Zukunftssicherheit der Region der Großen Seen durch Klimaforschung

Forscher untersuchen, wie sich die Erwärmung des Wassers auf die Region der Großen Seen auswirken wird. Ihre Arbeit zeigt, dass kleine Unterschiede in den Oberflächentemperaturen von Seen einen großen Einfluss auf das Sommerklima haben und extreme Wetterereignisse antreiben können – entscheidende Informationen.

Die Großen Seen haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die Identität, Wirtschaft und das Klima des Landes. Aber der langfristige Einfluss der Großen Seen auf regionale Wettermuster, insbesondere unter einem sich ändernden Klima, ist noch nicht gut verstanden. Das liegt daran, dass die meisten Klimamodelle nicht realistisch berücksichtigen, wie die Temperatur oder Bewegung von sechs Billiarden Gallonen Seewasser mit der Atmosphäre interagiert.

Ein Projekt namens Coastal Observations, Mechanisms, and Predictions Across Systems and Scales (COMPASS), das vom Office of Biological and Environmental Research im Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) finanziert wird, arbeitet daran, diese Wissenslücke zu schließen. In einer neuen Studie verwendete ein Team von Mitarbeitern, darunter Jiali Wang vom Argonne National Laboratory des DOE, regionale Modellversuche mit hoher Auflösung, um zu untersuchen, wie die Oberflächentemperaturen von Seen das Klima der Region der Großen Seen beeinflussen können. Das Team fand heraus, dass ein kleiner Unterschied in der Oberflächentemperatur des Sees – nur 1,4 °C Erwärmung – große Auswirkungen auf das Sommerklima haben kann, darunter:

Diese Erwärmung entspricht der potenziellen Erwärmung der Oberflächentemperaturen des Seewassers voraussichtlich Mitte des Jahrhunderts. Steigende Seeoberflächentemperaturen haben das Potenzial, die regionalen Klimabedingungen im gesamten Becken der Großen Seen zu destabilisieren. Dies könnte extreme Wetterereignisse verstärken und größere Stürme und Überschwemmungen in einem Gebiet mit 30 Millionen Einwohnern verursachen. Bei so vielen Leben und so viel Infrastruktur im potenziellen Weg von Stürmen sind genaue Vorhersagen unerlässlich. Hier kommen Wang und ihr Team ins Spiel.

„Ein Großteil der Arbeit, die wir bei Argonne leisten, besteht darin, das Land widerstandsfähiger gegen die Auswirkungen des Klimawandels zu machen“, sagte Wang, „aber wir können nicht davon sprechen, widerstandsfähiger zu werden, bis wir die Risiken wirklich verstehen.“

Wissenschaftliche Schnelligkeit und Genauigkeit sind entscheidend für die Klimaresilienz

Klimawissenschaftler brauchen hochgenaue Klimamodelle, die es ihnen ermöglichen, langfristige Prognosen zu erstellen – die nächsten 20 bis 30 Jahre.

Um die Entwicklung globaler Klimamodelle über ihre genauere Darstellung der Großen Seen zu informieren, verwendete Wangs neue Studie präzisere Messungen der Oberflächenwassertemperatur der Seen, um numerische Experimente zu entwerfen. Anstatt das regionale Klima aus globaler Perspektive zu betrachten, verwendet ihre Studie lokale und regionale Simulationsergebnisse, um die Region der Großen Seen „heranzuzoomen“. Anstatt eine Auflösung bis zu einem Bereich von einigen hundert Meilen zu sehen, können die Modelle sogar noch näher hinsehen – bis zu einem Bereich von etwa zwei Meilen.

Ein weiterer Durchbruch des COMPASS-Projekts wird aus seinem zweifach gekoppelten, atmosphärischen und hydrodynamischen 3D-Modell mit Atmosphären-See-Rückkopplungen resultieren. Deshalb ist dies ein Wendepunkt in der Klimamodellierung:

Diese Verbesserungen sind der Schlüssel zu einem hochgenauen Klimamodell, aber sie führen zu einer extrem großen Anzahl von Datenpunkten, die verarbeitet werden müssen. Hier kommt ein weiteres unverzichtbares Werkzeug ins Spiel: der Supercomputer.

Bessere Tools, bessere Daten, bessere Ergebnisse

Wang schreibt den Erfolg ihres Teams ihrer starken Zusammenarbeit und der Nutzung der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) und des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) zu, die einige der schnellsten und leistungsstärksten Supercomputer der Welt beherbergen. „Ohne Supercomputer wären diese Simulationen nicht möglich“, sagte Wang. „Die Berechnungen auf einem Laptop hätten Jahre gedauert. Mit den Supercomputing-Einrichtungen von Argonne und NERSC können wir unsere Wissenschaft jedoch ausweiten und große, komplexe Datensätze sehr schnell testen.“ ALCF und NERSC sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science.

Dank dieser Rechenmöglichkeiten läuft das Team jetzt besser Klimamodelle zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf den Wasserstand in den Großen Seen auswirkt.

Wang betonte, dass es bei der Klimaresilienz auf die Schnelligkeit der Entdeckung ankommt. „Wir können es kaum erwarten. Wir brauchen jetzt schon verlässliche Daten, um uns auf die Herausforderungen von morgen vorzubereiten.“

Eine auf der Studie basierende Abhandlung wurde in veröffentlicht Das Journal of Geophysical Research: Atmosphären, am 17. Mai 2022. Neben Wang gehören zu den weiteren Autoren Pengfei Xue, Argonne; Michigan Tech, Houghton; William Pringle, Argonne, und Zhao Yang und Yun Qian, PNNL, Richland, Washington.