Superpočítače proti bouřím

Když si podplukovník Sean Cross uvědomil, že se řítí do maléru, bylo už pozdě. S letadlem naletěl do stěny hurikánu o síle pátého stupně – tedy nejvyššího na Saffirově–Simpsonově stupnici –, který se v říjnu 2018 řítil k pobřeží Floridy. Když se letadlo snažilo smrští proletět, silný poryv větru se mu opřel do levého křídla. Celý stroj otočil o 90 stupňů a cestující vyhodil ze sedaček. Letadlo začalo padat střemhlav k zemi. Deaktivoval se systém autopilota a motory přestaly pracovat. Dlouhých 15 vteřin strojem zmítala síla tropické bouře. Kvílející alarmy posádce vysílaly varovné signály a o prostory letadla se tříštily uvolněné přepravní boxy a kusy vybavení.

Zkušenému pilotovi amerického letectva Crossovi se nakonec podařilo stroj dostat pod kontrolu a všechny na palubě do bezpečí. Když ale na let vzpomíná, přiznává, že tomu nejhoršímu unikli o jen vlásek. „Byli jsme tenkrát pěkně pomlácení,“ vzpomíná Cross, který je už téměř 20 let jedním z členů 53. letky pro průzkum počasí amerického letectva – takzvaných lovců hurikánů. „Nebyl to úplně pohodový pracovní den.“

Letka sestává z deseti letadel, sta pilotů a dalších členů posádky a ostatních celkem 1 300 zaměstnanců. Cross je členem týmu, který Národní středisko pro hurikány v Miami (NHS) pravidelně vysílá prozkoumávat potenciálně nebezpečné bouře vznikající nad oceánem.

První letadla začala prolétávat hurikány a sbírat meteorologická data už během druhé světové války a průzkumné mise jsou dnes nedílnou součástí americké strategie pro monitorování tropických bouří. Letka je jediná svého druhu na světě a prozkoumává území od Havajských ostrovů po Karibik.

Letadla prolétávají stěny hurikánu a získávají tak informace o tlaku, teplotě, rychlosti a vlhkosti cirkulujícího vzduchu. Veškerá data se pak přes satelitní systémy sdílejí s centrem v Miami, kde se zadávají do matematických modelů, jejichž prostřednictvím pak vědci předpovídají trasu hurikánu a rozsah škod.

Lovci hurikánů byli opět v akci na konci září, kdy se na pobřeží Floridy snesl hurikán Ian. Na základě jimi získaných dat mohli meteorologové a prognostici z NHS – které je součástí americké Národní meteorologické služby (NWS) – veřejnost denně informovat o dalším směřování, rychlosti a síle hurikánu, jehož sílu odhadovali na čtvrtý stupeň.

Při setkání s novináři ředitel NWS Ken Graham uvedl, že údaje o hurikánu Ian se mění natolik rychle, že si s sebou přinesl telefon, aby si ověřil, že jim poskytuje aktuální informace. Podle Grahama se vláda rozhodla proti hurikánu „nasadit úplně vše“ – včetně satelitů, radarů a lovců hurikánů – a získaná data posloužila vědcům k sestavení predikčních modelů.

Ukázalo se, že jakékoliv prognózy pro tento hurikán byly velice těžké: jen týden předtím, než se snesl na pevninu, se očekávaná trajektorie měnila v řádu stovek mil. Vědci přiznali, že při předpovědích pracují s prvkem nejistoty, protože rozmezí míst, které mohl hurikán zasáhnout, bylo široké.

Zato jeho intenzita byla jasná. Fede­rální agentury předpokládaly, že Ian může zvednout hladinu moře u pobřeží západní Floridy o 3,5 až 5,5 metru a způsobit srážky dosahující až 600 milimetrů. Vláda nařídila povinnou evakua­ci 2,5 milionu lidí z pobřežních oblastí, čímž pravděpodobně zachránila mnoho životů.

Předpovědi o směřování a intenzitě hurikánu Ian jsou výsledkem desítek let dlouhého výzkumu a investic amerických vědeckých institucí, díky nimž se zásadně zvýšila kvalita predikčních modelů, výkonnost satelitů i výpočetní výkon počítačů.

