormbaan over Engeland.

Weet jij hoe de stratosfeer zich in de toekomst zal ontwikkelen?

Nee, wij niet. De huidige klimaatmodellen projecteren geheel uiteenlopende tendensen, variërend van een trend naar een warmere of een koelere stratosfeer. Maar we kunnen schatten dat de stratosfeer verantwoordelijk is voor ongeveer 10 procent van ons winterweer. De stratosfeer maskeert mogelijk de klimaatverandering op het noordelijk halfrond doordat, zonder de invloed van de stratosfeer, opwarming van de aarde zou misschien nog meer uitgesproken zijn.

Wat zijn je onderzoeksdoelen?

Een van onze doelen is het verbeteren van de weersvoorspellingen op lange termijn die enkele weken tot maanden beslaan. Door zijn invloed op ons weer, de stratosfeer is een bron van voorspelbaarheid voor dergelijke voorspellingen. Hoewel een gebeurtenis in de stratosfeer ons niet in staat stelt om het weer voor een bepaalde dag enkele weken vooruit te voorspellen, het laat ons wel de waarschijnlijkheid schatten van gebeurtenissen zoals koude snaps en hittegolven. Indien, zeggen, de wind in de stratosfeer neemt toe, dan is de kans groter dat Noord-Europa de komende weken meer stormen zal zien. Maar op dit moment, de polaire vortex is bijzonder zwak.

Dus het zal nog wel even duren voordat dit soort gegevens worden ingevoerd in de langetermijnvoorspellingen van weer-apps?

Weermodellen simuleren al de stratosfeer, gewoon niet goed genoeg. Dit is een van de redenen waarom we nog steeds onbetrouwbare langetermijnprognoses hebben. Wij hebben veel meer ervaring in het maken van standaard, kortetermijnprognoses die meerdere dagen beslaan omdat we decennia hebben besteed aan het verifiëren en verbeteren ervan. We weten momenteel veel minder over het maken van prognoses voor langere tijdschalen, waarbij het gaat om het begrijpen van interacties op wereldschaal en niet alleen hoe wat er boven de Noord-Atlantische Oceaan gebeurt, van invloed kan zijn op het weer dat we verwachten. Ons onderzoek gaat over het begrijpen van deze wereldwijde interacties, zodat we wat we leren kunnen gebruiken om weer- en klimaatmodellen te verbeteren.

Wat is de volgende stap in de richting van het gebruik van stratosfeergebeurtenissen om de weersvoorspellingen te verbeteren?

Eerst, we moeten ons begrip van het verband tussen de stratosfeer en ons weer verbeteren. We weten dat als er iets in de stratosfeer gebeurt, we zien vaak een effect aan het aardoppervlak. Maar een derde van de gevallen laat geen spoor achter - en we weten nog niet waarom. In dergelijke gevallen, het is een kwestie van of het de stratosferische gebeurtenis of de link naar het oppervlak was die te zwak was. Het is ook mogelijk dat het weer aan het aardoppervlak te chaotisch was, waardoor het geen mogelijkheid heeft om op de stratosferische gebeurtenis te reageren. Dan is er nog de vraag hoe lang de lagere stratosfeer het signaal vasthoudt. Ik beschouw de lagere stratosfeer als een signaallaag:als het weer het signaal ontvangt, de invloed ervan kan relatief lang duren - enkele weken, bijvoorbeeld.

Welke nieuwe projecten heb je op stapel staan?

Ik wil de regio's waar het maken van langetermijnvoorspellingen moeilijk is, nader onderzoeken. Deze omvatten b.v. Europa en delen van Zuid-Amerika. Bovendien, aangezien bepaalde regio's in Afrika, Azië en Zuid-Amerika zijn ondervertegenwoordigd in het tot nu toe uitgevoerde onderzoek, we weten heel weinig over hen. We hebben projecten gelanceerd in Brazilië en Zuid-Afrika om dit tekort te helpen corrigeren. We willen onderzoeken of we processen in kaart kunnen brengen die de modellen nog niet bevatten of die we beter in de modellen kunnen integreren door middel van numerieke methoden of machine learning in combinatie met een beter begrip van de processen zelf. We willen ook verdere extreme gebeurtenissen vinden waarvoor we voorspelbaarheid op lange termijn kunnen genereren. Als het gaat om hittegolven en koude kiekjes, we weten al veel over hoe deze zich verhouden tot het weer en hoe ze mensen beïnvloeden. Maar er zijn ook aanwijzingen hoe de stratosfeer en verdere processen andere extreme gebeurtenissen beïnvloeden, zoals effecten op de luchtkwaliteit of gevallen van hevige regen, die een grote impact hebben op het leven van mensen.