Wat als Sandy New Jersey in 2012 een vluchtige slag had toegebracht in plaats van hem bijna frontaal te raken? Of als de historische storm verder naar het zuiden of noorden aan land was gekomen? Wat als de storm kleiner was, langzamer, of intenser? Hoe zouden de effecten veranderen?

Door deze vragen te beantwoorden met behulp van dynamische weermodellen, zoals het veelgebruikte Weather Research and Forecasting (WRF) -model dat is gebaseerd op het National Center for Atmospheric Research (NCAR), is een uitdaging. Hoewel deze modellen orkanen in detail kunnen simuleren, ze zijn in de eerste plaats ontworpen om de best mogelijke voorspelling te geven van het spoor en de evolutie van een orkaan, gegeven de huidige omstandigheden in het model, niet om wat-als-scenario's te beantwoorden. Als resultaat, wetenschappers hebben heel weinig controle over hoe de stormen in het model zich voortplanten.

Een nieuwe tool ontwikkeld door NCAR-wetenschappers brengt daar verandering in. Met het Hybrid WRF Cyclone Model (HWCM) kunnen wetenschappers een geïdealiseerde storm creëren (die stormkenmerken voorschrijft zoals grootte en intensiteit), plaats die storm precies waar ze hem willen hebben, en stuur dan de storm naar het land, waardoor ze een veel grotere mate van controle hebben over hoe en waar de gesimuleerde orkaan aan land gaat.

Dit vermogen om stormen te sturen stelt onderzoekers in staat om een ​​reeks mogelijke effecten van een aan land vallende orkaan op een bepaalde locatie te karakteriseren. Met behulp van HWCM, wetenschappers kunnen dezelfde locatie onderwerpen aan stormen die vanuit veel verschillende hoeken komen, die de stormvloed aanzienlijk kunnen beïnvloeden, evenals een reeks stormgroottes, intensiteiten, en voorwaartse snelheden. Samen, deze simulaties kunnen de mogelijke risico's voor kustgemeenschappen beter karakteriseren.

"Het kan een hele uitdaging zijn om de mogelijke effecten van orkanen te bestuderen door alleen naar het historische record te kijken, " zei NCAR-wetenschapper Cindy Bruyère, die de ontwikkeling van het nieuwe model leidde. "Als je langs een kustlijn van 80 kilometer kijkt, je ziet misschien maar één orkaan per decennium. Als we deze stormen realistisch kunnen modelleren, kunnen we een veel completer beeld krijgen van de mogelijke effecten."

De ontwikkeling van HWCM werd ondersteund door de National Science Foundation, die de sponsor van NCAR is, en door de Insurance Australia Group Limited.

Kwantificering van het orkaanrisico

Risicomanagers, gemeenschapsplanners, verzekeraars, en anderen zijn al lang geïnteresseerd in het kwantificeren van het risico van orkaanschade aan gemeenschappen. traditioneel, dit is gedaan met behulp van statistische modellen, die relaties tussen fenomenen in het verleden karakteriseren, bijvoorbeeld de regenval die doorgaans wordt geassocieerd met een bepaalde omvang of intensiteit van de storm - en pas die kennis vervolgens toe om voorspellingen te doen over de toekomst.

Hoewel statistische modellen nuttig zijn, ze hebben beperkingen omdat ze de neiging hebben om slechts naar één variabele tegelijk te kijken en historische stormen als hun benchmarks te gebruiken. Maar naarmate het klimaat verandert, zich in de toekomst stormen kunnen vormen die geen analoog hebben in het historische record, inclusief orkanen die verder naar de polen aan land komen dan ooit tevoren.

Daarentegen, dynamische modellen, zoals WRF, daadwerkelijk ons ​​begrip van fysieke relaties in de wereld gebruiken - hoe oceanen de atmosfeer beïnvloeden, en hoe atmosferische instabiliteiten een storm kunnen veroorzaken, bijvoorbeeld om zelf orkanen te simuleren. Dit soort modellen kunnen belanghebbenden een schat aan gedetailleerde informatie verschaffen over de manier waarop de storm interageert met de andere realistische omgevingskenmerken in het model, zoals de kusttopografie.

