Veel van 's werelds grootste steden zijn gebouwd in de buurt van kusten, of het nu langs rivieren of oceanen is. De mensheid vertrouwt op waterwegen voor transport, handel en levensonderhoud. Echter, waterwegen kunnen ook verwoestende overstromingen ontketenen die leiden tot miljarden schade, verlies van leven, en jarenlange opruimingsinspanningen.

Twee geografisch verschillende gebieden die gevoelig zijn voor de woede van overstromingswateren, de Canadese provincie Quebec en de Duitse staat Beieren werken al tien jaar samen om de effecten van klimaatverandering op watervoorraden te onderzoeken. De nieuwste poging van dit partnerschap, het ClimEx-project, heeft tot doel het inzicht van onderzoekers in de dynamiek van ernstige overstromingen onder veranderende klimaatomstandigheden te verbeteren. "Deze kennis is van fundamenteel belang, " zegt Prof. Dr. Ralf Ludwig, Professor aardrijkskunde aan de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München en projectleider van ClimEx. "Het begrijpen van deze verschijnselen helpt ons om ons beter voor te bereiden en ons beter aan te passen aan de toenemende extreme gebeurtenissen die we in onze toekomst verwachten."

"Het doel van ClimEx is om extreme overstromingen te onderzoeken die gepaard gaan met lange terugkeerperiodes, " zei Martin Leduc, klimaatonderzoeker bij de non-profit onderzoeksorganisatie Ouranos en partner in het ClimEx-project. "Als je kijkt naar waarnemingen, je hebt maar een relatief korte tijdsperiode om te verwijzen - vaak minder dan 30 jaar nauwkeurige, gedetailleerde gegevens. Voor de meest extreme overstromingen, dit zijn fenomenen van een keer per eeuw."

Voor het efficiënt modelleren van klimaattrends op lange termijn, de ClimEx-medewerkers gebruiken de SuperMUC-supercomputer in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ). Het team publiceerde zijn meest recente resultaten in de Tijdschrift voor Toegepaste Meteorologie en Klimatologie , simulatie van het klimaat in Quebec en Beieren van 1950 tot 2100.

Inzoomen, uitspreiden

Om klimaattrends en -veranderingen computationeel te bestuderen, onderzoekers gebruiken een klimaatmodel om het studiegebied op te delen in een raster om de talloze meteorologische processen en eigenschappen te simuleren die het klimaat van een gebied vormen.

Met een eindige hoeveelheid rekenkracht die beschikbaar is voor een bepaalde simulatie, onderzoekers moeten een representatief gebied van de wereld simuleren over een voldoende lange periode om klimaattrends vast te stellen, terwijl ze ook voldoende details vastleggen om het vermogen van een model om klimaatgedrag in het verleden te voorspellen te verifiëren en, beurtelings, toekomstige klimaatgebeurtenissen voorspellen. Daarom, zo'n experiment omvat een balans tussen de lengte van de simulaties, het detailniveau (resolutie) van het raster, en de grootte van het overdekte gebied.

Om deze eisen in evenwicht te brengen, klimaatwetenschappers gebruiken een combinatie van een mondiaal klimaatmodel (GCM) en een regionaal klimaatmodel (RCM). Terwijl GCM's het klimaat over de hele wereld simuleren, ze moeten het detailniveau opofferen, wat betekent dat de afstand tussen twee aangrenzende rastercellen meer dan 100 kilometer moet zijn. Gebruikmakend van het Canadian Regional Climate Model version 5 (CRCM5) dat is ontwikkeld door het ESCER Centre van l'Université du Québec à Montréal in samenwerking met Environment and Climate Change Canada, de onderzoekers kunnen gebieden van de wereld veel gedetailleerder bestuderen met behulp van rasters met een resolutie van 12 kilometer. Hierdoor kon het LMU-Ouranos-LRZ-team zijn simulaties, inclusief relevante klimaatfenomenen, in hoge resolutie uitvoeren.

