Wetenschapper ontwikkelt nieuwe vergelijking voor betere voorspelling van het gedrag van atmosferische rivieren

Frequentie van atmosferische rivieren (AR): Wanneer stortregens en krachtige winden dichtbevolkte kustgebieden treffen, kunnen hele steden worden verwoest. Toch kunnen overheden en inwoners voorzorgsmaatregelen nemen met voldoende waarschuwing.

Veel van deze kustoverstromingen worden veroorzaakt door atmosferische rivieren—gebieden van geconcentreerde waterdamp die door sterke winden worden meegevoerd, soms ook wel “rivieren in de lucht” genoemd. Meteorologen houden ze in de gaten, maar de mogelijkheid om precies te voorspellen hoe een atmosferische rivier zich zal gedragen op basis van de onderliggende natuurkunde zou zorgen voor nauwkeurigere voorspellingen.

In een artikel gepubliceerd in Nature Communications beschrijven senior auteur Da Yang, assistent-professor geofysische wetenschappen aan de Universiteit van Chicago, en eerste auteur Hing Ong, een postdoctoraal onderzoeker die voorheen in Yang’s groep werkte en nu bij het Argonne National Laboratory is, een nieuwe vergelijking die ze hebben ontwikkeld om de processen achter atmosferische rivieren beter te begrijpen.

Ze hopen dat het nieuwe kader de nauwkeurigheid van voorspellingen van atmosferische rivieren zal verbeteren, vooral voor extreme weersomstandigheden en in de context van een veranderend klimaat. Dit verbeterde, procesgerichte begrip ondersteunt ook een duidelijkere communicatie van de resultaten van extreme weersvoorspellingen.

Een wereldwijd fenomeen: Atmosferische rivieren zijn lange, smalle gebieden van geconcentreerde waterdamp, vergezeld van sterke winden, die vocht van de tropen naar de polen transporteren. Ze kunnen tot wel vijftien keer de hoeveelheid water vervoeren die door de monding van de Mississippi stroomt, en ze kunnen zware regen, sneeuw en sterke winden met zich meebrengen. Tot de helft van de jaarlijkse neerslag in Californië wordt door atmosferische rivieren aangevoerd.

Hoewel de westkust van Noord-Amerika bijzonder gevoelig is voor extreme neerslag die door atmosferische rivieren wordt gedragen—vaak aangeduid als een “Pineapple Express” wanneer deze rond Hawaii ontstaat—komen deze rivieren in de lucht wereldwijd voor. Gemiddeld zijn er vijf in de noordelijke en vijf in de zuidelijke gematigde breedten op elk moment, die van west naar oost bewegen. Niet alle systemen zijn krachtig genoeg om schadelijke overstromingen en aardverschuivingen te veroorzaken; zwakkere systemen kunnen gunstig zijn, doordat ze reservoirs aanvullen en droogtes verlichten.

Atmosferische rivieren zijn een essentieel element van het wereldklimaat, en het begrijpen ervan zal helpen om de weersvoorspelling, het beheer van watervoorraden en het voorspellen van overstromingsrisico’s te verbeteren. Veel van het bestaande onderzoek naar atmosferische rivieren richt zich op karakterisering: het monitoren, volgen en beoordelen om het gevaar niveau over te brengen. Wat echter ontbreekt, is een manier om de evolutie van een atmosferische rivier te bepalen.

Atmosferische rivieren worden gemonitord met een maatstaf genaamd geïntegreerd damptransport (IVT), die de hoeveelheid en snelheid van waterdamp die door de atmosfeer beweegt beschrijft. Deze maatstaf is genoeg om tracking- en monitoringsalgoritmen te ontwikkelen, maar om fundamentele vragen over de evolutie van atmosferische rivieren aan te pakken, hebben wetenschappers een sturende vergelijking nodig. Dit is een wiskundige uitdrukking die beschrijft hoe een systeem verandert op basis van specifieke regels of principes.

Een sturende vergelijking zou wetenschappers in staat stellen om bredere vragen te stellen, zoals: “Wat biedt energie om atmosferische rivieren te vormen en in stand te houden? En waarom bewegen ze oostwaarts?” Het afleiden van het kader om deze vragen te beantwoorden vereiste dat het team een hoeveelheid ontwikkelde die de hoeveelheid waterdamp en de energie van sterke winden combineert tot één variabele: geïntegreerde dampkinetische energie (IVKE).

De nieuwe vergelijking is net zo effectief en efficiënt als IVT bij het volgen en monitoren van atmosferische rivieren. Maar het heeft “het extra voordeel een intuïtieve, op principes gebaseerde sturende vergelijking te zijn,” aldus Yang, “die ons kan vertellen wat een atmosferische rivier sterker maakt, wat het verzwakt en wat het oostwaarts doet voortbewegen—in real-time.”

Deze doorbraak voegt een fysiek procesniveau begrip toe aan de statistische analyse van atmosferische rivieren. De voorlopige titel van het artikel dat dit veelzijdige kader beschrijft was “Eén steen, twee vogels.”

Met behulp van dit nieuwe kader ontdekte Yang’s team dat atmosferische rivieren voornamelijk in sterkte toenemen omdat potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie. De rivieren verzwakken door condensatie en turbulentie en bewegen oostwaarts door de horizontale beweging van kinetische energie en vocht door luchtstromen.

Weer en een veranderend klimaat: De National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), het primaire centrum dat verantwoordelijk is voor weersvoorspelling, onderzoekt, monitort en publiceert informatie over atmosferische rivieren. Yang stelde voor dat het nieuwe kader van zijn team de IVT-gebaseerde analyses van NOAA aanvult, met real-time diagnoses die een sterkere fysieke basis voor de voorspellingsresultaten bieden.

Deze aanpak verhoogt het vertrouwen in voorspellingen, vooral voor extreme gebeurtenissen, en helpt bij het diagnosticeren van de prestaties van modellen—uiteindelijk leidend tot verbeteringen in voorspellingsmodellen.

De rol van klimaatverandering in de evolutie van atmosferische rivieren is ook een onderwerp van interesse. “We weten dat met klimaatverandering de hoeveelheid waterdamp toeneemt,” zei Yang. “Onder de veronderstelling dat de circulatie niet veel verandert, kun je verwachten dat de individuele atmosferische rivier sterker wordt.”

De studie onderzocht niet deze relatie, maar het zal een van de volgende stappen zijn voor het team. Een nieuwe postdoctoraal onderzoeker in Yang’s lab, Aidi Zhang, zal het nieuwe kader gebruiken om te bestuderen hoe klimaatverandering atmosferische rivieren beïnvloedt, met behulp van dampkinetische energie.

Dit onderzoek is een nieuw gebied voor Yang, hoewel niet zo ver van zijn expertise, met een focus op convectieve stormen in de tropische atmosfeer. Voor hij bij UChicago kwam, woonde Yang vijftien jaar in Californië, wat zijn interesse in atmosferische rivieren wekte. En “nu ik in hogere breedtegraden woon,” zei hij, “moet ik meer aandacht besteden aan deze stormen in de gematigde breedte.”