Hvordan forskere forbedrer vand- og klimaforudsigelsesmodeller i kolde regioner

Verden ændrer sig hurtigt, og fortiden er ikke længere en vejviser til fremtiden i form af ekstreme begivenheder og oversvømmelser. Det er et af resultaterne fra et papir om Changing Cold Regions Network (CCRN), et resumé af forskningsprogrammet, der blev afsluttet i 2018, og som for nylig samlede mange af dets videnskabelige fremskridt i et specialnummer af tidsskriftet Hydrologi og jordsystemvidenskab .

CCRN-forskningen havde til formål at forbedre prognose- og forudsigelsesmodeller for bedre at forstå, hvilke udfordringer det vestlige og nordlige Canada kan stå over for i fremtiden, når planeten opvarmes.

Hidtil usete begivenheder som Fort McMurray, Alta., skovbrande i 2016 og Calgary-oversvømmelsen i 2013 kan begynde at blive mere almindelige og mere alvorlige, sagde Dr. Chris DeBeer, videnskabschef for CCRN og det pan-canadiske Global Water Futures (GWF) program, ledet af University of Saskatchewan (USask) Global Institute for Water Security (GIWS) og Center for Hydrologi.

"At være i stand til bedre at forstå, hvad fremtiden kan byde på, er meget vigtigt for samfundet, for vores vandressourcer og for infrastruktur og sundhed og mange andre relaterede ting, " sagde DeBeer.

Udfordrende miljøer

Det viser sig, prærierne, bjergene, og norden kan være svær at modellere.

"Overfladevandsforbindelser eksisterer ikke hele tiden, og en stor del af prærielandskabet er dækket af glaciale lavninger, der kun forbindes periodisk, "DeBeer sagde. "Det har altid været en udfordring for standardmodeller at repræsentere det."

Forskningen udført af CCRN forbedrede modellernes evne til at repræsentere hydrologien i det vestlige og nordlige Canada, som har unikke egenskaber som permafrost og gletsjere. GWF, et udvidet opfølgningsprogram fra CCRN, udvikler modellerne yderligere og fokuserer på hele Canada såvel som de kolde og høje bjergområder i verden, som leverer vand til en stor del af verdens befolkning.

"Det er udfordrende miljøer, "DeBeer sagde. "Processer som snesmeltning og infiltration i frossen jord og frysning og optøning af jord - kolde regioners processer er unikke og vanskelige at repræsentere i computermodeller."

Klimaændringer påvirker også landskaber og arealdækning, som landbrug og græsarealer, der kryber mod nord, buske, der trænger ind på tundraen, og løvtræer, der erstatter stedsegrønne planter i den boreale skov. Disse ændringer kan have en indvirkning på forudsigelserne fra disse modeller.

Skiftende landskaber

Dr. Jennifer Baltzer, lektor og Canada Research Chair ved Wilfrid Laurier University og en ledende forsker hos GWF, var en del af CCRN med fokus på ændring af landdækning på høje breddegrader.

Hydrologiske modeller og landdækningsmodeller udvikles sideløbende. Et vigtigt skridt er at bringe disse modeller sammen for at forbedre nøjagtigheden af ​​vores forudsigelser, sagde Baltzer.

"Den type vegetation, du har i disse regioner, har stærk kontrol over nogle af disse fysiske vand- og energirelaterede udvekslinger, " hun sagde.

CCRN-forskningen fangede store klimaopvarmningsinducerede vegetationsovergangsscenarier i simuleringskørsler af jordoverflademodellerne, som Environment and Climate Change Canada (ECCC), og CCRN brugte.

Modellerne har en række forskellige landdækningstyper, som bruges som en del af scenarier, de kører. Baltzer sagde, at ved at ændre landdækningerne, vi kan begynde at vurdere, hvad konsekvenserne er af klimaopvarmningsinducerede vegetationsændringer.

Hydrologiske modeller og landdækningsmodeller udvikles sideløbende. Et vigtigt skridt er at bringe disse modeller sammen for at forbedre nøjagtigheden af ​​vores prognoser, sagde Baltzer.

"Hvis du vil forsøge at forudse det ene og ignorere det andet, du får det ikke rigtigt, fordi de to taler med hinanden og interagerer med hinanden."

En national indsats for at forbedre beredskabet til klimaforandringer

GWF-programmet arbejder sammen med den føderale regering og provinserne og territorierne for at forbedre den nationale vandforudsigelse, som kan hjælpe med at informere brugerne om klimaændringernes indvirkning på vandtilgængeligheden, ekstreme oversvømmelser og tørke, flodsletter og virkningen af ​​faldende snepakning, gletsjere og optøende permafrost på fremtidige vandstrømme.

Forskere har arbejdet på at forbedre den fine skala Cold Regions Hydrologic Modeling platform, og den storstilede MESH-model (Modélisation Environmentale Communautaire—Surface and Hydrology) - hydrologi-landoverfladeskemaet i ECCC's miljømodelleringssystem i lokalsamfundet.

Modelleringssystemet har taget videnskabelige fremskridt fra CCRN og GWF og anvendt dem i vigtige flodbassiner over hele Canada, herunder De Store Søer-St. Lawrence, Saskatchewan-Nelson, Mackenzie, Fraser, Columbia, Sankt Johannes, og Yukon.

"Sammen, vi udvikler en national vandforudsigelsesramme, der er bundet til forskellige regeringsniveauer og adresserer nationale og lokale behov i hvert flodopland, " sagde DeBeer. "Vi gør fremskridt i forskellige dele af landet med hensyn til modellens muligheder og operationer, og vi bruger denne CCRN-videnskab til at gøre det."