Under en 36-timmarsperiod i augusti, Orkanen Henri levererade rekordrekord i New York City, där ett åldrande stormavloppssystem inte byggdes för att hantera syndafloden, vilket resulterar i översvämningar på gatan. Under tiden, en pågående torka i Kalifornien fortsatte att överbelasta akviferer och utöka statens vattenrestriktioner. Eftersom klimatförändringarna förstärker frekvensen och intensiteten av extrema händelser i USA och runt om i världen, och de befolkningar och ekonomier som de hotar växer och förändras, det finns ett kritiskt behov av att göra infrastrukturen mer motståndskraftig. Men hur kan detta göras i tid, kostnadseffektivt sätt?

En framväxande disciplin som kallas multi-sector dynamics (MSD) erbjuder en lovande lösning. MSD inser att risker och potentiella tipppunkter förvärras över sammankopplade naturliga och mänskliga system. Tipppunkter uppstår när dessa system inte längre kan upprätthålla flera, samutvecklande påfrestningar, som extrema händelser, befolkningstillväxt, markförstöring, brist på dricksvatten, luftförorening, åldrande infrastruktur, och ökade mänskliga krav. MSD-forskare använder observationer och datormodeller för att identifiera viktiga prekursorindikatorer för sådana tipppunkter, förse beslutsfattare med viktig information som kan användas för att minska risker och öka motståndskraften i infrastruktur och hanterade resurser.

På MIT, Joint Program on the Science and Policy of Global Change har sedan 2018 utvecklat MSD-expertis och modelleringsverktyg och använt dem för att utforska sammansatta risker och potentiella tipppunkter i utvalda regioner i USA. I ett två timmar långt webinar den 15 september, MIT Joint Programs forskare presenterade en översikt över programmets MSD -forskningsverktygssats och dess tillämpningar.

MSD och risktriage -plattformen

"Multisektorns dynamik utforskar interaktioner och ömsesidiga beroende mellan mänskliga och naturliga system, och hur dessa system kan anpassa sig, påverka varandra, och samutvecklas som svar på kortsiktiga chocker och långsiktiga influenser och påfrestningar, " säger MIT Joint Programs biträdande direktör C. Adam Schlosser, noterar att en sådan analys kan avslöja och kvantifiera potentiella risker som sannolikt skulle undvika upptäckt i siled undersökningar. "Dessa system kan uppleva kaskadeffekter eller misslyckanden efter att ha korsat tipppunkter. Den verkliga frågan är inte bara var dessa tipppunkter finns i varje system, men hur de manifesterar och interagerar i alla system."

För att ta itu med den frågan, programmets MSD-forskare har utvecklat MIT Socio-Environmental Triage (MST)-plattformen, nu offentligt tillgänglig för första gången. Fokuserad på det kontinentala USA, den första versionen av plattformen analyserar dagens risker relaterade till vatten, landa, klimat, ekonomin, energi, demografi, hälsa, och infrastruktur, och där dessa föreningar skapar riskpunkter. Det är i huvudsak ett visualiseringsverktyg på screeningnivå som låter användare undersöka risker, identifiera hot spots när du kombinerar risker, och fatta beslut om hur mer djupgående analyser ska användas för att lösa komplexa problem på regional och lokal nivå. Till exempel, MST kan identifiera hot spots för kombinerade översvämnings- och fattigdomsrisker i Mississippiflodens nedre bassäng, och därigenom varna beslutsfattare om var mer koncentrerade resurser för översvämningskontroll behövs.

Successiva versioner av plattformen kommer att inkludera prognoser baserade på MIT Joint Programs Integrated Global System Modeling (IGSM) ramverk av hur olika system och stressfaktorer kan utvecklas samtidigt in i framtiden och därigenom förändra risklandskapet. Denna förbättrade förmåga skulle kunna hjälpa till att upptäcka kostnadseffektiva vägar för att mildra och anpassa sig till ett brett spektrum av miljömässiga och ekonomiska risker.

