Der North American Storm Complex im Dezember 2014 war ein mächtiger Wintersturm, der von einigen als Kaliforniens „Sturm des Jahrzehnts“ bezeichnet wird. Angetrieben von einem atmosphärischen Fluss, der über den tropischen Gewässern des Pazifischen Ozeans entspringt, ließ der Sturm in 24 Stunden 8 Zoll Niederschlag fallen, hatte Windböen von 139 Meilen pro Stunde und ließ 150.000 Haushalte in der San Francisco Bay Area ohne Strom.
Einschreiben Wetter- und Klimaextreme In dieser Woche beschrieben Forscher die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf extreme Stürme in der San Francisco Bay Area, darunter der North American Storm Complex vom Dezember 2014.
Sie simulierten fünf der stärksten Stürme, die das Gebiet getroffen haben, und stellten fest, dass einige dieser Extremereignisse unter zukünftigen Bedingungen 26-37 % mehr Regen liefern würden, sogar mehr als vorhergesagt, wenn man einfach die Fähigkeit der Luft berücksichtigt, mehr Wasser zu transportieren bei wärmeren Bedingungen.
Sie fanden jedoch heraus, dass diese Zunahmen nicht bei jedem Sturm auftreten würden, sondern nur bei solchen, die einen atmosphärischen Fluss beinhalten, der von einem außertropischen Zyklon begleitet wird.
Die Forschung wird der Region helfen, ihre zukünftige Infrastruktur unter Berücksichtigung von Minderung und Nachhaltigkeit zu planen.
„Dieser Detaillierungsgrad ist ein Spielveränderer“, sagte Dennis Herrera, General Manager der San Francisco Public Utilities Commission, die die federführende städtische Behörde für die Studie war. „Diese bahnbrechenden Daten werden uns dabei helfen, Werkzeuge zu entwickeln, die es unserem Hafen, Flughafen, Versorgungsunternehmen und der Stadt insgesamt ermöglichen, sich an unser sich änderndes Klima und zunehmend extreme Stürme anzupassen.“
Diese einzigartigen Vorhersagen für die Stadt wurden durch den Stampede2-Supercomputer im Texas Advanced Computing Center (TACC) und das Cori-System im National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ermöglicht – zwei der leistungsstärksten Supercomputer in der Welt, unterstützt von der National Science Foundation bzw. dem Energieministerium.
Hindcasting mit Blick auf die Zukunft
Bestimmte Facetten unseres zukünftigen Klimas sind gut bekannt – höhere Temperaturen, ansteigende Meeresspiegel, Artenschwund. Aber wie werden sich höhere Treibhausgaskonzentrationen und wärmere Luft und Ozeane auf extreme Wetterereignisse wie Hurrikane, Tornados und starke Regenfälle auswirken? Und wo genau werden diese Veränderungen am größten sein und unter welchen Bedingungen?
Die Vorhersage der Naturgefahren der Zukunft ist die Mission von Christina Patricola, Assistenzprofessorin für geologische und atmosphärische Wissenschaften an der Iowa State University und Hauptautorin des Wetter- und Klimaextreme Papier. Ihre Forschung hilft dabei, die Risiken, denen wir in Zukunft durch Naturgefahren ausgesetzt sind, zu quantifizieren und zu verstehen.
Durch die Verwendung von Supercomputern konnte Patricola die Region mit einer Auflösung von 3 Kilometern modellieren. Wissenschaftler glauben, dass diese Detailgenauigkeit erforderlich ist, um die Dynamik von Sturmsystemen wie Hurrikanen und atmosphärischen Flüssen zu erfassen und ihre Auswirkungen auf ein städtisches Gebiet vorherzusagen.
Für jeden der historischen Stürme führten Patricola und ihre Mitarbeiter 10-köpfige Ensembles – unabhängige, leicht unterschiedliche Simulationen – mit einer Auflösung von 3 Kilometern durch, ein Prozess, der als „hindcasting“ (im Gegensatz zu Vorhersagen) bezeichnet wird. Anschließend passten sie die Treibhausgaskonzentrationen und Meeresoberflächentemperaturen an, um vorherzusagen, wie diese historischen Stürme in den projizierten zukünftigen Klimazonen von 2050 und 2100 aussehen würden.
