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 ¡

2 ¡

h"ps://www.ncdc.noaa.gov/billions/ ¡

Katrina ¡ (1833) ¡ Sandy ¡ (285) ¡ Harvey,Irma,Maria ¡ (>3200) ¡ Florence ¡ (53) ¡

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 ¡

4 ¡

• Ar>ficial ¡amplifica>on ¡of ¡natural ¡greenhouse ¡

effect ¡through ¡burning ¡of ¡fossil ¡fuels ¡

h"ps://www.global-­‑climate-­‑change.org.uk/6-­‑2.php ¡

Anthropogenic ¡Climate ¡Change ¡

5 ¡

• electricity ¡genera>on, ¡transporta>on, ¡

manufacturing, ¡deforesta>on, ¡agriculture, ¡etc… ¡

h"ps://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/ ¡

Anthropogenic ¡Climate ¡Change ¡

6 ¡

• 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 ¡

Hurricane ¡Basics ¡

7 ¡

• Rota>ng ¡low ¡pressure ¡system ¡with ¡organized ¡

thunderstorms ¡that ¡forms ¡over ¡tropical ¡or ¡ subtropical ¡oceans ¡

Source: ¡NOAA ¡

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

8 ¡

Hurricane ¡“Ingredients” ¡

• Warm ¡ocean ¡water ¡(> ¡26.5°C ¡= ¡80°F) ¡
• Weak ¡wind ¡shear ¡
• Coriolis ¡Force ¡(rota>on) ¡
• Incipient ¡Disturbance ¡

9 ¡

Does ¡climate ¡change ¡affect ¡ these ¡ingredients? ¡

Weekly ¡Mean ¡SSTs ¡ From ¡CPC/NCEP ¡

Hurricane ¡“Ingredients” ¡

• Warm ¡ocean ¡water ¡(> ¡26.5°C) ¡
• Weak ¡wind ¡shear ¡
• Coriolis ¡Force ¡(rota>on)✖ ¡
• Incipient ¡Disturbance ¡?

?

10 ¡

Does ¡climate ¡change ¡affect ¡ these ¡ingredients? ¡

✔ ¡ ✔ ¡

Warmer ¡Air ¡and ¡Sea ¡Temps. ¡

• 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 ¡H2O ¡vapor ¡ ¡

11 ¡

Figure ¡Source: ¡CPC/NCEP ¡ SST ¡Anom. ¡(1981-­‑2010 ¡Base) ¡

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 ¡

¡

13 ¡

Figure: ¡Klotzbach ¡ et ¡al. ¡2018 ¡

Utilizing ¡Climate ¡Models ¡

14 ¡

• 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 ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡

15 ¡ 4000 ¡km ¡

250 ¡ km ¡

250 ¡km ¡

Courtesy ¡of ¡Kevin ¡Reed ¡(SBU) ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡

16 ¡

250 ¡ km ¡

Courtesy ¡of ¡Kevin ¡Reed ¡(SBU) ¡

• 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: ¡ – 1.0o ¡by ¡1.0o ¡ ¡[~111 ¡km] ¡ – 0.5o ¡by ¡0.5o ¡ ¡[~56 ¡km] ¡ – 0.25o ¡by ¡0.25o ¡ ¡[~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 ¡1.0oresolu>on ¡with ¡26 ¡levels. ¡

1000 ¡km ¡ 250 ¡km ¡

Climate ¡Model ¡Resolution ¡

17 ¡

Courtesy ¡of ¡Colin ¡Zarzycki ¡(PSU) ¡

• 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: ¡ – 1.0o ¡by ¡1.0o ¡ ¡[~111 ¡km] ¡ – 0.5o ¡by ¡0.5o ¡ ¡[~56 ¡km] ¡ – 0.25o ¡by ¡0.25o ¡ ¡[~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 ¡1.0oresolu>on ¡with ¡26 ¡levels. ¡

4000 ¡km ¡

OLR ¡(W/m2) ¡

How ¡are ¡Climate ¡Models ¡Used? ¡

18 ¡

• 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 ¡

• f ¡future ¡greenhouse ¡

emissions ¡ (“RCP ¡runs”) ¡

Hurricanes ¡in ¡Climate ¡Models ¡

19 ¡

• High-­‑resolu>on ¡global ¡climate ¡models ¡capture ¡
• bserved ¡hurricane ¡climatology ¡reasonably ¡well ¡

