Ursprünglich veröffentlicht von Oak Ridge National Laboratory.
Mit neuartigen Datensätzen und Computersystemen simulieren Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy, wie sich der Klimawandel auf die Sicherheit des Landes auswirkt. Diese Forschung kann politischen Entscheidungsträgern und Entscheidungsträgern auf Bundes-, Landes- und lokaler Ebene helfen, Risikofaktoren schnell zu identifizieren und reale Minderungsstrategien zu entwickeln.
Seit mehr als zwei Jahrzehnten modellieren ORNL-Wissenschaftler Umweltfaktoren wie Temperatur und Niederschlag sowie Bevölkerungsverteilung. Derzeit untersuchen Forscher, wie sich der Klimawandel auf die Bevölkerungsdichte, kritische Infrastruktur und Sicherheit auswirkt, um besser zu verstehen, wie extreme Klimaereignisse die physische Sicherheit bedrohen und einen Dominoeffekt wirtschaftlicher Auswirkungen und anderer nationaler Sicherheitsherausforderungen auslösen können.
In einigen Fällen können steigende Temperaturen, die die landwirtschaftlichen Möglichkeiten einschränken, zu Massenabwanderungen aus kämpfenden Gemeinden führen. In anderen Fällen können heftige Hurrikane und Winterstürme den Stromnetzbetrieb stören und den Zugang zu Elektrizität und anderen Versorgungsunternehmen lange nach dem Ende der anfänglichen Klimabedrohung unterbrechen.
„Wir sind daran interessiert, die konkreten Konsequenzen zu kontextualisieren, die Phänomene wie der Anstieg des Meeresspiegels sowie Temperatur- und Niederschlagsänderungen auf den Menschen haben“, sagte Carter Christopher, der die Human Dynamics Section des ORNL im National Security Sciences Directorate leitet. „Die menschliche Sicherheit ist eine Funktion der Sicherheit und Widerstandsfähigkeit einer Gemeinschaft, sei es ein ländlicher Landkreis, eine Kleinstadt oder eine Großstadt, im In- oder Ausland.“
Forscher des National Security Sciences Directorate und des gesamten Labors untersuchen den Zusammenhang zwischen Klimawandel und nationaler Sicherheit aus mehreren Perspektiven – und liefern wichtige Ergebnisse, die Entscheidungsträger nutzen können, um Strategien zum besten Schutz von Menschen zu entwickeln, bevor sie in gefährliche Situationen geraten.
Bewertung von Risiko und Widerstandsfähigkeit
Bandana Kar, die die Built Environment Characterization oder BEC Group von ORNL leitet, konzentriert sich auf die Untersuchung und Prognose des Risikos und der Widerstandsfähigkeit der kritischen Infrastruktursysteme und Städte des Landes. Unter Verwendung von Konzepten und Technologien der Geoinformationswissenschaft, einschließlich Satellitenfernerkundung, Geomodellierung und -datensätzen sowie Computerwissenschaften, bewertet und identifiziert Kars Team die in Gemeinden und Städten vorhandenen Risikofaktoren sowie den Zugang zu Ressourcen wie Energie in diesen Gebieten, die ist entscheidend für Ausfallsicherheit und Notfallwiederherstellung.
Die Ergebnisse des Model of Models (ein Ensemble-Modell), das auf einem hydrologischen Modell nahe Echtzeit trainiert wurde, und die Ergebnisse der Erdbeobachtung zeigten, welche Regionen in Afrika 2020 am wahrscheinlichsten schweren Überschwemmungen ausgesetzt sein werden. Quelle: NASA und Pacific Disaster Center
Da die kritischen Infrastruktursysteme des Landes miteinander verbunden sind, könnten scheinbar unabhängige Bedenken, wie erhöhte Versandkosten und begrenzte Vorräte an Benzin oder anderen Kraftstoffquellen, die Lieferketten und die Gemeinschaften, die darauf angewiesen sind, beeinträchtigen.
Der Zugriff auf Geodatensätze und Informationen zum Lagebewusstsein vor Katastrophen ermöglicht es Notfallmanagern, bei Bedarf Evakuierungen oder andere Eindämmungsmaßnahmen zu planen. Die BEC-Gruppe generiert Datensätze kritischer Infrastrukturen und entwickelt Modelle und Algorithmen, die auf bestimmte Gemeinden und Szenarien zugeschnitten sind, um Klimafolgen vorherzusagen und wirtschaftliche Verluste sowie Verletzungen und Todesfälle zu verhindern.
