Gedurende een periode van 36 uur in augustus, Orkaan Henri zorgde voor recordregen in New York City, waar een verouderd stormrioolsysteem niet was gebouwd om de zondvloed aan te kunnen, waardoor de straat overstroomt. In de tussentijd, een aanhoudende droogte in Californië bleef aquifers overbelasten en de waterbeperkingen voor de hele staat uitbreiden. Aangezien klimaatverandering de frequentie en intensiteit van extreme gebeurtenissen in de Verenigde Staten en de rest van de wereld versterkt, en de bevolkingen en economieën die ze bedreigen groeien en veranderen, er is een cruciale behoefte om de infrastructuur veerkrachtiger te maken. Maar hoe doe je dat op tijd, kostenbesparende manier?

Een opkomende discipline genaamd multi-sector dynamics (MSD) biedt een veelbelovende oplossing. MSD gaat in op samengestelde risico's en potentiële omslagpunten in onderling verbonden natuurlijke en menselijke systemen. Omslagpunten treden op wanneer deze systemen niet langer meerdere, samen evoluerende spanningen, zoals extreme gebeurtenissen, bevolkingsgroei, land degradatie, drinkwatertekorten, luchtvervuiling, verouderde infrastructuur, en verhoogde menselijke eisen. MSD-onderzoekers gebruiken observaties en computermodellen om belangrijke voorloperindicatoren van dergelijke omslagpunten te identificeren, besluitvormers voorzien van kritieke informatie die kan worden toegepast om risico's te beperken en de veerkracht van infrastructuur en beheerde middelen te vergroten.

bij het MIT, het Joint Program on the Science and Policy of Global Change ontwikkelt sinds 2018 MSD-expertise en modelleringstools en gebruikt deze om samengestelde risico's en potentiële omslagpunten in geselecteerde regio's van de Verenigde Staten te onderzoeken. In een twee uur durende webinar op 15 september, Onderzoekers van het MIT Joint Program presenteerden een overzicht van de MSD-onderzoekstoolset van het programma en de toepassingen ervan.

MSD en het platform voor risicotriage

"Multi-sector dynamiek onderzoekt interacties en onderlinge afhankelijkheden tussen menselijke en natuurlijke systemen, en hoe deze systemen zich kunnen aanpassen, interactie, en co-evolueren als reactie op kortetermijnschokken en langetermijninvloeden en spanningen, ", zegt adjunct-directeur van het gezamenlijke programma van het MIT, C. Adam Schlosser, opmerkend dat een dergelijke analyse potentiële risico's kan onthullen en kwantificeren die waarschijnlijk aan detectie in siloonderzoeken zouden ontsnappen. "Deze systemen kunnen trapsgewijze effecten of storingen ervaren na het passeren van kantelpunten. De echte vraag is niet alleen waar deze kantelpunten zich in elk systeem bevinden, maar hoe ze zich manifesteren en interageren in alle systemen."

Om die vraag te beantwoorden, de MSD-onderzoekers van het programma hebben het MIT Socio-Environmental Triage (MST)-platform ontwikkeld, nu voor het eerst openbaar beschikbaar. Gericht op de continentale Verenigde Staten, de eerste versie van het platform analyseert de huidige risico's op het gebied van water, land, klimaat, de economie, energie, demografie, Gezondheid, en infrastructuur, en waar deze verbinding maken om risico-hotspots te creëren. Het is in wezen een visualisatietool op screeningniveau waarmee gebruikers risico's kunnen onderzoeken, identificeren van hotspots bij het combineren van risico's, en beslissingen te nemen over hoe diepgaandere analyses kunnen worden ingezet om complexe problemen op regionaal en lokaal niveau op te lossen. Bijvoorbeeld, MST kan hotspots identificeren voor gecombineerde overstromings- en armoederisico's in het lager gelegen stroomgebied van de Mississippi, en daarmee besluitvormers te waarschuwen waar meer geconcentreerde middelen voor overstromingsbeheersing nodig zijn.

Opeenvolgende versies van het platform zullen projecties bevatten op basis van het Integrated Global System Modeling (IGSM)-raamwerk van het MIT Joint Program van hoe verschillende systemen en stressoren samen kunnen evolueren naar de toekomst en daardoor het risicolandschap kunnen veranderen. Deze verbeterde capaciteit zou kunnen helpen bij het ontdekken van kosteneffectieve trajecten voor het verminderen van en het aanpassen aan een breed scala van milieu- en economische risico's.

MSD-toepassingen

Vijf webinarpresentaties onderzochten hoe onderzoekers van het MIT Joint Program het risicotriageplatform van het programma en andere MSD-modelleringstools toepassen om potentiële kantelpunten en risico's in vijf belangrijke domeinen te identificeren:waterkwaliteit, landgebruik, economie en energie, Gezondheid, en infrastructuur.

