Klimamodellierer fügen Ozeanbiogeochemie und Fischerei zu Prognosen des zukünftigen Auftriebs hinzu

Eine Handvoll hyperproduktiver Fischereien ernähren eine Milliarde Menschen und beschäftigen zig Millionen. Diese Fischerei findet an den östlichen Rändern der Weltmeere statt – vor der Westküste der USA, den Kanarischen Inseln, Peru, Chile und Benguela. Dort bringt ein als Auftrieb bezeichneter Prozess kaltes Wasser und Nährstoffe an die Oberfläche, was wiederum eine große Anzahl größerer Meereslebewesen unterstützt, auf die der Mensch als Nahrung angewiesen ist.

Ein neues Projekt unter der Leitung von Forschern der Texas A&M University versucht zu verstehen, wie sich Änderungen des Klimas und der Ozeane auf die Fischerei in den USA und auf der ganzen Welt auswirken werden.

„Wir sind daran interessiert, wie der Klimawandel den Auftrieb verändern wird und wie die Nachhaltigkeit der zukünftigen Fischerei beeinflusst wird“, sagte Ping Chang, Louis & Elizabeth Scherck Chair in Oceanography an der Texas A&M University (TAMU). „Es stellt sich heraus, dass wir feststellen, dass die Auftriebssimulation der Realität viel näher kommt, wenn wir die Auflösung unserer Klimamodelle erhöhen.“

Das von der National Science Foundation (NSF) finanzierte Projekt zielt darauf ab, mittel- bis langfristige Fischereiprognosen zu entwickeln, die von einigen der höchstaufgelösten gekoppelten Klimaprognosen angetrieben werden, die jemals durchgeführt wurden. Es ist eines der 16 Convergence Accelerator Phase 1-Projekte, die sich mit der „Blue Economy“ befassen – der nachhaltigen Nutzung von Meeresressourcen für Wirtschaftswachstum. Konvergenzprojekte integrieren Wissenschaftler aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen.

Das TAMU-Team unter der Leitung des Ozeanographen Piers Chapman umfasst computergestützte Klimamodellierer, marine biogeochemische Modellierer, Fischereimodellierer, Experten für Entscheidungsunterstützungssysteme und Risikokommunikationswissenschaftler aus Wissenschaft, Bundesbehörden und Industrie.

Chang und Gokhan Danabasoglu vom National Center for Atmospheric Research (NCAR) leiten die Klimamodellierungskomponente der Forschung. Sie benutzen die Frontera-Supercomputer am Texas Advanced Computing Center (TACC) – dem schnellsten akademischen Supercomputer in den USA –, um ihre Forschung voranzutreiben.

In den 1990er Jahren schlug der Meeresbiologe Andrew Bakun vor, dass ein sich erwärmendes Klima den Auftrieb in den östlichen Grenzregionen verstärken würde. Er argumentierte, dass, da sich Land schneller erwärmt als die Ozeane, der Temperaturgradient zwischen Land und Ozean einen stärkeren Wind antreiben würde, was den Auftrieb stärker macht. Jüngste historische Daten deuten jedoch darauf hin, dass das Gegenteil die Norm sein könnte.

„Viele in der Vergangenheit geschriebene Arbeiten verwenden Modelle mit grober Auflösung, die den Auftrieb nicht sehr gut auflösen“, sagte Chang. „Hochauflösende Modelle sagen bisher in den meisten Gebieten einen Auftrieb voraus, nicht einen Anstieg. Die Modelle sagen wärmere, nicht kältere Temperaturen in diesen Gewässern voraus. In Chile und Peru ist die Erwärmung ziemlich signifikant – 2-3 °C Erwärmung im schlimmsten Fall, was Business as usual. Das kann eine schlechte Nachricht für den Aufschwung sein.“

Die Gebiete, in denen Auftrieb auftritt, sind ziemlich eng und lokalisiert, aber ihre Auswirkungen auf das Meeresökosystem sind sehr groß. Der östliche pazifische Auftrieb beispielsweise ist nur etwa 100 Kilometer breit. Die vom Weltklimarat IPCC verwendeten Klimamodelle haben eine Auflösung von 100 Kilometern – und würden daher nur einen Datenpunkt für die Auftriebsregion liefern, nicht annähernd genug, um zukünftige Veränderungen genau vorherzusagen.