Das Projekt Global Flood Modeling and Alerting bietet Einblicke in die Gebiete Asiens, die sich möglicherweise auf störende Überschwemmungen im Jahr 2021 vorbereiten müssen, wobei die Risikostufen von einem Hinweis (gelb) über eine Uhr (orange) bis hin zu einer Warnung (rot) reichen. Quelle: NASA und Pacific Disaster Center
„Wir betrachten Resilienz aus physischen, soziokulturellen und technologischen Dimensionen“, sagte Kar. „Durch die Bewertung der physikalischen Bedingungen der Infrastruktur im Kontext klimatischer Bedingungen und soziokultureller Faktoren können wir untersuchen, wie sich diese Faktoren unter verschiedenen Szenarien an einem bestimmten Ort verändern und auf Menschen auswirken.“
Derzeit untersucht Kar, wie sich hydrometeorologische Ereignisse im Laufe der Zeit auf Einzelpersonen und die Energieinfrastruktur auswirken. Gemeinsam mit ihren Mitarbeitern identifiziert sie potenzielle Schwachstellen entlang der Energieversorgungskette, an denen unerwartete Unterbrechungen bei extremen Klimaereignissen zu Stromausfällen führen könnten.
Kar ist auch Teil der Globale Hochwassermodellierung und Warnungen Projekt, das vom NASA-Disasters-Programm finanziert wird. Mithilfe von Algorithmen, die hydrologische Modelle und Fernerkundungsdatensätze kombinieren, prognostiziert das Projektteam die Schwere von Überschwemmungen und identifiziert Regionen auf der ganzen Welt, in denen eine hohe Wahrscheinlichkeit für Überschwemmungen besteht, basierend auf früheren Klimaereignissen und typischen Niederschlagsmengen.
Diese Studie generiert Warnungen über die Schwere von Überschwemmungen, die international an Einwohner und politische Entscheidungsträger verbreitet werden durch DisasterAWARE, eine von Forschern der University of Hawaii erstellte Plattform, die 2 Millionen Nutzer hat und tägliche Vorhersagen für mehr als 15 Arten von Klimaereignissen bereitstellt.
Als Teil des Situations-Temporal Awareness Tool for Integrated Oil and Natural Gas Systems and Restoration of Power Outage from Wide Area Severe Weather Disruptions, das vom DOE Office of Cybersecurity, Energy Security, and Emergency Response (CESER) finanziert wird, trägt Kar zum Entwicklung von Modellen und Simulationen, die helfen, die benötigte Zeit für die Wiederherstellung der Stromversorgung nach einem extremen Klimaereignis sowie die Dauer der Verfügbarkeit von flüssigem Kraftstoff an Tankstellen auf Evakuierungsrouten und entlang der gesamten Lieferkette abzuschätzen. Diese Projekte tragen zum CESER-Programm Environment for Analysis of Geo-Located Energy Information bei.
Populationsmodellierung in beispiellosem Umfang
Wissenschaftler der Humangeographie-Gruppe des ORNL wenden geographische Datenwissenschaft und Computermethoden an, um die Verteilung und Dynamik von Populationen auf der ganzen Welt besser zu verstehen. Historische und aktuelle Bevölkerungstrends auf der Grundlage der demografischen Verteilung und des Verhaltens im Zusammenhang mit der menschlichen Mobilität während der Tages- und Nachtzeit bieten eine Grundlage für Gemeinden, die von Umweltgefahren bedroht sind.
„Die Human Geography Group ist einzigartig positioniert, um die globale menschliche Sicherheit durch unsere skalierbare Bevölkerungsmodellierung und Forschung zu adressieren, um aktuelle und zukünftige Ungerechtigkeiten und Schwachstellen in der gesamten menschlichen Landschaft aufzudecken“, sagte Gruppenleiterin Marie Urban. „Unser Ziel ist es, die führende Bevölkerungsdynamikforschung fortzusetzen, nicht nur zur Unterstützung der nationalen Sicherheitsmission des DOE, sondern auch zur Unterstützung der humanitären Gemeinschaft, politischer Entscheidungsträger und Interessengruppen bei der Entwicklung einer nachhaltigeren Zukunft.“
ORNLs LandScan Das Bevölkerungsmodellierungsprogramm, das von der National Geospatial-Intelligence Agency finanziert wird, baut auf US-Volkszählungsdaten auf, um ein detaillierteres Bild der Bevölkerung in Wohngebieten, Bürogebäuden, Schulen und anderen gängigen Pendlerzielen zu liefern. LandScan-Forscher entwickeln Algorithmen, um Bevölkerungsbewegungen basierend auf Tagesplänen sowie langfristigen Migrationsmustern zu bewerten.
Diese Algorithmen modellieren menschliche Aktivitäten und berücksichtigen verschiedene soziokulturelle, wirtschaftliche und demografische Faktoren auf der ganzen Welt, die beeinflussen, wo sich Menschen im Laufe eines Tages aufhalten. Die verschiedenen Muster in der Landschaft, insbesondere Veränderungen zwischen Tag und Nacht, werden in LandScan erfasst, um ein besseres Verständnis der Bevölkerungsverteilung zu ermöglichen. Die Analyse dieser Routinen hilft Forschern zu untersuchen, wie sich die Bevölkerung zu Hause, am Arbeitsplatz, im Klassenzimmer und anderswo in einer bestimmten Stadt gegen plötzliche Sicherheitsbedrohungen durch den raschen Ausbruch einer Klimakatastrophe behaupten würde.
