Klimasimulationen definieren Ursachen des nordamerikanischen Monsuns neu

Im Durchschnitt erhalten Westmexiko und der amerikanische Südwesten zwischen Juli und September die Hälfte ihrer Niederschläge für das Jahr. Die Sintflut ist auf das Wettermuster zurückzuführen, das als Monsun bekannt ist – aber laut einer neuen Arbeit des Atmosphärenforschers William Boos von der University of California, Berkeley, und seines Teams zeigen neue Analysen und hochauflösende Modelle, dass dieser Monsun wie kein anderer auf der Erde ist .

Die meisten Monsune – kontinentale Muster, die durch Wind und starke Regenfälle gekennzeichnet sind und in den wärmeren Monaten weltweit typisch sind – werden durch Unterschiede in den Erwärmungsraten verursacht. Die heiße Sommersonne bewirkt, dass die Atmosphäre über Land wärmer wird als die Atmosphäre über dem Ozean. Wenn die wärmere Luft aufsteigt, zieht sie kühlere, feuchtere Luft von über dem Ozean an und verursacht intensive Regenstürme. Diese Monsune sind „thermisch erzwungene“ Monsune.

Neue Forschungsergebnisse zeigen jedoch, dass der nordamerikanische Monsun, der bis nach Colorado und Nordkalifornien reichen kann, hauptsächlich durch mechanische Mittel entsteht – nicht durch thermische. Boos und sein Team simulierten den nordamerikanischen Monsun mit Ressourcen des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) im Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und fanden heraus, dass sich dieser Monsun bildet, wenn Luft aus dem Jetstream zum Äquator und dann gezwungen wird weiter oben in die Atmosphäre durch die Berge der Sierra Madre, wo es abkühlt, bis Wasserdampf kondensiert und als Regen auf die Erde fällt. Es ist der einzige Monsun auf der Erde, von dem bekannt ist, dass er sich auf diese Weise bildet.

Diese Unterscheidung kam während einer Studie des US-Energieministeriums über Berge in Nordamerika und ihre Auswirkungen auf Wettermuster ans Licht – neue hochauflösende Modelle erfassten die Auswirkungen von Bergen, die zu klein waren, um in früheren Modellen mit niedrigerer Auflösung gut erfasst zu werden, und enthüllten bisher Unsichtbares Dynamik.

„Die Berge über Nordamerika sind eigentlich ziemlich klein, und ich meine nicht, dass sie kurz sind“, sagte Boos. „Wenn Sie sich die Berge über Westmexiko ansehen, sind sie sehr schmal im Vergleich zu beispielsweise dem tibetischen Plateau oder den Rocky Mountains. Und wenn Sie ein globales Computermodell verwenden, können Sie ein Modell mit ziemlich niedriger Auflösung haben und trotzdem haben ein ziemlich gutes tibetisches Plateau. Aber um diese nordamerikanischen Berge zu bekommen, sind viele von ihnen ziemlich klein, also brauchen Sie ein sehr hochauflösendes Modell, um diese Berge gut darzustellen.

Bei diesem Detaillierungsgrad kommt Hochleistungsrechnen ins Spiel. Boos und sein Team nutzten die Ressourcen von NERSC, um mehrere hochauflösende Simulationen durchzuführen, von denen jede einen anderen Satz von Variablen über zehn Jahre Simulationszeit untersuchte – weit länger als möglich gewesen wäre anderswo. Die Berechnung dauerte fast fünf Millionen Rechenstunden.

