Hurricanes and Climate Change: Current Knowledge and - PowerPoint PPT Presentation

Hurricanes ¡and ¡Climate ¡ Change: ¡Current ¡Knowledge ¡ and ¡Attribution ¡Techniques ¡ Alyssa ¡Stans<ield ¡ PhD ¡Student, ¡School ¡of ¡Marine ¡and ¡ Atmospheric ¡Sciences ¡ ¡ GRADTALKS ¡Seminar ¡ Oct. ¡7, ¡2019 ¡

Introduction ¡ Florence ¡ (53) ¡ Harvey,Irma,Maria ¡ (>3200) ¡ Sandy ¡ (285) ¡ Katrina ¡ (1833) ¡ h"ps://www.ncdc.noaa.gov/billions/ ¡ 2 ¡

Outline ¡ • Quick ¡overview ¡of ¡climate ¡change ¡and ¡ hurricanes ¡ • How ¡does ¡climate ¡change ¡impact ¡hurricanes? ¡ • How ¡do ¡climate ¡scien>sts ¡predict ¡these ¡ impacts? ¡ • Hurricane ¡Florence ¡climate ¡change ¡a"ribu>on ¡ case ¡study ¡ 3 ¡

Anthropogenic ¡Climate ¡Change ¡ h"ps://www.global-­‑climate-­‑change.org.uk/6-­‑2.php ¡ • Ar>ficial ¡amplifica>on ¡of ¡natural ¡greenhouse ¡ effect ¡through ¡burning ¡of ¡fossil ¡fuels ¡ 4 ¡

Anthropogenic ¡Climate ¡Change ¡ h"ps://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/ ¡ • electricity ¡genera>on, ¡transporta>on, ¡ manufacturing, ¡deforesta>on, ¡agriculture, ¡etc… ¡ 5 ¡

Anthropogenic ¡Climate ¡Change ¡ • Some ¡impacts: ¡ – warmer ¡temperatures ¡ – changes ¡in ¡precipita>on ¡pa"erns ¡ – more ¡droughts ¡and ¡heat ¡waves ¡ – rising ¡sea ¡level ¡ – eventually ¡an ¡ice-­‑free ¡Arc>c ¡ – stronger ¡hurricanes ¡ 6 ¡

Hurricane ¡Basics ¡ Source: ¡NOAA ¡ • Rota>ng ¡low ¡pressure ¡system ¡with ¡organized ¡ thunderstorms ¡that ¡forms ¡over ¡tropical ¡or ¡ subtropical ¡oceans ¡ 7 ¡

How ¡do ¡we ¡measure ¡hurricane ¡intensity? ¡ 8 ¡

Hurricane ¡“Ingredients” ¡ • Warm ¡ocean ¡water ¡(> ¡26.5°C ¡= ¡80°F) ¡ Weekly ¡Mean ¡SSTs ¡ • Weak ¡wind ¡shear ¡ • Coriolis ¡Force ¡(rota>on) ¡ • Incipient ¡Disturbance ¡ Does ¡climate ¡change ¡affect ¡ these ¡ingredients? ¡ From ¡CPC/NCEP ¡ 9 ¡

Hurricane ¡“Ingredients” ¡ • Warm ¡ocean ¡water ¡(> ¡26.5°C) ¡ ✔ ¡ ✔ ¡ • Weak ¡wind ¡shear ¡ • Coriolis ¡Force ¡(rota>on) ✖ ¡ • Incipient ¡Disturbance ¡ ? ? Does ¡climate ¡change ¡affect ¡ these ¡ingredients? ¡ 10 ¡

Warmer ¡Air ¡and ¡Sea ¡Temps. ¡ SST ¡Anom. ¡(1981-­‑2010 ¡Base) ¡ • Warm ¡ocean ¡water ¡= ¡ ¡ hurricane ¡fuel ¡ ¡ – approx. ¡90% ¡of ¡heat ¡stored ¡in ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ocean, ¡most ¡in ¡upper ¡ocean ¡ • Warmer ¡air ¡ à ¡for ¡each ¡1°C ¡ ¡ in ¡warming, ¡saturated ¡air ¡ ¡ contains ¡7% ¡more ¡H 2 O ¡vapor ¡ ¡ Figure ¡Source: ¡CPC/NCEP ¡ 11 ¡