Šéf týmu specialistů na hurikány z NHS Eric Blake tvrdí, že chybovost předpovědí tras se od roku 2000 snížila o 70 procent a chyby v předpovědích o intenzitě jsou o 40 až 50 procent méně časté než v roce 2010.

Blake vysvětluje, že kvalitu předpovědí zvýšil značný pokrok v rozlišení satelitních snímků, rychlosti, s níž se snímky dostávají do výzkumných stanic na Zemi, a také zapojení stále sofistikovanějších počítačových modelů. „Nejde o jednotlivosti. Technologie se za uplynulých 30 let zlepšila ve velmi širokém spektru oblastí,“ říká.

Změnila se však nejen technologie, ale i povaha tropických bouří. Podle meteorologů z NASA jsou tropické bouře v důsledku oteplování klimatu každý rok silnější, způsobují intenzivnější srážky a výraznější zvýšení hladin moří v pobřežních oblastech.

V USA jsou hurikány z Atlantiku nejhůře postiženy oblasti na jihovýchodním a východním pobřeží. Americké úřady proto investují miliardy dolarů do nových technologií, které jim umožňují předpovídat jejich vývoj a navrhovat dostatečně účinná ochranná opatření.

Hurikány nabírají rychleji na síle

Z měření průzkumných letadel vyplývá, že tropické cyklony, které se v USA nazývají hurikány, vznikají kombinací faktorů, jako jsou teplá oceánská voda, vysoká vlhkost vzduchu a nízké výkyvy v rychlosti větru v různých patrech atmosféry. Teplejší vzduch zvyšuje vlhkost v atmosféře, což vede k častějším srážkám, a podle NASA klimatické změny způsobují i silnější větry.

Nejdůležitější změnou dnešních hurikánů je, že nabírají rychleji na síle. Hurikán Dorian, který v roce 2019 zpustošil část Bahamských ostrovů, se po dvou dnech, kdy ho vědci označovali za mírnou tropickou bouři, vyhoupl na pátý stupeň. Hurikán Maria, jenž v roce 2017 zničil celé Portoriko, vědce rovněž zaskočil, když se během pouhých 24 hodin jeho intenzita vyšplhala také na nejvyšší stupeň.

Téhož roku zasáhl americké pobřeží hurikán Harvey, který stvrdil, že bouře budoucnosti budou stále ničivější. Rychlost větru byla sice rekordně nízká, ale z hlediska srážek šlo o nejsilnější hurikán od osmdesátých let 19. století, kdy se o bouřích začaly vést oficiální záznamy. Na části Texasu se snesly ničivé deště o intenzitě 1 500 milimetrů a NWS později uvedla, že z hlediska síly byl hurikán „strhující – obrazně i doslova“.

Podle studie vědců z Národního centra pro atmosférický výzkum v Coloradu se hurikánová sezona v roce 2017 vyznačovala nadprůměrně vysokou teplotou oceánů. Ve studii je popsaná souvislost mezi změnou v teplotě oceánu během hurikánu Harvey a intenzitou způsobených srážek. „Bez člověkem vyvolané klimatické změny by Harvey nebyl tak intenzivní,“ stojí v dokumentu.

Harvey byl výjimečný, ale obecně jsou silnější bouře čím dál častější. V Loui­sia­ně například v sezoně 2020 zaznamenali největší počet pojmenovaných bouří v historii a v roce 2021 byl jejich počet třetí nejvyšší v dějinách. (Bouře jsou pojmenovávány ve chvíli, kdy dosáhnou rychlosti přinejmenším 63 kilo­metrů za hodinu, a za hurikány jsou označované, pokud překročí 119 kilometrů za hodinu).

Z šesti nejintenzivnějších hurikánových sezon z hlediska počtu pojmenovaných bouří jich pět bylo po roce 2000. „Posledních pár let to je – mírně řečeno – šílené,“ říká Barry Keim, klimatolog a odborník na hurikány z hlavního města Louisiany Baton Rouge. „Mnoho let jsem byl vůči existenci klimatických změn skeptický, ale data mluví jasně,“ přiznává. „Z údajů, které máme k dispozici, tomu vše nasvědčuje.“

Data vědcům také umožňují se na silnější bouře připravit. V roce 2019 po­užil tým amerických a jihokorejských výzkumníků statistické údaje o tropických cyklonech ze západního Pacifiku v letech 2004 až 2016 k sestavení nového algoritmu, který by měl zlepšit přesnost předpovědí, jak se vyvine intenzita bouře během 24 hodin.

