Если вы можете предсказать путь струйного течения, волнистой реки ветра в верхних слоях атмосферы, то вы можете предсказать погоду - не только на неделю или две, но и на весь сезон. Новое исследование Стэнфорда приближается к этому уровню предвидения, раскрывая физическую связь между скоростью и местоположением струйного течения и силой полярного вихря, воздушного вихря, который обычно парит над Арктикой..
«Реактивный поток определяет все», - сказала Адити Шешадри, ведущий автор и доцент кафедры наук о системе Земли в Школе наук о Земле, энергии и окружающей среде (Stanford Earth)."Вдоль него движутся бури. Они взаимодействуют с ним. Если струйный поток сдвинется, место, где бури самые сильные, тоже сдвинется."
Исследование, опубликованное в Journal of Atmospheric Sciences, определяет два различных режима движения воздуха внутри струйного потока и слоев атмосферы, которые его окружают.
Глубинная система атмосферы
В одном режиме изменения скорости и направления ветра начинаются вблизи экватора в тропосфере, влажном, штормовом слое атмосферы ниже струйного течения и ближе всего к поверхности Земли. Сдвиги ветра в этом режиме быстро распространяются вверх по струйному течению и в полярный вихрь в сухом верхнем слое атмосферы, известном как стратосфера..
В другом режиме сила полярного вихря стратосферы влияет на путь и силу струйного течения, а также на то, как он взаимодействует со штормами в тропосфере. В этом режиме полярный вихрь посылает сигнал на поверхность в виде импульса. Более слабый вихрь создает слабый струйный поток, скользящий к экватору; более сильный вихрь усиливает струйный поток, увлекая его к полюсу.
«Эти глубокие вертикальные структуры ранее не показывались», - сказал Шешадри. «Это что-то фундаментальное в самой системе». Ее анализ может помочь объяснить воздействие на поверхность погоды события, которое произошло в начале 2018 года, когда вихрь ослаб настолько, что разорвался на две части - явление, которое, как известно ученым, может вызвать до двух месяцев экстремальных погодных условий в Западной Европе. До сих пор понимание этих взаимодействий основывалось на наблюдениях и статистическом моделировании, а не на знании их физической основы.
Эти режимы могут быть ключевыми для прогнозирования долгосрочных последствий определенных изменений окружающей среды на поверхности Земли. Хотя считается, что в обычные зимы воздух течет относительно независимо в тропосфере и стратосфере, истощение озона, высокие уровни парниковых газов, потепление океана, сокращение снежного покрова и другие нарушения могут нарушить эту независимость, влияя как на вихрь, так и на струйное течение в комплексе. способы. Выбросы парниковых газов, например, могут усиливать вихрь, одновременно усиливая волны, которые распространяются вверх из тропосферы и ослабляют вихрь, когда они разрушаются.
"Мы не знаем, какой из этих двух эффектов увеличения выбросов парниковых газов победит", - сказал Шешадри.
Создание более совершенных климатических моделей
Чтобы помочь найти ответы, команда Шешадри решила понять климат как систему, которая предсказуемым образом реагирует на известные силы, несмотря на внутреннюю динамику, представляющую собой смесь случайных и систематических колебаний. Они взяли математическую теорему, которая использовалась почти столетие для предсказания кажущегося случайным поведения квантово-механических систем, и применили ее к данным, представляющим атмосферу Земли в зимнее время.
«У нас есть данные о ветре за 35 лет», - сказал Шешадри. «Можем ли мы сказать что-то на основе этих наблюдений о том, как изменится ветер, если, например, увеличить выбросы углекислого газа? Вот с чего все началось».
Современные модели климата превосходно показывают изменения температуры во всех слоях атмосферы с течением времени и с различными уровнями таких веществ, как озон или углекислый газ. «Мы почти уверены в том, как изменится температурная структура атмосферы», - сказал Шешадри. «Однако, если вы посмотрите на изменения в таких вещах, как ветер, дождь или снег - все, что является динамической величиной, - у нас действительно очень мало представления о том, что происходит».
И тем не менее, это одни из самых ярких показателей меняющегося климата. «Никто не чувствует глобальную среднюю температуру», - сказал Шешадри. «Сколько раз в течение следующих 10 лет нам придется иметь дело с наводнениями или похолоданиями в том или ином регионе? Это вопрос, на который может помочь ответить».
Выявляя физические процессы, лежащие в основе некоторых из этих динамических переменных, метод, разработанный в этом исследовании, также может помочь устранить недостатки в климатических моделях.
«Способ, которым мы сейчас это делаем, заключается в том, что вы берете модель и запускаете ее вперед», проверяя прогнозы модели на основе наблюдаемых данных, объяснил Шешадри. Но многие модели, построенные на одних и тех же исторических данных, дают разные прогнозы на будущее, отчасти потому, что они делают разные предположения о том, как взаимодействуют тропосфера и стратосфера и как колеблется струйный поток. До сих пор не существовало способа проверить эти предположения на фактическом уровне изменчивости атмосферы.
«Мы должны быть уверены, что модели правильные и по правильным причинам», - сказал Шешадри. Новая работа предлагает способ разрешить эту неопределенность и предвидеть бури на несколько месяцев вперед.