Internationalt forskningssamarbejde beregner klimafortiden, til stede, og fremtid

Mange af verdens største byer er bygget nær kyster, om det er langs floder eller oceaner. Menneskeheden er afhængig af vandveje til transport, handel og forsørgelse. Imidlertid, vandveje kan også udløse ødelæggende oversvømmelser, der fører til skader for milliarder, tab af liv, og årelange oprydningsarbejde.

To geografisk adskilte områder, der er tilbøjelige til at håndtere oversvømmelsernes raseri, den canadiske provins Quebec og den tyske delstat Bayern har samarbejdet i et årti om at undersøge klimaændringernes indvirkning på vandressourcerne. Den seneste bestræbelse på dette partnerskab, ClimEx-projektet, har til formål at forbedre forskernes forståelse af alvorlige oversvømmelsers dynamik under skiftende klimaforhold. "Denne viden er af fundamental betydning, " siger prof. dr. Ralf Ludwig, Geografiprofessor ved Münchens Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) og projektleder for ClimEx. "Forståelse af disse fænomener hjælper os med bedre at forberede og forbedre tilpasningen til de stigende ekstreme begivenheder, vi forventer at stå over for i vores fremtid."

"Målet med ClimEx er at undersøge ekstreme oversvømmelser forbundet med lange returperioder, sagde Martin Leduc, klimaforsker ved non-profit forskningsorganisationen Ouranos og partner i ClimEx-projektet. "Hvis man ser på observationer, du har kun en relativt kort periode til at referere - ofte mindre end 30 års nøjagtige, detaljerede data. For de mest ekstreme oversvømmelser, disse er fænomener fra en gang i århundredet."

For effektivt at modellere langsigtede klimatendenser, ClimEx-samarbejdspartnerne bruger SuperMUC-supercomputeren på Leibniz Supercomputing Center (LRZ). Holdet offentliggjorde sine seneste resultater i Journal of Applied Meteorology and Climatology , simulerer klimaet i Quebec og Bayern fra 1950 til 2100.

Zoomer ind, breder sig ud

At studere klimatendenser og -ændringer beregningsmæssigt, forskere bruger en klimamodel til at opdele undersøgelsesområdet i et gitter til at simulere de utallige meteorologiske processer og egenskaber, der danner et områdes klima.

Med en begrænset mængde computerkraft tilgængelig for enhver given simulering, forskere er nødt til at simulere et repræsentativt område af kloden over en lang nok periode til at etablere klimatendenser, samtidig med at de fanger nok detaljer til at verificere en models evne til at forudsige tidligere klimaadfærd og, på tur, forudsige fremtidige klimabegivenheder. Derfor, et sådant eksperiment involverer en balance mellem længden af ​​simuleringerne, detaljeringsgraden (opløsningen) af nettet, og størrelsen af ​​det overdækkede område.

For at balancere disse krav, klimaforskere bruger en kombination af en global klimamodel (GCM) og en regional klimamodel (RCM). Mens GCM'er simulerer klimaet over hele kloden, de er nødt til at ofre detaljeringsgraden, betyder, at afstanden mellem to nabonetceller skal være mere end 100 kilometer. Ved at bruge den canadiske regionale klimamodel version 5 (CRCM5), der blev udviklet af ESCER Centre of l'Université du Québec à Montréal i samarbejde med Environment and Climate Change Canada, forskerne er i stand til at studere områder af kloden med meget højere detaljer ved hjælp af gitter med en opløsning på 12 kilometer. Dette gjorde det muligt for LMU-Ouranos-LRZ-teamet at køre sine simuleringer, herunder relevante klimafænomener i høj opløsning.

For bedre at forstå og forudsige oversvømmelser, holdet nedskalerer ClimEx-simuleringerne yderligere statistisk for at levere inputdata for hyperpræcise, hydrologisk modellering i høj opløsning. Ikke alene hjælper denne detaljeringsgrad bedre med at forudse og planlægge store oversvømmelser i Bayern og Quebec, men det hjælper også med at give information af højere kvalitet til andre effektmodeller og beslutningstagere.

Leduc bragte også "sommerfugleeffekten", da den var relateret til klimasimuleringer - selv de højeste opløsningssimuleringer kan ikke redegøre for alle de minimale ændringer, der kan påvirke klimaændringer. Yderligere, Forskere har ingen mulighed for at vide, hvor meget menneskeheden vil bremse sine emissioner i de kommende årtier, hvilket kan påvirke klimamønstret markant. I ClimEx, holdet kørte 50 simuleringer for Bayern og 50 for Quebec, med hver iteration, der introducerer små ændringer i inputdata, giver dem i alt 7, 500 års klimadata for hvert sted.

Ikke kun er disse simuleringer beregningsmæssigt dyre, men de genererer også en ekstremt stor mængde data - mere end 500 terabyte, faktisk. For at få meningsfulde resultater fra disse simuleringer og den efterfølgende dataanalyse, forskere har brug for adgang til verdensførende computerressourcer.

"At lave disse simuleringer krævede en utrolig mængde beregningsressourcer, og beregningerne holder i mere end 6 måneder, " sagde Leduc. LRZ personale hjalp med at sikre, at holdet kunne køre sine simuleringer så effektivt som muligt, og hjalp holdet med at få adgang til en komplet beregningsø på SuperMUC for at fremskynde dets simuleringer, og var i stand til at hjælpe teamet med at optimere sin kode og administrere sin enorme mængde data.

Forudsigelse af fremtiden

Holdets simuleringer viste god overensstemmelse med historiske klimadata, efterlader dem tillid til dens forudsigelsesevne og dens evne til at hjælpe med at forbedre effektmodeller og regionale tilpasningsstrategier. Ludwig bekræfter, at holdet deler sine data med forskersamfundet, og forklarer, at ClimEx-eksperimentet kan hjælpe forskere med at studere de fremtidige sandsynligheder for ekstreme begivenheder såsom hedebølger, oversvømmelser, og brande, og forbinder meteorologiske mønstre med udviklingen af ​​disse ekstreme begivenheder. Dette datasæt hjælper videnskabsmænd og embedsmænd med bedre at evaluere oversvømmelsesrisikofremskrivninger og udvikle mere robuste metoder til at afbøde oversvømmelsernes påvirkning.

I det værste tilfælde, hvor kulstofemissionerne fortsætter med at vokse med omkring en procent om året, modellen forudsiger, at europæiske somre i gennemsnit bliver varmere med op til otte grader Celsius om året fra 2080, og at Quebecois vintre ville være op til 12 grader varmere i samme tidsrum.

"Disse fremskrivninger refererer til sommeren i Europa, og det er vigtigt, fordi denne opvarmning vil ske samtidig med et fald i nedbør, hvilket betyder, at Europa kunne få meget varmere og tørrere somre, hvilket øger muligheden for mere ekstreme hedebølger og tørke, " sagde Leduc. "Vi bør holde tingene i perspektiv, selvom. Modellen antager en vej for fremtidige drivhusgasemissioner, og den del er stadig usikker. Vi ved ikke, hvor meget vi vil begrænse CO2-udledningen i fremtiden."