V roce 2020 s daty o srážkách způsobených hurikánem Harvey pracovali vědci z Národního úřadu pro oceán a atmosféru (NOAA) – federální agentury spadající pod americké ministerstvo obchodu zřizující zmíněný ústav NWS. Na základě těchto dat pak testovali účinnost regionálního modelu, jehož prostřednictvím předpovídali trajektorii i úhrn srážek.

Americká vláda investuje další mi­liony dolarů do posílení výpočetních výkonů počítačů, které se používají k předpovědím vývoje klimatu a ostatních meteorologických jevů. Vedení NOAA před několika měsíci oznámilo, že ztrojnásobí výpočetní výkon svých superpočítačů a za půl miliardy dolarů pořídí dva nové superpočítače společnosti General Dynamics o výkonu 12 petaFLOPS.

Klimatologové a meteorologové z vládních agentur sestavují nový predikční model, který bude v průběhu letoška testován a do provozu by měl jít na začátku hurikánové sezony v příštím roce.

Brian Gross, který v NOAA vede centrum pro environmentální modelování, tvrdí, že díky novým superpočítačům bude mít jeho tým přístup k atmosférickým a oceánským snímkům s výrazně vyšším rozlišením. Díky tomu budou schopní do většího detailu popsat i méně výrazné meteorologické vzorce a trendy, které lze u bouří vypozorovat, čímž se zvýší kvalita komplexnějších modelů.

„Budeme do nich moci zahrnout další procesy, jako je vznik sněhových srážek v horních patrech bouřkového oblaku a také, jak se sníh během pádu atmosférou mění v déšť,“ vysvětluje Gross. „Naše algoritmy jsou stále komplexnější, takže budeme potřebovat víc superpočítačů.“

Gross dodává, že díky těmto informacím budou vědci už od příštího roku schopní hurikány lépe monitorovat a předpovídat, kde způsobí největší škody, čímž bude možné evakuovat obyvatelstvo z nejhůře zasažených oblastí. „Myslím, že naše předpovědi budou lepší a lepší,“ prohlašuje.

Zastavit vlny

Kvůli globálnímu oteplování a častějším hurikánům si města i celé státy lámou hlavu nad způsoby, jak zmírnit potenciál­ní škody – zejména ty způsobované ničivou kombinací silných srážek a záplav z oceánu.

Klíčem k úspěchu jsou účinnější protipovodňové bariéry u pobřeží. Poté, co hurikán Katrina v roce 2005 zničil velké části New Orleans, začala přestavba ochranných hrází, které náporu bouře neodolaly. Akci dostal na starost Armádní sbor stavebních inženýrů (USACE), což je státem zřízená organizace zodpovědná za podobné stavební projekty v celých USA.

Projektanti se podívali na modely tras a intenzity hurikánů, které se městem v minulosti prohnaly, a na základě toho vypočítali maximální výšku přívalové vlny. Určili, že kameninové a betonové bariéry okolo města by měly být v různých místech tři až deset metrů vysoké. Systém doplňují jedny z nejvýkonnějších drenážních čerpadel na světě.

New Orleans se nachází několik metrů pod hladinou moře, což na ochranné systémy před hurikánovými povodněmi klade výjimečně vysoké nároky. „Říká se, že když si v New Orleans umyjete auto, použitou vodu byste měli nechat odčerpat,“ ilustruje závažnost situace ve městě Ricky Boyett z místní kanceláře USACE.

Popisuje, že v modelech brali v úvahu nejen možný vzestup hladiny oceánu způsobený hurikánem, ale i postupný pokles města, který se děje už roky. Vypočítaná výška zábran by podle něj měla stačit k ochraně města před přívalovými vlnami až do roku 2057.

Ve městě Galveston v Texasu na pobřeží Mexického zálivu, které je proto vůči hurikánům rovněž velmi náchylné, plánují projektanti z USACE doposud největší stavební projekt v americké historii. Cílem ambiciózních plánů je výstavba pobřežních protipovodňových zábran za 31 miliard dolarů v Galveston Bay, které by měly oblast chránit před hurikány a zmírnit škody.

