Tropische cyclonen in een klimaat dat twee graden Celsius warmer is dan eind negentiende eeuw

Door: Halbe Hibma, met medewerking van Nadia Bloemendaal

Klimaatverandering is een ongemakkelijk feit, dat leert de klimaatwetenschap ons. Veel wetenschappers hebben dit ongemakkelijk feit al jarenlang uitgesproken, maar overheden kiezen liever voor economische impact, want dat is de korte-termijn visie waar voornamelijk visieloze politici zich aan schuldig maken. Wetenschappers zijn daarentegen mensen die juist hun zicht gericht hebben op de toekomst. In het kader van het ongemakkelijke feit dat wij afstevenen op een wereld die 2 graden Celsius (of wellicht meer) warmer is dan eind 19^e eeuw zie hoofdstuk 4 uit het technische rapport van AR6 van het IPCC, vinden wetenschappers het belangrijk om een idee te krijgen in hoeverre het aantal en de intensiteit van tropische cyclonen (TC, de formele aanduiding voor wat lokaal ook wel een orkaan of tyfoon wordt genoemd) zal toenemen. Het antwoord is echter heel erg ontnuchterend: de wetenschap heeft nog geen volledig beeld. De wetenschap is erover eens dat de intensiteit van TC’s zullen toenemen in een warmer klimaat, maar of er daadwerkelijk meer of minder TC’s in een warmer klimaat zullen ontstaan is de wetenschap nog niet volledig uit. Impact van een TC is echter van groot maatschappelijk belang, omdat het gepaard gaat met grootschalige neerslag en stormvloed met veel schade en slachtoffers. Voor meer informatie verwijs ik mijn lezer graag naar een ander stuk op klimaatveranda. Waarom niet? Dát ga ik dus hieronder uitleggen.

In dit onderzoeksartikel (Sobel et al 2021) is heel mooi visueel in beeld gebracht hoe het aantal tropische cyclonen (ca. 70 tot 90 TC’s op jaarbasis) op een bijna ritmische wijze door de seizoenen heen bewegen over onze prachtige planeet.

Figuur 1 – aantal TC’s (number of tropical cyclones, NTC) per oceaan, gedurende het jaar (januari t/m december).

Binnen de Wereld Meteorologische Organisatie (WMO) is er een werkgroep die zich specifiek concentreert op onderzoek naar tropische cyclonen. Deze werkgroep heeft in 2019 een artikel (Knutson et al 2019) gepubliceerd in het blad van de American Meteorological Society. Zij hebben op basis van de data van NOAA in kaart gebracht hoe de ontwikkeling is geweest van het aantal tropische cyclonen op verschillende plekken op Aarde over verschillende seizoenen. Het onderste figuur is een overzicht van het Atlantische Power Dissipation Index, dit is een getal dat ons verteld hoeveel TC energie er in een bepaald seizoen zat. De SST staat voor sea surface temperature, wat de oppervlaktetemperatuur van het water inhoudt. Zie figuur 2 hieronder.

Figuur 2 – Aantallen tropische cyclonen die aan land komen a) Callaghan and Power (2011) aantal krachtige TC’s die aan land zijn gekomen in Australië. b) Kumazawa et al. 2016) aantal krachtige TC’s die in Japan aan land zijn gekomen. c) data van NOAA van TC’s die in USA aan land zijn gekomen. d) Grinsted et al. 2012), index van gemiddeld/grote onverwachte gebeurtenissen. e) Power dissipisation index “hoeveelheid vrijgekomen energie” en oppervlaktetemperatuur van het water “SST” in het Atlantische bassin.

