Origin Story: What Creates Extreme Heatwaves and Cold Waves?
Air moves across the globe either from East to West or West to East depending on where we are. However, as the air moves, its direction is disturbed because of Earth’s rotation, landscape, and temperature of a region. These disturbances make waves in the air flow, causing it to flow from North to South as well as from West to East. These waves have a strong effect on our weather - bringing warm air from the South or cold air from the North. If a wave gets really large, then the air moves a long way South and North, and the weather it brings will also be very warm and very cold. Sometimes these waves stay in one region for a long-time along with the weather patterns they bring, and this can cause extreme temperatures - really hot, or really cold.
In order to prepare for and protect ourselves from extremely hot or extremely cold weather, we need to know some key details about these extreme events, such as: “how long will it stay super hot or cold?” To better predict such extreme events, scientists need to understand how the waves move and how strong they become. One possible pathway to investigate this is to find how far North or South the waves go. This is affected by atmospheric circulation patterns called waveguides. These are flow patterns in the atmospheric circulation that trap the atmospheric waves in a particular region. Dr. Rachel White and her colleagues discuss ways in which the waveguides can be used to better understand and predict extreme weather events.
Peek into the Future: Forecasting Weather Extremes
Extreme weather events such as heatwaves, floods, cold snaps, and droughts can have disastrous impacts on humans, destroying property and even causing death. Due to global warming, many extreme events are also expected to get stronger and occur more frequently. However, the skill of predicting extreme events in short-term weather and future climate carries large uncertainties.
Global warming will lead to, on average, hotter land, and ocean temperatures with more heat waves as a result. Since the atmosphere also gets more moisture from evaporation in a hot climate, rains are expected to get heavier, and flooding is also expected to get worse. On the other hand, global warming can also affect waves in the atmosphere by affecting how strong they are and how fast they move. Waves becoming strong or stagnant directly affect the duration and strength of extreme events. Unfortunately, this indirect effect of global warming on extreme events is much less understood due to its complexity.
Currently, prediction and forecast models attempt to capture the source and movement of waves along with their strength, which is quite a difficult task due to the complexity of the physics involved. So how do we solve this problem? Dr. White and her colleagues propose a possible method through which we can link waves to extreme events by using atmospheric waveguides. Dr. White finds that waveguides are very well aligned with strong waves. This makes perfect sense, since atmospheric waveguides constrain the flow of waves, stopping them from moving too far North or South. The strong waves controlled by the waveguides are seen together with extremely warm and cold events. This is quite a promising result since it implies that we may be able to use waveguides to predict extreme weather events without having to deal with the complexity of the waves themselves.
Of course, this does not mean that we have simplified extreme weather event prediction! We still need to figure out simple techniques to detect waveguides. We also need to understand the physics behind their existence and how they control wave movement. Dr. White and her colleagues recommend that we keep studying waveguides and waves to have a better understanding of how and when extreme weather events will happen. Most importantly, these topics are complex and require a lot of collaboration among climate scientists so that we can fill our knowledge gaps and prepare our communities for the impacts of climate change.
Try This at Home: The Earth in Your Hands
There is a lot of discussion among scientists regarding waves and atmospheric flow. However, it is not very intuitive to simply imagine how such waves form on a planet just because of rotation and temperature variations. But there is a way you can do experiments to see this, by building your own rotating fluid tank! This can help form a mental picture of waves and weather systems that are created by the flow of air on a rotating planet.
DIYnamics (Do-It-Yourself Dynamics!) builds a simple apparatus that can be used to illustrate different aspects of Earth science for students. Specifically, the Lego-based rotating fluid tank provides a visualization of how the atmosphere behaves in a rotating system. All you need to do is fill the tank with water and start the rotation. Then, you drop several drops of dye into the tank. You can then see how the colorful fluid moves inside the tank as it forms disturbances and instabilities because of the rotation. To find out what you need to buy, and instructions for building and conducting experiments, check out the DIYnamics webpage.