Om overstromingen beter te begrijpen en te voorspellen, het team verlaagt de ClimEx-simulaties statistisch verder om invoergegevens te leveren voor hypernauwkeurige, hydrologische modellering met hoge resolutie. Dit detailniveau helpt niet alleen om beter te anticiperen op en te plannen op grootschalige overstromingen in Beieren en Quebec, maar het helpt ook om informatie van hogere kwaliteit te bieden voor andere impactmodellen en besluitvormers.

Leduc bracht ook het "vlindereffect" naar voren omdat het verband hield met klimaatsimulaties - zelfs simulaties met de hoogste resolutie kunnen niet alle minuscule veranderingen verklaren die klimaatveranderingen kunnen beïnvloeden. Verder, onderzoekers hebben geen manier om te weten hoeveel de mensheid haar uitstoot in de komende decennia zal beteugelen, die klimaatpatronen aanzienlijk kunnen beïnvloeden. In ClimEx, het team voerde 50 simulaties uit voor Beieren en 50 voor Quebec, waarbij elke iteratie kleine veranderingen in invoergegevens introduceert, geef ze een totaal van 7, 500 jaar klimaatgegevens voor elke locatie.

Deze simulaties zijn niet alleen rekenkundig duur, maar ze genereren ook een extreem grote hoeveelheid gegevens - meer dan 500 terabyte, in feite. Om zinvolle resultaten te krijgen van deze simulaties en de gegevensanalyse die volgt, onderzoekers hebben toegang nodig tot toonaangevende computerbronnen.

"Het uitvoeren van deze simulaties vereiste een ongelooflijke hoeveelheid computerbronnen en de berekeningen duren meer dan 6 maanden, " zei Leduc. Het personeel van LRZ hielp ervoor te zorgen dat het team zijn simulaties zo efficiënt mogelijk kon uitvoeren, en hielp het team toegang te krijgen tot een volledig computereiland op SuperMUC om de simulaties te versnellen, en was in staat om het team te helpen de code te optimaliseren en de enorme hoeveelheid gegevens te beheren.

De toekomst voorspellen

De simulaties van het team toonden een goede overeenkomst met historische klimaatgegevens, waardoor ze vertrouwen hebben in de voorspellende kracht en het vermogen om impactmodellen en regionale aanpassingsstrategieën te helpen verbeteren. Ludwig bevestigt dat het team zijn gegevens deelt met de onderzoeksgemeenschap, en legt uit dat het ClimEx-experiment onderzoekers kan helpen bij het bestuderen van de toekomstige kansen op extreme gebeurtenissen zoals hittegolven, overstromingen, en branden, en het koppelen van meteorologische patronen aan de ontwikkeling van deze extreme gebeurtenissen. Deze dataset helpt wetenschappers en overheidsfunctionarissen om projecties van overstromingsrisico's beter te evalueren en robuustere methoden te ontwikkelen om de gevolgen van overstromingen te verminderen.

In het slechtste geval, waarin de CO2-uitstoot met ongeveer één procent per jaar blijft groeien, het model voorspelt dat de Europese zomers vanaf 2080 gemiddeld tot acht graden Celsius per jaar heter zullen zijn, en dat de winters in Quebec in dezelfde periode tot 12 graden warmer zouden zijn.

"Deze prognoses verwijzen naar de zomer in Europa, en dit is belangrijk, omdat deze opwarming tegelijk met een afname van de neerslag zal plaatsvinden, wat betekent dat Europa veel warmere en drogere zomers zou kunnen hebben, waardoor de kans op extremere hittegolven en droogte toeneemt, " zei Leduc. "We moeten de dingen in perspectief houden, Hoewel. Het model gaat uit van een route voor toekomstige uitstoot van broeikasgassen, en dat deel is nog onzeker. We weten niet in hoeverre we de CO2-uitstoot in de toekomst zullen beperken."