Patricola nennt diese „Storyline“-Experimente: Computermodelle, die aufschlussreich sein sollen, um darüber nachzudenken, wie historisch bedeutsame Sturmereignisse in einer wärmeren Welt aussehen könnten. Die Konzentration auf Ereignisse, von denen bekannt ist, dass sie sich auf den Stadtbetrieb auswirken, bietet einen nützlichen Kontext zum Verständnis der potenziellen Auswirkungen von Ereignissen, wenn sie unter zukünftigen Klimabedingungen auftreten.
Die Studie geht nicht auf Veränderungen in der Häufigkeit extremer Stürme in der Zukunft ein und kann daher nicht darauf eingehen, wie sich der Niederschlag insgesamt verändern wird, sagte sie. (Dies ist eine weitere dringende Frage für kalifornische Planer.) Aber sie können Entscheidungsträgern helfen, Trends in der Intensität der Stürme im schlimmsten Fall zu verstehen und fundierte Entscheidungen zu treffen.
An der Westküste ist ein Großteil des Niederschlags mit atmosphärischen Flüssen (ARs) verbunden, die eine beträchtliche Menge Feuchtigkeit in einem schmalen Band transportieren, erklärte Patricola. Einige der Stürme, die sie sich angesehen haben, enthielten nur ARs. Andere hatten ARs gleichzeitig mit Niederdrucksystemen, die als extratropische Wirbelstürme (ETCs) bekannt sind.
„Wir haben etwas sehr Interessantes gefunden“, sagte sie. „Der Niederschlag nahm bei Ereignissen mit einem atmosphärischen Fluss und einem Zyklon zusammen erheblich zu, während die Niederschlagsänderungen schwach oder negativ waren, wenn es nur einen atmosphärischen Fluss gab.“
Der Unterschied, glaubt sie, liegt im Hebemechanismus. Starke Niederschläge erfordern im Allgemeinen feuchte Luft zum Aufsteigen. Während die Stürme nur mit AR einen zukünftigen Anstieg der atmosphärischen Feuchtigkeit zeigten, zeigten die Stürme mit AR und ETC einen zukünftigen Anstieg der atmosphärischen Feuchtigkeit und aufsteigende Luft. Weitere Untersuchungen werden diese Beziehung untersuchen.
Hochleistungs-Klimawissenschaft
Patricola nutzt TACC-Supercomputer seit 2010 für die Klima- und Wettermodellierung, als sie als Doktorandin an der Cornell University mit dem führenden Klimawissenschaftler Kerry Cook (jetzt an der University of Texas at Austin) zusammenarbeitete. Sie erinnert sich, dass ihre ersten Modelle eine horizontale Auflösung von 90 km hatten – 30 Mal weniger aufgelöst als heute – und damals als State-of-the-Art galten.
„Es war eine große Hilfe, die Ressourcen von TACC und NERSC für diese Simulationen zu haben“, sagte sie. „Wir interessieren uns für extreme Niederschlagssummen und stündliche Niederschlagsraten. Wir mussten zu einer hohen Auflösung von 3 km gehen, um diese Vorhersagen zu treffen. Und wenn wir die Auflösung erhöhen, steigt der Rechenaufwand.“
Patricola hat die von ihr entwickelte Methodik verwendet, um andere Phänomene zu verstehen, beispielsweise wie sich tropische Wirbelstürme in Zukunft verändern könnten. Über diese Veränderungen berichteten sie und ihr Mitarbeiter Michael Wehner in einem 2018 Natur Papier. „Wenn es Ende des 21. Jahrhunderts zu einem Hurrikan wie Katrina kommen würde, wie könnte das aussehen? Mehr Niederschlag, stärkere Winde?
In der nächsten Phase des San Francisco-Projekts wird Patricola mit Stadtmitarbeitern und ihren Mitarbeitern zusammenarbeiten, um zu verstehen, was die Wetteränderungen in Bezug auf den Stadtbetrieb bedeuten.
„Dieses Projekt ist relativ einzigartig und eines der ersten Projekte dieser Art, das in sehr enger Zusammenarbeit zwischen städtischen Behörden und Klimawissenschaftlern arbeitet“, sagte sie. „Es kann als gutes Beispiel dafür dienen, was die Klimawissenschaft tun kann, um Städte bei der Vorbereitung auf die Zukunft mit den bestmöglichen Informationen zu versorgen.“
Christina M. Patricola et al., Zukünftige Veränderungen bei extremen Niederschlägen über der San Francisco Bay Area: Abhängigkeit von atmosphärischen Fluss- und außertropischen Wirbelsturmereignissen Wetter- und Klimaextreme (2022). DOI: 10.1016/j.wace.2022.100440