Climate Action: Become a Climate Scientist
Explore how impactful extreme weather events are for your community and how they are likely to change because of climate change. First, find out which extreme weather events are important for your region using the climate atlas (https://climateatlas.ca/map). Click on places on the map to find your region and select each extreme event type at the bottom of the map. Look at different periods and scenarios or reduced climate change (if we minimize emissions now). Based on what you find out, discuss the following with friends and family:
- Which extreme events are relevant for your region? - How are these events expected to change in the future with climate change? - How will these changes impact your community? - What can you do to prepare for such events if they are on the horizon? - Is it useful to check weather forecasts and warnings now and then? - How much impact does reducing the amount of greenhouse gas emissions make? - What can you, your community, and everyone else in the world do to minimize the amount of greenhouse gas emissions in the future?
Meet Our Local Science Hero:
Dr. Rachel White
Dr. Rachel White is an Assistant Professor at the University of British Columbia in the Earth, Ocean, and Atmospheric Sciences department. She studies Rossby waves — a distinctive, massive type of wave in atmospheric circulation. At the moment, she is looking at how atmospheric dynamics can help us predict the likelihood of heat waves every summer, in places like Vancouver. She became interested in atmospheric science a long time ago. She explains “I remember watching the movie Twister when I was young. It seemed so cool — they go chasing after tornados and study them to see how they form. It was very clear there were so many things we did not understand about the world – even something as destructive as a tornado! To me, research is finding out things that nobody knew before, which is exciting.”
Credit
This Science Spotlight was written based on White, R. H., Kornhuber, K., Martius, O., & Wirth, V. (2022). From Atmospheric Waves to Heatwaves: A Waveguide Perspective for Understanding and Predicting Concurrent, Persistent, and Extreme Extratropical Weather. Bulletin of the American Meteorological Society, 103(3), E923–E935. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-21-0170.1.
Histoire de la genèse : Qu’est-ce qui cause des vagues de chaleur et de froid extrêmes ?
L’air se déplace autour du globe, soit de l’Est vers l’Ouest, soit de l’Ouest vers l’Est, en fonction de là où l’on se trouve. Toutefois, lorsque l’air se déplace, sa direction est perturbée par la rotation de la Terre, le paysage et la température d’une région donnée. Ce sont ces perturbations qui créent les ondes dans le flux de l’air, le faisant circuler du Nord vers le Sud, ainsi que de l’Ouest vers l’Est. Ces ondes ont un puissant effet sur notre météo, amenant de l’air chaud du Sud, ou de l’air froid du Nord. Si une onde devient vraiment grosse, alors l’air se déplace loin vers le Sud et le Nord, et le temps qu’elle apporte avec elle sera aussi très chaud et très froid. Parfois ces ondes restent dans une région donnée pour une longue période, ainsi que les régimes climatiques qu’elles apportent avec elles, et cela peut causer des températures extrêmes, vraiment très chaudes ou vraiment très froides.
Afin de nous préparer à un temps extrêmement chaud ou extrêmement froid, et afin de nous en protéger, nous devons connaître certains détails clés sur ces épisodes extrêmes, comme par exemple : « Combien de temps il va faire super chaud ou super froid ? ». Pour mieux prédire de tels épisodes extrêmes, les scientifiques ont besoin de comprendre comment les ondes se déplacent, et comment elles acquièrent de la force. Une des avenues possibles pour étudier cela consiste à déterminer jusqu’où se rendent ces ondes, que ce soit vers le Nord ou vers le Sud. Cela est affecté par des modèles de circulation atmosphérique appelés guides d’ondes. Il s’agit de modèles de flux de la circulation atmosphérique (configuration de la circulation atmosphérique) qui piègent les ondes atmosphériques dans une région particulière. Rachel White et ses collègues discutent des manières sont les guides d’ondes peuvent être utilisés pour mieux comprendre et prédire les épisodes météorologiques extrêmes.
