Huragan Harvey był niszczycielskim huraganem kategorii 4 , który wylądował w Teksasie i Luizjanie w sierpniu 2017 r., powodując katastrofalne powodzie i ponad 100 ofiar śmiertelnych. Szkody majątkowe jakie on sporządził, były o wartości około 125 miliardów dolarów w ciągu roku.
Fot. Szkody po huraganie Harvey i trzydniowych nawalnych opadach deszczu w Houston spowodowały ekstremalne powodzie. (REUTERS/Richard Carson)
Przedstawiona zespołowa praca naukowa, której głównymi autorami byli (już niestety nieżyjący) Geert Jan van Oldenborgh i Karin van der Wiel z Królewskiego Holenderskiego Instytutu Meteorologicznego w de Bilt, analizuje krok po kroku wystąpienie ekstremalnych opadów deszczu podczas wyjścia huraganu Harvey na ląd w Zatoce Meksykańskiej i zatrzymanie się nad nim przez kilka dni. To ekstremalne zdarzenie pogodowe przyniosło poważne skutki zagrożenia i utraty życia ludzi i zwierząt, ewakuację tysięcy rodzin oraz straty gospodarcze w miliardach dolarów liczone 1.
Cyklon ten powstał jako sztorm tropikalny nad Oceanem Atlantyckim 17 sierpnia 2017 r. i następnego dnia wszedł do Morza Karaibskiego. Następnie osłabł do tropikalnej depresji podczas przekraczania półwyspu Jukatan, ale już 24 sierpnia osiągnął siłę huraganu nad Zatoką Meksykańską, gwałtownie zwiększając się, by osiągnąć siłę kategorii 4 tuż przed wylądowaniem na wybrzeżu Teksasu 50 km na wschód od Corpus Christi 25 sierpnia, powodując poważne szkody wiatrowe w miastach nadmorskich.
Harvey poruszał się powoli w głąb lądu, pozostając prawie nieruchomo około 100 km w głębi lądu przez około cztery dni, między 26 a 28 sierpnia, zanim cofnął się do Zatoki Meksykańskiej. Następnie ponownie wylądował w Luizjanie 30 sierpnia.
Chociaż cyklon ten był huraganem znaczącym pod względem wielkości i prędkości wiatru, ostatecznie, zostanie on zapamiętany z powodu wystąpienia ekstremalnych opadów deszczu i powodzi, które spowodowały ogromne zniszczenia w Houston i okolicach.
Globalne ocieplenie skutkuje tym, że zgodnie z prawem Clausiusa-Clapeyrona (CC), na każdy wzrost temperatury o stopień Celsjusza, w atmosferze Ziemi wzrasta ilość pary wodnej o 7 procent, co sprzyja zwiększonej intensyfikacji huraganów na całym świecie.
Od 1880 roku obserwacje w regionie pokazały też wzrost intensywności ekstremalnych opadów deszczu, od 12 do 22%, co jest tematem omawianej pracy. Ogólnie strumień wilgoci spowodował także zwiększenie ilości silniejszych wiatrów oraz prądów wznoszących, które są napędzane ciepłem skondensowanego wilgotnego powietrza.
Obszarem badanym był rejon miast Houston i Corpus Christi, które najsilniej odczuły wpływ destrukcyjny huraganu Harvey.
W symulacjach komputerowych naukowcy wykorzystali trzy modele:
1. EC-Earth 2.3 (wykorzystujący zalecane codzienne, oparte na obserwacjach rekonstrukcje temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) z rozdzielczością 0,25°.
2. GFDL HiFLOR (wykorzystujący 25-kilometrową poziomą siatkę atmosfery i lądu w połączeniu z modelem lodu oceanicznego i morskiego. Szczegółowy opis modelu znajduje się w pracy Murakamiego i in. (2015) oraz van der Wiel i in. (2016).
3. Regionalny model klimatu (RCM – Regional Climate Model) HadRM3P z rozdzielczością poziomą ok. 25 km i 19 poziomami pionowymi (Massey et al 2015, Guillod et al 2017). Domena RCM obejmuje Amerykę Środkową, Stany Zjednoczone i cały region Zatoki Meksykańskiej.
W analizie HADRM3P wykorzystane zostały trzy eksperymenty:
a) 30-letnia klimatologia (1986–2015) z 30 symulacjami rocznie (900 elementów) (przyjęty)
b) rzeczywisty zestaw z 1000 symulacji w okresie od sierpnia do października 2017 r. (aktualny)
c) naturalny lub niezgodny z faktami zestaw z 1500 symulacji na okres od sierpnia do października 2017 r. (naturalny).
Ekstrapolując przedstawione wyniki badań opisujące to wydarzenie z 2017 r., zespół Oldenborgha doszedł do wniosku, że globalne ocieplenie spowodowało opady deszczu o około 15% (8 %–19%) bardziej intensywne niż 30 lat temu.
Bezpośrednio po tym wydarzeniu, w środowisku naukowym, zwłaszcza wśród specjalistów od atrybucji zmian klimatu, pojawiło się pytanie zastanawiające, w jakim stopniu skutki huraganu Harvey zostały zintensyfikowane z powodu antropogenicznej zmiany klimatu. W badaniu wzięta została pod uwagę szeroka analiza ekstremalnych opadów deszczu.