Daarna hebben ze gekeken naar de data van de intensiteit van de TC’s per bassin:

• Noordelijke Atlantische Oceaan
• Oostelijke Stille Oceaan
• Westelijke Stille Oceaan
• Zuidelijke Stille Oceaan (ook wel Australisch bassin genoemd)
• Zuidelijke Indische Oceaan

De onderzoekers hebben de dataset van 1982 – 2009 gebruikt voor homogenisatie en gecorrigeerd voor El Niño Southern Oscillation (ENSO). Het is bekend dat tijdens een jaar waarin ENSO piekt, dat er meer TC’s ontstaan, vanwege het warme zeewater. Voor onderzoek naar TC’s is het daarom belangrijk te corrigeren voor ENSO.
Hieruit volgt een parameter genaamd het “Lifetime Maximum Intensity” (LMI), wat een maat is voor de maximale windsnelheid die een TC gedurende één minuut heeft bereikt. Met andere woorden: hoe groter de LMI, hoe sterker de TC is en dús ook hoeveel schade die potentieel kan veroorzaken. Zie figuur 3 voor de resultaten. Interessant is te zien dat in de Noord-Atlantische Oceaan voor alle TC’s een positieve trend waarneembaar is en in de Zuidelijke Stille Oceaan een kleine positieve trend waarneembaar is voor alle TC’s, behalve de meest krachtige TC.

Figuur 3 – Windkracht van de TC uitgesplitst naar globaal niveau, noord-atlantische oceaan, oost-pacifische oceaan, west-pacifische oceaan, zuid-pacifische oceaan *Australische bassin* en de zuid-indische oceaan.

In figuur 3 is te zien dat op mondiaal niveau niet veel variatie waarneembaar is. Alleen in de Noord-Atlantische Oceaan is er een trend waarneembaar.
Er is nog een andere component dat kan bijdragen aan deze positieve trend, en dat is ENSO. TC activiteit wordt onderdrukt in de Noord-Atlantische Oceaan tijdens een El Nino jaar, maar tijdens een La Nina jaar ontstaat er juist een buitengewoon krachtig orkaanseizoen (zie bijv 2020). Er zijn indicaties dat klimaatverandering aan het zorgen is voor meer La Nina-achtige condities, dit staat nader beschreven in een ander artikel, wat wellicht ook een verklaring kan zijn voor de trend in de Noord Atlantische Oceaan, alsmede voor de trend in de Westerse Stille Oceaan (waar TC activiteit dan wordt onderdrukt).

Terug naar het primaire vraagstuk: hoe gedragen TC’s zich in de verschillende bassins in een klimaat dat twee graden Celsius warmer is dan aan het einde van de 19^e eeuw? Dezelfde onderzoeksgroep (Knutson et al 2020) heeft de gebruikte modellen van het IPCC AR5 geëvalueerd. Zie figuur 4 voor de resultaten over de frequentie van het aantal TC’s in een warmer klimaat.

Figuur 4 – toekomstige projecties van het aantal TC’s in een klimaat dat twee graden Celsius warmer is dan nu. De klimatologische condities van 1986 – 2005 zijn gebruikt als basislijn voor de toekomstprojecties.

Hieruit volgt dat op mondiaal niveau vrijwel alle modellen laten zien dat er minder TC’s zullen ontstaan in een klimaat dat twee graden warmer is dan aan het einde van de 19^e eeuw. Maar wel met een aanzienlijke onzekerheid. Volgens een recent onderzoek (Chand 2022) is het aantal TC’s de afgelopen eeuw ook werkelijk afgenomen.
Uit dezelfde modellen volgt echter ook een andere belangrijke observatie: het aantal krachtige cyclonen zal sterk gaan toenemen in een warmer klimaat. Zie figuur 5 hieronder.

Figuur 5 – Uitkomst van CMIP5 waarin gekeken is in zowel hoge – als lage resolutie modellen wat voor veranderingen waarneembaar zijn in categorie 4/5 TC’s.