Coup d’œil sur l’avenir : Prévoir les conditions météorologiques extrêmes
Les conditions météorologiques extrêmes comme les vagues de chaleur, les inondations, les coups de froid, et les sècheresses peuvent avoir des effets désastreux sur les êtres humains, en détruisant des biens et même en entraînant la mort. En raison du réchauffement planétaire, on s’attend aussi à ce que de nombreux épisodes extrêmes deviennent plus forts et se produisent plus fréquemment. Toutefois, la prédiction d’épisodes météorologiques extrêmes, qu’il s’agisse du temps qu’il va faire à court terme ou du climat futur, s’accompagne de grandes incertitudes.
Le réchauffement planétaire mènera, en moyenne, à des températures plus chaudes, tant sur la terre que dans l’océan, avec, par conséquent, davantage de vagues de chaleur. Comme l’atmosphère reçoit aussi davantage d’humidité provenant de l’évaporation dans un climat chaud, on s’attend à ce que les pluies deviennent aussi plus importantes, et que les inondations deviennent pires. D’un autre côté, le réchauffement planétaire peut aussi affecter les ondes dans l’atmosphère en affectant leur force et la rapidité à laquelle elles se déplacent. Les ondes qui deviennent plus fortes ou qui stagnent, affectent directement la durée et la force des épisodes météo extrêmes. Malheureusement, cet effet indirect du réchauffement planétaire sur les épisodes météo extrêmes est beaucoup moins bien compris en raison de sa complexité.
Présentement, les modèles de prédiction et de prévision tentent de saisir la source et le mouvement des ondes ainsi que leur force, ce qui est une tâche assez difficile en raison de la complexité de la physique en la matière. Alors, comment pouvons-nous résoudre ce problème ? Rachel White et ses collègues proposent une méthode possible au moyen de laquelle nous pouvons lier les ondes aux épisodes extrêmes en utilisant les ondes atmosphériques. Madame White trouve que les guides d’ondes sont très bien alignés avec les ondes fortes. Cela a vraiment du sens, dans la mesure où les guides d’ondes atmosphériques contraignent les flux des ondes, les empêchant de se déplacer trop loin vers le Nord ou vers le Sud. Les ondes fortes contrôlées par les guides d’ondes sont souvent observées en même temps que des épisodes extrêmement chauds et extrêmement froids. Ce résultat est très prometteur car il implique qu’il se peut que nous puissions utiliser des guides d’ondes pour prédire des épisodes météo extrêmes sans avoir à faire face à la complexité des ondes elles-mêmes.
Bien sûr, cela ne signifie pas que nous avons simplifié la prédiction d’épisodes météo extrêmes ! Nous devons encore trouver des techniques simples pour détecter les guides d’ondes. Nous avons aussi besoin de comprendre la physique derrière leur existence et la manière dont ils contrôlent le déplacement des ondes. Rachel White et ses collègues recommandent que nous continuions à étudier les guides d’ondes et les ondes afin de mieux comprendre comment et quand les épisodes météo extrêmes se produiront. Plus important encore, ces sujets sont complexes et requièrent une grande collaboration entre les climatologues afin que nous puissions combler les lacunes en ce qui a trait à nos connaissances et préparer nos communautés aux effets du changement climatique.
Essayez ça chez vous : La Terre est entre vos mains
Les ondes et le flux atmosphérique sont un sujet dont les scientifiques discutent beaucoup. Toutefois, il n’est pas vraiment intuitif de simplement imaginer que de telles ondes se forment sur une planète juste en raison de la rotation et des variations de température. Mais il y a une manière dont vous pouvez effectuer des expériences pour voir ça, et c’est en construisant votre propre réservoir de fluide rotatif ! Cela peut vous aider à former une image mentale des ondes et des systèmes météorologiques qui sont créés par le flux de l’air sur une planète en rotation.