Andererseits verwendet das von Chang und seinen Kollegen verwendete Modell eine Auflösung von 10 Kilometern in jede Richtung. Diese sind 100-mal besser aufgelöst als die IPCC-Modelle – und benötigen etwa die 100-fache Rechenleistung.

Changs Studie stützt sich auf zwei getrennte, aber verwandte Sätze von Simulationen. Der erste Satz umfasst ein Ensemble (derselbe Modelllauf mit einem etwas anderen Ausgangspunkt, um ein statistisch gültiges Ergebnis zu erzeugen) von hochauflösenden gekoppelten Erdsystemmodellen. Die zweite bezieht beobachtete Daten in der Atmosphäre ein, um realistische Ozeanzustände zu generieren, die dann zur Initialisierung der Modellvorhersage verwendet werden. Ab 1982 wird es fünfjährige retrospektive Vorhersagen durchführen, um die Fähigkeit des Modells bei der Vorhersage von Auftriebseffekten zu bestimmen.

„Es gibt eine Grenze dafür, wie weit man eine Vorhersage machen kann“, sagte Chang. „Ab einer bestimmten Zeitgrenze hat das Modell keine Fähigkeiten mehr. Mit fünf Jahren zeigt unser Modell immer noch nützliche Fähigkeiten.“

Das Team berichtete über seine Ergebnisse in Nature’s Kommunikation Erde & Umwelt im Januar 2023.

Das Blue Economy-Projekt setzt die jahrzehntelangen Bemühungen des TAMU-NCAR-Teams fort, globale Klimamodelle zu verbessern, sodass sie eine höhere Auflösung und eine höhere physikalische Genauigkeit aufweisen. Das vom Team verwendete Modell war eines von einer Handvoll hochauflösender Erdsystemmodelle, die in den jüngsten IPCC-Bericht aufgenommen wurden und von einem IPCC-Unterausschuss untersucht werden. Sie repräsentieren die Zukunft der globalen Klimamodellierung.

Bei einer Auflösung von 10 Kilometern glauben die Forscher, dass es für Modelle möglich ist, extreme Wetterereignisse wie tropische Wirbelstürme oder atmosphärische Flüsse sowie verfeinerte Vorhersagen darüber, wie sich das Klima in einer bestimmten Region ändern wird, realistisch zu erzeugen. Modelle mit dieser Auflösung können jedoch immer noch keine Wolken auflösen, was Modelle mit einer Auflösung von einigen Kilometern erfordert und derzeit nur für kurzfristige, nicht klimatische Zeitskalen integriert werden kann.

Die Bemühungen, das Erdsystem zu erobern, verbessern sich weiter.

Das TAMU-NCAR-Projekt wird eines der ersten sein, das biogeochemische Ozean- und Fischereimodelle mit einer Auflösung von 10 km in Erdsystemmodelle integriert.

„TACC ist einzigartig darin, Forschern wie uns Ressourcen zur Verfügung zu stellen, um die grundlegenden Fragen der Wissenschaft anzugehen“, sagte Chang. „Unser Ziel sind keine routinemäßigen Vorhersagen. Was wir wollen, ist ein besseres Verständnis der Dynamik des Erdsystems, die in aktuellen Klimamodellen fehlt, um unser Modell und unsere Methoden zu verbessern. Ohne Frontera weiß ich nicht, ob wir solche Simulationen durchführen könnten das tun wir. Es ist von entscheidender Bedeutung.“