Wirbelstürme mit menschlichen Namen ziehen die ganze Aufmerksamkeit auf sich, aber "sonnige Tage" oder "unangenehme" Überschwemmungen, die durch Flut verursacht werden, richten an der US-Küste Chaos an. In einem Bericht der vergangenen Woche warnte die National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), Teil des Handelsministeriums, dass die Häufigkeit von Gezeitenüberschwemmungen in Dutzenden von US-Städten zunimmt. Abgesehen von den extremen Auswirkungen der Hurrikane, tropischen Stürme und Wolkenbrüche, die ab diesem Sommer auftreten, können diese Gezeitenfluten große Auswirkungen haben.
Susan Crawford (@scrawford) ist eine Ideengeberin für WIRED, Professorin an der Harvard Law School und Autorin von Fiber: The Coming Tech Revolution - und warum Amerika es vermissen könnte.
Stadtplaner an der Atlantikküste sind bemüht, mit diesen immer häufiger auftretenden Ereignissen fertig zu werden, wenn Gezeitenfluten die Schwellenwerte des Nationalen Wetterdienstes erreichen, die Notfallreaktionen wie Reisehinweise, Straßensperren und Schließungen von Stadtbüros auslösen. Diese Überschwemmung könnte schnell zunehmen: Der jüngste vierte nationale Klimaschutzbericht prognostizierte, dass Überschwemmungen in Charleston, South Carolina - einer der acht am stärksten gefährdeten Städte der USA - bis 2045 so oft wie jeden zweiten Tag auftreten könnten ungewöhnlich hohe Schwelle für Hochwasser; Charleston wird nach dem Weather Service-Standard bis 2050 an 319 Tagen im Jahr eine Überschwemmung durch sonnige Tage erleben.
Dieser Anstieg der Hochwasserhäufigkeit hängt direkt mit dem Anstieg des Meeresspiegels zusammen, der auf Faktoren wie dem Abschmelzen des Eises in der Antarktis und Veränderungen der Zirkulationsdynamik der Ozeane zurückzuführen ist. Bisher war es jedoch schwierig, lokalisierte Prognosen darüber zu erstellen, wie sich Hochwasser auf die Wassersysteme an Land auswirken wird - einschließlich der Bewegung von Wasser über Sümpfe und der Kapazität von Wasserspeicherbecken, um ihre Arbeit zu erledigen. Das Problem bestand darin, hochauflösende Daten über die Komplexität von Küsten- und Binnenwassersystemen - Vorhersagen darüber, was voraussichtlich alle 30 Meter an Land passieren wird - mit weniger spezifischen Daten über den Ozean zu verknüpfen, einschließlich aktueller Systeme und Messungen von Temperatur und Salzgehalt.
Dank des Hochleistungsrechnens hat nun ein Team von Wissenschaftlern, die mit NOAA zusammenarbeiten, herausgefunden, wie diese Systeme miteinander verbunden werden können. Diese Arbeit wird es ermöglichen, Modelle zu erstellen, die die vorhergesagten feinkörnigen Auswirkungen des Meeresspiegelanstiegs auf bestimmte Küstengemeinden zeigen.
Auf der einfachsten Ebene bedeutet dies, dass ein Stadtplaner in Charleston sicherstellen kann, dass das Budget für das nächste Jahr die prognostizierten Ausgaben für immer häufiger auftretende "Notfälle" bei Überschwemmungen wie Überstunden der Polizei und Einsatz von Arbeitskräften einschließt. Der Nutzen dieser Daten geht jedoch weit über den Polizeieinsatz hinaus: Städte, die das Schicksal von Tangier Island, einem Landstrich in der Chesapeake Bay, der bereits etwa zwei Drittel seiner Fläche verloren hat, vermeiden wollen, müssen sich dringend an den raschen Wandel anpassen Welt.
Mit den neuen Modellen können Menschen in Orten wie Charleston detailliert sehen, was auf ihren Straßen und in ihren Wohngegenden wahrscheinlich ist. Mit diesen Daten könnten die Gemeinden entscheiden, Deiche zu errichten, aber sie könnten auch eine Strategie des kontrollierten Rückzugs und der Neuansiedlung verfolgen.
Vor ein paar Monaten hörte ich in Charleston, wie Joannes Westerink, ein klarer Professor für Computerhydraulik, seine Arbeit mit Kollegen von Notre Dame und NOAA vorstellte (hier veröffentlicht im Februar). Es war eine ziemliche Sitzung.
Westerink ist seit Jahrzehnten führend in der hydraulischen Küstenmodellierung. In den 1990er Jahren war er Gründungsentwickler des Advanced Circulation Model (ADCIRC). ADCIRC simuliert Wind, atmosphärischen Druck, Gezeiten und durch Windwellen angetriebene Küstenzirkulation. Es wird von der NOAA, der FEMA und dem Army Corps of Engineers eingesetzt und ist global finanziert. Es handelt sich jedoch um ein lokales Modell, das keine Verbindung zu Daten über den Ozean herstellt und daher nicht die Physik des gesamten Energiebereichs des Ozeans berücksichtigt.
