Nyt modelleringssystem kan hjælpe med at forudsige mega-oversvømmelser ved regnskyl

I 2021 oplevede Tyskland en af sine største naturkatastrofer i nyere tid. Et massivt regnskyl hældte mere end en måneds regn ned på bare 24 timer i flere regioner, hvilket forårsagede omfattende oversvømmelser. Tusinder blev fordrevet fra deres hjem, mere end 200 mennesker døde, og infrastruktur og ejendomme for milliarder af euro blev ødelagt.

Meteorologer siger, at en del af styrken og vedholdenheden bag stormen var et såkaldt mesoskala konvektivt system – et regnskyssystem, der kan dække hundredvis af kilometer og vare længere end et normalt tordenskyl. I øjeblikket er der ingen effektiv måde at forudsige den type systemer, da mekanismen bag, hvordan de dannes stadig er dårligt forstået.

Men ny forskning, offentliggjort i Journal of Geophysical Research: Atmospheres, kan en dag hjælpe med at give forvarsel for disse enorme storme. Atmosfære-forskere har nemlig udviklet en algoritme, der kan genkende "cold pools" et atmosfærisk fænomen, der antages at være involveret i dannelsen af mesoskala konvektive systemer.

“Når vi tænker på de klimaændringer og de ekstreme hændelser, vi har observeret i Europa de sidste par år, er det afgørende at forstå de processer, der fører til skabelsen af disse store systemer,” siger Jannik Höller, hovedforfatter og en atmosfære-forsker ved Københavns Universitet, Danmark, der studerer dannelsen af skyer.

Konvektion og kolde puljer

Et grundlæggende princip i meteorologi kender man fra dine indstillinger på ovnen i køkkenet – konvektion, det faktum at varm luft stiger, og kold luft synker.

En kold mængde af luft dannes, når regn fordamper, før den når jorden, hvilket skaber en region af kold luft. Da kold luft er tættere end varm luft, synker den kolde luft og spredes som rim på en dam, når den når jorden. “Når den breder sig til siden, kan den skubbe den varmere og lettere omgivende luft op og dermed udløse nye skyer og ny konvektion,” forklarer Höller. Under de rette betingelser kan denne nye konvektion så føre til et mesoskala konvektivt system.

Höller og hans team satte sig for at udvikle en algoritme, der kan scanne satellitdata for tegn på "cold pools". De fandt ud af, at brugen af bare nogle få målinger – temperatur ved skyens top målt ved infrarøde bånd på satellitter og estimeret regnmængde – kan være nok til at identificere en begyndende "cold pool".

Algoritmen klarede sig godt med forenklede modeller – kunstigt genererede satellitdata, der afspejlede atmosfæriske forhold, mindre komplicerede end hvad meteorologer ser i den virkelige verden.

Men Höller og hans team vidste, at algoritmen ville have brug for at analysere mere komplekse systemer for at være nyttig. For at sætte den på prøve testede de den på en simuleret version af et hotspot for "cold pools" – Dakar, Senegal.

Et hotspot for kolde puljer

Senegal er et interessant casestudie for meteorologer, fordi det ligger klemt imellem Sahara-ørkenen mod nord og de fugtige troper mod syd, forklarer Jan Haerter, medforfatter og professor i atmosfærisk og klimafysik ved Universitetet i Potsdam, Tyskland.

“Små skift i denne grænse mellem ørkenen og troperne kan påvirke dette område meget stærkt,” siger Haerter. “Det er et hotspot for vandtilgængelighed og mangel på dette - og for begivenheder med ekstrem regn.”

Senegal har stærke østlige vinde, der skubbes over de afrikanske landmasse mod vestkysten. Dette accelererer for dannelse af "cold pools", hvilket er lettere over et stort landmasse, og samtidig er der meget få bjergkæder, der forstyrrer disse skydannelser. Samtidig “er der nogle bakker, der kan føre til stærl konvektion og havbrisen fra Atlanterhavet – meget komplekse mekanismer, der kan forvirre algoritmen og føre til falske positive,” siger Höller.

Höller og hans team brugte virkelig atmosfæriske data fra Senegal fra den 4. august 2022 - en dag med observerede af masser af konvektive systemer - til at etablere startparametrene for en ny simulation. Forskerne koblede temperaturen, fugtigheden og andre målinger fra den torsdag i Senegal og lod modellen simulere i 24 timer.

Algoritmen kunne bestemme, om pixels fra satellitbilleder var del af en "cold pool" eller ej med en nøjagtighed højere end 90%, fremhæver forfatterne – selvom det lignede, at den blev forvirret af visse atmosfæriske fænomener.

Algoritmen fejltolkede dog lejlighedsvis de såkaldte cirrusskyer som "cold pools" på grund af deres kolde skytop-temperaturer, og organiserede skyfront drevet af den østlige vind, så tilsyneladende mæsten ud som rim fra en de kolde luftes vindfront, hvilket forårsagede falske positive.

Lejlighedsvis missede algoritmen særligt store kolde puljer, hvis den ikke kunne genkende en spredende vindfront som én stor form. Heldigvis kan dette vise sig at være et mindre problem i forbindelse med rigtige satellitdata, fordi lavere dataopløsning tvinger algoritmen til at zoome ud og behandle større regioner ad gangen – hvilket gør det mere sandsynligt at fange en genkendelig form.

Fremtiden for nowcasting

Forskerne siger, at næste skridt er at genoptræne algoritmen ved brug af rigtige satellitdata. Dette vil kræve, at atmosfære-forskerne omhyggeligt manuelt mæker "cold pools", pixel for pixel, for at vise algoritmen, hvad den skal lede efter i støj og kontekst i et ægte satellitbillede.

“Når resultaterne er lige så gode, som de er nu for de simulerede skyer, så tror jeg, vi kan bruge metoden til at identificere kolde puljer i satellitbilleder over hele verden,” siger Höller.

Haerter er optimistisk om, at algoritmen en dag kan anvendes i nowcasting, de korte versioner af en meteorologs vejrudsigt. Ved at detektere de kolde puljer af luft, når de dannes, “kan vi måske bestemme - med ca. 2 timers forvarsel  - sandsynligheden for en ødelæggende begivenhed som oversvømmelsen i Tyskland,” siger Haerter. Den tidlige advarsel kan så udsendes til beboerne i et område via deres telefons nødalarmsystem eller via SMS.

Selvom de mesoskala konvektive systemer trækker store overskrifter i Europa, “bliver byen Dakar oversvømmet af mesoskala konvektive systemer næsten hvert år,” tilføjer Haerter. “Det er vigtigt at finde ud af, hvordan man kan reducere effekten af disse begivenheder og forstå dem bedre.”