Wind ¡Shear ¡ • Large ¡varia>ons ¡on ¡short ¡>me ¡scales ¡and ¡ inter-­‑seasonally ¡ ¡ • Vecchi ¡and ¡Soden ¡(2007) ¡-­‑ ¡climate ¡change ¡will ¡ increase ¡wind ¡shear ¡over ¡western ¡Atlan>c ¡ • Recent ¡study ¡suggests ¡climate ¡change ¡is ¡ decreasing ¡wind ¡shear ¡near ¡the ¡U.S. ¡East ¡ Coast ¡(Ting ¡et ¡al. ¡2019) ¡ 12 ¡

Hurricane ¡Research ¡Challenges ¡ • Large ¡year-­‑to-­‑year ¡natural ¡variability ¡in ¡hurricane ¡ ¡ ¡ ¡ ¡counts ¡ ¡ • Rela>vely ¡short ¡observa>onal ¡record ¡ ¡ Figure: ¡Klotzbach ¡ et ¡al. ¡2018 ¡ 13 ¡

Utilizing ¡Climate ¡Models ¡ • Solve ¡mathema>cal ¡ equa>ons ¡(based ¡on ¡ fundamental ¡laws ¡of ¡ physics, ¡fluid ¡dynamics, ¡and ¡ chemistry) ¡on ¡a ¡3D ¡grid ¡ • Interac>ons ¡between ¡ atmosphere, ¡ocean, ¡land, ¡ sea ¡ice, ¡etc… ¡ • Users ¡can ¡specify ¡radia>on/ climate ¡forcings ¡ ¡ h"ps://www.climate.gov/maps-­‑data/ primer/climate-­‑models ¡ 14 ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡ 250 ¡km ¡ 250 ¡ km ¡ 4000 ¡km ¡ Courtesy ¡of ¡Kevin ¡Reed ¡(SBU) ¡ 15 ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡ • Na>onal ¡Center ¡for ¡Atmospheric ¡Research’s ¡(NCAR) ¡CAM ¡version ¡ 3.1 ¡(CAM ¡3.1) ¡and ¡version ¡(CAM ¡4). ¡ • The ¡Finite-­‑Volume ¡dynamical ¡core ¡with ¡26 ¡ver>cal ¡levels ¡is ¡used ¡at ¡ horizontal ¡resolu>ons ¡of: ¡ – 1.0 o ¡by ¡1.0 o ¡ ¡[~111 ¡km] ¡ – 0.5 o ¡by ¡0.5 o ¡ ¡[~56 ¡km] ¡ – 0.25 o ¡by ¡0.25 o ¡ ¡[~28 ¡km] ¡ • Aquaplanet ¡mode ¡is ¡used, ¡with ¡a ¡simplified ¡ocean ¡covered ¡Earth ¡ and ¡constant ¡SST. ¡ 250 ¡km ¡ • Parameters ¡have ¡been ¡derived ¡from ¡CAM ¡4 ¡climate ¡simula>ons ¡ 250 ¡ with ¡the ¡FV ¡dynamical ¡core ¡at ¡the ¡1.0 o resolu>on ¡with ¡26 ¡levels. ¡ km ¡ 1000 ¡km ¡ Courtesy ¡of ¡Kevin ¡Reed ¡(SBU) ¡ 16 ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡ • Na>onal ¡Center ¡for ¡Atmospheric ¡Research’s ¡(NCAR) ¡CAM ¡version ¡ 3.1 ¡(CAM ¡3.1) ¡and ¡version ¡(CAM ¡4). ¡ • The ¡Finite-­‑Volume ¡dynamical ¡core ¡with ¡26 ¡ver>cal ¡levels ¡is ¡used ¡at ¡ horizontal ¡resolu>ons ¡of: ¡ – 1.0 o ¡by ¡1.0 o ¡ ¡[~111 ¡km] ¡ – 0.5 o ¡by ¡0.5 o ¡ ¡[~56 ¡km] ¡ – 0.25 o ¡by ¡0.25 o ¡ ¡[~28 ¡km] ¡ • Aquaplanet ¡mode ¡is ¡used, ¡with ¡a ¡simplified ¡ocean ¡covered ¡Earth ¡ and ¡constant ¡SST. ¡ • Parameters ¡have ¡been ¡derived ¡from ¡CAM ¡4 ¡climate ¡simula>ons ¡ with ¡the ¡FV ¡dynamical ¡core ¡at ¡the ¡1.0 o resolu>on ¡with ¡26 ¡levels. ¡ 4000 ¡km ¡ OLR ¡(W/m 2 ) ¡ Courtesy ¡of ¡Colin ¡Zarzycki ¡(PSU) ¡ 17 ¡

