De extraordinära klimathändelserna 2022-24

De senaste 2 åren har varit händelserika och intressanta vad beträffar jordens klimat. Vi har fått bevittna unika händelser som direkt påverkat hur klimatet har utvecklats. Forskare Javier Vinós beskriver här hur några av dessa satt sina tydliga spår.

Gäst Bloggare : Javier Vinós

• Den osannolika vulkanen

• Det varmaste året

• Polarvirvelns kollaps

Klimathändelserna 2022-24 har verkligen varit extraordinära. Från ett osannolikt vulkanutbrott under vattnet till det varmaste året som någonsin uppmätts till kollapsen av polarvirveln efter tre plötsliga stratosfäriska uppvärmningshändelser. Denna sällsynta konvergens utgör en unik inlärningsmöjlighet för både klimatologer och klimatentusiaster, och ger insikter i en klimathändelse som kanske inte upprepas på hundratals eller till och med tusentals år.

Januari 2022, den osannolika vulkanen

Aldrig tidigare har vi bevittnat ett vulkanutbrott under havsytan med en plym som kan nå stratosfären och avsätta en stor mängd förångat vatten. Denna extraordinära händelse inträffade i januari 2022 när vulkanen Hunga Tonga fick ett utbrott. Förutsättningarna för en sådan händelse är sällsynta: vulkanen måste vara tillräckligt djup för att driva tillräckligt med vatten med plymen, men inte för djup för att hindra den från att nå stratosfären. De flesta undervattensvulkaner producerar inga plymer alls, vilket gör Hunga Tongas utbrott ännu mer anmärkningsvärt.

Vulkanen Hunga Tonga intog en unik "sweet spot" på 150 meters djup dagen före utbrottet. Dessutom måste utbrottet i sig vara exceptionellt kraftigt för att vattenånga ska kunna stiga upp i stratosfären. Utbrottet i januari 2022 av Hunga Tonga var det kraftigaste på 30 år, sedan utbrottet av berget Pinatubo 1991.

Figur 1. Hunga Tongas utbrott i en animerad version

Aktiva undervattensvulkaner på lämpligt djup är sällsynta, och sannolikheten för att en vulkan ska få utbrott med sådan intensitet är relativt låg. Vi kanske tittar på en händelse som inträffar en gång vartannat århundrade, eller kanske till och med en gång per årtusende. Utan tvekan var det en exceptionellt sällsynt händelse.

Medan de kraftigaste utbrotten, som Tambora 1815, verkligen kan ha en stark inverkan på det hemisfäriska vädret under några år, tyder våra observationer av utbrott som Agung (1963), El Chichón (1982) och Pinatubo (1991) på att deras effekter försvinner inom 3-4 år.

Tanken att den lilla istiden (LIA) orsakades av ökad vulkanisk aktivitet är populär. Uppgifterna tyder dock på något annat. Den vulkaniska aktiviteten under LIA var inte ovanligt hög, utan snarare lägre än genomsnittet för holocen (även om den vulkaniska aktiviteten var exceptionellt hög i början av 1900-talet). Den primära ovanliga klimatpåverkande faktorn under LIA var exceptionellt låg solaktivitet.

Vulkanutbrott som tränger in i stratosfären utlöser betydande strålnings-, kemiska och dynamiska förändringar, där svavel spelar en nyckelroll. Vulkanisk svaveldioxid (SO2) oxiderar, kombinerar och aggregerar och bildar sulfataerosoler. Dessa aerosoler sprider inkommande kortvågsstrålning, vilket resulterar i minskad ytinsolering och därmed ytkylning. De absorberar också både inkommande och utgående infraröd strålning, vilket bidrar till stratosfärisk uppvärmning.

Utbrottet orsakade ökad växthuseffekt och uppvärmning av klotet

Effekten av Hunga Tongas utbrott är dock den motsatta. Även om det fanns en del svaveldioxid i samband med Hunga Tonga, var den största påverkan från vattenånga. Vattenånga är en potent växthusgas, så den plötsliga 10-procentiga ökningen av stratosfärisk vattenånga på en enda dag ökade stratosfärens opacitet för utgående infraröd strålning. Till skillnad från den lägre troposfären, där växthuseffekten är relativt mättad, upplever stratosfären, långt över jordens genomsnittliga utsläppshöjd (cirka 6 km), en mycket mer uttalad effekt från tillsatsen av vattenånga. Dessutom ökar den ökade halten av stratosfärisk vattenånga infraröda emissioner från stratosfären och kyler den därmed avsevärt.

