Hurrikanschäden kosten in den Vereinigten Staaten durchschnittlich 20,5 Milliarden US-Dollar pro Ereignis. Ihre Auswirkungen sind weit verbreitet und oft chronisch, mit dem Verlust von Infrastruktur, Gemeinschaften und Menschenleben. Die Nachbeben breiten sich noch weiter aus – der Druck auf das Stromnetz des Landes nimmt zu, da die Häufigkeit und Intensität von Hurrikanen immer höher wird.
Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums arbeiten daran, Behörden, Einsatzkräfte und Gemeinden besser auf diese zunehmend extremen Wetterereignisse vorzubereiten. Und das alles, während wir unseren Strom am Laufen halten.
Worst-Case-Szenario, aber besser
Die Frontlinien der Hurrikanreaktion und -wiederherstellung sind übersät mit umgestürzten Menschenleben und kostspieligen Schäden, oft über weite Gebiete. Während Hurrikane selbst nicht aufgehalten werden können, treibt David Judi, Leiter der Earth Systems Predictability and Resiliency Group bei PNNL, Lösungen voran, um sich besser auf die schlimmsten Auswirkungen dieser Extremereignisse vorzubereiten und ihnen entgegenzuwirken.
In enger Abstimmung mit dem interinstitutionellen System des Bundes, zu dem auch die Federal Emergency Management Agency (FEMA) gehört, verwenden Judi und seine Gruppe 7-Tage-Wettervorhersagen, um Hochwassermodelle wie die zu steuern Rapid Infrastructure Flood Tool (RIFT), die die am stärksten betroffenen Gebiete abschätzen. Die Kopplung mit hochauflösenden Topografiedaten ermöglicht es dem Team, lokale Merkmale wie Abgaben zu berücksichtigen, die Überschwemmungen und die Verteilung von Schäden auf dem Weg eines Hurrikans erheblich beeinflussen können.
„Anhand dieser Informationen können Behörden Ressourcen effektiver organisieren und strategisch platzieren, darunter Notunterkünfte, Einsatzpersonal und Ersatzausrüstung für kritische Einrichtungen wie Krankenhäuser und Pflegeheime“, sagte Judi. Sie können auch das Stromnetz stärken und sichern, um langfristige Schäden zu reduzieren und kurzfristige Stromausfälle für Kunden zu minimieren.
Das Unvermeidliche aushalten
Die von Judis Gruppe entwickelten Tools sind nicht nur im Vorfeld eines Sturms wertvoll. Sie helfen den Gemeinden auch, indem sie sowohl Situationsbewusstsein während einer Veranstaltung als auch Informationen bereitstellen, die ihnen helfen, sich schnell zu erholen, sobald der Wind nachlässt. Unter der Leitung des PNNL-Datenwissenschaftlers Andre Coleman verwendet die Gruppe auch eine Reihe von Tools, die als bekannt sind Schnelle Analysen für die Katastrophenhilfe (RADR; ein solches Tool, RADR-Fire, wird von PNNL-Forschern verwendet, um Waldbrände bekämpfen), um anhand von Satellitenbildern das Ausmaß von Überschwemmungen und beschädigter Infrastruktur am Boden zu erkennen. Dies hilft beispielsweise Energiemanagern und Energieversorgern, betroffene Umspannwerke zu identifizieren. Dies ist besonders nützlich bei Überschwemmungen, da es hilft, überschwemmte Gebiete zu erkennen und zu selektieren, die in den frühen Stadien der Wiederherstellung nicht zu Fuß erreichbar sind.
Durch den Einsatz von Fachwissen, um sowohl unsere Reaktion auf Notfälle in Echtzeit zu verbessern als auch die Stürme der Zukunft besser vorherzusagen, helfen PNNL-Forscher dabei, Gemeinden vorzubereiten und das Netz angesichts aggressiverer Stürme zu sichern. Kredit: Animation von Sara Levine | Nationales Labor des pazifischen Nordwestens
PNNL nimmt es mit den Schwergewichten der Sturmwelt auf – wirklich jedem Großereignis seit 2016, einschließlich Harvey 2017, Florence 2018 und Ida erst letztes Jahr. Die Überreste von Ida, ganz zu schweigen vom Sturm selbst, sind zu einer Fallstudie geworden, um den Klimawandel und seine Auswirkungen besser zu verstehen.