Figuur 5 lijkt een duidelijk beeld te geven, maar er is een belangrijke kanttekening aanwezig:
de resultaten voor de verandering van de frequentie van zeer intense TC’s (categorie 4 of 5) wordt voornamelijk gestuurd door de resultaten van de lage resolutie modellen, want de hoge resolutie modellen laten veelal een toename zien van van intense TC’s.
Met andere woorden, de keuze voor het gebruikte model heeft een groot effect op de resultaten. De lagere resolutie modellen lossen niet alle revelante fysica op, waardoor hun respons anders is ten opzichte van de hogere resolutie modellen.
De toetsing in figuur 5 is gemaakt met zowel lage resolutie (gridcellen van 50 km x 50 km of 60 km x 60 km) en hoge resolutie modellen (gridcellen van 28 km x 28 km of kleiner). Deze types modellen laten een verschillend beeld zien van hoe de frequentie van intense TC’s verandert onder klimaatverandering. Zo voorspellen de lage resolutie-modellen vooral een afname van deze frequentie, waar de hoge resolutie-modellen juist een toename laat zien. Dit verschil wordt voor een groot deel veroorzaakt door de representatie van TC’s in de verschillende modellen. Voor een goede representatie is het essentieel om de belangrijkste aspecten van een TC, zoals bijvoorbeeld het oog en de piekintensiteit, goed te modelleren. Dit oog is soms maar tientallen kilometers groot, en “verdwijnt” dus al snel in klimaatmodellen met een typische resolutie van 50 km x 50 km of groter. Bovendien gebeurt het ook vaak dat de piekintensiteit wordt weggemiddeld tegen de windsnelheid in het oog (wat vaak heel laag of zelfs nul is!), omdat deze locatie van de piekintensiteit en het oog in dezelfde gridcel vallen. Als gevolg hiervan zien we dus vaak dat er substantieel minder vaak zeer intense TC’s voorkomen in de lage resolutie-modellen, simpelweg omdat die dus lastiger te modelleren zijn. In de modellen met hogere resolutie zien we wel een verbetering, omdat er nu simpelweg meer gridcellen zijn en het dus (veel) minder vaak voorkomt dat de piekintensiteit wegvalt tegen de lagere windsnelheden. Hierdoor kunnen we dus stellen dat de intensere TC’s beter gemodelleerd worden in deze hogere-resolutie modellen en is het dus belangrijk om deze types modellen apart te behandelen in dit soort analyses.

Wat kunnen wij nog meer weten over verandering van de TC’s in een klimaat dat twee graden Celsius warmer is dan het pre-industriële klimaat?
Roberts (Roberts et al 2020) heeft gebruik gemaakt van verschillende modellen om hierop een antwoord te kunnen geven: de Coupled Model Intercomparion Projects die ook voor de IPCC rapporten wordt gebruikt. Hoewel de basisfysica altijd hetzelfde blijft, zijn er vele onzekerheden waarmee wetenschappers te maken hebben in het voorspellen van de toekomst. Modellen bieden hiervoor een uitkomst, waarmee het mogelijk is om de verschillende fysische parameters aan te passen en aannames te maken, zodat er een andere uitkomst is. Elk model heeft zijn eigen beperkingen én kracht, op basis van de aannames waarop het model is gemaakt. Door meerdere modellen tegelijk te gebruiken kan hieruit een beter beeld ontstaan van wat je kunt verwachten voor de toekomst en de onzekerheden hierin: specifieke fysische condities worden op verschillende manieren getoetst. De uitkomst kun je gebruiken om een projecties te maken voor de toekomst.

In dit artikel (Bloemdaal et al. (2022)) is onderzocht hoe de kansen op een TC wereldwijd veranderen. Zij heeft vier van de datasets van Roberts et al (2020) gebruikt in haar onderzoek. Zij heeft ontdekt dat de kans op een zwarte TC (categorie 3 of groter met windsnelheden grotere dan 180 km/u) gemiddeld verdubbeld in veel gebieden. Zie figuur 6 voor de uitkomsten van haar onderzoek.
Zij heeft op basis van een statistisch model genaamd STORM gekeken wat de kans is op een TC in het klimaat van 1980 – 2017 (IBTrACS) en daarna in vier verschillende modellen een statistische toetsing gedaan om vast te stellen of in een toekomstig klimaat (2015 – 2050) hoe groot de kans is op een TC.