¡

• Fig. ¡3 ¡from ¡Shaevitz ¡et ¡al. ¡(2014) ¡

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 ¡

20 ¡

• Fig. ¡1 ¡from ¡Knutson ¡

et ¡al. ¡(2015) ¡

Changes ¡in ¡Hurricane ¡Rainfall ¡

• Rainfall ¡from ¡hurricanes ¡will ¡increase ¡

21 ¡

• Fig. ¡4 ¡from ¡Bacmeister ¡et ¡
• al. ¡(2018) ¡

Observa@ons ¡ Future ¡warming ¡scenario ¡ Worse ¡future ¡warming ¡ scenario ¡

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 ¡

Extreme ¡Event ¡Attribution ¡

• Interest ¡in ¡a"ribu>ng ¡changes ¡in ¡single ¡extreme ¡

events ¡to ¡anthropogenic ¡climate ¡change ¡is ¡ rela>vely ¡new ¡

• Various ¡methods ¡u>lizing ¡observa>ons/sta>s>cal ¡

methods/climate ¡models ¡

• E.g. ¡– ¡Risser ¡and ¡Wehner ¡(2017) ¡– ¡“We ¡find ¡that ¡

human-­‑induced ¡climate ¡change ¡likely ¡increased ¡ the ¡chances ¡of ¡the ¡observed ¡precipita>on ¡ accumula>ons ¡during ¡Hurricane ¡Harvey ¡in ¡the ¡ most ¡affected ¡areas ¡of ¡Houston ¡by ¡a ¡factor ¡of ¡at ¡ least ¡3.5.” ¡

24 ¡

Hurricane ¡Florence ¡Attribution ¡

• U>lized ¡a ¡“condi>onal ¡hindcast ¡modeling” ¡

approach ¡

• Does ¡not ¡answer ¡the ¡ques>on: ¡Did ¡climate ¡

change ¡cause ¡Hurricane ¡Florence? ¡

• Ques>on ¡we ¡can ¡answer: ¡Assuming ¡Hurricane ¡

Florence ¡already ¡existed, ¡how ¡did ¡climate ¡ change ¡affect ¡it? ¡

25 ¡

Hurricane ¡Florence ¡

• Storm ¡surge ¡of ¡9-­‑13 ¡feet ¡and ¡rainfall ¡
• ver ¡30 ¡inches ¡in ¡mul>ple ¡loca>ons ¡
• $24.23 ¡billion ¡in ¡economic ¡losses ¡

26 ¡

Source: ¡huffingtonpost.com ¡

Conditional ¡Hindcast ¡Attribution ¡

• Ran ¡climate ¡model ¡ini>alized ¡with ¡weather ¡

condi>ons ¡on ¡Sept. ¡11, ¡2018 ¡for ¡7 ¡days ¡under ¡2 ¡ different ¡condi>ons: ¡

• 1. Actual ¡ ¡

– present ¡day ¡SSTs, ¡air ¡temperature, ¡specific ¡humidity, ¡ CO2 ¡concentra>on ¡

• 2. Counterfactual ¡(a ¡world ¡without ¡anthropogenic ¡

climate ¡change) ¡

– adjusted ¡SSTs, ¡air ¡temperature, ¡specific ¡humidity, ¡CO2 ¡ concentra>on ¡

¡

27 ¡

Hurricane ¡Florence ¡Attribution ¡

28 ¡

Climate ¡Change ¡Impact ¡on ¡Precipitation ¡

29 ¡

• Observed ¡total ¡precipita>on ¡= ¡1067 ¡in. ¡ ¡
• Actual ¡mean ¡= ¡977 ¡in. ¡
• Counterfactual ¡mean ¡= ¡932 ¡in. ¡ ¡
• ~5% ¡increase ¡in ¡actual ¡

– sta>s>cally ¡significant ¡at ¡ ¡ ¡ ¡ ¡95% ¡confidence ¡level ¡

• Similar ¡trend ¡for ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡maximum ¡precip. ¡ ¡

