Fluiddynamiker haben ein Skalierungsgesetz gefunden, eine mathematische Formel, die die Größe von Blockierungsereignissen mit der Breite, dem Breitengrad und der Stärke des Strahls in Beziehung setzt, die alle gut untersucht und gemessen werden. (Kredit: P. Hassanzadeh / Reis)

"Blocking Events" haben einige der tödlichsten Hitzewellen des 21st Jahrhunderts erzeugt. Diese festgefahrenen Hochdruck-Wettersysteme werden aufgrund des Klimawandels zunehmen, wie Forschungsergebnisse belegen.

Atmosphärische Blockierungsereignisse sind Hochdrucksysteme mittlerer Breite, die tagelang oder sogar wochenlang an Ort und Stelle bleiben. Je nachdem, wann und wo sie sich entwickeln, können Blockierungsereignisse zu Dürren oder Regengüssen führen Hitzewellen oder Kälteperioden. Blockierungsereignisse verursachten in Frankreich in 2003 und in Russland in 2010 tödliche Hitzewellen.

Anhand von Daten aus zwei Sätzen umfassender Klimamodellsimulationen stellen die Forscher fest, dass die Fläche der Blockierungsereignisse auf der nördlichen Hemisphäre aufgrund von bis zu 17% zunehmen wird anthropogener Klimawandel.

Werden blockierende Ereignisse größer?

Pedram Hassanzadeh, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Erd-, Umwelt- und Planetenwissenschaften an der Rice University, verwendet rechnergestützte, mathematische und statistische Modelle, um atmosphärische Strömungen zu untersuchen, die mit einer Vielzahl von Problemen zusammenhängen, von extremen Wetterereignissen bis hin zur Windenergie.

Er sagt, dass die Forscher zunehmend daran interessiert sind zu erfahren, wie sich der Klimawandel auf Blockierungsereignisse auswirken könnte. Die meisten Studien haben sich jedoch darauf konzentriert, ob Blockierungsereignisse häufiger auftreten, wenn sich die Atmosphäre aufgrund von Treibhausgasemissionen erwärmt.

"Studien in der Vergangenheit haben untersucht, ob man mit dem Klimawandel mehr oder weniger blockierende Ereignisse hat", sagt er. „Die Frage, die niemand gestellt hatte, ist, ob sich die Größe dieser Ereignisse ändern wird oder nicht.

„Und die Größe ist sehr wichtig, da die Blockierungsereignisse effektiver sind, wenn sie größer sind. Wenn zum Beispiel das Hochdrucksystem größer wird, werden Sie größere Hitzewellen bekommen, die mehr Menschen betreffen, und Sie werden wahrscheinlich stärkere Hitzewellen bekommen. “

Ein "elegant einfaches Ergebnis"

Ebrahim Nabizadeh, ein Maschinenbaustudent an der Rice Brown School of Engineering, machte sich vor zwei Jahren daran, die Frage zu beantworten. Mit einem hierarchischen Modellierungsansatz begann er mit Experimenten an einem Modell atmosphärischer Turbulenzen, das viel einfacher ist als die reale Atmosphäre.

Das einfache Modell, das die grundlegende Dynamik blockierender Ereignisse erfasst, ermöglichte es Nabizadeh, viel zu erforschen. Er nahm geringfügige Änderungen an einem Parameter vor und führte Tausende von Simulationen durch. Anschließend verwendete er eine leistungsstarke dimensionale Analysetechnik namens Buckingham-Pi-Theorem, die häufig beim Entwurf großer und komplexer Konstruktionssysteme verwendet wird, bei denen Fluidströme zum Einsatz kommen, um die Daten zu analysieren.

Das Ziel bestand darin, ein Skalierungsgesetz zu finden, eine mathematische Formel, die die Größe eines Blockierungsereignisses anhand von Variablen beschreibt, die Klimaforscher bereits studieren und verstehen. Nabizadeh begann mit Skalierungsgesetzen, die entwickelt wurden, um die Größe der täglichen Wettermuster vorherzusagen, fand jedoch heraus, dass keine der Variablen Vorhersagen für das Blockieren von Ereignissen waren.

Seine Beharrlichkeit zahlte sich schließlich mit einer einfachen Formel aus, die den Bereich blockierender Ereignisse mit der Breite, dem Breitengrad und der Stärke des aus Jet-Streamalle gut untersucht und gemessen.

"Ich habe kürzlich einen Vortrag darüber gehalten, und einer der Leute kam hinterher und sagte: 'Das ist magisch, dass sich diese Kräfte addieren und man plötzlich die richtige Antwort bekommt.' Ebrahim brauchte jedoch viel Arbeit, um dieses elegant einfache Ergebnis zu erzielen “, sagt er.

Starrte auf die Zahlen

Zu einem bestimmten Zeitpunkt hatte Nabizadeh die Daten aus vielen Simulationen analysiert und einen Vergleich erstellt, der seitenweise Zahlen enthielt, und Hassanzadeh zufolge wurde die Entdeckung des Skalengesetzes von einer unwahrscheinlichen Quelle unterstützt: der Leitung im Führerscheinbüro.

Hassanzadeh und Nabizadeh bekamen ihre Lizenzen in einem Abstand von ungefähr einer Woche und sie hatten genügend Zeit, um die Ergebnisse zu studieren, während sie warteten. "Sie müssen sitzen und Sie haben nichts zu tun", sagt Hassanzadeh. "Nachdem wir diese Zahlen stundenlang angestarrt hatten, stellten wir fest, dass dies die richtige Skalierung ist."

Sie verglichen auch die Ergebnisse einfacher Modelle mit den Ergebnissen immer komplexerer Modelle des Wetters und Klimas auf der Erde. Laut Nabizadeh hat das Skalierungsgesetz Änderungen der Größe zukünftiger Winterblockierungsereignisse in umfassenden Klimamodellsimulationen mit bemerkenswerter Genauigkeit vorhergesagt.

"Es ist für Winterveranstaltungen besser geeignet als für Sommerveranstaltungen aus Gründen, die wir noch nicht verstehen", sagt Nabizadeh. "Unsere Ergebnisse legen nahe, dass sich zukünftige Studien auf ein besseres Verständnis der Sommerblöcke konzentrieren sollten und auch darauf, wie sich größere Blockierungsereignisse auf die Größe, das Ausmaß und die Dauer von Extremwetterereignissen wie Hitzewellen auswirken können."

Weitere Koautoren stammen vom Lawrence Berkeley National Laboratory sowie von der University of California, Davis und der Colorado State University.

Die NASA, das Gulf Research Program der National Academies, das Department of Energy und die National Science Foundation unterstützten die Forschung. Das von der NSF unterstützte XSEDE-Projekt und das Rice Center for Research Computing stellten gemeinsam mit dem Ken Kennedy Institute for Information Technology von Rice Computerressourcen bereit.

Original-Studie

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