Forscher des Oak Ridge National Laboratory setzen ihre umfassende Expertise in Klimadaten und -modellierung ein, um im Rahmen von zwei Urban Integrated Field Laboratory-Projekten des US-Energieministeriums wissenschaftlich fundierte Minderungsstrategien für Städte zu entwickeln, die durch den Klimawandel belastet sind.
Das ORNL wird seine Landoberflächenmodellierungswerkzeuge verwenden, um das Klimarisiko von Baltimore zu bestimmen und Verbesserungen der grünen Infrastruktur zu analysieren, die dazu beitragen können, die Auswirkungen auf unterversorgte Gemeinden im Rahmen eines DOE Urban Integrated Field Laboratory-Projekts zu mildern. Quelle: Google Earth, abgerufen am 12. September 2022
Das Städtische IFLs wurden entwickelt, um Wissenschaftler aus mehreren Forschungseinrichtungen zusammenzubringen, um Umwelt- und Atmosphärendaten zu sammeln und sie in Modelle zu integrieren, um lokale Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen. Diese Modelle werden dann verwendet, um verschiedene Technologien und Lösungen zur Klimaresilienz zu untersuchen, die die Widerstandsfähigkeit auf Gemeindeebene verbessern könnten, wobei der Schwerpunkt auf unterrepräsentierten und benachteiligten Stadtteilen liegt.
„Das ORNL hat eine lange Geschichte großangelegter experimenteller und modellierender Wissenschaft in gefährdeten Ökosystemen, um uns dabei zu helfen, komplexe Klimaprozesse besser zu verstehen“, sagte Eric Pierce, Direktor der Environmental Sciences Division des ORNL. „Die Anwendung dieses Fachwissens und der großen wissenschaftlichen Tools des ORNL wie Frontier, dem schnellsten Supercomputer der Welt, um dazu beizutragen, reale Lösungen für dicht besiedelte städtische Gebiete bereitzustellen, ist eine natürliche Ergänzung.“
Bewältigung einer texanischen Herausforderung
In Texas arbeitet ORNL an ein Projekt unter der Leitung der University of Texas at Austin, die sich auf die Küstengemeinden Beaumont und Port Arthur konzentriert. Der Anstieg des Meeresspiegels, die Zersiedelung der Städte und das Erbe der petrochemischen Industrie stellen besondere Herausforderungen für diese Hafenstädte dar, in denen ORNL-Wissenschaftler die Risiken durch Überschwemmungen analysieren werden. Andere Universitäten, die an dem Projekt mitarbeiten, sind die Lamar University, die TexasA&M University und die Prairie View A&M University
Die Wassereinzugsgebiete des Flusses Sabine und Neches werden vom ORNL als Teil einer Überschwemmungsrisikoanalyse für das Gebiet Beaumont/Port Arthur, Texas (siehe Einschub) in einem DOE Urban Integrated Field Laboratory-Projekt modelliert. Bildnachweis: Ethan Coon/ORNL, US-Energieministerium
Die Forschung nutzt das Fachwissen des ORNL bei der Modellierung und Vorhersage von Umweltveränderungen unter Berücksichtigung der Geografie und der Sturmmuster der Region sowie der gebauten Umgebung von Straßen und Gebäuden. Die Arbeit baut auf den bewährten Fähigkeiten des Labors in der urbanen Skalierung und Erdsystemmodellierung, plus seine preisgekrönte Amanzi-ATS-Simulation Software, die bietet Detaillierte Analyse von großen Wassereinzugsgebieten durch die Nutzung verschiedener nationaler Datensätze und Arbeitsabläufe.
Ein ORNL-Forschungsteam hat wichtige Auswirkungen mikrobiell aktiver Hotspots in der Nähe von Flüssen in Modelle integriert, die die Bewegung von Nährstoffen und Schadstoffen in Flussnetzwerken verfolgen. Das integrierte Modell verfolgt Wasserqualitätsindikatoren besser und erleichtert neue wissenschaftliche Erkenntnisse. Bildnachweis: Adam Malin/ORNL, US-Energieministerium
„Wir werden Hochwassermodelle erstellen und eine Vielzahl von Faktoren in Sturmmustern untersuchen und wie sie sich unter dem Klimawandel in den nächsten Jahrzehnten entwickeln werden“, sagte Ethan Coon, Berechnungshydrologe, der die Arbeit des ORNL an dem Projekt leitet. „Wir werden maschinelles Lernen einsetzen, um zu verstehen, wie sich die Landbedeckung aufgrund von Zersiedelung und Bevölkerungswachstum verändern wird und was das für das Wasser bedeutet.“
Die bebaute Umwelt, von Straßen über Bürgersteige bis hin zu Parkplätzen, beeinflusst den Wasserkreislauf und das Klima. Wissenschaftler des ORNL haben die Verwendung statistischer Beziehungen zur Bewertung von Darstellungen von Städten und der Landoberfläche in Klimamodellen untersucht. Bildnachweis: Andy Sproles/ORNL, US-Energieministerium
„Wenn Sie mehr hinzufügen undurchlässige Oberflächen wie Straßen und Gebäude nehmen Sie dem Boden die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen und Überschwemmungen abzufedern“, sagte Coon. „Anhand unserer datengestützten Simulationen ermitteln wir, wie weit wir diese Risiken senken können, indem wir Projekte wie zusätzliche Parklandschaften und wasserdurchlässige Gehwege verfolgen.“
Das Modell kann dann von Stadtplanern in Zusammenarbeit mit lokalen Mitarbeitern wie UT Austin und der Lamar University verwendet werden, um gemeinsam eine grüne Infrastruktur zu entwerfen, die sich wissenschaftlich als effektiv erwiesen hat, sagte Coon.