Maar het is een uitdaging om informatie te krijgen over hoe een bepaald soort storm een ​​specifieke locatie kan beïnvloeden. Dat komt omdat de manier waarop de storm zich voortplant nadat hij zich in het model heeft gevormd, inclusief het spoor en waar (of als) het aan land komt, hangt af van de fysica van het model, die weerpatronen creëren op basis van omgevingsomstandigheden. Bijvoorbeeld, een hogedrukgebied dat zich in het model boven de kust vormt, zou een storm op afstand kunnen houden of zijn koers kunnen buigen.

Bruyère en haar collega's probeerden een dynamisch model te maken dat kon worden gebruikt om de gevaren van orkanen te beoordelen door de modelleur controle te geven. Het resultaat was het hybride WRF-cycloonmodel.

"Ik wil niet dat weerpatronen in het model invloed hebben op mijn storm; ik wil bepalen waar mijn storm aan land komt, " zei ze. "We hebben de mogelijkheid ontwikkeld om een ​​volwassen storm precies daar te plaatsen waar we hem willen hebben en deze te onderwerpen aan verschillende achtergrondstromen, van simulatie tot simulatie, de storm dwingen om op verschillende manieren aan land te komen. Nu kunnen we een reeks mogelijke effecten van dezelfde storm gaan zien."

Kijkend naar de hoeken

HWCM stelt modelbouwers in staat om een ​​geïdealiseerde orkaan binnen WRF te laten ontstaan ​​- een soort storm in een doos - en vervolgens de volwassen storm in het echte domein van WRF te plaatsen. Eenmaal geplaatst, de modelleur kan de achtergrondwindstroom en -richting voorschrijven, in wezen de storm sturen terwijl deze nog steeds in staat is om te interageren met de omgeving terwijl deze evolueert.

Het onderzoeksteam beschreef onlangs de nieuwe modelleringscapaciteit in detail in het tijdschrift Weather and Climate Extremes. Ze zijn ook begonnen te experimenteren met wat de tool hen kan leren, inclusief een gedetailleerde studie van hoe de aanlandingshoek van een Sandy-achtige storm de stormvloedeffecten langs de kust van New Jersey zou kunnen veranderen.

Een deel van Sandy's bekendheid had te maken met de eigenaardige linkse hoek die de storm maakte voordat hij aan land kwam, waardoor het de kust loodrecht raakt, uit het oosten. historisch, stormen in die regio komen meestal uit het zuiden, die de kustlijn beschieten terwijl ze naar het noorden reizen.

Uit de voorlopige resultaten van het onderzoek met HWCM bleek dat de stormhoek een aanzienlijke invloed heeft op de impact van stormvloeden, en dat stormen met loodrechte benaderingen grotere golven en meer overstromingen in het binnenland veroorzaken. Ze vonden ook, echter, dat de exacte locatie van de aanlanding ook belangrijk is en dat sommige delen van de kust van New Jersey bijzonder kwetsbaar waren voor stormvloeden, ongeacht de naderingshoek.

Bruyère heeft de nieuwe modelleringscapaciteit ook gebruikt om enkele van de mogelijke effecten van klimaatverandering te bekijken, inclusief stormen die zich vormen over warmere oceanen en stormen die naar de polen migreren. In een geval, het team onderzocht hoe cyclonen die het noordoosten van Australië treffen zouden kunnen veranderen als de temperatuur van het zeeoppervlak warmer wordt. Ze vonden aanwijzingen dat verhoogde temperatuur van het zeeoppervlak ervoor zorgde dat gesimuleerde stormen verder landinwaarts drongen, met meer neerslag en grotere windvelden. Bruyère zei dat meer onderzoek met HWCM wetenschappers kan helpen de potentiële effecten van klimaatverandering op tropische cyclonen beter te kwantificeren.

"Met dit model we kunnen kijken naar stormen die niet in onze geschiedenis voorkomen, "Zei Bruyère. "We kunnen stormen plaatsen boven warmer water dan we normaal hebben of in de buurt van delen van de kust waar stormen normaal gesproken niet aan land komen, maar die in de toekomst gevolgen kunnen hebben. De resultaten zullen ons helpen bij het plannen van een aantal van de risico's van een veranderend klimaat."