Figur 2. Stratosfärisk vattenånga i ppm efter latitud över tid på 31,6 hPa höjd. Utvecklingen av Hunga Tongas vattenånga ses tydligt från dess tropiska injektion mot polerna.

Det osannolika omvända vulkanutbrottet i Hunga Tonga kyler för närvarande ner stratosfären samtidigt som ytan värms upp. Denna effekt kommer dock gradvis att minska med tiden när överskottet av vattenånga lämnar stratosfären under de kommande 2-4 åren. Figur 2 illustrerar det vulkaniska vattnets rörelse från de tropiska områdena, där den uttorkade luften från troposfären kommer in, till de mellersta och höga breddgraderna, där den gradvis kommer att lämna stratosfären under de kommande åren.

Frågan inställer sig: varför tog det mer än ett år att upptäcka effekterna av stratosfäriska förändringar på yttemperaturen efter explosionen? Vanligtvis förväntas strålningseffekterna vara omedelbara när vattenånga eller sulfataerosoler placeras i stratosfären. Vår förståelse av hur vulkaner påverkar vädret är dock fortfarande ofullständig, och klimatmodeller har svårt att exakt reproducera dessa fenomen.

Transporten inom stratosfären är snabb i längdriktningen, men mycket långsam med avseende på latitud och höjd, med betydande säsongsvariationer. Beroende på faktorer som utbrottets latitud och årstid kan effekterna av ett vulkanutbrott på vädret variera kraftigt. Tamboras utbrott är ett prejudikat: det inträffade i april 1815, men dess effekter på vädret, som ledde till "året utan sommar", upptäcktes inte förrän i juni 1816, 15 månader efter utbrottet. Detta historiska exempel understryker möjligheten att händelser som inträffar mer än ett år efter ett utbrott faktiskt kan tillskrivas det.

2023, det varmaste året som registrerats

Från och med juni 2023 var årets sista sju månader den varmaste period som uppmätts, vilket var betydligt varmare än tidigare rekord. En sådan händelse är ganska anmärkningsvärd med tanke på de stora temperaturvariationer som observerats från månad till månad. Men hur osannolikt är det?

Med hjälp av HadCRUT5-datasetet finner vi att det har varit 17 rekordvarmaste år sedan 1870. Varje år i HadCRUT5 som slår alla tidigare år blir ett rekordår, och rekordökningen mäts som temperaturskillnaden över föregående rekordår (högsta noteringen dittills). Till exempel var 2009 det varmaste året, men det var bara 0,005 grader varmare än det tidigare rekordåret 2007. 2023 var det varmaste året och var 0,17ºC varmare än 2016. Det är den största skillnaden från ett rekordår till det tidigare rekordåret i hela serien.

Figur 3 visar att temperaturökningen från det tidigare rekordet under 2023 var den största på 153 år, +0,17 °C. Denna ökning från tidigare rekord är anmärkningsvärd, även för ett år som har registrerats som det varmaste som någonsin uppmätts.

Figur 3. De varmaste åren i HadCRUT5-datasetet från 1870 med temperaturökningen från det tidigare rekordet.

Under de varmaste åren är det ofta flera månader som sticker ut som de varmaste (figur 4, blå staplar). År 2023 fanns det sju sådana månader, endast 2016 och 2015 är lika många som 2015. Noterbart är att dessa sju varmaste månader var i följd och sträckte sig från juni till december. De röda staplarna i figur 4 visar antalet på varandra följande rekordmånader för varje rekordår. Det framgår tydligt av figuren att år i datamängden med fem eller fler på varandra följande varmaste månader sammanfaller med mycket starka El Niño-år: 1877-78, 1997-98 och 2015-2016.

Figur 4. Antalet rekordmånader under rekordåren visas i blått. I rött visas antalet rekordmånader som var i följd.

2023 var ett svagt El Niño år

År 2023 återspeglar temperaturstatistiken förhållanden som liknar de starkaste El Niño-åren på över ett sekel. Men var det verkligen så? Att avgöra om El Niño var katalysatorn för rekorduppvärmningen 2023 är utmanande. Att enbart förlita sig på Stilla havets yttemperatur som kriterium för El Niño skulle leda till ett cirkelresonemang. El Niño är ett komplext fenomen som involverar både atmosfären och havet. Det multivariata ENSO-indexet (MEI v2) använder fem variabler – havsnivåtryck, havsytetemperatur, ytzonvindar, ytmeridionala vindar och utgående långvågsstrålning – för att skapa en tidsserie av ENSO-förhållanden från 1979 till idag.