Xiang Gao, hoofdonderzoeker van het gezamenlijke programma, beschreef haar inspanningen om een ​​Amerikaans waterkwaliteitsmodel met hoge resolutie toe te passen om een ​​locatiespecifieke, waterkwaliteitsindex over meer dan 2, 000 stroomgebieden in het land. Door rekening te houden met interacties tussen klimaat, landbouw, en sociaaleconomische systemen, verschillende waterkwaliteitsmaten kunnen worden verkregen, variërend van nitraat- en fosfaatgehalten tot fytoplanktonconcentraties. Deze modelleringsbenadering bevordert een unieke mogelijkheid om potentiële hotspots voor waterkwaliteitsrisico's voor zoetwaterbronnen te identificeren.

Onderzoekswetenschapper Angelo Gurgel van het gezamenlijke programma besprak zijn op MSD gebaseerde analyse van hoe klimaatverandering, bevolkingsgroei, veranderende diëten, Verbeteringen van de gewasopbrengst en andere krachten die landgebruiksveranderingen op mondiaal niveau stimuleren, kunnen uiteindelijk van invloed zijn op hoe land in de Verenigde Staten wordt gebruikt. Op basis van nationale waarnemingsgegevens en het IGSM-raamwerk, de analyse laat zien dat hoewel de huidige trends in landgebruik in de VS naar verwachting tussen nu en 2050 zullen voortduren of intensiveren, er zijn geen aanwijzingen dat er zich in deze periode enige omslagpunten hebben voorgedaan.

MIT Joint Program Research Scientist Jennifer Morris presenteerde verschillende voorbeelden van hoe het risicotriageplatform kan worden gebruikt om bestaande Amerikaanse datasets en het IGSM-raamwerk te combineren om energie- en economische risico's op regionaal niveau te beoordelen. Bijvoorbeeld, door afzonderlijke gegevensstromen over werkgelegenheid en armoede met fossiele brandstoffen samen te voegen, men kan zich richten op geselecteerde provincies voor opleidingsprogramma's voor schone energie, terwijl de natie op weg is naar een koolstofarme toekomst.

"Onze raamwerken voor modellering en risicotriage kunnen beelden opleveren van huidige en verwachte toekomstige economische en energielandschappen, ", zegt Morris. "Ze kunnen ook interacties tussen verschillende menselijke, gebouwd, en natuurlijke systemen, inclusief samengestelde risico's die zich op dezelfde locatie voordoen."

MIT Joint Program onderzoekspartner Sebastian Eastham, een onderzoeker bij het MIT Laboratory for Aviation and the Environment, beschreef een MSD-benadering van de studie van luchtverontreiniging en volksgezondheid. De IGSM koppelen aan een atmosferisch chemiemodel, Eastham wil uiteindelijk beter begrijpen waar de grootste gezondheidsrisico's zich in de Verenigde Staten bevinden en hoe deze in de loop van deze eeuw kunnen toenemen onder verschillende beleidsscenario's. Het gebruik van de tool voor risicotriage om de huidige risicostatistieken voor luchtkwaliteit en armoede in een geselecteerde provincie te combineren op basis van de huidige bevolkings- en luchtkwaliteitsgegevens, hij liet zien hoe men snel cardiovasculaire en andere door luchtvervuiling veroorzaakte ziekterisico's kan identificeren.

Eindelijk, MIT Joint Program onderzoekspartner Alyssa McCluskey, een docent aan de Universiteit van Colorado in Boulder, toonde hoe de risicotriage-tool kan worden gebruikt om potentiële risico's voor wegen te lokaliseren, waterwegen, en stroomdistributieleidingen tegen overstromingen, extreme temperaturen, bevolkingsgroei, en andere stressoren. In aanvulling, McCluskey beschreef hoe de ontwikkeling en uitbreiding van transport- en energie-infrastructuur kritieke natuurhabitats kan bedreigen.

Het inschakelen van uitgebreide, locatiespecifieke analyses van risico's en hotspots binnen en tussen meerdere domeinen, De MSD-modelleringstools van het Joint Program kunnen worden gebruikt om beleidsvorming en investeringen van gemeentelijk tot mondiaal niveau te informeren.

"MSD gaat de uitdaging aan om menselijke, natuurlijk, en infrastructuursystemen om risicoanalyse en besluitvorming te informeren, ", zegt Schlosser. "Via ons risicotriageplatform en andere MSD-modellen, we zijn van plan om belangrijke interacties en kantelpunten te beoordelen, en om vooruitziende blikken te bieden die actie in de richting van een duurzame, veerkrachtig, en welvarende wereld."