Наводнения в городах. Сильная жара. Надвигается ураганный шторм. Полярные вихри. Засухи и лесные пожары. Многие непринужденные беседы в наши дни, похоже, начинаются с анекдотов о погоде и, к сожалению, о влиянии изменения климата на окружающую среду, энергетическую инфраструктуру, экономику и людей.
Последствия изменения систем Земли носят глобальный характер. И они явно растут. Каким будет будущее и как наше общество может планировать адаптацию к этому будущему? По словам Пола Ульриха, профессора регионального моделирования климата в Калифорнийском университете в Дэвисе, существует настоятельная потребность в достоверных прогнозах для США, которые содержат детализированные представления о пространстве и времени.
Такая информация, добавляет он, дала бы исследовательскому сообществу «целенаправленное моделирование регионального воздействия на климат», которое проясняло бы местное воздействие на инфраструктуру и общество.
Моделирование TGW: моделирование возможного будущего. Чтобы удовлетворить эти потребности, группа ученых, финансируемых Министерством энергетики США, недавно опубликовала набор сценариев с высоким разрешением, которые охватывают ряд вероятных изменений климата США в течение 21 века. Этот подход называется термодинамическим глобальным потеплением (TGW). Эти сценарии являются результатом совместных усилий двух проектов Министерства энергетики США (DOE) — Интегрированного многосекторного многомасштабного моделирования (IM3) и платформы для улучшения анализа и моделирования земной системы и межсекторальной динамики в региональных масштабах (HyperFACETS). Эти два проекта финансируются за счет многосекторальной динамики программы моделирования Земли и экологических систем Министерства энергетики США и программ анализа региональных и глобальных моделей, соответственно. Две команды работали вместе над созданием сценариев будущего, разработав четыре симулятора, которые заглядывают в будущее Соединенных Штатов на 80 лет вперед, с 2020 по 2099 год.

In this simulation of a future North America, purple and dark red indicate areas of more intense surface temperatures. Left to right: A historic heat wave event from 2012, the historic event replayed in 2052, and the historic event replayed in 2092 for one of the four scenarios. Credit: U.S. Department of Energy/В этом моделировании будущей Северной Америки фиолетовый и темно-красный цвета указывают на области с более интенсивными температурами поверхности. Слева направо: Историческая аномальная жара 2012 года, историческое событие, повторенное в 2052 году, и историческое событие, повторенное в 2092 году по одному из четырех сценариев. Источник: Министерство энергетики США
Сценарии охватывают широкий спектр возможностей будущего потепления и призваны показать, как события предыдущих 40 лет (1980-2019) «повторились бы» в более теплых условиях. Каждое историческое событие воспроизводится в симуляциях восемь раз (по одному разу в каждом из двух 40-летних будущих периодов для каждого из четырех сценариев).
Дженни Райс, старший научный сотрудник Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории и главный исследователь IM3, объясняет, что моделирование TGW указывает на потенциальное увеличение интенсивности экстремальных явлений, географического охвата и продолжительности, включая то, как ранее неэкстремальные события могут стать экстремальными в более теплом будущем. «Например, — говорит она, — для каждой волны тепла или резкого похолодания, произошедших в период с 1980 по 2019 год, эти наборы данных предоставляют восемь будущих примеров этих событий, которые можно использовать, чтобы показать, как предыдущие проблемы с электросетью могли усугубиться в более экстремальных условиях».
По словам ученого Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL) Эндрю Джонса, события, зафиксированные в симуляциях, включают в себя все виды экстремальных явлений, пережитых за 40-летний исторический период — засухи, штормы, явления с сухим ветром, которые увеличивают риск возникновения лесных пожаров, и сложные события, при которых одновременно происходит несколько экстремальных явлений.
«Что особенно уникально в этом подходе, так это то, что мы воспроизводим известные исторические события, которые привели к нагрузке на нашу инфраструктуру и общество», — говорит Джонс. «Например, к ним относятся смертельная жара в Чикаго в 1995 году и последовательные штормы, вызвавшие катастрофу на плотине Оровилл в 2017 году».
Джонс отмечает, что воспроизведение известных событий полезно для проверки смоделированного воздействия этих событий на общество и наши адаптивные реакции. «Этот подход также обеспечивает перспективу на будущее, основанную на нашем опыте прошлого, позволяя нам систематически изучать, как эти памятные события могут развиваться при различных уровнях будущего потепления», — говорит он. «Применив этот метод к такому большому историческому периоду и обширной географической области, мы также можем изучить, как наши результаты соотносятся с аналогичными событиями в разных контекстах. Несколько прошлых исследований были сосредоточены только на одном событии или на более коротком периоде времени.»
Исследовательская группа предупреждает, что подход TGW не предназначен для оценки будущих изменений в общей частоте экстремальных явлений, связанных с изменениями в крупномасштабной динамике атмосферы.

A TGW simulation shows precipitation due to Hurricane Irma under four future scenarios, including historically simulated precipitation and observations. Credit: U.S. Department of Energy/Моделирование TGW показывает осадки, вызванные ураганом «Ирма», по четырем будущим сценариям, включая исторически смоделированные осадки и наблюдения. Источник: Министерство энергетики США
Моделированием руководили ученые LBNL Джонс (IM3 и HyperFACETS) и Пурия Бахмани (IM3), а также научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Риджа Дикша Растоги (IM3).
Они использовали модель исследования и прогнозирования погоды (WRF) (версия 4.2.1) — Weather Research and Forecasting (WRF) model (version 4.2.1) для обеспечения физической согласованности по 25 часовым и более чем 200 трехчасовым климатическим переменным с высоким пространственно-временным разрешением в течение всех 80 лет каждого моделирования. Потребовалось больше года, чтобы завершить моделирование на одной из самых мощных высокопроизводительных вычислительных систем в США. В настоящее время команда TGW Simulations готовит документ.
Свободно доступные наборы данных. Наборы данных моделирования TGW находятся в открытом доступе и более полно описаны на этой целевой странице, которая включает инструкции по их загрузке с помощью Globus, приложения для передачи файлов и менеджера загрузок. Многие вычислительные кластеры предоставляют механизмы для передачи файлов с конечных точек Globus. Джонс призывает сообщество по моделированию климата загружать данные, применять их в своих исследованиях и сотрудничать с командой TGW simulations. Команды IM3 и Hyper FACETS в настоящее время используют результаты моделирования в своих исследованиях. «В этом наборе данных содержится так много полезной информации», — говорит он. «Мы надеемся, что полученные данные позволят провести серию исследований воздействия климата и адаптации, ориентированных на экстремальные события, которые ранее были невозможны».
Этот набор данных не был скорректированы на предмет предвзятости. Версия с исправленными ошибками находится в стадии разработки и будет опубликована на веб-сайте TGW Simulations — TGW Simulations website, когда будет доступна.
Фото: Water rapidly flows from the eroded Oroville Dam spillway in February 2017. The large gully to the right was caused by water cascading through a broken and damaged concrete surface. Credit: California Governor’s Office of Emergency Services / Вода быстро вытекает из разрушенного водосброса плотины Оровилл в феврале 2017 года. Большой овраг справа образовался в результате того, что вода каскадом лилась по разбитой и поврежденной бетонной поверхности. Фото: Управление экстренных служб губернатора Калифорнии
More information: For Data Set, see: Andrew D. Jones et al, IM3/HyperFACETS Thermodynamic Global Warming (TGW) Simulation Datasets, MultiSector Dynamics—Living, Intuitive, Value-adding, Environment (2022). DOI: 10.57931/1885756
Provided by US Department of Energy