How ¡are ¡Climate ¡Models ¡Used? ¡ • Typically ¡run ¡for ¡100s-­‑1000s ¡of ¡“model ¡years” ¡ – can ¡be ¡run ¡with ¡and ¡ ¡ without ¡anthropogenic ¡ forcings ¡ – can ¡be ¡run ¡into ¡the ¡ ¡ future ¡using ¡es>mates ¡ of ¡future ¡greenhouse ¡ emissions ¡ (“RCP ¡runs”) ¡ 18 ¡

Hurricanes ¡in ¡Climate ¡Models ¡ • High-­‑resolu>on ¡global ¡climate ¡models ¡capture ¡ observed ¡hurricane ¡climatology ¡reasonably ¡well ¡ ¡ Fig. ¡3 ¡from ¡Shaevitz ¡et ¡al. ¡(2014) ¡ 19 ¡

Changes ¡in ¡Hurricane ¡Strength ¡ • Total ¡# ¡of ¡hurricanes ¡will ¡stay ¡the ¡same ¡or ¡slightly ¡ decrease, ¡but ¡# ¡of ¡hurricanes ¡reaching ¡Cat. ¡4 ¡and ¡5 ¡ strength ¡will ¡increase ¡ Fig. ¡1 ¡from ¡Knutson ¡ et ¡al. ¡(2015) ¡ 20 ¡

Changes ¡in ¡Hurricane ¡Rainfall ¡ • Rainfall ¡from ¡hurricanes ¡will ¡increase ¡ Observa@ons ¡ Future ¡warming ¡scenario ¡ Worse ¡future ¡warming ¡ scenario ¡ Fig. ¡4 ¡from ¡Bacmeister ¡et ¡ al. ¡(2018) ¡ 21 ¡

Other ¡Changes ¡ • Some ¡evidence ¡that ¡hurricanes’ ¡speeds ¡are ¡ slowing ¡down ¡ – storms ¡will ¡impact ¡areas ¡for ¡longer ¡>me ¡ • Storm ¡sizes ¡may ¡be ¡getng ¡larger ¡ – larger ¡storms ¡= ¡larger ¡impact ¡area ¡ • Sea ¡level ¡rise ¡+ ¡storm ¡surge ¡= ¡more ¡damaging ¡ flooding ¡ 22 ¡

How ¡else ¡can ¡we ¡use ¡climate ¡models ¡ to ¡study ¡hurricanes? ¡ • All ¡this ¡informa>on ¡about ¡climate ¡change’s ¡ impacts ¡on ¡hurricanes ¡has ¡been ¡sourced ¡from ¡ long-­‑term ¡climate ¡model ¡runs/projec>ons ¡ – But ¡hurricanes ¡in ¡climate ¡models ¡aren’t ¡real-­‑world ¡ storms ¡ ¡ – AKA ¡there’s ¡no ¡“Hurricane ¡Sandy” ¡in ¡free-­‑running ¡ climate ¡model ¡runs ¡ • Can ¡we ¡study ¡the ¡impact ¡of ¡climate ¡change ¡on ¡ hurricanes ¡that ¡actually ¡happened? ¡ 23 ¡