Climate ¡Change ¡Impact ¡on ¡Storm ¡Size ¡

30 ¡

• Use ¡hurricane’s ¡outer ¡wind ¡field ¡circula>on ¡to ¡

es>mate ¡the ¡storm ¡size ¡

• Actual ¡max. ¡storm ¡size ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡9.1 ¡km ¡larger ¡in ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡diameter ¡than ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡counterfactual ¡max. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡storm ¡size ¡

– 1.6% ¡increase ¡in ¡area ¡ ¡

• f ¡storm ¡due ¡to ¡climate ¡

change ¡

Climate ¡Change ¡Impact ¡on ¡Intensity ¡

31 ¡

• Signal ¡in ¡storm ¡intensity ¡not ¡as ¡obvious ¡
• climate ¡models ¡not ¡great ¡at ¡predic>ng ¡storm ¡

¡ ¡ ¡ ¡intensity ¡anyway ¡

• Patricola ¡and ¡Wehner ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡(2018) ¡used ¡same ¡ ¡ ¡ ¡ ¡methodology ¡on ¡mul>ple ¡ ¡ ¡ ¡ ¡hurricanes ¡ – no ¡a"ributable ¡change ¡ in ¡intensity ¡so ¡far ¡ – using ¡“future ¡climate” ¡ ¡ simula>ons, ¡found ¡ ¡ a"ributable ¡change ¡

¡

Hurricane ¡Florence ¡Study ¡

32 ¡

• More ¡info. ¡about ¡Florence ¡study: ¡

Reed ¡et ¡al. ¡(2019): ¡Forecasted ¡a"ribu>on ¡of ¡the ¡human ¡ influence ¡on ¡Hurricane ¡Florence. ¡Science ¡Advances, ¡

• Accepted. ¡ ¡

¡

• Authors: ¡Kevin ¡Reed, ¡Stony ¡Brook ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Alyssa ¡Stansfield, ¡Stony ¡Brook ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Michael ¡Wehner, ¡LBNL ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Colin ¡Zarzycki, ¡Penn ¡State ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Future ¡of ¡Hurricane ¡Attribution ¡

33 ¡

• Unique ¡aspect ¡of ¡our ¡Florence ¡study ¡was ¡that ¡

we ¡performed ¡the ¡a"ribu>on ¡analysis ¡before ¡ the ¡hurricane ¡made ¡landfall ¡

– released ¡public ¡statement ¡about ¡how ¡climate ¡ change ¡impacted ¡the ¡storm ¡as ¡it ¡was ¡happening ¡

• Way ¡to ¡engage ¡the ¡public ¡in ¡climate ¡change ¡

research ¡while ¡their ¡a"en>on ¡is ¡on ¡the ¡event ¡

• Want ¡to ¡refine ¡our ¡a"ribu>on ¡analysis ¡so ¡we ¡

can ¡run ¡it ¡on ¡all ¡future ¡hurricanes ¡as ¡they ¡ happen ¡

Conclusions ¡

• Climate ¡change ¡has ¡already ¡affected ¡hurricanes ¡

– evidence ¡from ¡our ¡Florence ¡study, ¡mul>ple ¡studies ¡on ¡ Hurricane ¡Harvey, ¡etc… ¡ – definitely ¡producing ¡more ¡precipita>on, ¡possibly ¡have ¡ go"en ¡more ¡stronger/larger ¡

• In ¡future: ¡

– less ¡hurricanes ¡overall, ¡but ¡more ¡strong ¡(Cat. ¡3,4,5) ¡storms ¡ – more ¡precipita>on ¡per ¡storm ¡ – possibly ¡storms ¡will ¡slow ¡down ¡and ¡stall ¡more ¡ozen ¡ – possibly ¡average ¡storm ¡size ¡will ¡increase ¡