Jádrem projektu je výstavba pobřežní bariéry Ike Dike pojmenované po hurikánu, který se městem prohnal v roce 2008. Tu by měl představovat tři kilometry dlouhý systém betonových protipovodňových vrat táhnoucí se podél pobřeží.

Strukturu hráze navrhl Bill Merrel, profesor z univerzity Texas A&M v Galvestonu. Počítá s výstavbou asi 30 metrů vysokých betonových věží s vysunovacími bránami, které by se uzavřely, když by hurikán způsobil přívalové vlny z oceánu. Vedle výstavby bran by se měla zvýšit už stojící hráz a součástí plánu je také rozšíření pláží na Bolivarském poloostrově.

Americký Kongres dal projektu zelenou, ale ještě se čeká na souhlas zákonodárců, aby se ze státního rozpočtu uvolnily potřebné prostředky. O výdaje se federální vláda podělí s texaskými a místními úřady.

Podle Boba Mitchela, předsedy Hospodářského partnerství pro oblast Galveston Bay zastupující místní firmy, je projekt důležitý i proto, že by ji měl chránit před zvýšenou koncentrací chemikálií ze zdejšího ropného průmyslu. „V tomto regionu se z ropy vyrábí, na co si vzpomenete – od obalů pilulek přes pneumatiky, benzin, letecký benzin a další pohonné hmoty až po hnojiva,“ vyjmenovává Mitchell. „Ochrana před takovým znečištěním je v zájmu národní bezpečnosti.“

Někteří, například Bob Stokes, který předsedá ekologické organizaci Galveston Bay Foundation, projekt kritizují kvůli environmentálním dopadům. Ochranáře zneklidňuje zejména riziko pro populace krabů a pobřežní mokřady, které by mohly utrpět v důsledku narušení přirozeného fungování oceánských proudů a přílivu a odlivu.

Ozývají se rovněž hlasy, že projekt neřeší ten správný problém. Plánovaná oceánská hráz bude podle Brandta Manchenna z ochranářské skupiny Sierra Club „pomníkem hlouposti politiků z oblasti v Houstonu“. „Z federálních peněz se vybuduje projekt, který chrání průmyslové odvětví, jež je hlavním viníkem klimatických změn.“

Dlouhodobě vysoká aktivita

Letošní hurikánová sezona, která trvá kaž­doročně od května do listopadu, byla až do konce září relativně klidná a odehrála se jen hrstka pojmenovaných bouří. Od poloviny sezony v srpnu však odborníci začali varovat, aby se lidé nenechali ukolébat tichem před bouří.

Teplota Atlantiku je nadprůměrně vysoká a světové klima ovlivňuje fenomén La Niña, který způsobuje prudký pokles teplot povrchu Tichého oceánu, což vede ke změnám v chování větrů a srážek. Odborníci z NOAA tak z hlediska výskytu hurikánů varují před „další vysoce aktivní sezonou“.

Jejich varování se potvrdilo s hurikánem Ian, který se jako ničivá smršť prohnal částí Kuby přes Floridu a Jižní Karolínu k dalším územím na východním pobřeží. Rozsah škod není doposud známý, ale už jen to, že bouře prakticky srovnala se zemí pobřežní část města Fort Myers, ukazuje, že cena za materiální škody i ztracené lidské životy bude vysoká.

V souvislosti s tímto hurikánem se pravděpodobně oživí diskuse, jak by se na tropické bouře měly místní komunity připravovat. „Kolegové idealisté tvrdí, že bychom měli pobřežní oblasti postupně úplně opustit,“ říká bývalý ředitel NHS Bill Read. „Ale to není proveditelné. Vyklidit hurikánům cestu a vše přestěhovat by stálo miliardy dolarů: to se nestane. Lidé na to nepřistoupí.“

Podle Reada se před silnějšími bouřemi lze bránit pouze přesnějšími předpověďmi a účinnějšími ochrannými systémy a opatřeními pro zmírnění rizik. Důležitá je podle něj i osvěta. „Lidé mají k místu, kde žijí, silný vztah,“ říká Read. „Záleží jim na něm. Proto si myslím, že pomůže, když si bude veřejnost víc vědoma rizik, která před ní stojí.“

Aime Williamsová, FT