Na podstawie wcześniejszych wyników badań, naukowcy zauważyli, że w skali globalnej istnieje duże prawdopodobieństwo, że zwiększenie emisji gazów cieplarnianych doprowadzi do zmniejszenia lub braku zmian w ogólnej liczbie cyklonów tropikalnych, ale już maksymalna prędkość wiatru i opady najsilniejszych burz prawdopodobnie wzrosną (Hesselbjerg Christensen i in. 2013).
Hipoteza na temat podstaw wyższego skalowania, np. CC x 2, opracowana przez naukowców, polega na tym, że dodatkowe ciepło w atmosferze i w oceanie daje dodatkową energię do napędzania cyrkulacji w dobrze zorganizowanym systemie. W ten sposób strumień wilgoci zwiększa się dwukrotnie: nie tylko przy wyższej zawartości wilgoci, ale także przy wyższych prędkościach cyklonu.
Rozkład najbardziej ekstremalnych zdarzeń w Zatoce Meksykańskiej jest dość dobrze symulowany przez model GFDL HiFLOR o rozdzielczości atmosferycznej wynoszącej 25 km oraz, w mniejszym stopniu, przez model FLOR-FA o rozdzielczości 50 km.
Naukowcy w swoje pracy piszą:
Niniejsza analiza koncentruje się na ekstremalnych opadach jako głównej przyczynie powodzi. Nie bierzemy pod uwagę wpływu cofania podniesionych poziomów wody spowodowanych sztormami lub względnym wzrostem poziomu morza w Zatoce Galveston na zdolność systemu do odwadniania, ale wcześniejsze badania sugerowały, że może to być ważny czynnik w określaniu intensywności i zasięgu powodzi przybrzeżnych (Torres i in. 2015 , Sebastian i in. 2017 ).
Ponadto uznajemy, że inne czynniki antropogeniczne przyczyniły się do zwiększonego ryzyka powodzi w Houston, w szczególności rozwój miast, co doprowadziło do wkroczenia na tereny zalewowe, zwiększonej nieprzepuszczalnej pokrywy, zmniejszenia nierówności lądu i kanałów, zmniejszonej pojemności składowania (Brody i in. 2008 ,2011 ) oraz wycofywanie zasobów, które doprowadziło do osiadania do 3 m (10 stóp) (http://hgsubsidence.org/subsidence-data).
—-
Rys.1. A: Tempo opadów (w mm) nad Houston w dniach 26-28 sierpnia. B: Całkowita ilość opadów w Houston od 26 do 31 sierpnia. C: Przestrzenna koncentracja opadów nad wybrzeżem Zatoki Meksykańskiej w dniach 26-28 sierpnia, przy czym kolor ciemnoniebieski oznacza wysokie opady, a żółty niskie. D: Rozprzestrzenianie się opadów, które jest związane ze średnią roczną trzydniową maksymalną wartością dla wybrzeża Zatoki Meksykańskiej. [Z Carbon Brief] Żródło: van Oldenborgh i in. (2017)].
—-
Badacze są zgodni z wnioskami wcześniejszych prac naukowych, min. Van der Wiel i in. ( 2017 ), którzy wykazali, że ekstremalne opady deszczu można uznać za jednorodne wzdłuż wybrzeża Zatoki Meksykańskiej w obszarze lądowym na szerokościach geograficznych 29°N-31°N i na długościach geograficznych 85°W-95°W. Ponieważ najbardziej dotknięte obszary znajdują się na zachód od tego pola siatki, więc, rozszerzyli je w swoich badaniach do rejonu Corpus Christi na szerokościach 27,5°N-31°N i na długościach 85°W-97,5°W.
Natomiast skrajna zachodnia część tego obszaru charakteryzuje się nieco niższymi ekstremalnymi opadami, ale nie ma to wpływu na analizę, a zwłaszcza na maksimum przestrzenne stosowane w modelach.
Należy zauważyć, że ekstremalne opady na tym obszarze są spowodowane nie tylko burzami tropikalnymi, ale także różnymi innymi mechanizmami, takimi jak np. odcięcie niżu barycznego (COL – Cut-of-Low) badanego wcześniej przez zespół Karin van der Wiel i in. ( 2017). Ekstremalne opady w Zatoce Meksykańskiej występują przez cały rok, z niewielkim wzrostem w sezonie huraganów (czerwiec–listopad).
Do analizy obserwacyjnej naukowcy zastosowali dwa zestawy danych służące do pomiarów deszczu za pomocą deszczomierzy.
a) zbiór danych GHCN-D v2 rozszerzony o dane GTS
b) zunifikowana analiza opadów CPC (CPC – Unified Precipitation Analysis)
Globalna sieć klimatologii historycznej (GHCN – Global Historical Climatology Network) – jest to baza danych zawierających informacje o temperaturze, opadach i ciśnieniu, która jest zarządzana przez Narodowe Centrum Klimatycznych Danych (NCDC – National Climatic Data Center).
