Många av världens största städer är byggda nära kuster, vare sig längs floder eller hav. Mänskligheten förlitar sig på vattenvägar för transport, handel och näring. Dock, vattenvägar kan också släppa loss förödande översvämningar som leder till miljarder skador, Förlust av liv, och årslånga saneringsinsatser.

Två geografiskt distinkta områden som är benägna att hantera ilska i översvämningsvatten, den kanadensiska provinsen Quebec och den tyska delstaten Bayern har samarbetat i ett decennium för att undersöka klimatförändringarnas effekter på vattenresurserna. Den senaste strävan efter detta partnerskap, ClimEx -projektet, syftar till att förbättra forskarnas förståelse för kraftiga översvämningsdynamik under förändrade klimatförhållanden. "Denna kunskap är av grundläggande betydelse, "säger prof. dr. Ralf Ludwig, Geografiprofessor vid Münchens Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) och projektledare för ClimEx. "Att förstå dessa fenomen hjälper oss att bättre förbereda och förbättra anpassningen till de ökande extrema händelser som vi förväntar oss att möta i vår framtid."

"Målet med ClimEx är att undersöka extrema översvämningar i samband med långa återvändandeperioder, "sa Martin Leduc, klimatforskare vid den ideella forskningsorganisationen Ouranos och partner i ClimEx-projektet. "Om du tittar på observationer, du har bara en relativt kort tidsperiod att referera till - ofta mindre än 30 års noggrannhet, detaljerade data. För de mest extrema översvämningarna, det här är fenomen som var en gång i århundradet. "

För att effektivt modellera långsiktiga klimattrender, ClimEx -medarbetarna använder SuperMUC -superdatorn vid Leibniz Supercomputing Center (LRZ). Teamet publicerade sina senaste resultat i Journal of Applied Meteorology and Climatology , simulerar klimatet i Quebec och Bayern från 1950 till 2100.

Zooma in, brer ut

För att studera klimattrender och förändringar beräknat, forskare använder en klimatmodell för att dela in studieområdet i ett rutnät för att simulera de otaliga meteorologiska processerna och egenskaperna som bildar ett områdes klimat.

Med en begränsad mängd datorkraft tillgänglig för en given simulering, forskare måste simulera ett representativt område av världen över en tillräckligt lång tid för att fastställa klimattrender samtidigt som de fångar tillräckligt med detaljer för att verifiera en modell förmåga att förutsäga tidigare klimatbeteende och, i tur och ordning, förutsäga framtida klimathändelser. Därför, ett sådant experiment innebär en balans mellan längden på simuleringarna, detaljnivån (upplösningen) för rutnätet, och storleken på det täckta området.

För att balansera dessa krav, klimatforskare använder en kombination av en global klimatmodell (GCM) och en regional klimatmodell (RCM). Medan GCM simulerar klimatet över hela världen, de måste offra detaljnivån, vilket betyder att avståndet mellan två angränsande rutnätceller måste vara mer än 100 kilometer. Med hjälp av den kanadensiska regionala klimatmodellen version 5 (CRCM5) som utvecklats av ESCER Center of l'Université du Québec à Montréal i samarbete med Environment and Climate Change Canada, forskarna kan studera områden i världen med mycket högre detaljer med hjälp av rutnät med en upplösning på 12 kilometer. Detta gjorde att LMU-Ouranos-LRZ-teamet kunde köra sina simuleringar inklusive relevanta klimatfenomen i hög upplösning.

För att bättre förstå och förutsäga översvämningar, laget nedskalar ytterligare ClimEx-simuleringarna statistiskt för att tillhandahålla inmatningsdata för hypernoggrannhet, högupplöst hydrologisk modellering. Inte bara hjälper denna detaljnivå bättre att förutse och planera för stora översvämningar i Bayern och Quebec, men det hjälper också till att ge information av högre kvalitet till andra effektmodeller och beslutsfattare.

Leduc tog också upp "fjärilseffekten" när det gällde klimatsimuleringar - inte ens högsta upplösningssimuleringar kan ta hänsyn till alla de små förändringar som kan påverka klimatförändringar. Ytterligare, forskare har inget sätt att veta hur mycket mänskligheten kommer att minska sina utsläpp under de kommande decennierna, som kan påverka klimatmönstren avsevärt. I ClimEx, laget körde 50 simuleringar för Bayern och 50 för Quebec, med varje iteration som introducerar små förändringar i indata, ger dem totalt 7, 500 års klimatdata för varje plats.

Dessa simuleringar är inte bara beräkningsmässigt dyra, men de genererar också en extremt stor mängd data - mer än 500 terabyte, faktiskt. För att få meningsfulla resultat från dessa simuleringar och dataanalysen som följer, forskare behöver tillgång till världsledande datorresurser.

"Att göra dessa simuleringar krävde en otrolig mängd beräkningsresurser och beräkningarna varar i mer än 6 månader, "Sade Leduc. LRZ -personal hjälpte till att teamet kunde köra sina simuleringar så effektivt som möjligt, och hjälpte laget att få tillgång till en fullständig beräkningsö på SuperMUC för att påskynda sina simuleringar, och kunde hjälpa teamet att optimera sin kod och hantera sin enorma mängd data.

Prognoser framtiden

Teamets simuleringar visade god överensstämmelse med historiska klimatdata, lämnar dem trygga i sin förutsägbarhet och dess förmåga att hjälpa till att förbättra effektmodeller och regionala anpassningsstrategier. Ludwig bekräftar att teamet delar sina data med forskarsamhället, och förklarar att ClimEx -experimentet kan hjälpa forskare att studera framtida sannolikheter för extrema händelser som värmeböljor, översvämningar, och bränder, och länka meteorologiska mönster till utvecklingen av dessa extrema händelser. Den här datauppsättningen hjälper forskare och regeringstjänstemän att bättre utvärdera prognoser för översvämningsrisker och utveckla mer robusta metoder för att mildra översvämningarnas påverkan.

Under det värsta scenariot, där koldioxidutsläppen fortsätter att öka med ungefär en procent per år, modellen förutspår att de europeiska somrarna blir varmare i genomsnitt upp till åtta grader Celsius per år från och med 2080, och att Quebecois vintrar skulle vara upp till 12 grader varmare under samma tidsperiod.

"Dessa prognoser refererar till sommaren i Europa, och detta är viktigt, eftersom denna uppvärmning kommer att inträffa samtidigt som en minskning av nederbörd, vilket innebär att Europa kan ha mycket varmare och torrare somrar, vilket ökar möjligheten för mer extrema värmeböljor och torka, "Leduc sa." Vi bör hålla saker i perspektiv, fastän. Modellen förutsätter en väg för framtida utsläpp av växthusgaser, och den delen är fortfarande osäker. Vi vet inte hur mycket vi kommer att begränsa koldioxidutsläppen i framtiden. "