Der Nordamerikanische Sturmkomplex vom Dezember 2014 war ein gewaltiger Wintersturm, der von einigen als Kaliforniens “Sturm des Jahrzehnts” bezeichnet wurde. Angetrieben von einem atmosphärischen Fluss, der über den tropischen Gewässern des Pazifischen Ozeans entstand, brachte der Sturm innerhalb von 24 Stunden 8 Zoll Niederschlag, wies Windböen von 139 Meilen pro Stunde auf und ließ 150.000 Haushalte in der San Francisco Bay Area ohne Strom.
In der Zeitschrift Weather and Climate Extremes haben Forscher diese Woche die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf extreme Stürme in der Bucht von San Francisco beschrieben, darunter der nordamerikanische Sturmkomplex vom Dezember 2014.
Sie simulierten fünf der stärksten Stürme, die das Gebiet heimgesucht haben, und stellten fest, dass einige dieser Extremereignisse unter zukünftigen Bedingungen 26-37 % mehr Regen bringen würden, sogar mehr als vorhergesagt, wenn man die Fähigkeit der Luft berücksichtigt, unter wärmeren Bedingungen mehr Wasser zu transportieren.
Die Forscher fanden jedoch heraus, dass diese Steigerungen nicht bei jedem Sturm auftreten würden, sondern nur bei solchen, die einen atmosphärischen Fluss in Verbindung mit einem außertropischen Wirbelsturm beinhalten.
Die von der Stadt und dem Landkreis San Francisco finanzierte und in Zusammenarbeit mit Behörden wie der San Francisco Public Utilities Commission, dem Hafen von San Francisco und dem San Francisco International Airport durchgeführte Untersuchung wird der Region helfen, ihre künftige Infrastruktur mit Blick auf Schadensbegrenzung und Nachhaltigkeit zu planen.
“Diese Detailgenauigkeit ist von entscheidender Bedeutung”, sagte Dennis Herrera, Geschäftsführer der San Francisco Public Utilities Commission, die bei der Studie federführend war. “Diese bahnbrechenden Daten werden uns dabei helfen, Instrumente zu entwickeln, die es unserem Hafen, dem Flughafen, den Versorgungsbetrieben und der Stadt als Ganzes ermöglichen, sich an das sich verändernde Klima und die immer extremeren Stürme anzupassen.
Ermöglicht wurden diese erstmaligen Prognosen für die Stadt durch den Supercomputer Stampede2 im Texas Advanced Computing Center (TACC) und das Cori-System im National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) – zwei der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, die von der National Science Foundation bzw. dem Energieministerium unterstützt werden.
Hindcasting mit Blick auf die Zukunft
Bestimmte Facetten unseres zukünftigen Klimas sind bekannt: höhere Temperaturen, steigende Meere, Artenverlust. Aber wie werden sich höhere Treibhausgaskonzentrationen und die Erwärmung der Luft und der Ozeane auf extreme Wetterereignisse wie Wirbelstürme, Tornados und starke Regenfälle auswirken? Und wo genau werden diese Veränderungen am stärksten sein und unter welchen Bedingungen?
Christina Patricola, Assistenzprofessorin für Geologie und Atmosphärenwissenschaften an der Iowa State University und Hauptautorin der Studie Weather and Climate Extremes, hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Naturgefahren der Zukunft vorherzusagen. Ihre Forschung trägt dazu bei, die Risiken zu quantifizieren und zu verstehen, denen wir in Zukunft durch Naturgefahren ausgesetzt sein werden.
Durch den Einsatz von Supercomputern konnte Patricola die Region mit einer Auflösung von 3 Kilometern modellieren. Wissenschaftler sind der Ansicht, dass diese Detailgenauigkeit erforderlich ist, um die Dynamik von Sturmsystemen wie Hurrikanen und atmosphärischen Flüssen zu erfassen und ihre Auswirkungen auf ein Stadtgebiet vorherzusagen.
Für jeden der historischen Stürme führten Patricola und ihre Mitarbeiter 10er-Ensembles – unabhängige, leicht unterschiedliche Simulationen – mit einer Auflösung von 3 Kilometern durch, ein Prozess, der als “Hindcasting” (im Gegensatz zur Vorhersage) bezeichnet wird. Anschließend passten sie die Treibhausgaskonzentrationen und die Meeresoberflächentemperaturen an, um vorherzusagen, wie diese historischen Stürme unter den für 2050 und 2100 prognostizierten Klimabedingungen aussehen würden.
Patricola nennt diese Experimente “Storyline”-Experimente: Computermodelle, die dazu dienen sollen, darüber nachzudenken, wie historisch bedeutsame Sturmereignisse in einer wärmeren Welt aussehen könnten. Die Konzentration auf Ereignisse, von denen bekannt ist, dass sie sich auf den Stadtbetrieb auswirken, bietet einen nützlichen Kontext für das Verständnis der potenziellen Auswirkungen von Ereignissen, wenn sie unter zukünftigen Klimabedingungen auftreten.
