Arktisten alueiden ja Itämeren merijäästä mallinnetaan digitaalisia kaksosia

NOCOS DT -projekti alkoi helmikuussa 2023 ja päättyy tammikuussa 2025. Se tuottaa kryosfäärin digikaksossovelluksien tapaustutkimuksia tieteen ja politiikan rajapinnassa pilotoimalla uusia ilmastodatan ja ilmastovaikutusten mallinnuksia. Keskiössä ovat navigoitavuus, tekniikka ja laivasuunnittelu, kalastus ja merenkulku sekä uusiutuva energia. NOCOS DT:n kehittämät työkalut parantavat ilmastotietoisia käytäntöjä ja ilmastoon liittyvien riskien arviointia ja tekevät merenkulusta arktisella alueella ja Itämerellä turvallisempaa ja tehokkaampaa.

Tässä artikkelissa tarjoamme yleiskatsauksen missä vaiheessa olemme tällä hetkellä eli vuoden kuluttua hankkeen alkamisesta.

Merijääsovelluksissa hyödynnettävä HiDEM-malli

HiDEM (Helsinki Discrete Element Model) on alun perin kehitetty pirstoutumisen ja jäätiköiden lohkeilun tutkimukseen. Vuoden 2023 aikana sitä on muokattu merijään murtumisen mallintamiseen soveltuvaksi. Merijään murtumiset tuottavat ajojäätä ja ahtojäätä, joilla on merkittäviä vaikutuksia merenkulkuun, rannikon ulkopuoliseen infrastruktuuriin sekä kalastukseen ja metsästykseen merijäällä. Yhtenä kehittämisen päätavoitteista on ollut rakentaa mallinnusvälineitä, jotka täydentävät perinteisempiä reologiaan perustuvia merijään dynamiikan ennustemalleja. Erityissovelluksena HiDEM-mallia käytetään tällä hetkellä merijään ja merellä sijaitsevien tuulivoimaloiden vuorovaikutuksien tutkimiseen. HiDEM-mallia kehittävät yhteistyössä CSC – Tieteen tietotekniikan keskus, Aalto-yliopisto ja Ilmatieteen laitos.

Kohti kokonaisvaltaista ymmärrystä navigoitavuuden parantamisessa

Arktinen merenkulku on lisääntynyt merkittävästi, ja merenkulkukausi on pidentynyt viime vuosikymmenten aikana. Äärimmäisissä jääolosuhteissa navigoivien alusten määrä on jopa kolminkertaistunut. NOCOS DT on keskittynyt yhtenä keskeisistä aiheistaan arktiseen transpolaariseen merireittiin ja pyrkinyt kehittämään tilastoja, miten riski-indeksin tulos vaihtelee kausittain reitin varrella.

NOCOS DT tutkii riski-indeksitulosta (RIO), jota voidaan käyttää ilmastoindikaattorina alusten reaaliaikaisessa navigointipäätöksenteossa eri jääolosuhteissa. Se mahdollistaa ilmastoindikaattorin laskemisen merijäädatan mallintamisen perusteella, jotta saadaan käsitys menneestä ja tulevasta navigoitavuudestaJäämerellä. Tulevaisuudessa historiallinen merijääjärjestelmä ja Climate Change Adaptation Digital Twin -mallin tuottama ennuste tulevista merijääskenaarioista ennustaminen sisällytetään samaan komentosarjaan, josta voidaan tuottaa riski-indeksi-tulokseen perustuvia ilmastotilastoja.

Erilaisten näkökulmien sisällyttäminen käyttäjälle merkityksellisiin merijääilmastotietoihin

Merijää tarjoaa mahdollisuuksia mutta myös aiheuttaa riskejä ihmisille, jotka työskentelevät tai asuvat jään peittämillä alueilla. NOCOS DT edistää osaltaan valmiuden parantamista jääpeitteisillä alueilla ja niiden läheisyydessä. Hankkeessa hyödynnetään olemassa olevia jälkikäteissimulaatioita, jotka ovat samanlaisia kuin Climate Adaptation Digital Twin (Climate DT) -hankkeen simulaatiot, sekä kaukokartoitustuloksia, joilla voidaan osoittaa, miten käyttäjälle räätälöityä tietoa voitaisiin johtaa suunnitelluista Climate DT -simulaatioista. Hankkeessa tuotetaan välineitä, joilla voidaan analysoida kiintojäätä (mantereeseen, saariin tai merenpohjaan kiinnittynyttä jäätä), ahtojäätä ja jääalueen reunavyöhykettä sekä optimoida merialueiden suunnittelualustoja.

Lisäksi hankkeessa on kehitetty skriptejä kiintojäätä varten Tanskan ilmatieteen laitoksen takauma- ja ennustetuotteisiin perustuen. Hankkeessa kehitetään analysointityökalua, jolla voidaan selvittää onko merijää kiintojäätä. Kriteeri, jonka mukaan merijää luetaan kiintojääksi, perustuu ensisijaisesti mallinnettuihin nopeuksiin ja kiintojääalueet validoidaan jääkarttojen avulla. Hankkeen keskeisiä johtopäätöksiä ovat myös laskelmat malleista, joiden avulla voidaan ennustaa lohkeilevan jään todennäköisyyttä ja jääalueen reunavyöhykettä (Marginal Ice Zone, MIZ). Korkearesoluutioisten alueellisten jääsimulaatioiden perusteella arvioidaan jään lohkeilua käyttämällä sekä prosessipohjaista lähestymistapaa että jään tilamuuttujiin perustuvaa kynnysarvomenetelmää.

