Les dommages causés par les ouragans coûtent en moyenne 20,5 milliards de dollars par événement aux États-Unis. Leurs effets sont généralisés et souvent chroniques, avec la perte d’infrastructures, de communautés et de vies. Les répliques se propagent encore plus loin – la pression monte sur le réseau électrique national à mesure que la fréquence et l’intensité des ouragans augmentent de plus en plus.
Les scientifiques du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique du ministère de l’Énergie s’efforcent de mieux préparer les autorités, les intervenants d’urgence et les communautés face à ces événements météorologiques de plus en plus extrêmes. Tout en gardant notre électricité en circulation.
Scénario du pire, mais mieux
Les premières lignes de réponse et de récupération des ouragans sont criblées de vies bouleversées et de dommages coûteux, souvent sur de vastes zones. Alors que les ouragans eux-mêmes ne peuvent pas être arrêtés, David Judi, chef du groupe Prévisibilité et résilience des systèmes terrestres au PNNL, propose des solutions pour mieux se préparer et contrer les pires effets de ces événements extrêmes.
En étroite coordination avec le système interinstitutions fédéral, qui comprend l’Agence fédérale de gestion des urgences (FEMA), Judi et son groupe utilisent des prévisions météorologiques à 7 jours pour piloter des modèles d’inondation, tels que le Outil d’inondation rapide des infrastructures (RIFT), qui estiment les zones qui seront les plus durement touchées. En couplant cela avec des données topographiques à haute résolution, l’équipe peut tenir compte des caractéristiques locales, telles que les prélèvements, qui peuvent affecter de manière significative les inondations et la répartition des dommages sur la trajectoire d’un ouragan.
« En utilisant ces informations, les autorités peuvent organiser plus efficacement et placer stratégiquement les ressources, y compris les abris d’urgence, le personnel d’intervention et l’équipement de secours pour les installations critiques comme les hôpitaux et les maisons de retraite », a déclaré Judi. Ils peuvent également renforcer et sécuriser le réseau électrique pour réduire les dommages à long terme et minimiser les pannes de courant à court terme pour les clients.
Endurer l’inévitable
Les outils développés par le groupe de Judi ne sont pas seulement utiles en prévision d’une tempête. Ils aident également les communautés en fournissant à la fois une connaissance de la situation lors d’un événement et des informations pour les aider à se rétablir rapidement une fois les vents calmés. Dirigé par Andre Coleman, scientifique des données du PNNL, le groupe utilise également une suite d’outils connue sous le nom de Analyse rapide pour la réponse aux catastrophes (RADR ; un de ces outils, RADR-Fire, est utilisé par les chercheurs du PNNL pour combattre les incendies de forêt) pour détecter sur le terrain l’étendue des inondations et les infrastructures endommagées en exploitant l’imagerie satellite. Cela aide les gestionnaires de l’énergie et les entreprises de services publics à identifier les sous-stations concernées, par exemple. Ceci est particulièrement utile en cas d’inondation, aidant à repérer et à trier les zones inondées non accessibles à pied dans les premiers stades de la récupération.
En appliquant leur expertise à la fois pour améliorer notre réponse aux urgences en temps réel et pour mieux prévoir les tempêtes du futur, les chercheurs du PNNL aident à préparer les communautés et à sécuriser le réseau face à des tempêtes plus agressives. Crédit : Animation de Sara Levine | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
PNNL affronte les poids lourds du monde des tempêtes – vraiment n’importe quel événement majeur depuis 2016, y compris Harvey en 2017, Florence en 2018 et Ida l’année dernière. Les vestiges d’Ida, sans parler de la tempête elle-même, sont devenus une étude de cas dans l’effort de mieux comprendre le changement climatique et ses effets.
Plus récemment, Judi et son équipe ont mis leurs capacités à profit pour aider les communautés lors des inondations historiques du Kentucky à la fin juillet de cette année, des inondations et des dommages en cours à Jackson, dans le Mississippi, et des ouragans Fiona et Ian. Ces événements démontrent la puissance des outils dans une variété de scénarios de catastrophe.
Comment ça fonctionne
Avec toutes les démarches de Judi et de ses collègues, le système et ses fonctions sont désormais presque entièrement automatisés. Une fois qu’un événement à venir est détecté, le système commence immédiatement à compiler les données et les prévisions des agences de prévision, y compris le National Weather Service. Les données topographiques pour l’ensemble des États-Unis sont déjà mises en scène – il ne reste plus qu’à lui dire sur quelle zone se concentrer. Les estimations qui en résultent sont transmises aux autorités fédérales, étatiques et locales, qui utilisent les informations qu’elles fournissent pour se préparer au mieux à l’assaut à venir.
Pendant que les nuages distinctifs et tourbillonnants de l’ouragan portent des coups et après qu’ils se sont finalement fanés, Coleman, Judi et le reste de l’équipe passent à l’action pour évaluer et détecter les dégâts. Cela comprend l’utilisation d’images de détection de changement (un type de radar appelé radar à ouverture synthétique, ainsi que des données altimétriques) pour « voir » à travers les nuages épais et détecter les inondations au fur et à mesure qu’elles se produisent, ainsi que pour évaluer des zones spécifiques en comparant la vue aérienne images de la terre avant et après la tempête. Les données résultantes peuvent avoir une résolution inférieure à 5 mètres, fournissant des informations détaillées sur les zones les plus mal loties et l’étendue complète des dégâts.
