Ny risikotriage-platform identificerer sammensatte trusler mod amerikansk infrastruktur

Over en 36-timers periode i august, Orkanen Henri leverede rekordstor nedbør i New York City, hvor et aldrende stormkloaksystem ikke blev bygget til at håndtere syndfloden, resulterer i oversvømmelser i gaderne. I mellemtiden en igangværende tørke i Californien fortsatte med at overbelaste grundvandsmagasiner og udvide statens vandrestriktioner. Da klimaændringer forstærker hyppigheden og intensiteten af ​​ekstreme begivenheder i USA og rundt om i verden, og de befolkninger og økonomier, de truer, vokser og ændrer sig, der er et kritisk behov for at gøre infrastrukturen mere robust. Men hvordan kan dette gøres i tide, omkostningseffektiv måde?

En ny disciplin kaldet multi-sector dynamics (MSD) tilbyder en lovende løsning. MSD går ind for at sammensætte risici og potentielle vippepunkter på tværs af indbyrdes forbundne naturlige og menneskelige systemer. Vippepunkter opstår, når disse systemer ikke længere kan opretholde flere, samudviklende stress, såsom ekstreme begivenheder, befolkningstilvækst, jordforringelse, mangel på drikkevand, luftforurening, aldrende infrastruktur, og øgede menneskelige krav. MSD-forskere bruger observationer og computermodeller til at identificere vigtige forudgående indikatorer for sådanne vendepunkter, at give beslutningstagere kritisk information, der kan anvendes til at mindske risici og øge modstandskraften i infrastruktur og administrerede ressourcer.

På MIT, det fælles program for videnskab og politik for globale forandringer har siden 2018 udviklet MSD-ekspertise og modelleringsværktøjer og brugt dem til at udforske sammensatte risici og potentielle vippepunkter i udvalgte regioner i USA. I et to-timers webinar den 15. sept. MIT Joint Program-forskere præsenterede en oversigt over programmets MSD-forskningsværktøjssæt og dets anvendelser.

MSD og risikotriage-platformen

"Multi-sektor dynamik udforsker interaktioner og gensidige afhængigheder mellem menneskelige og naturlige systemer, og hvordan disse systemer kan tilpasse sig, interagere, og co-evolvere som reaktion på kortsigtede chok og langsigtede påvirkninger og stress, " siger MIT Joint Program Vicedirektør C. Adam Schlosser, bemærker, at en sådan analyse kan afsløre og kvantificere potentielle risici, som sandsynligvis ville unddrage sig påvisning i silede undersøgelser. "Disse systemer kan opleve kaskadevirkninger eller fejl efter at have krydset vippepunkter. Det virkelige spørgsmål er ikke kun, hvor disse vippepunkter er i hvert system, men hvordan de manifesterer sig og interagerer på tværs af alle systemer."

For at besvare det spørgsmål, programmets MSD-forskere har udviklet MIT Socio-Environmental Triage (MST) platformen, nu offentligt tilgængelig for første gang. Fokuseret på det kontinentale USA, den første version af platformen analyserer nutidens risici relateret til vand, jord, klima, økonomien, energi, demografi, sundhed, og infrastruktur, og hvor disse sammensættes for at skabe risiko hot spots. Det er i bund og grund et visualiseringsværktøj på screeningsniveau, der giver brugerne mulighed for at undersøge risici, identificere hot spots ved kombination af risici, og træffe beslutninger om, hvordan der skal implementeres mere dybdegående analyser for at løse komplekse problemer på regionalt og lokalt niveau. For eksempel, MST kan identificere hot spots for kombinerede oversvømmelser og fattigdomsrisici i det nedre Mississippi-flodbassin, og derved advare beslutningstagere om, hvor der er behov for mere koncentrerede ressourcer til oversvømmelseskontrol.

Successive versioner af platformen vil inkorporere fremskrivninger baseret på MIT Joint Program's Integrated Global System Modeling (IGSM) ramme af, hvordan forskellige systemer og stressfaktorer kan udvikle sig sammen i fremtiden og derved ændre risikolandskabet. Denne forbedrede kapacitet kan hjælpe med at afdække omkostningseffektive veje til at afbøde og tilpasse sig en lang række miljømæssige og økonomiske risici.

