Forskare studerar hur värmande vattentemperaturer kommer att påverka området kring de stora sjöarna. Deras arbete visar att små skillnader i sjöytans temperaturer kan ha stor inverkan på sommarklimatet och kan underblåsa extremt väder – avgörande information.

De stora sjöarna har en djupgående inverkan på landets identitet, ekonomi och klimat. Men de stora sjöarnas långsiktiga inflytande på regionala vädermönster, särskilt under ett föränderligt klimat, har inte förståtts väl. Det beror på att de flesta klimatmodeller inte realistiskt överväger hur temperaturen eller rörelsen hos sex biljoner liter sjövatten interagerar med atmosfären.

Ett projekt som heter Coastal Observations, Mechanisms and Predictions Across Systems and Scales (COMPASS), finansierat av Office of Biological and Environmental Research i US Department of Energy's (DOE) Office of Science, arbetar för att åtgärda denna kunskapslucka. I en ny studie använde ett team av medarbetare inklusive Jiali Wang från DOE:s Argonne National Laboratory högupplösta regionala modellexperiment för att undersöka hur sjöytans temperaturer kan påverka klimatet i området kring de stora sjöarna. Teamet fann att en liten skillnad i sjöytans temperatur – bara 1,4 °C uppvärmning – kan ha stor inverkan på sommarklimatet, inklusive:

• Öka lufttemperaturen nära ytan.
• Ökande avdunstning över sjöarna.
• Minska stora åskväder uppströms området kring de stora sjöarna.
• Ökande mindre, mer frekventa åskväder nedströms Great Lakes-regionen.

Denna uppvärmning motsvarar den potentiella uppvärmningen av sjövattenyttemperaturerna som förutspås inträffa i mitten av seklet. Stigande sjöyttemperaturer har potential att destabilisera regionala klimatförhållanden i hela Great Lakes-bassängen. Detta kan öka extrema väderhändelser, orsaka större stormar och översvämningar i ett område som är hem för 30 miljoner människor. Med så många liv och så mycket infrastruktur i den potentiella stormens väg, är exakta förutsägelser viktiga. Det är där Wang och hennes team kommer in.

"Mycket av arbetet vi gör på Argonne handlar om att göra landet mer motståndskraftigt mot effekterna av klimatförändringarna," sa Wang, "men vi kan inte prata om att bli motståndskraftiga förrän vi verkligen förstår riskerna."

Vetenskaplig hastighet och noggrannhet är avgörande för klimattålighet

Klimatforskare behöver mycket exakta klimatmodeller som gör det möjligt för dem att göra prognoser på lång sikt – de kommande 20 till 30 åren.

För att informera den globala klimatmodellutvecklingen om deras mer exakta representation av de stora sjöarna, använde Wangs nya studie mer exakta mätningar av sjöarnas ytvattentemperatur för att utforma numeriska experiment. Istället för att titta på det regionala klimatet ur ett globalt perspektiv, använder deras studie lokal och regional simuleringsutgång för att "zooma in" på området kring de stora sjöarna. Istället för att se en upplösning ner till ett område på några hundra mil, kan modellerna se ännu närmare – ner till ett område på cirka två mil.

Ett annat genombrott för COMPASS-projektet kommer från dess tvåvägs kopplade, atmosfäriska och 3D hydrodynamiska modell med atmosfär-sjöåterkopplingar. Här är anledningen till att detta är en spelomvandlare inom klimatmodellering:

• Den tvåvägskoppling innebär att modellen tar hänsyn till samspelet i realtid mellan hur sjön påverkar luften och hur luften påverkar sjön.
• 3D-modellen tar hänsyn till mönstren för sjöströmmarna samt den horisontella och vertikala blandningen av sjövattnet, vilket är särskilt viktigt för djupa och stora sjöar.

Dessa förbättringar är nyckeln till en mycket exakt klimatmodell, men de uppgår till ett extremt stort antal datapunkter som behöver bearbetas. Det är här ett annat viktigt verktyg kommer in:superdatorn.

Bättre verktyg, bättre data, bättre resultat

Wang tillskriver sitt teams framgångar deras starka samarbete och deras användning av Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) och National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), som är hem för några av världens snabbaste och mest kraftfulla superdatorer. "Dessa simuleringar skulle inte vara möjliga utan superdatorer," sa Wang. "Beräkningarna skulle ha tagit människor år att slutföra på en bärbar dator. Men med superdatorfaciliteterna på Argonne och NERSC kan vi skala upp vår vetenskap och testa stora, komplexa datamängder mycket snabbt." ALCF och NERSC är DOE Office of Science användarfaciliteter.

Tack vare dessa datorfaciliteter kör teamet nu förbättrade klimatmodeller för att förstå hur klimatförändringarna kommer att påverka vattennivåerna i de stora sjöarna.

Wang betonade att när det gäller klimattålighet är upptäcktshastigheten nyckeln. "Vi kan inte vänta. Vi behöver tillförlitliga data just nu för att förbereda oss för att möta morgondagens utmaningar."

En artikel baserad på studien publicerades i The Journal of Geophysical Research:Atmospheres , den 17 maj 2022. Förutom Wang inkluderar andra författare Pengfei Xue, Argonne; Michigan Tech, Houghton; William Pringle, Argonne, och Zhao Yang och Yun Qian, PNNL, Richland, Washington. + Utforska vidare

Nivåerna i Great Lakes kommer sannolikt att fortsätta stiga under de kommande tre decennierna