Jeśli chodzi o pierwszy zestaw, w gridzie siatki znajduje się na niej 312 stacji, które dokonały pomiarów w okresie lat 1878–2017.
Z kolei omawiając drugi zestaw, jest to 25-kilometrowy zestaw danych na siatce oparty na miernikach deszczu. Charakteryzuje się on maksymalnym trzydniowym opadem wynoszącym 251,1 mm (dziennie) lub 614,2 mm (w ciągu trzech dni) i służy on do porównania z danymi modelowymi (patrz rys.1.b).
Naukowcy aby mieć pełny obraz rozdzielczości przestrzennej trzydniowych maksymalnych opadów deszczu z powodu huraganu Harvey, obok analiz GHCN i CPC, zastosowali też dane z NASA GPM/IMERG oraz radar z NOAA.
Badania atrybucji pojedynczego zdarzenia takiego jak huragan Harvey próbują ustalić, w jakim stopniu zmiana klimatu mogła mieć wpływ na wystąpienie prawdopodobieństwa ekstremalnych opadów deszczu pod wpływem tego cyklonu. Jest to dlatego skomplikowane, ponieważ pod uwagę są brane też inne czynniki takie jak chociażby naturalne zmienności klimatyczne, np. oscylacje oceaniczne.
Naczelny autor dr Geert Jan van Oldenborgh z Królewskiego Holenderskiego Instytytu Meterologicznego (RNMI – Royal Netherlands Meteorological Institute) dla Carbon Brief powiedział 2:
Po ekstremalnym zdarzeniu pogodowym zawsze pojawia się pytanie: „W jakim stopniu było to spowodowane zmianą klimatu?”. Niemal identyczne pytanie, na które odpowiada badanie atrybucji zdarzeń ekstremalnych, brzmi: „Jak bardzo zmieniło się prawdopodobieństwo zdarzenia z powodu zmiany klimatu?
W tym przypadku przyjrzeliśmy się prawdopodobieństwu, że w obecnym klimacie spadnie tyle deszczu, ile spadło na Houston lub więcej, i porównaliśmy je z prawdopodobieństwem sto lat temu, na podstawie obserwacji i modeli klimatycznych.
Typowy zasięg przestrzenny fali upałów wynosi wiele setek kilometrów, więc możemy przedstawić falę upałów za pomocą modelu klimatycznego o rozdzielczości około 200 km. Jednak krytyczne części burz tropikalnych [huragany i tajfuny] są znacznie mniejsze, realistyczne symulacje zaczynają się dopiero z modelami o rozdzielczości 25 km. Dopiero niedawno modele i możliwości komputerów wystarczająco wzrosły, ale nawet wtedy szczegóły dynamiki burz wciąż nie są w pełni reprezentowane.
Podsumowując temat, naukowcy postanowili skoncentrować swoją analizę na opadach deszczu w Teksasie, w dniach od 26 do 28 sierpnia, które spowodowały większość katastrofalnych powodzi przynosząc ogromne straty materialne. Na potrzeby tej analizy naukowcy zebrali odczyty opadów deszczu ze stacji pogodowych na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej.
—-
Rys.2. (a) 10-minutowe tempo opadów obserwowane w Houston (Teksas) obliczane w milimetrach na godzinę (mm/h), około 1% brakujących danych zostało pominiętych. (b) Suma opadów na tej stacji (mm). Dane z www.knmi.nl , stacja ID 639466112. Zacienione jasnoróżowe obszary wskazują trzydniowy okres maksymalnych opadów (26-28 sierpnia UTC, 2017). (c) Suma opadów 26-28 sierpnia 2017, (d) opady związane ze średnim rocznym maksimum trzydniowym (mm/3 dni). Dane siatkowe z ujednoliconej analizy dziennych opadów CPC opartej na miernikach. Czerwone pole pokazuje obszar analizy (27,5°N–31,0°N, 85,0°W–97,5°W), czerwone kropki wskazują miasta Corpus Christi i Houston w Teksasie.
(Geert Jan Van Oldenborgh i inni, 2017)
—-
Powyższe wykresy pokazują zasięg tych ulewnych deszczy w okresie trzech dni. Wykres A pokazuje, jak zmieniło się natężenie opadów w Houston w ciągu trzech dni, natomiast wykres B pokazuje całkowitą ilość opadów, które spadły między 25 a 31 sierpnia. A wykres C pokazuje poniżej, gdzie ekstremalne opady były skoncentrowane w ciągu trzech dni na wybrzeżu Zatoki Meksykańskiej, przy czym kolor ciemnoniebieski reprezentuje duże ilości deszczu, a żółty – niski. Z kolei wykres D przedstawia rozrzut opadów, który jest związany ze średnią roczną trzydniową maksymalną wartością dla wybrzeża Zatoki Meksykańskiej.
—-
Referencje:
1. Oldenborgh G. J. et al., 2017 ; Attribution of extreme rainfall from Hurricane Harvey, August 2017 ; Environmental Research Letters ; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aa9ef2
2. Dunne D., 2017 ; Climate change ‘tripled chances’ of Hurricane Harvey’s record rain ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/climate-change-tripled…
—-