Figuur 6 – Het klimaat van de tijdsperiode 1980 – 2017 is als basislijn gebruikt voor het vaststellen van diverse fysische parameters. De gebruikte dataset International Best Track Archive in Climate Stewardship (IBTrACS) wordt hiervoor gebruikt als basislijn. Daarna zijn de uitkomsten getoetst in vier andere modellen die elk een goede representatie geven van een klimaat waarbij de verschillende fysische parameters veranderd zijn conform het hoge emissie scenario SSP585.

Uit het onderzoek van Bloemendaal volgt op mondiaal niveau een afname van tropische stormen, maar een toename van intense TC’s (categorie 3 of groter). Dit is voornamelijk het geval in de Oostelijke Stille Oceaan en de Westelijke Stille Oceaan.

Mijn sectieleider Natuurkunde zei eens tegen mij: “de werkelijkheid is véél te ingewikkeld voor natuurkundigen. Hiervoor maken wij gebruik van modellen: door de werkelijkheid te versimpelen tot bepaalde fysische parameters kunnen wij de werkelijkheid beschrijven.”
Op basis van satellietdata kunnen meteorologen metingen verrichten aan een variëteit aan fysische parameters: windsnelheid, luchtvochtigheid, neerslag, grootte van het oog, etc.
Bij het modelleren van een TC’s ontstaan er al vrij snel problemen, omdat het zowel een complex als delicaat weersysteem is. Door een verkeerde luchtstroom valt een TC vrij snel uit elkaar. Het perfecte model van een TC bestaat simpelweg nog niet, net als voor de meeste natuurrampen.

Gelukkig hoeven wij niet persé de fysica achter TC’s volledig te begrijpen om projecties te kunnen maken over de toekomst. Op basis van empirische data komen wij ver genoeg door het verwerken van enorme hoeveelheden data in de verschillende modellen.
Dit heeft Robert et al (2020) dus ook gedaan met het CMIP6 ensemble waarbij toekomstige projecties vergeleken zijn met de klimatologische condities van 1986 – 2005. Zie figuur 7 voor de resultaten hiervan.

Figuur 7 – Procentuele verandering van het aantal TC’s in verschillende bassins. NH = northern hemisphere, SH = southern hemisphere, NA = north-atlantic, AU = australian bassin, NI = northern Indian, SI = soutern Indian, WP = western pacific, SP = southern pacific, EP = eastern pacific. Blauw = lage resolutie, Rood = hoge resolutie. Freq = frequentie = aantal TC’s. ACE = accumulated cyclone energie. Temp/track = verschillende algoritmes om verandering van gedrag waar te nemen in de data. Vergeleken tijdsperiode: 1950 – 1980 -> 2020 – 2050.

In dit onderzoek is te zien de lage en hoge resoutie modellen veel overeenkomsten bevatten en dat voornamelijk te zien is dat er een lagere frequentie van TC’s wordt verwacht. Alleen in de Noord Atlantische Oceaan is te zien dat de lagere resolutie modellen vaak een hogere frequentie geven in vergelijking met de hogere resolutie modellen. Dit komt overeen met de eerdere stelling dat het gekozen model een groot effect heeft op de resultaten.