Bien qu’il existe d’autres modèles qui visent les ouragans, le PNNL ouvre la voie en fournissant un contexte d’inondation robuste et prédictif sur de vastes zones géographiques en temps quasi réel. Il s’agit d’une capacité inestimable, importante pour les collectivités, aujourd’hui et à l’avenir.
Regarder vers l’avenir
Le travail du PNNL ne s’arrête pas à l’ici et maintenant. Les chercheurs s’efforcent de mieux comprendre comment les ouragans et leurs impacts pourraient être affectés par le changement climatique. Ruby Leung, scientifique atmosphérique du PNNL et membre Battelle, est également la scientifique en chef du modèle de système terrestre Energy Exascale (mieux connu sous le nom d’E3SM), un modèle de système terrestre développé pour soutenir la mission énergétique du DOE.
E3SM est spécialement conçu pour exécuter des simulations climatiques à haute résolution sur les ordinateurs hautes performances du DOE afin de mieux représenter les tempêtes. Plusieurs laboratoires nationaux du DOE se sont associés pour modéliser les processus dans l’atmosphère, la terre, l’océan et la glace, les scientifiques du PNNL jouant un rôle clé dans développer et utiliser E3SM pour répondre à de nouvelles questions scientifiques. Alors que les modèles du système terrestre sont généralement exécutés à des résolutions grossières avec une capacité limitée à simuler les tempêtes, les simulations E3SM à haute résolution peuvent fournir des informations beaucoup plus précises sur les ouragans, permettant des projections plus crédibles de leurs changements futurs.
E3SM cible le phénomène météorologique largement connu sous le nom de cyclones tropicaux, également appelés ouragans ou typhons dans différentes parties du monde. Les ouragans majeurs sont le type de cyclone tropical le plus puissant, tandis que les dépressions tropicales sont les plus faibles.
« E3SM est un outil important pour modéliser l’intensité, la fréquence et l’emplacement des cyclones tropicaux », a déclaré Leung. « En améliorant la modélisation des cyclones tropicaux, E3SM peut fournir des informations essentielles pour faire face à la vulnérabilité côtière au changement climatique. »
Un sujet de préoccupation important est d’apprendre comment nous pouvons renforcer la résilience du réseau électrique alors que les ouragans deviennent plus intenses dans un climat plus chaud. Sans le réseau, nous courons le risque de perdre certains des éléments clés qui alimentent notre monde tel que nous le connaissons : l’électricité, Internet, les téléphones portables et même l’eau courante. Les recherches actuelles du PNNL frappent au cœur de ce problème – Karthik Balaguru, climatologue et chef d’équipe pour la modélisation côtière au PNNL, qui travaille en étroite collaboration avec Judi et Leung, est à l’avant-garde de l’étude de la manière dont le changement climatique affectera la férocité des ouragans.
Balaguru et ses collègues ont récemment découvert que la côte atlantique des États-Unis a devenir une zone particulièrement puissante pour créer des ouragans plus humides et se développant plus rapidement. Dans un monde plus chaud, ils constatent que les ouragans ne feront que se renforcer plus rapidement et apporteront de nouveaux niveaux de risque d’inondation sur la côte atlantique, entre autres.
Consolider les modèles
La recherche sur les ouragans couvre deux aspects principaux : comprendre le fonctionnement physique d’un ouragan et avoir une idée claire de ce à quoi ressembleront ses impacts. Les scientifiques utilisent une hiérarchie de modèles pour résoudre ce problème, avec des modèles à plus haute résolution permettant une analyse plus approfondie de la structure d’une tempête et de son comportement qui en résulte. Cependant, même les modèles à haute résolution comme E3SM ne suffisent pas à comprendre toute la gamme des risques d’ouragan sur des périodes plus longues et à des échelles locales à régionales en raison de leur coût de calcul important. Entrez dans le cadre d’analyse des risques pour les cyclones tropicaux, ou RAFT.
RADEAU est un modèle hybride qui utilise la physique, les statistiques et l’apprentissage automatique pour simuler les cyclones tropicaux qui devraient être produits par des climats particuliers. Le faible coût de calcul de RAFT permet aux chercheurs de zoomer sur des emplacements spécifiques et de déterminer les risques de divers scénarios d’ouragan. En utilisant des environnements issus de modèles climatiques, RAFT peut simuler un grand nombre de tempêtes et les types d’effets qu’elles pourraient avoir à la fois dans un climat donné et avec l’évolution du changement climatique.
Balaguru est un acteur clé de la modélisation RAFT. « Le RAFT permet de projeter le risque dans le futur, améliorant considérablement notre compréhension de la façon dont les ouragans changeront parallèlement au climat », a déclaré Balaguru. « Cela peut également nous permettre de visualiser plus profondément les menaces possibles pour le réseau. »
Rassembler le tout
Les travaux sur les scénarios d’urgence en temps réel de Judi et Coleman et les recherches sur la modélisation du système terrestre et des cyclones tropicaux de Leung et Balaguru peuvent être couplés pour des projections encore meilleures des impacts des cyclones tropicaux.
Non seulement cela donne aux communautés un moyen précieux de minimiser les dommages et de récupérer plus rapidement, mais aussi de nous préparer nous-mêmes et nos ressources aux tempêtes plus agressives du futur.
Judi et Balaguru ont récemment présenté un webinaire, « Résilience aux ouragans et aux inondations », dans le cadre de la série de webinaires Grid Resilience @ PNNL. Voir l’enregistrement ici.