Jetzt haben Westerink und seine Kollegen in Zusammenarbeit mit NOAA und der ADCIRC-Community ADCIRC mit einer Vielzahl globaler Ozeanzirkulationsmodelle gekoppelt. Dies sind 3D-Modelle, die Dutzende von Schichten des Ozeans erfassen, jedoch nur bis zu einer Spezifität von 8 Kilometern. Das ist verständlich: 3D-Darstellungen erfordern enorme Daten- und Variablenmengen. Dies bedeutet jedoch, dass globale Ozeanmodelle für Küstenplaner nicht detailliert genug sind.
Wie Westerink erklärte, musste sein Team zunächst herausfinden, wie Daten über mehrere Ozeanschichten in die Küstenvorhersagen der NOAA eingespeist werden können. Das globale Modell, das Sensordaten verwendet, die größtenteils von Satelliten stammen, stützt sich notwendigerweise auf eine andere Physik als das vorhandene 2D-Modell zur Vorhersage von Sturmfluten und Gezeiten an der Küste. Und die globalen Daten haben einen anderen Maßstab: 8 Kilometer versus 30 Meter. Westerink sagte mir, dass es 19 Millionen weiterer Variablen erfordern würde, um das globale 3D-Modell auf einer feinkörnigen Ebene an der Küste "funktionieren" zu lassen. Nicht nur das, sondern auch andere Modelle wie die für Wellenenergie auf der ganzen Welt mussten berücksichtigt werden.
Zwei Bewegungen haben dazu geführt, dass diese unterschiedlichen Vorhersagesilos und die Physik als integrierte Simulation zusammenarbeiten: mithilfe von unstrukturierten Netzen oder Gittern, bei denen die „Kästchen“des Modells unregelmäßig geformt sein können, in Küstennähe, um Informationen in sehr hoher Auflösung flexibel aufzulösen (oder anzuzeigen) erforderlich; und clevere rechnerische Möglichkeiten zu finden, um die enormen Datenmengen zu verarbeiten.
Mithilfe von unstrukturierten Gittern können Physiker die Daten eingeben, die ihrer Meinung nach für einen bestimmten Standort relevant sind. "Dies war in hohem Maße ein [physikalischer] Prozess und ein Skalenproblem, was ihn aus rechnerischer und modelltechnischer Sicht interessant macht", sagt Westerink. Das Lösen dieser Rätsel bedeutet, dass die kombinierten Effekte vieler miteinander verbundener Prozesse - wie Gezeiten, Wellen, Ozeanzirkulation, Sturmfluten und Regenabfluss - an den Küsten und im Ozean in derselben Grafik simuliert werden können.
Jetzt, da diese Modelle zusammenarbeiten können, können Planer auf ein einziges dynamisches Modell zugreifen, das die Stärken beider Modelle nutzt. Es geht darum, "Prognosen auf die nächste Stufe zu heben", sagt Westerink. William Sweet, ein Ozeanograph im NOAA-Zentrum für operationelle ozeanografische Produkte und Dienstleistungen, sagt, dass die Kombination der Modelle den lokalen Planern "einen besseren Überblick darüber geben wird, worauf sie achten müssen und was sie bei der Planung für die Zukunft berücksichtigen müssen".
Westerink ist ein Hardcore-Ingenieur. Er hat keinen Spitznamen für dieses Projekt. Aber er ist aufgeregt. "All diese Physik wird zusammengeführt, um uns eine Simulationskapazität zu geben, von der Laplace vor fast 250 Jahren geträumt hat." Wenn Sie nicht über Laplace Bescheid wissen (und ich sicherlich nicht), ist er ein Physiker, der Theorien entwickelt hat, um das dynamische Verhalten von Gezeiten zu beschreiben und vorherzusagen. Im Jahre 1775.
Westerink sagt, sein Ziel sei es, die gesamte Bandbreite der Energie des Ozeans, einschließlich seiner inneren Wellen, darzustellen und nicht nur die Physik eines Phänomens. "Die Leute neigen dazu, sich wirklich auf einen Prozess zu konzentrieren", wie Sturmfluten oder Wellen, sagte er mir. Aber der Ozean ist ein breites Spektrum vieler Prozesse. "Was wir versuchen, ist, alles zusammenzubringen", sagt er, "indem wir beispiellose Auflösungsebenen auf globaler Ebene dorthin bringen, wo Sie sie benötigen." Dies bedeutet, dass Entscheidungsträger in Küstengebieten bessere Vorhersagen haben, auf denen sie ihre Pläne aufbauen können.
Das ist dringende Arbeit. Heute zieht der Golfstrom, der nur 50 Meilen vor Charlestons Küste fließt, Wasser von der Küste weg. Wie in einer preisgekrönten Serie von Tony Bartelme in Charlestons The Post and Courier im vergangenen Jahr erläutert, dürfte sich der Golfstrom aufgrund der sich ändernden Meerestemperatur verlangsamen. Wenn dies geschieht, wird laut Westerink die effektive Barriere, die der Golfstrom bietet, verschwinden. Seiner Ansicht nach steigt das Wasser dann entlang der Küste von South Carolina um ungefähr 3 Fuß an, möglicherweise ziemlich schnell. Dieser Effekt war laut Westerink zuvor nicht sichtbar, da lokale Modelle die Physik der Ozeanzirkulation vernachlässigten. "Mit diesen groß angelegten Küstenmodellen können wir die Auswirkungen der Ozeandynamik, die wir entlang der Küste der Vereinigten Staaten nachweisen, tatsächlich recht gut vorhersagen", sagt er.