Om een beter begrip te krijgen van hoe het aantal TCs verandert, moet er ook gekeken worden naar hoe precies een TC vormt. TCs vormen uit zogenoemde “seeds”; “zaadjes” in de atmosfeer die onder de juiste omstandigheden kunnen uitgroeien tot TCs. Voor deze groei zijn er een aantal fysische voorwaarden nodig (Sobel et al 2021):

• Potentiële intensiteit (PI): een thermodynamische grootheid, afhankelijk van de zeewatertemperatuur, die aangeeft hoeveel energie er “in potentie” beschikbaar is voor de TC. Hoe hoger de PI is, hoe meer energie er voor het zaadje en hoe groter de kans dat de TC door zal groeien.
• Verticale windschering: het verschil in windsnelheid tussen de lucht aan het oppervlaktewater en hoog in de atmosfeer. Als dit verschil groot is, zal het zaadje kapot geblazen worden; als het verschil klein is, kan het zaadje uitgroeien tot een TC
• Draaiing: het zaadje moet een initiële draaiing meekrijgen om te gaan draaien. Deze draaiing wordt veelal veroorzaakt door de Corioliskracht: de kracht van de draaiing van de aarde. Dit is tevens ook de reden dat er geen TCs voorkomen op de Evenaar, want hier is de Corioliskracht nul en zal een zaadje dus niet rond gaan draaien.
• Luchtvochtigheid: het zaadje heeft voldoende invoer van warme, vochtige lucht nodig om uit te groeien tot een TC. Deze vochtige lucht bevat namelijk veel energie wat door het systeem gebruikt kan worden om verder te intensificeren.

Deze vier belangrijke factoren bepalen samen de “genesis potential” – de kans dat een TC zal vormen. Op locaties dat alle vier de factoren behoorlijk gunstig zijn, zullen we dus een hoge genesis potential verwachten. Hiernaast is het ook nog zo dat een modelgebruiker zelf kan “kiezen” met hoeveel zaadjes een modelrun gestart gaat worden. Zo zouden we, in theorie, de hele Atlantische Oceaan vol kunnen gooien met zaadjes, en dan kijken welke van deze zaadjes uitgroeien tot een TC. Echter, als de genesis potential goed is, en we planten heel veel zaadjes in dat gebied, lopen we het risico dat we veel te veel TCs gaan simuleren! Het is dus hierom dat het optimale aantal zaadjes vaak bepaald wordt middels wat testruns, waarin we erachter kunnen komen met hoeveel zaadjes we moeten beginnen om uiteindelijk op een realistisch aantal TCs uit te komen.

Nu is er ook nog klimaatverandering waarmee rekening gehouden moet worden. Bijna alle factoren van de genesis potential (met uitzondering van de Corioliskracht) zullen/kunnen veranderen onder klimaatverandering. Maar wat te doen met het aantal zaadjes? We weten niet precies hoeveel TCs we zouden mogen verwachten onder verschillende toekomstige klimaatscenario’s. Als de genesis potential dan ook verandert onder klimaatverandering, kan het zijn dat we met hetzelfde aantal zaadjes als we eerst hadden gebruikt, ineens een totaal verkeerde inschatting maken van het aantal TCs! Om antwoord te geven op deze vraag, heeft Hsieh et al (2020) een aantal experimenten gedaan om te kijken hoe een verandering in het aantal zaadjes doorwerkt in een verandering van het aantal TCs (zie Figuur 8). Deze experimenten zijn voor verschillende combinaties van factoren (zaadjes constant en genesis potential variëren, zaadjes variëren en genesis potential constant, allebei variëren op twee verschillende manieren), en voor verschillende toekomstige klimaatcondities gedaan. Dit laatste betekent dus dat de genesis potential voor elk van deze klimaatscenario’s ook verandert (in de gevallen dat de genesis potential ook varieert).

De conclusie van Hseih et al (2020) was dat de verandering in het aantal TCs het beste beschreven wordt middels een verandering in het aantal zaadjes en een verandering in de genesis potential. Dit is ook te zien in Figuur 8, waar de geplotte punten in figuren 8c en 8d het dichtst bij de diagonale lijn liggen ten opzichte van de andere plots. Voor klimaatmodelleurs betekent dit vooral dat het proces van TC formatie dus een combinatie is van deze twee factoren, en we dus met beide rekening moeten houden in klimaatsimulaties.