• Bo"om ¡line: ¡hurricanes ¡are ¡getng ¡more ¡dangerous ¡to ¡

humans ¡and ¡we ¡must ¡begin ¡adap>ng! ¡

• alyssa.stansfield@stonybrook.edu ¡

34 ¡

References ¡

Bacmeister, ¡J. ¡T., ¡Reed, ¡K. ¡A., ¡Hannay, ¡C., ¡Lawrence, ¡P., ¡Bates, ¡S., ¡Truesdale, ¡J. ¡E., ¡... ¡& ¡Levy, ¡M. ¡(2018). ¡ Projected ¡changes ¡in ¡tropical ¡cyclone ¡ac>vity ¡under ¡future ¡warming ¡scenarios ¡using ¡a ¡high-­‑resolu>on ¡ climate ¡model. ¡Clima>c ¡Change, ¡146(3-­‑4), ¡547-­‑560. ¡ IPCC, ¡2013: ¡Climate ¡Change ¡2013: ¡The ¡Physical ¡Science ¡Basis. ¡Contribu>on ¡of ¡Working ¡Group ¡I ¡to ¡the ¡ Fizh ¡Assessment ¡Report ¡of ¡the ¡Intergovernmental ¡Panel ¡on ¡Climate ¡Change ¡[Stocker, ¡T.F., ¡D. ¡Qin, ¡G.-­‑K. ¡ Pla"ner, ¡M. ¡Tignor, ¡S.K. ¡Allen, ¡J. ¡Boschung, ¡A. ¡Nauels, ¡Y. ¡Xia, ¡V. ¡Bex ¡and ¡P.M. ¡Midgley ¡(eds.)]. ¡Cambridge ¡ University ¡Press, ¡Cambridge, ¡United ¡Kingdom ¡and ¡New ¡York, ¡NY, ¡USA, ¡1535 ¡pp. ¡ Knutson, ¡T. ¡R., ¡Siru>s, ¡J. ¡J., ¡Zhao, ¡M., ¡Tuleya, ¡R. ¡E., ¡Bender, ¡M., ¡Vecchi, ¡G. ¡A., ¡... ¡& ¡Chavas, ¡D. ¡(2015). ¡ Global ¡projec>ons ¡of ¡intense ¡tropical ¡cyclone ¡ac>vity ¡for ¡the ¡late ¡twenty-­‑first ¡century ¡from ¡dynamical ¡ downscaling ¡of ¡CMIP5/RCP4. ¡5 ¡scenarios. ¡Journal ¡of ¡Climate, ¡28(18), ¡7203-­‑7224. ¡ NOAA ¡Na>onal ¡Centers ¡for ¡Environmental ¡Informa>on ¡(NCEI) ¡U.S. ¡Billion-­‑Dollar ¡Weather ¡and ¡Climate ¡ Disasters ¡(2019). ¡h"ps://www.ncdc.noaa.gov/billions/ ¡ Patricola, ¡C. ¡M., ¡& ¡Wehner, ¡M. ¡F. ¡(2018). ¡Anthropogenic ¡influences ¡on ¡major ¡tropical ¡cyclone ¡events. ¡ Nature, ¡563(7731), ¡339. ¡ Risser, ¡M. ¡D., ¡& ¡Wehner, ¡M. ¡F. ¡(2017). ¡A"ributable ¡human-­‑induced ¡changes ¡in ¡the ¡likelihood ¡and ¡ magnitude ¡of ¡the ¡observed ¡extreme ¡precipita>on ¡during ¡Hurricane ¡Harvey. ¡Geophysical ¡Research ¡ Le?ers, ¡ 44, ¡12,457–12,464. ¡ ¡ Shaevitz, ¡D. ¡A., ¡Camargo, ¡S. ¡J., ¡Sobel, ¡A. ¡H., ¡Jonas, ¡J. ¡A., ¡Kim, ¡D., ¡Kumar, ¡A., ¡... ¡& ¡Roberts, ¡M. ¡J. ¡(2014). ¡ Characteris>cs ¡of ¡tropical ¡cyclones ¡in ¡high-­‑resolu>on ¡models ¡in ¡the ¡present ¡climate. ¡Journal ¡of ¡ Advances ¡in ¡Modeling ¡Earth ¡Systems, ¡6(4), ¡1154-­‑1172. ¡ Ting, ¡M., ¡Kossin, ¡J. ¡P., ¡Camargo, ¡S. ¡J., ¡& ¡Li, ¡C. ¡(2019). ¡Past ¡and ¡future ¡hurricane ¡intensity ¡change ¡along ¡ the ¡US ¡East ¡Coast. ¡Scien>fic ¡reports, ¡9(1), ¡7795. ¡ Vecchi, ¡G. ¡A., ¡& ¡Soden, ¡B. ¡J. ¡(2007). ¡Increased ¡tropical ¡Atlan>c ¡wind ¡shear ¡in ¡model ¡projec>ons ¡of ¡global ¡

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