„LandScan wurde entwickelt, um Regierungen und Wissenschaftlern zu helfen, vorauszuplanen und die potenziellen Auswirkungen von Naturkatastrophen – wie Hurrikans, Tsunamis, Erdbeben und Erdrutsche – und technologischen Katastrophen wie Ölverschmutzungen zu untersuchen“, sagte Amy Rose, Programmdirektorin von LandScan. „Zum Beispiel integrieren einige unserer Bundesanwender LandScan-Datensätze mit Hurrikan-Tracks und -Prognosen sowie anderen kritischen Infrastrukturdaten, um politischen Entscheidungsträgern Schätzungen zu liefern, wie sich der Hurrikan auf die Wohnbevölkerung und die Wirtschaft einer Gemeinde auswirken wird.“
Das LandScan-Team untersucht auch, wie der Anstieg des Meeresspiegels und andere Phänomene das Stadtwachstum und die Küstentopologie langfristig wahrscheinlich verändern werden.
Auf Energie- und Umweltgerechtigkeit bauen
Unter Verwendung des UrbanPop-Frameworks entwickelt der Forscher Joe Tuccillo hochauflösende Nachbildungen der sozialen Zusammensetzung von Census-Blockgruppen mit 600–3.000 Personen. Diese Daten können Befürwortern von Energie- und Klimagerechtigkeit dabei helfen, Nachbarschaften und Gemeinden zu identifizieren, die möglicherweise keinen Zugang zu sauberen Energiequellen haben oder im Laufe der Zeit durch Naturkatastrophen und andere Folgen des Klimawandels für die Umwelt und die nationale Sicherheit unverhältnismäßig geschädigt werden.
UrbanPop, das durch das Laboratory Directed Research and Development-Programm des ORNL und das National Virtual Biotechnology Laboratory des DOE finanziert wurde, verwendet Stichprobenerhebungen des American Community Survey des US Census Bureau, um die Zusammensetzung dieser Gruppen zu schätzen. Diese Daten ermöglichen es Forschern, die allgemeinen demografischen Merkmale und Verhaltenstrends von Menschen in verschiedenen geografischen Gebieten zu untersuchen – Informationen, die verwendet werden können, um das Risiko und die Bereitschaft einer Gruppe für klimabedingte Bedrohungen zu bewerten – und gleichzeitig die Privatsphäre der einzelnen Befragten zu wahren.
„Ziel ist es, aggregierte Darstellungen der Gemeinschaften in Bezug auf individuelle Demografie und Verhalten zu erstellen, die Einblicke in kollektive Aktivitätsmuster bieten“, sagte Tuccillo.
Die Forscherin Christa Brelsford konzentriert sich auf die Mensch-Umwelt-Interaktionen aus einem anderen Blickwinkel. Sie modelliert, wie sich Lage und Anordnung von Gebäuden im Jahr 2050 weltweit auf Umweltfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit auswirken.
Ihr besonderes Interesse gilt der Frage, wie diese Veränderungen das tägliche Leben beeinflussen könnten, insbesondere für Gemeinden in wirtschaftlich und physisch benachteiligten Gebieten, die anfälliger für Überschwemmungen, Luftverschmutzung und andere Umweltgefahren sind.
„Für uns ist es wichtig zu bedenken, dass die schlimmsten Auswirkungen all dieser negativen Klimaeffekte am wahrscheinlichsten von den Menschen zu spüren sind, die bereits am stärksten gefährdet sind“, sagte Brelsford.
Neben der Entwicklung neuer integrierter Modellierungsrahmen untersucht Brelsford bestehende Bevölkerungsprognosen, um den ökologischen Fußabdruck von Großstädten in mehr als 30 Jahren zu bestimmen.
Der erwartete Zuzug von Millionen neuer Einwohner in Städte auf der ganzen Welt wird zahlreiche Folgen haben, einschließlich erheblicher Veränderungen des „Mikroklimas“ an jedem Standort. Zu diesen kleinräumigen, aber potenziell verheerenden Phänomenen könnten Hitzewellen und städtische Hitzeinseln gehören, die auftreten, wenn Städte höheren Temperaturen ausgesetzt sind als ihre Umgebung, da industriell hergestellte Strukturen weit verbreitet sind, die mehr Wärme absorbieren als natürliche Oberflächen.
Brelsfords Forschung wird durch das Integrated Multisector Multiscale Modeling-Projekt unterstützt, das vom Programmbereich MultiSector Dynamics im Bio- und Umweltforschungsbüro des DOE finanziert wird.
Durch diese Forschungsbemühungen zielen Christopher, Kar, Urban, Rose, Tuccillo, Brelsford und viele andere im ORNL darauf ab, Führungskräften auf allen Ebenen die Daten und Informationen zur Verfügung zu stellen, die sie benötigen, um Umweltbedrohungen zu mindern und fundierte Entscheidungen zur nationalen Sicherheit im In- und Ausland zu treffen .
UT-Battelle leitet das Oak Ridge National Laboratory für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science des DOE arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie https://energy.gov/science.— Elizabeth Rosenthal
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