MSD applikationer

Fem webinarpræsentationer undersøgte, hvordan forskere fra MIT Joint Program anvender programmets risikotriage-platform og andre MSD-modelleringsværktøjer til at identificere potentielle vippepunkter og risici inden for fem nøgledomæner:Vandkvalitet, arealanvendelse, økonomi og energi, sundhed, og infrastruktur.

Joint Program Principal Research Scientist Xiang Gao beskrev hendes bestræbelser på at anvende en højopløsnings amerikansk vandkvalitetsmodel til at beregne en lokationsspecifik, vandkvalitetsindeks over mere end 2, 000 vandløbsoplande i landet. Ved at tage højde for interaktioner mellem klima, landbrug, og socioøkonomiske systemer, forskellige vandkvalitetsmål kan opnås lige fra nitrat- og fosfatniveauer til fytoplanktonkoncentrationer. Denne modelleringstilgang fremmer en unik evne til at identificere potentielle hotspots for vandkvalitetsrisiko for ferskvandsressourcer.

Joint Program Research Scientist Angelo Gurgel diskuterede sin MSD-baserede analyse af, hvordan klimaændringer, befolkningstilvækst, ændring af kostvaner, Forbedringer af afgrødeudbyttet og andre kræfter, der driver ændringer i arealanvendelsen på globalt plan, kan i sidste ende påvirke, hvordan jord bruges i USA. Med udgangspunkt i nationale observationsdata og IGSM-rammen, analysen viser, at mens de nuværende tendenser i USA's arealanvendelse forventes at fortsætte eller intensiveres mellem nu og 2050, der er ingen beviser for, at der er opstået nogen vendepunkter i denne periode.

MIT Joint Program Research Scientist Jennifer Morris præsenterede flere eksempler på, hvordan risikotriage-platformen kan bruges til at kombinere eksisterende amerikanske datasæt og IGSM-rammen for at vurdere energimæssige og økonomiske risici på regionalt niveau. For eksempel, ved at aggregere separate datastrømme om fossilt brændstofbeskæftigelse og fattigdom, man kan målrette udvalgte amter til jobtræningsprogrammer for ren energi, efterhånden som nationen bevæger sig mod en fremtid med lavt kulstofindhold.

"Vores modellering og risikotriage rammer kan give billeder af nuværende og forventede fremtidige økonomiske og energimæssige landskaber, " siger Morris. "De kan også fremhæve interaktioner mellem forskellige mennesker, bygget, og naturlige systemer, herunder forstærkning af risici, der opstår på samme sted."

MIT Joint Program forskningstilknyttede Sebastian Eastham, en forsker ved MIT Laboratory for Aviation and the Environment, beskrev en MSD-tilgang til undersøgelse af luftforurening og folkesundhed. At forbinde IGSM med en atmosfærisk kemimodel, Eastham sigter i sidste ende på bedre at forstå, hvor de største sundhedsrisici er i USA, og hvordan de kan forværres gennem dette århundrede under forskellige politiske scenarier. Brug af risikotriageværktøjet til at kombinere aktuelle risikomålinger for luftkvalitet og fattigdom i et udvalgt amt baseret på aktuelle befolknings- og luftkvalitetsdata, han viste, hvordan man hurtigt kan identificere hjerte-kar- og andre luftforurenings-inducerede sygdomsrisiko-hot spots.

Endelig, MIT Joint Program forskningstilknyttede Alyssa McCluskey, en underviser ved University of Colorado i Boulder, viste, hvordan risikotriage-værktøjet kan bruges til at lokalisere potentielle risici for veje, vandveje, og strømforsyningsledninger fra oversvømmelser, ekstreme temperaturer, befolkningstilvækst, og andre stressfaktorer. Ud over, McCluskey beskrev, hvordan udvikling og udvidelse af transport- og energiinfrastruktur kan true kritiske dyrelivshabitater.

Muliggør omfattende, lokationsspecifikke analyser af risici og hot spots inden for og mellem flere domæner, det fælles programs MSD-modelleringsværktøjer kan bruges til at informere om politikudformning og investeringer fra kommunalt til globalt niveau.

"MSD påtager sig udfordringen med at forbinde mennesker, naturlig, og infrastruktursystemer for at informere risikoanalyse og beslutningstagning, " siger Schlosser. "Gennem vores risikotriage-platform og andre MSD-modeller, vi planlægger at vurdere vigtige interaktioner og vippepunkter, og at give fremsyn, der understøtter handling hen imod en bæredygtig, robust, og velstående verden."