„Für dieses spezielle Projekt ermöglichte uns das Hochleistungsrechnen bei NERSC, mehrere Simulationen mit einem Modell mit sehr hoher Auflösung über viele Jahre hinweg durchzuführen“, sagte Boos. „Sie können die Erdatmosphäre beispielsweise zwei Monate lang mit sehr hoher Auflösung auf vielen Computern simulieren, aber wir mussten mehrere Simulationen für jeweils zehn Jahre durchführen. Wir mussten eine Steuerungssimulation mit Bergen durchführen, eine andere ohne Berge, und wir haben eine dritte Simulation, um zu testen, ob der thermische Antrieb der Landoberfläche wichtig ist, bei der wir im Grunde die Erwärmung des nordamerikanischen Kontinents durch die Sonne hoch- und runtergekurbelt haben, und wir mussten jede dieser drei verschiedenen Simulationen durchführen – eine Kontrolle und zwei Experimente , wenn Sie so wollen – oder zehn Jahre simulierte Zeit.“

Neben der Rechenleistung bei NERSC nutzten Boos und sein Team die von NERSC gehostete Jupyter-Schnittstelle für die Zusammenarbeit: „Die gemeinsam genutzte Jupyter-Schnittstelle hat der Datenanalyse in unserer Gruppe einen großen Schub gegeben, indem sie den Zugriff auf große Datensätze und leistungsstarken Python-Code über a Webbrowser“, sagte er. „Es hat wirklich geholfen, Studenten Big-Data-Analysen beizubringen und Arbeitsabläufe zwischen Mitarbeitern zu übertragen.“

Unterstützt durch diese Rechenmodelle zusätzlich zu einfacheren, idealisierteren theoretischen Modellen, hat dieses neue Verständnis der Entstehung des nordamerikanischen Monsuns wichtige Auswirkungen auf kurzfristige Wetter- und langfristige Klimaprognosen in der Region – insbesondere wenn sich das Erdklima erwärmt. Der nordamerikanische Monsun ist eine wichtige Wasserquelle für Westmexiko und den amerikanischen Südwesten. Seine nördlichen Ausläufer können jedoch auch an Orten wie Kalifornien Blitzeinschläge verursachen, was die Wahrscheinlichkeit eines Lauffeuers dort erhöht. Vorhersagen deuten darauf hin, dass sich der Jetstream verschieben könnte, wenn sich die Erde erwärmt. Neue Modelle, die zeigen, wie geografische Hindernisse diese Luft umleiten, könnten ein besseres Verständnis dafür bieten, wie Wasser verteilt wird und wo extreme Wetterereignisse in Zukunft auftreten können.

„Es gibt diese vorherrschende Ansicht, dass sich der nordamerikanische Monsun ändern könnte, dass es trockener oder feuchter werden könnte, weil sich der thermische Kontrast zwischen Land und Ozean ändert“, sagte Boos. „Aber wir sagen nein, was wirklich zählt, ist, dass der Jetstream von den Bergen abgelenkt wird. Und es gibt einige Hinweise darauf, dass der Jetstream insgesamt seinen Breitengrad mit der globalen Erwärmung verschieben wird, und so ändert es wirklich, wie wir aussehen sollten wenn wir versuchen zu bewerten, wie sich das Wasser in dieser Region in Zukunft verändern wird.“

Ein Teil dieser Arbeit wird von Boos und seinem Team kommen, da sie mehr hochauflösende Modelle ausführen und dabei zukünftige Variablen wie mehr Kohlendioxid in der Luft und den sich verschiebenden Jetstream berücksichtigen, zusätzlich zu Modellen mit variabler Auflösung, die sich auf Nordamerika konzentrieren Wettermuster unter weitgehender Berücksichtigung von Mustern aus der ganzen Welt. Wenn diese Modelle Gestalt annehmen, können sie mehr Einblicke in das lokale und regionale Wetter in der Region bieten.

„Ich denke, wir können in dem Sinne hilfreich sein, dass wir sagen: ‚Wenn Sie das Wetter und extreme Niederschläge über der nordamerikanischen Monsunregion vorhersagen möchten, mit einer gewissen Relevanz für Blitze, sollten Sie sich nicht so viele Gedanken über Ihr numerisches Wetter machen Vorhersagemodell, das die Bedingungen der Landoberfläche genau richtig macht'“, sagte Boos. „Sie sollten sich mehr darum kümmern, den Jetstream richtig darzustellen und wie der Jetstream von den Bergen abgelenkt wird.“