Figuur 8 – Overzicht van verschillende experimenten waarin gekeken is hoe de genesis potential verandert onder klimaatverandering.
a) verandering van frequentie op basis van de “ventilatie-index” (Tang en Emmanuel (2012).
b) verandering van frequentie op basis van aanbod van zaadjes.
c) TC frequentie gecorreleerd aan een Binomiaal model met een constante hoeveelheid zaadjes en variabele genesis potential
d) TC frequentie gecorreleerd aan een Binomiaal model met een variabele hoeveelheid zaadjes en een constante genesis potential.

Wat voor conclusies kunnen wij trekken uit alle bovenstaande artikelen?
1. Ook al begrijpt de wetenschap nog niet alle fysica achter een TC, met empirische data komt de wetenschap dichtbij genoeg om daadwerkelijke voorspellingen over het ontstaan van een TC in een warmer klimaat. En de hoeveelheid empirische data zal leiden tot betere fysische modellen die een TC in de tijd realistischer kan simuleren.

2. De data gebaseerd op historische data (Chand 2022) suggereert dat een warmer klimaat niet gaat leiden tot meer TC’s, eerder het tegenovergestelde. Er zijn hiervoor verschillende oorzaken aangedragen die elk een hypothese zijn dat weer verder onderzoek vereist:
– afzwakking van de Walker-Hadley circulatie: uit de historische data wordt de hypothese gesteld dat de kracht van de verticale luchtstroming aan het afzwakken is op voornamelijk het zuidelijk halfrond. Hadley en Walker zijn de namen die gegeven wordt aan de opdeling van de atmosfeer in luchtcellen. De Hadley-cellen zitten tussen 0 – 30° NB/ZB en de Walker-cellen zitten tussen 30 – 60° NB/ZB.
– afzwakking van de Walker-Hadley circulatie veroorzaakt vermindering van de verticale windscheering, waardoor een tropische storm minder snel zal overgaan in een tropische cycloon.
Hierin zitten echter vele aannames verborgen, aangezien uit de modellen gebruikt in Sobel (2021) volgt dat onder andere atmosferische omstandigheden het aantal TC’s wel degelijke kan gaan toenemen. Kortom: de wetenschap heeft hier nog geen éénduidig antwoord op.

3.De data suggereert dat het aandeel van zwaardere TC’s gaat toenemen. Dit wordt veroorzaakt door een combinatie van warm zeewater, waarmee de potentiële energie van een TC groter wordt. Een TC kan hierdoor langer in stand worden gehouden en krachtiger worden naarmate het meer warm water opneemt. Intensificatie van een TC wordt ook versterkt voor warme lucht, indien de atmosferische condities goed zijn zal in een warmer klimaat vaker krachtigere TC’s voorkomen.
Dit betekent ook dat de hoeveelheid regenval per TC zal toenemen, wat zal leiden tot meer overstromingen na een TC (zie figuur 9).

Figuur 9 – Projecties op basis van IPPC AR5, uitkomst van onderzoeksgroep WMO (Knutson 2019) over de ontwikkeling van TC’s in de nabije toekomst, met als enig verschil een aards klimaat dat twee graden Celsius warmer is dan het pre-industriële aardse klimaat.

4. Stormvloed: in ons eigen land kennen wij de watersnoodramp, een zware noordwesterstorm in combinatie met springtij. Stormvloed wordt veroorzaakt doordat een TC het water opstuwt naar grotere hoogten. Wanneer een TC aan land komt, veroorzaakt het enorme overstromingen. Hoe krachtiger een TC, hoe meer water het meedraagt, des te groter is de stormvloed die een TC veroorzaakt, wat voornamelijk van belang is voor kuststeden die geraakt worden door een TC. Op 28 augustus 2005 landde de TC Katrina in Louisiana. Katrina begon als een TC categorie 5 en kwam aan land als een categorie 3. De overstromingen waren zo groot dat de waterwerken het niet meer aan konden. Naar schatting zijn de meeste mensen overleden ten gevolge van overstromingen.