Das ist eines der Hauptziele der Urban IFLs: wissenschaftsbasierte Strategien, die als Reaktion auf bereits laufende Klimafolgen umgesetzt werden können. „Was bedeutet der Klimawandel für unsere Gemeinden und wie können wir diese Vorhersagen in die Hände lokaler Entscheidungsträger bringen?“ sagte Coon. „Mit den Urban IFLs können wir alles, was wir in der Klimamodellierung erreicht haben, nutzen und uns auf diesen Ansatz konzentrieren.“
Aufdecken grüner Lösungen für Baltimore
In Baltimore ist das ORNL Partner eines von der Johns Hopkins University geleiteten Projekts, um die Herausforderungen besser zu verstehen und anzugehen, die sich aus alternder Infrastruktur, erhöhtem Hitze- und Überschwemmungsrisiko sowie Luft- und Wasserverschmutzung ergeben, die typisch für mittelgroße Industriestädte sind.
Das ORNL wird seine umfangreiche Erfahrung und Fähigkeiten in der Erdsystemmodellierung nutzen, einschließlich des Landoberflächenmodells, das vom ORNL für das DOE entwickelt und gepflegt wird Energy Exascale Erdsystemmodelloder E3SM, sowie seine Expertise in Pflanzenlebenszyklen Erstellung und Verfeinerung von Simulationen der städtischen Umgebung von Baltimore mit Schwerpunkt auf der Modellierung von Vegetationsmustern und -auswirkungen.
Klimawissenschaftler interessieren sich für die kühlende Wirkung, die Bäume und Pflanzen auf hitzebelastete städtische Umgebungen haben können.
„Bäume und Pflanzen ziehen Feuchtigkeit aus dem Boden und wandeln sie in Wasserdampf um, der an die Atmosphäre abgegeben wird, wodurch ein Kühleffekt entsteht, der dazu beitragen kann, die Auswirkungen städtischer Hitzeinseln auf gefährdete Bevölkerungsgruppen auszugleichen“, sagte Dan Ricciuto, Leiter von ORNLs Earth Systems Modellierungsgruppe und der Zusammenarbeit des Labors beim Baltimore-Projekt.
Das ORNL wird für das Projekt auch Datenspeicherungs- und Zugriffsdienste bereitstellen, was voraussichtlich zu riesigen Datensätzen führen wird, wenn Wissenschaftler alle Parameter modellieren, die im Risikoprofil und in den Resilienzstrategien der Stadt eine Rolle spielen.
Datenspeicherung und -zugriff sind Schlüsselfunktionen bei ORNL. Das Labor stellt terrestrische Beobachtungen und Modelle zusammen und bietet Zugang zu diesen, die die erdwissenschaftlichen Missionen der NASA in den USA unterstützen ORNL Distributed Active Archive Center for Biogeochemical Dynamics. ORNL hostet und erleichtert auch den Zugriff auf die riesigen Datensätze der Atmosphärische Strahlungsmessung Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die die einflussreichsten Klimamodelle der Welt untermauert.
„Wir haben viel Erfahrung mit dem, was man so nennt ModEx Ansatz – die Integration von Umweltbeobachtungen aus weit verbreiteten Netzwerken in groß angelegte Modelle“, sagte Ricciuto. „ORNL verfeinert und kalibriert solche Modelle kontinuierlich, und wir freuen uns darauf, durch dieses Projekt neues Wissen über städtische Ökosysteme in E3SM einfließen zu lassen.“ Durch die genaue Bestimmung von Klimaauswirkungen und Minderung für bestimmte unterversorgte Stadtteile bringt Urban IFL eine neue Granularität in die ORNL-Modellierung, fügte er hinzu.
Coon sagte, dass Klimawissenschaftler sich in der Vergangenheit auf globale Modelle konzentriert haben, um die Zukunft des Planeten vorherzusagen, und diese Vorhersagen über die Prozesse auf der Erde derzeit verfeinern. „Da gibt es noch wichtige Arbeit zu tun“, sagte er. „Aber ebenso wichtig ist die Erforschung dessen, was jetzt getan werden kann, um sich an die bereits stattfindenden Umweltveränderungen anzupassen.“
Die Urban IFLs werden vom Biological and Environmental Research Program im Office of Science des DOE gesponsert.
UT-Battelle verwaltet ORNL für DOE’s Office of Science, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet daran, einige der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science. —Stephanie Seay
Ursprünglich herausgegeben von Oak Ridge Nationallabor.
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