Detta index, när det beräknas som ett genomsnitt över hela året, visar att av alla rekordår sedan 1980 var det bara 1997-98 och 2015-16 som var resultatet av en mycket stark El Niño. 2023 var faktiskt ett svagt El Niño-år, trots mycket höga ytvattentemperaturer.

Figur 5. Årsmedelvärden för multivariata ENSO-index för de varmaste rekordåren.

Vi kan konstatera att 2023 stack ut som ett exceptionellt ovanligt rekordvarmt år. Även om den konkurrerade med mycket starka El Niño-år när det gäller att överträffa tidigare temperaturrekord, föll den faktiskt inte in i den kategorin. Anmärkningsvärt nog, trots avsaknaden av en stark El Niño, lyckades den sätta det högsta temperaturrekordet med den största marginalen i datamängden som sträcker sig över ett och ett halvt sekel.

Ovanlig stark solinstrålning 2023

I en artikel med titeln "State of the climate – summer 2023" visade Judith Curry hur ovanligt 2023 var när det gäller den globala strålningsbalansen högst upp i atmosfären, komponenterna i energibalansen vid ytan och de interna klimatvariationerna som drivs av atmosfäriska och oceaniska cirkulationsmönster.

Omfattningen av de anomalier som uppvisades 2023 över ett brett spektrum av variabler har aldrig tidigare registrerats. Det är en klimathändelse utan motstycke i våra register.

Januari-mars 2024, polarvirvelns kollaps

Polarvirveln är ett cirkulärt vindmönster som utvecklas på roterande planeter med en atmosfär. Det är resultatet av bevarandet av potentiell vorticitet, en egenskap som beror på corioliskraften och den potentiella temperaturgradienten. Potentiell temperatur avser den del av temperaturen i ett luftpaket som inte påverkas av dess potentiella energi, och definieras ofta som den temperatur som paketet skulle ha om det fördes upp till ytan (1 000 hPa).

På norra halvklotet, mot slutet av sommaren, upplever Arktis en kraftig temperatursänkning när dagarna blir kortare. För att upprätthålla den potentiella vorticiteten intensifieras vinden runt polarområdena i väst-till-östlig riktning (känd som västliga vindar). Bildandet av polarvirveln i stratosfären sker när de förhärskande ostliga vindarna skiftar till västliga vindar. Denna förändring är tydlig i den zonindelade vindhastigheten, som ändras från negativ till positiv runt september (se figur 6). Slutligen försvinner virveln runt april.

Vindarna i den stratosfäriska polarvirveln kan nå 180 km/h och utgöra en formidabel barriär mot värmetransport från tropikerna. Som ett resultat blir atmosfären och ytan inuti virveln mycket kall och torr, vilket minskar energiförlusten till planeten, eftersom kalla ytor strålar mindre.

I atmosfären, liksom i alla vätskor, uppstår vågor, varav de största är planetariska vågor. Dessa planetariska vågor har sitt ursprung i troposfären som ett resultat av stora bergskedjor och temperaturskillnader mellan hav och land. De är vanligast och uttalade under vintern på norra halvklotet. Under gynnsamma förhållanden färdas dessa vågor snabbt, liknande tsunamis, kolliderar med polarvirvelns gränser och ger en östlig rörelsemängd.

Som ett resultat minskar vindarna som bildar polarvirveln sin hastighet, försvagar den och tillåter varmare luft att komma in, vilket trycker kall luft utåt. Detta utbyte orsakar kallare vinterförhållanden på mellanbreddgraderna.

Tre kollapser under denna vinter är ovanligt

När vindarna saktar ner tillräckligt för att ändra riktning bryts polarvirveln upp i två eller tre mindre, förskjutna virvlar. Stratosfärisk luft som kommer in i det område som tidigare upptogs av virveln sjunker och värms upp avsevärt i processen. Detta fenomen, som kallas en plötslig stratosfärisk uppvärmning (SSW), kan höja temperaturen i den polära stratosfären med upp till 40 °C på några dagar. SSW är relativt vanliga på norra halvklotet och inträffar vanligtvis ungefär en gång vartannat år. De leder ofta till hårdare vinterförhållanden i vissa regioner, särskilt östra Nordamerika och östra Eurasien, under de följande veckorna.

El Niño-år främjar vanligtvis SSW-händelser och polarvirvelhaverier. Detta kan bero på de ökade havstemperaturkontrasterna under El Niño, som genererar planetariska vågor med större amplitud. Ibland, ungefär en gång vart 10-20:e år, inträffar två SSW-händelser under samma vinter. Vinterns förlängda period (november till mars) är dock första gången sedan mätningarna började på 1950-talet som tre SSW-händelser har observerats. Nedbrytningen av polarvirveln inträffade i januari, februari och mars, vilket visas i figur 6 från NOAA:s SSW-övervakning. Varje gång sjönk den röda linjen som representerar den västliga vindhastigheten till nolllinjen. Vid den här tiden på året är det möjligt att den stratosfäriska polarvirveln inte återbildas.