Die Studie befasst sich nicht mit Veränderungen in der Häufigkeit von extremen Stürmen in der Zukunft und kann daher nicht sagen, wie sich die Niederschläge insgesamt verändern werden, sagte sie. (Eine weitere dringende Frage für kalifornische Planer.) Aber sie kann Entscheidungsträgern helfen, Trends in der Intensität der schlimmsten Stürme zu verstehen und fundierte Entscheidungen zu treffen.
An der Westküste fällt ein Großteil der Niederschläge in Verbindung mit atmosphärischen Flüssen (ARs), die in einem schmalen Band eine beträchtliche Menge an Feuchtigkeit transportieren, erklärte Patricola. Einige der untersuchten Stürme wiesen nur ARs auf. Bei anderen traten ARs gleichzeitig mit Tiefdruckgebieten auf, die als außertropische Wirbelstürme (ETCs) bekannt sind.
“Wir haben etwas sehr Interessantes gefunden”, sagte sie. “Bei Ereignissen mit einem atmosphärischen Fluss und einem Wirbelsturm zusammen nahmen die Niederschläge erheblich zu, während die Niederschlagsveränderungen schwach oder negativ waren, wenn es nur einen atmosphärischen Fluss gab.”
Der Unterschied liegt ihrer Meinung nach im Hebemechanismus. Im Allgemeinen benötigen starke Niederschläge feuchte Luft, um aufzusteigen. Während die reinen AR-Stürme einen zukünftigen Anstieg der atmosphärischen Feuchtigkeit zeigten, zeigten die Stürme mit AR und ETC einen zukünftigen Anstieg der atmosphärischen Feuchtigkeit und der aufsteigenden Luft. Weitere Untersuchungen werden diesen Zusammenhang erforschen.
Leistungsstarke Klimawissenschaft
Patricola nutzt die TACC-Supercomputer für die Klima- und Wettermodellierung seit 2010, als sie als Doktorandin an der Cornell University mit dem führenden Klimawissenschaftler Kerry Cook (jetzt an der University of Texas in Austin) zusammenarbeitete. Sie erinnert sich, dass ihre ersten Modelle eine horizontale Auflösung von 90 km hatten – 30 Mal weniger aufgelöst als heute – und damals als hochmodern galten.
“Es war eine große Hilfe, die Ressourcen von TACC und NERSC für diese Simulationen zu haben”, sagt sie. “Wir sind an extremen Niederschlagssummen und stündlichen Niederschlagsraten interessiert. Um diese Vorhersagen machen zu können, mussten wir eine hohe Auflösung von 3 km erreichen. Und je höher die Auflösung, desto höher der Rechenaufwand”.
Patricola hat die von ihr entwickelte Methodik genutzt, um andere Phänomene zu verstehen, z. B. wie sich tropische Wirbelstürme in Zukunft verändern könnten. Sie und ihr Kollege Michael Wehner berichteten 2018 in einem Nature-Artikel über diese Veränderungen. “Wenn ein Hurrikan wie Katrina am Ende des 21. Jahrhunderts auftreten würde, wie könnte er aussehen? Mehr Regenfälle, stärkere Winde? Unsere Methode kann für jede Art von Wettersystem verwendet werden, für das eine Vorhersage möglich ist.”
In der nächsten Phase des Projekts in San Francisco wird Patricola mit Mitarbeitern der Stadt und ihren Kollegen zusammenarbeiten, um zu verstehen, was die Wetterveränderungen für den Betrieb der Stadt bedeuten.
“Dieses Projekt ist relativ einzigartig und eines der ersten Projekte dieser Art, bei dem eine sehr enge Zusammenarbeit zwischen städtischen Behörden und Klimawissenschaftlern stattfindet”, sagte sie. “Es kann als gutes Beispiel dafür dienen, was die Klimawissenschaft tun kann, um den Städten die bestmöglichen Informationen zu liefern, während sie sich auf die Zukunft vorbereiten.
Datum: April 28, 2022
Quelle: Universität von Texas in Austin, Texas Advanced Computing Center
Journal Reference:
- Christina M. Patricola, Michael F. Wehner, Emily Bercos-Hickey, Flor Vanessa Maciel, Christine May, Michael Mak, Olivia Yip, Anna M. Roche, Susan Leal. Future changes in extreme precipitation over the San Francisco Bay Area: Dependence on atmospheric river and extratropical cyclone events. Weather and Climate Extremes, 2022; 36: 100440 DOI: 10.1016/j.wace.2022.100440