MSD-applikationer

Fem webbseminarier utforskade hur forskare från MIT Joint Program använder programmets risktriage-plattform och andra MSD-modelleringsverktyg för att identifiera potentiella tipppunkter och risker inom fem nyckeldomäner:Vattenkvalitet, markanvändning, ekonomi och energi, hälsa, och infrastruktur.

Joint Program Principal Research Scientist Xiang Gao beskrev hennes ansträngningar att tillämpa en högupplöst amerikansk vattenkvalitetsmodell för att beräkna en platsspecifik, vattenkvalitetsindex över mer än 2, 000 flodområden i landet. Genom att redogöra för interaktioner mellan klimatet, lantbruk, och socioekonomiska system, olika vattenkvalitetsmått kan erhållas, allt från nitrat- och fosfatnivåer till växtplanktonkoncentrationer. Denna modelleringsmetod främjar en unik förmåga att identifiera potentiella hotspots för vattenkvalitetsrisk för sötvattenresurser.

Joint Program Research Scientist Angelo Gurgel diskuterade sin MSD-baserade analys av hur klimatförändringar, befolkningstillväxt, ändra dieter, Förbättringar av skörden och andra krafter som driver förändringar i markanvändningen på global nivå kan i slutändan påverka hur mark används i USA. Utifrån nationella observationsdata och IGSM-ramverket, analysen visar att medan nuvarande trender för markanvändning i USA förväntas bestå eller intensifieras mellan nu och 2050, det finns inga bevis för att några vändpunkter har uppstått under denna period.

MIT Joint Program Research Scientist Jennifer Morris presenterade flera exempel på hur risktriage-plattformen kan användas för att kombinera befintliga amerikanska datamängder och IGSM-ramverket för att bedöma energi- och ekonomiska risker på regional nivå. Till exempel, genom att aggregera separata dataströmmar om fossila bränslen sysselsättning och fattigdom, man kan rikta in sig på utvalda län för jobbträningsprogram för ren energi när nationen går mot en framtid med låga koldioxidutsläpp.

"Våra modellerings- och risktriage -ramar kan ge bilder av nuvarande och beräknade framtida ekonomiska och energilandskap, "säger Morris." De kan också lyfta fram interaktioner mellan olika människor, byggd, och naturliga system, inklusive sammansatta risker som uppstår på samma plats."

MIT Joint Program forskningsfilial Sebastian Eastham, en forskare vid MIT Laboratory for Aviation and the Environment, beskrev en MSD-strategi för studiet av luftföroreningar och folkhälsa. Att länka IGSM med en atmosfärisk kemimodell, Eastham strävar i slutändan efter att bättre förstå var de största hälsoriskerna finns i USA och hur de kan förvärras under detta århundrade under olika politiska scenarier. Använda risktriageverktyget för att kombinera nuvarande riskmätvärden för luftkvalitet och fattigdom i ett utvalt län baserat på nuvarande befolkning och luftkvalitetsdata, han visade hur man snabbt kan identifiera kardiovaskulära och andra luftföroreningsinducerade sjukdomsrisker.

Till sist, MIT Joint Program forskningsfilial Alyssa McCluskey, en föreläsare vid University of Colorado i Boulder, visade hur risktriageverktyget kan användas för att lokalisera potentiella risker för vägar, vattenvägar, och kraftfördelningsledningar från översvämningar, extrema temperaturer, befolkningstillväxt, och andra stressfaktorer. Dessutom, McCluskey beskrev hur utveckling och expansion av transport- och energiinfrastruktur kan hota kritiska livsmiljöer för vilda djur.

Möjliggör heltäckande, platsspecifika analyser av risker och hot spots inom och bland flera domäner, det gemensamma programmets MSD -modelleringsverktyg kan användas för att informera beslutsfattande och investeringar från kommunal till global nivå.

"MSD tar sig an utmaningen att koppla samman människor, naturlig, och infrastruktursystem för att informera riskanalys och beslutsfattande, " säger Schlosser. "Genom vår risktriageplattform och andra MSD-modeller, vi planerar att bedöma viktiga interaktioner och tipspunkter, och att tillhandahålla framsyn som stöder åtgärder mot en hållbar, uthållig, och välmående värld."