DIYnamics (Do-It-Yourself Dynamics!) permet de construire un appareil simple pouvant être utilisé pour illustrer différents aspects des sciences de la Terre pour les étudiant.e.s. Plus particulièrement, le réservoir de fluide rotatif construit avec des LegoMD permet de visualiser la manière dont l’atmosphère se comporte dans un système rotatif. Tout ce que vous avez besoin de faire, c’est de remplir le réservoir avec de l’eau et de démarrer la rotation. Ensuite, vous versez quelques gouttes de teinture dans le réservoir. Vous pouvez voir comment les fluides colorés se déplacent dans le réservoir alors que celui-ci crée des perturbations et de l’instabilité en raison de la rotation. Pour voir ce que vous avez besoin d’acheter ainsi que pour des instructions pour la construction de l’appareil et la réalisation des expériences, voyez la page Web DIYnamics.
Action pour le climat : Devenez climatologue
Explorez l’effet des épisodes météorologiques extrêmes sur votre communauté et la manière dont il est probable qu’ils changent à cause du changement climatique. Tout d’abord, trouvez quels épisodes météorologiques extrêmes sont importants pour votre région à l’aide de l’atlas climatique (https://climateatlas.ca/map). Cliquez sur la carte pour trouver votre région, et sélectionnez le type d’épisode extrême en bas de la carte. Examinez différentes périodes et différents scénarios y compris un changement climatique moindre (si nous minimisons maintenant les émissions). En fonction de ce que vous trouvez, discutez des points suivants avec vos ami.e.s et votre famille :
- Quels sont les épisodes extrêmes pertinents pour votre région ?
- Comment est-ce que l’on s’attend à ce que ces épisodes changent dans le futur en raison du changement climatique ?
- De quelle manière ces épisodes auront-ils un effet sur votre communauté ?
- Que pouvez-vous faire pour vous préparer à de tels événements s’ils se profilent à l’horizon ?
- Est-il utile de vérifier de temps en temps les prévisions météo et les avertissements émis ?
- Quel est l’effet de la réduction de la quantité de gaz à effet de serre ?
- Que pouvez-vous faire ou que peut faire votre communauté, et quiconque dans le monde, pour minimiser le volume d’émissions de gaz à effet de serre dans le futur ?
Rencontrez notre héroïne scientifique locale :
Rachel White
Rachel White est professeure adjointe à l’Université de la Colombie-Britannique dans le département des sciences de la Terre, de l’océanographie et des sciences de l’atmosphère. Elle étudie les ondes de Rossby, un type distinct et massif d’onde dans la circulation atmosphérique. Actuellement, elle étudie la manière dont la dynamique de l’atmosphère peut nous aider à prédire la probabilité de connaître des vagues de chaleur chaque été, dans des endroits comme Vancouver. Elle a commencé à s’intéresser à la science de l’atmosphère il y a longtemps. Elle explique : « Je me souviens d’avoir regardé le film Tornade (Twister) quand j’étais jeune. Ça paraissait tellement génial ! On voyait les gens chasser les tornades et les étudier pour voir comment elles se forment. C’était clair qu’il y avait tant de choses que nous ne comprenions pas à propos du monde, même une chose aussi destructrice qu’une tornade ! Pour moi, la recherche, c’est trouver des choses que personne ne savait avant, et c’est vraiment passionnant ! ».
Contribution
Ce guide « Pleins feux sur la science » a été écrit sur la base de l’article White, R. H., Kornhuber, K., Martius, O., et Wirth, V. (2022). « From Atmospheric Waves to Heatwaves: A Waveguide Perspective for Understanding and Predicting Concurrent, Persistent, and Extreme Extratropical Weather » (Traduction libre : Des ondes atmosphériques aux vagues de chaleur : une perspective sur les guides d’ondes pour comprendre et prédire la météo extratropicale concomitante, persistante et extrême). Bulletin of the American Meteorological Society, 103(3), E923–E935. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-21-0170.1.