Figur 6. Västliga (positiva) stratosfäriska zonvindar vid 60°N (röd linje) nådde nollhastighetslinjen tre gånger i år, vilket tyder på en plötslig stratosfärisk uppvärmning och polarvirvelbrytning varje gång.

Klimatmodeller inte tillförlitliga

Enligt Adam Scaife från UK Met Office är denna händelse inte bara utan motstycke – det kan vara en händelse som inträffar en gång på 250 år. Detta resultat kommer från en nyligen genomförd statistisk studie av SSW-händelser som genomfördes med hjälp av ett säsongsprognossystem inom en klimatmodell. Det är dock viktigt att notera en varning: klimatmodeller kämpar fortfarande för att korrekt representera stratosfären och misslyckas med att reproducera det observerade fenomenet att La Niña-år också ökar sannolikheten för SSW-händelser.

Ledde till uppvärmning i Arktis

Effekten av tre SSW-händelser i vinter är inte särskilt dramatisk. Även om normala vädermönster kan förändras, vilket leder till ovanliga temperaturer och nederbörd i vissa områden, är effekterna tillfälliga. Dessa händelser påverkar dock temperaturen i Arktis och därmed mängden energi som lämnar planeten. Försvagningen av polarvirveln, som visas i figur 6, resulterar i ökad värmetransport till Arktis i vinter, vilket leder till högre temperaturer i regionen.

Figur 7 illustrerar denna trend, med en orange linje som representerar arktiska temperaturer 2023 enligt Danmarks meteorologiska institut, och en grön linje som representerar temperaturer i år. Eftersom växthuseffekten är relativt svag under den arktiska vintern på grund av begränsad vattenånga i atmosfären, blir resultatet att mer energi flyr från planeten på grund av den försvagade virveln. Detta bidrar till att mildra och minska den ovanliga uppvärmning som observerades under andra halvåret 2023, vilket bidrog till att det blev det varmaste året som registrerats.

Figur 7. Arktis yttemperatur för år 2023 (orange) och 2024 (grön), jämfört med genomsnittet för 1958–2002 (blått).

Inte påverkat havsisens utbredning

Trots att den extra värmen transporteras till Arktis, vilket leder till ökade temperaturer, har det inte skett någon motsvarande minskning av havsisens utbredning i Arktis. Faktum är att vinterns havsisutbredning överstiger genomsnittet för 2010-2020. Det verkar som om isen i Arktis, i motsats till den utbredda rädslan för dess försvinnande, fortfarande är motståndskraftig och stabil.

Figur 8. Arktis havsisutbredning 2024 jämfört med decenniegenomsnitten 2001-10 och 2011-20 från National Snow and Ice Data Center.

Vad kan vi förvänta oss inom en snar framtid?

Det osannolika vulkanutbrottet är den troliga orsaken till den extraordinära uppvärmningen, som i sin tur ledde till att de aldrig tidigare skådade tre SSW-händelserna inträffade. Vår förståelse av effekterna av dessa händelser stöder denna tolkning.

Historiska data om de varmaste åren tyder på en hög sannolikhet för att 2024 återigen kommer att slå temperaturrekordet, liknande det som hände 1877-78, 1980-81, 1997-98 och 2015-16. Men om vi korrekt har identifierat en viktig orsak till uppvärmningen som Hunga Tonga-utbrottet, kan vi förvänta oss att när överskottet av vattenånga lämnar stratosfären kommer det att inducera en kylande effekt vid ytan, vilket potentiellt sänker temperaturerna under de kommande 3-4 åren. Studier som Solomon et al. (2010) har redan visat den negativa effekten på den globala uppvärmningen av stratosfärisk torkning. Vi bör få se en vändning av all den uppvärmning som orsakats av vulkanen Hunga Tonga.

Dessutom kan andra faktorer som påverkar temperaturen, såsom nedgången i solaktiviteten efter solcykeln 25 och en framtida förskjutning av den atlantiska multidekadala oscillationen till sin kalla fas, bidra till en stor paus i den globala uppvärmningen. Med temperaturen 2023-24 som referenspunkt kan vi till och med se en viss avkylning under de kommande åren. Det är verkligen intressanta tider när det gäller klimatdynamiken.

Dr. Javier Vinós