Molte delle più grandi città del mondo sono costruite vicino alle coste, se lungo i fiumi o gli oceani. L'umanità fa affidamento sui corsi d'acqua per il trasporto, commercio e sostentamento. Però, i corsi d'acqua possono anche scatenare alluvioni devastanti che portano a miliardi di danni, perdita della vita, e anni di sforzi di pulizia.

Due aree geograficamente distinte che sono inclini a fare i conti con la furia delle acque alluvionali, la provincia canadese del Quebec e lo stato tedesco della Baviera collaborano da un decennio per studiare gli impatti dei cambiamenti climatici sulle risorse idriche. L'ultima fatica di questa partnership, il progetto ClimEx, mira a migliorare la comprensione da parte dei ricercatori delle dinamiche delle inondazioni gravi in ​​condizioni climatiche mutevoli. "Questa conoscenza è di fondamentale importanza, " afferma il Prof. Dr. Ralf Ludwig, Professore di geografia alla Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) di Monaco e capo progetto di ClimEx. "Comprendere questi fenomeni ci aiuta a preparare e migliorare l'adattamento ai crescenti eventi estremi che ci aspettiamo di affrontare nel nostro futuro".

"L'obiettivo di ClimEx è indagare sulle inondazioni estreme associate a lunghi periodi di ritorno, " disse Martin Leduc, ricercatore climatico presso l'organizzazione di ricerca no-profit Ouranos e partner del progetto ClimEx. "Se guardi le osservazioni, hai solo un periodo di tempo relativamente breve a cui fare riferimento, spesso meno di 30 anni di accuratezza, dati dettagliati. Per le inondazioni più estreme, questi sono fenomeni di una volta al secolo."

Per modellare in modo efficiente le tendenze climatiche a lungo termine, i collaboratori di ClimEx stanno utilizzando il supercomputer SuperMUC presso il Leibniz Supercomputing Center (LRZ). Il team ha pubblicato i suoi risultati più recenti nel Journal of Applied Meteorology and Climatology , simulando il clima del Quebec e della Baviera dal 1950 al 2100.

Ingrandimento, spargersi

Per studiare le tendenze e i cambiamenti climatici in modo computazionale, i ricercatori utilizzano un modello climatico per dividere l'area di studio in una griglia per simulare gli innumerevoli processi e proprietà meteorologiche che formano il clima di un'area.

Con una quantità finita di potenza di calcolo disponibile per ogni data simulazione, i ricercatori devono simulare un'area rappresentativa del globo per un periodo di tempo sufficientemente lungo da stabilire le tendenze climatiche e allo stesso tempo acquisire dettagli sufficienti per verificare la capacità di un modello di prevedere il comportamento climatico passato e, a sua volta, prevedere gli eventi climatici futuri. Perciò, tale esperimento comporta un equilibrio tra la lunghezza delle simulazioni, il livello di dettaglio (risoluzione) della griglia, e le dimensioni dell'area coperta.

Per bilanciare queste richieste, Gli scienziati del clima utilizzano una combinazione di un modello climatico globale (GCM) e un modello climatico regionale (RCM). Mentre i GCM simulano il clima in tutto il mondo, devono sacrificare il livello di dettaglio, il che significa che la distanza tra due celle adiacenti della griglia deve essere superiore a 100 chilometri. Utilizzando il Canadian Regional Climate Model versione 5 (CRCM5) che è stato sviluppato dal Centro ESCER dell'Université du Québec à Montréal in collaborazione con Environment and Climate Change Canada, i ricercatori sono in grado di studiare aree del globo con un dettaglio molto più elevato utilizzando griglie con una risoluzione di 12 chilometri. Ciò ha permesso al team LMU-Ouranos-LRZ di eseguire le sue simulazioni, inclusi i fenomeni climatici rilevanti in alta risoluzione.

Per comprendere e prevedere meglio le inondazioni, il team riduce ulteriormente statisticamente le simulazioni ClimEx per fornire dati di input per l'iper-preciso, modellazione idrologica ad alta risoluzione. Questo livello di dettaglio non solo aiuta ad anticipare e pianificare meglio gli eventi di inondazione su larga scala in Baviera e Quebec, ma aiuta anche a fornire informazioni di qualità superiore per altri modelli di impatto e decisori.

Leduc ha anche sollevato l'"effetto farfalla" in relazione alle simulazioni climatiche:anche le simulazioni a risoluzione più elevata non possono tenere conto di tutti i minuscoli cambiamenti che possono influenzare i cambiamenti climatici. Ulteriore, i ricercatori non hanno modo di sapere quanto l'umanità ridurrà le sue emissioni nei prossimi decenni, che potrebbero influenzare significativamente i modelli climatici. In ClimEx, il team ha eseguito 50 simulazioni per la Baviera e 50 per il Quebec, con ogni iterazione che introduce lievi cambiamenti nei dati di input, dando loro un totale di 7, 500 anni di dati climatici per ogni località.

Non solo queste simulazioni sono computazionalmente costose, ma generano anche una quantità estremamente grande di dati, più di 500 terabyte, infatti. Per ottenere risultati significativi da queste simulazioni e dall'analisi dei dati che segue, i ricercatori hanno bisogno di accedere a risorse informatiche leader a livello mondiale.

"Fare queste simulazioni ha richiesto una quantità incredibile di risorse computazionali e i calcoli durano più di 6 mesi, " ha affermato Leduc. Il personale di LRZ ha contribuito a garantire che il team potesse eseguire le sue simulazioni nel modo più efficiente possibile, e ha aiutato il team ad accedere a un'isola computazionale completa su SuperMUC per accelerare le sue simulazioni, ed è stato in grado di aiutare il team a ottimizzare il suo codice e gestire la sua enorme quantità di dati.

Prevedere il futuro

Le simulazioni del team hanno mostrato un buon accordo con i dati climatici storici, lasciandoli fiduciosi nel suo potere predittivo e nella sua capacità di contribuire a migliorare i modelli di impatto e le strategie di adattamento regionale. Ludwig conferma che il team sta condividendo i suoi dati con la comunità di ricerca, e spiega che l'esperimento ClimEx può aiutare i ricercatori a studiare le probabilità future di eventi estremi come le ondate di calore, inondazioni, e fuochi, e collegare i modelli meteorologici con lo sviluppo di questi eventi estremi. Questo set di dati aiuta scienziati e funzionari governativi a valutare meglio le proiezioni del rischio di alluvioni e a sviluppare metodi più solidi per mitigare gli impatti delle inondazioni.

Nella peggiore delle ipotesi, in cui le emissioni di carbonio continuano a crescere di circa l'uno per cento all'anno, il modello prevede che le estati europee saranno più calde in media fino a otto gradi Celsius all'anno a partire dal 2080, e che gli inverni del Quebec sarebbero stati fino a 12 gradi più caldi durante lo stesso periodo di tempo.

"Queste proiezioni si riferiscono all'estate in Europa, e questo è importante, perché questo riscaldamento avverrà contemporaneamente a una diminuzione delle precipitazioni, il che significa che l'Europa potrebbe avere estati molto più calde e secche, che aumenta la possibilità di ondate di calore e siccità più estreme, " Ha detto Leduc. "Dobbiamo mantenere le cose in prospettiva, anche se. Il modello ipotizza un percorso per le future emissioni di gas serra, e quella parte è ancora incerta. Non sappiamo quanto limiteremo le emissioni di CO2 in futuro".