Существующие исследования в основном сосредоточены на химических циклах обратной связи, которые представляют собой крупномасштабные процессы, включающие сложные взаимодействия между потреблением энергии, выбросами парниковых газов и атмосферой. Однако исследовательская группа, возглавляемая Университетом Иллинойса Урбана-Шампейн, фокусируется на часто упускаемых из виду физических взаимодействиях между городской инфраструктурой и атмосферой, которые могут способствовать местному микроклимату и, в конечном счете, глобальному климату.

Новое исследование, проведенное профессором гражданского строительства и инженерии окружающей среды Лэй Чжао, подчеркивает, что утилизация тепла на уровне небольших городов при отоплении и охлаждении жилой и коммерческой недвижимости может привести к серьезным последствиям для местного климата и энергопотребления. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Climate Change.

"Тепло, вырабатываемое системами отопления и охлаждения, составляет значительную часть общего объема тепла, вырабатываемого в городских районах", - сказал Чжао. "Эти системы генерируют много тепла, которое выделяется в атмосферу внутри городов, делая их более жаркими и еще больше увеличивая спрос на системы охлаждения внутри помещений, которые еще больше нагревают местный климат".

Этот процесс является частью того, что исследователи называют положительной физической обратной связью между использованием систем охлаждения зданий и потеплением местной городской среды. Авторы также отмечают, что повышение температуры в условиях изменения климата потенциально может снизить спрос на энергию в холодные месяцы, что является отрицательной обратной связью, которую следует учитывать при любых прогнозах температуры и спроса на энергию.

Согласно исследованию, меньшее использование отопления привело бы к меньшему выделению тепла в городскую среду, что привело бы к меньшему потеплению в городах, чем при нынешнем климате.

"Этот процесс формирует отрицательную физическую обратную связь, которая может ослабить снижение потребности в отоплении", - сказал Чжао. "Но это ни в коем случае не отменяет эффекта положительной обратной связи. Вместо этого наша модель предполагает, что это может привести к поляризации сезонного спроса на электроэнергию, что создает свой собственный набор проблем, для решения которых необходимо тщательное планирование".

Чтобы включить эти упущенные из виду физические факторы в более широкую общую картину изменения климата, команда использовала гибридную структуру моделирования, которая сочетает в себе динамическое моделирование земной системы и машинное обучение, для изучения глобального спроса на энергию для отопления и охлаждения городов в условиях изменчивости и неопределенности изменения климата в городах, включая пространственные и временные проблемы, связанные с тем фактом, что города различаются по доходам, инфраструктуре, плотности населения, технологиям и температурному режиму.

"Я думаю, что основной вывод этого исследования заключается в том, что необходимы энергетические прогнозы, которые интегрируют эффекты положительных и отрицательных физических циклов обратной связи и заложат основу для более всеобъемлющей оценки воздействия на климат, разработки научно обоснованной политики и координации энергетического планирования с учетом климата".

Команда Чжао уже изучает, как переменные и неопределенности, такие как влажность, строительные материалы и будущие усилия по смягчению последствий изменения климата, будут дополнительно учитываться в их моделях для улучшения прогнозов спроса на энергию.

Чжао также связан с Институтом устойчивого развития, энергетики и окружающей среды, Национальным центром суперкомпьютерных приложений и Колледжем бизнеса Gies в Иллинойсе.

Национальный научный фонд и iSEE в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн поддержали это исследование.