Zuletzt haben Judi und sein Team ihre Fähigkeiten eingesetzt, um Gemeinden während der historischen Überschwemmungen in Kentucky Ende Juli dieses Jahres, den anhaltenden Überschwemmungen und Schäden in Jackson, Mississippi, und den Hurrikanen Fiona und Ian zu helfen. Diese Ereignisse demonstrieren die Leistungsfähigkeit der Tools in einer Vielzahl von Katastrophenszenarien.
Wie es funktioniert
Mit all der Kleinarbeit von Judi und seinen Kollegen sind das System und seine Funktionen nun fast vollständig automatisiert. Sobald ein bevorstehendes Ereignis erkannt wird, beginnt das System sofort mit der Zusammenstellung von Daten und Vorhersagen von Vorhersageagenturen, einschließlich des Nationalen Wetterdienstes. Die topografischen Daten für die gesamten Vereinigten Staaten sind bereits bereitgestellt – es muss nur noch angegeben werden, auf welches Gebiet sie sich konzentrieren sollen. Die resultierenden Schätzungen werden an Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden weitergeleitet, die die von ihnen bereitgestellten Informationen nutzen, um sich so gut wie möglich auf den bevorstehenden Angriff vorzubereiten.
Sowohl während die markanten, wirbelnden Wolken des Hurrikans Schläge austeilen als auch nachdem sie endgültig verwelkt sind, springen Coleman, Judi und der Rest des Teams in Aktion, um den Schaden zu bewerten und zu erkennen. Dazu gehört die Verwendung von Änderungserkennungsbildern (eine Art von Radar, das als Radar mit synthetischer Apertur bezeichnet wird, sowie von Altimetriedaten), um durch die dicken Wolken zu „sehen“ und Überschwemmungen zu erkennen, während sie auftreten, sowie die Bewertung bestimmter Bereiche durch Vergleichen von Luftbildern Bilder von Land vor und nach dem Sturm. Die resultierenden Daten können eine Auflösung von weniger als 5 Metern haben und geben detaillierte Auskunft über die schlechter gestellten Bereiche und das volle Ausmaß des Schadens.
Obwohl es andere Modelle gibt, die auf Hurrikane abzielen, ist PNNL führend bei der Bereitstellung robuster, vorhersagbarer Überschwemmungskontexte über große geografische Gebiete in nahezu Echtzeit. Dies ist eine unschätzbare Fähigkeit, die für Gemeinschaften jetzt und in Zukunft wichtig ist.
In die Zukunft schauen
Die Arbeit von PNNL endet nicht im Hier und Jetzt. Forscher arbeiten daran, besser zu verstehen, wie Hurrikane und ihre Auswirkungen durch den Klimawandel beeinflusst werden könnten. Ruby Leung, ein PNNL-Atmosphärenwissenschaftler und Battelle Fellow, ist auch der leitende Wissenschaftler des Energy Exascale Earth System Model (besser bekannt als E3SM), eines Erdsystemmodells, das entwickelt wurde, um die Energiemission des DOE zu unterstützen.
E3SM wurde speziell entwickelt, um hochauflösende Klimasimulationen auf den Hochleistungscomputern des DOE auszuführen, um Stürme besser darzustellen. Mehrere nationale DOE-Labors haben sich zusammengeschlossen, um Prozesse in der Atmosphäre, an Land, im Ozean und im Eis zu modellieren, wobei PNNL-Wissenschaftler dabei eine Schlüsselrolle spielen Entwicklung und Nutzung von E3SM zur Beantwortung neuer wissenschaftlicher Fragestellungen. Während Erdsystemmodelle typischerweise mit groben Auflösungen mit begrenzter Fähigkeit zur Simulation von Stürmen betrieben werden, können hochauflösende E3SM-Simulationen weitaus genauere Informationen über Hurrikane liefern und glaubwürdigere Projektionen ihrer zukünftigen Veränderungen ermöglichen.
E3SM zielt auf das Wetterphänomen ab, das allgemein als tropische Wirbelstürme bekannt ist, die in verschiedenen Teilen der Welt auch als Hurrikane oder Taifune bezeichnet werden. Große Hurrikane sind die stärkste Art tropischer Wirbelstürme, während tropische Depressionen die schwächsten sind.