Ilmastotietojen hyödyntäminen merten aluesuunnittelussa 

Ruotsin meri- ja vesivarojen hallinnosta vastaavan viraston ja Pohjoismaiden ja Baltian maiden merten aluesuunnittelutyökaluhankkeen (jota rahoittaa Pohjoismaiden ministerineuvosto) käytyihin keskusteluihin perustuen NOCOS DT valmistelee aggregoitua tietoa korkearesoluutioisista valtameri- ja merijäämalliennusteista, jotka ovat saatavilla NetCDF-muodossa (Network Common Data Form). Työkalu koostuu Python-paketista, jonka avulla voidaan koota ja valmistella merten aluesuunnittelun kannalta merkityksellisiä meri-ilmastomallien lähtötietoja. Painopisteenä ovat jäätiedot, joilla on osoitettu olevan merkittäviä vaikutuksia tiettyihin ekosysteemin osiin, kuten hylkeisiin. Paketti on optimoitu käsittelemään suuria datakokonaisuksia ja esittämään datakokonaisuuksien keskiarvoja ja epävarmuustietoja. Sitä kehitetään edelleen käsittelemään äärimmäisiä ilmastotietoja, esimerkiksi merten lämpöaaltoja.

Mitä on tulossa vuonna 2024?

NOCOS DT:n toinen vaihe perustuu ensimmäisen vaiheen tuloksiin ja Climate DT -tietojen käyttöön käyttötapausten kehityksessä. Tavoitteina ovat diskreettiin elementtimalliin perustuvan merijäämallin soveltaminen ajojään dynamiikkaan, kiintojään, reunajäävyöhykkeen työkalujen sekä jään lohkeilun todennäköisyyden kuvausmenetelmän integroiminen Climate DT -kokonaisuuteen ja koodin kehittämisen jatkaminen usealle alustalle. Suunnitelmissa on myös tiedottaa hankkeesta laajemmalle yleisölle, muun muassa osallistumalla useisiin kansainvälisiin tilaisuuksiin, kuten EGU2024-konferenssiin.

Lue lisää 

Hankkeen jääalueen reunavyöhykkeeseen liittyvät julkaisut:

• Wang, K., Ali, A., and Wang, C.: Local analytical optimal nudging for assimilating AMSR2 sea ice concentration in a high-resolution pan-Arctic coupled ocean (HYCOM 2.2.98) and sea ice (CICE 5.1.2) model, The Cryosphere, 17, 4487–4510, https://doi.org/10.5194/tc-17-4487-2023, 2023.
• Wang, K., Caixin Wang, Frode Dinessen, Gunnar Spreen, Robert Ricker and Xiangshan Tian-Kunze, Multisensor data fusion of operational sea ice observations, submitted to Frontiers in Marine Science, accepted.

HiDEM-malli (Helsinki Discrete Element Model) on yleinen koodi jään murtumista varten, ja merijään mallintamista kehitetään tässä hankkeessa rinnakkain muiden hankkeiden kanssa. Hiljattain tuotetut tieteelliset julkaisut:

• A large-scale high-resolution numerical model for sea-ice fragmentation dynamics. J Åström, J Haapala, A Polojärvi. The Cryosphere Discussions 2023, 1-16, 2023
• Physics of the cryosphere. AF Banwell, JC Burton, C Cenedese, K Golden, J Åström. Nature Reviews Physics 5 (8), 446-449, 2023
• Controls on calving at a large Greenland tidewater glacier: stress regime, self-organised criticality and the crevasse-depth calving law. DI Benn, J Todd, A Luckman, S Bevan, TR Chudley, J Åström, T Zwinger, Journal of Glaciology, 1-16, 2023
• Rapid fragmentation of Thwaites Eastern Ice Shelf. DI Benn, A Luckman, JA Åström, AJ Crawford, SL Cornford, SL Bevan, … The Cryosphere 16 (6), 2545-2564, 2022
• Stability of Ice Shelves and Ice Cliffs in a Changing Climate. JN Bassis, A Crawford, SB Kachuck, DI Benn, C Walker, J Millstein, R Duddu, J Åström, H Fricker, A Luckman. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 52, 2024

Lokakuussa 2023 NOCOS DT julkaisi tiedotteita hankkeesta ja sen käyttötapauksista. Lue lisää:  NOrdic CryOsphere Digital Twin boosts digital twin technology in the Nordic and Baltic cryosphere context – Six use cases now online.

Pohjoismaiden ministerineuvoston rahoittaman Nordic Cryosphere Digital Twin -hankkeen (NOCOS DT) tavoitteena on hyödyttää Destination Earth Climate Digital Twin -ohjelmaa uusien ilmastotietoon liittyvien tuotteiden pilotoinnissa, jotka vaikuttavat esimerkiksi navigoitavuuteen, insinööri- ja laivasuunnitteluun, kalastukseen ja merenkulkuun sekä uusiutuviin energialähteisiin. Sen avulla parannetaan mallintamista ja tietojen laatua arktisen alueen ja Itämeren ilmastonmuutokseen sopeutumista koskevaa tutkimusta varten. Green Deal -tavoitteiden mukaisesti tuetaan merijäähän liittyvää tietoon perustuvaa sopeutumiskäytäntöjä, mukaan lukien alkuperäiskansojen perinteistä metsästystä ja kalastusta koskevat toimenpiteet.

Koordinaattori: CSC – Tieteen tietotekniikan keskus.

Yhteistyökumppanit: Suomen Ilmatieteen laitos, Tanskan Ilmatieteen laitos, Tallinnan teknillinen yliopisto, Norjan Ilmatieteen laitos, Ruotsin Ilmatieteen ja hydrologian laitos.