„E3SM ist ein wichtiges Werkzeug zur Modellierung der Intensität tropischer Wirbelstürme, der Häufigkeit und des Ortes der Landung“, sagte Leung. „Durch die Verbesserung der Modellierung tropischer Wirbelstürme kann E3SM wichtige Informationen liefern, um die Anfälligkeit der Küsten gegenüber dem Klimawandel zu beheben.“
Ein wichtiges Anliegen ist zu lernen, wie wir die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes erhöhen können, wenn Hurrikane in einem wärmeren Klima intensiver werden. Ohne das Stromnetz laufen wir Gefahr, einige der wichtigsten Dinge zu verlieren, die unsere Welt, wie wir sie kennen, antreiben – Elektrizität, das Internet, Mobiltelefone und sogar fließendes Wasser. Die aktuelle PNNL-Forschung trifft genau den Nerv dieses Problems – Karthik Balaguru, ein Klimawissenschaftler und Teamleiter für Küstenmodellierung bei PNNL, der eng mit Judi und Leung zusammenarbeitet, steht an vorderster Front bei der Untersuchung, wie der Klimawandel die Wildheit von Hurrikanen beeinflussen wird.
Balaguru und seine Kollegen fanden kürzlich heraus, dass dies an der US-Atlantikküste der Fall ist zu einem besonders potenten Gebiet für die Entstehung feuchterer und sich schneller entwickelnder Hurrikane. In einer wärmeren Welt stellen sie fest, dass Hurrikane nur schneller stärker werden und unter anderem an der Atlantikküste ein neues Überschwemmungsrisiko mit sich bringen.
Stützen Sie die Modelle ab
Die Hurrikanforschung umfasst zwei Hauptaspekte: das Verständnis, wie ein Hurrikan physisch funktioniert, und eine klare Vorstellung davon, wie seine Auswirkungen aussehen werden. Wissenschaftler verwenden eine Hierarchie von Modellen, um dies anzugehen, wobei Modelle mit höherer Auflösung eine tiefere Analyse der Struktur eines Sturms und des daraus resultierenden Verhaltens ermöglichen. Allerdings reichen selbst hochauflösende Modelle wie E3SM aufgrund ihres erheblichen Rechenaufwands nicht aus, um die gesamte Bandbreite des Hurrikanrisikos über längere Zeiträume und auf lokaler bis regionaler Ebene zu verstehen. Geben Sie das Risk Analysis Framework for Tropical Cyclones oder RAFT ein.
FLOSS ist ein Hybridmodell, das Physik, Statistik und maschinelles Lernen verwendet, um tropische Wirbelstürme zu simulieren, die voraussichtlich von bestimmten Klimazonen erzeugt werden. Die geringen Rechenkosten von RAFT ermöglichen es Forschern, bestimmte Orte zu vergrößern und die Risiken verschiedener Hurrikanszenarien herauszufinden. Unter Verwendung von Umgebungen aus Klimamodellen kann RAFT eine große Anzahl von Stürmen simulieren und welche Art von Auswirkungen sie sowohl in einem bestimmten Klima als auch mit der Entwicklung des Klimawandels haben könnten.
Balaguru ist ein wichtiger Akteur in der RAFT-Modellierung. „RAFT ermöglicht es, Risiken in die Zukunft zu projizieren, was unser Verständnis darüber, wie sich Hurrikane zusammen mit dem Klima verändern werden, erheblich verbessert“, sagte Balaguru. „Dies kann uns auch ermöglichen, mögliche Bedrohungen für das Stromnetz tiefer zu visualisieren.“
Alles zusammenbringen
Sowohl die Arbeit von Judi und Coleman an Echtzeit-Notfallszenarien als auch das Erdsystem und die Modellierungsforschung tropischer Wirbelstürme von Leung und Balaguru können für noch bessere Projektionen der Auswirkungen tropischer Wirbelstürme gekoppelt werden.
Dies gibt Gemeinden nicht nur eine wertvolle Möglichkeit, Schäden zu minimieren und sich schneller zu erholen, sondern auch uns und unsere Ressourcen auf die aggressiveren Stürme der Zukunft vorzubereiten.
Judi und Balaguru haben kürzlich ein Webinar mit dem Titel „Resilience to Hurricanes and Floods“ als Teil der Webinar-Reihe „Grid Resilience @ PNNL“ präsentiert. Sehen Sie sich die Aufzeichnung an hier.