DOI: https://doi.org/10.1029/2023ef004230
تاريخ النشر: 2024-05-01
المؤلف: Karthik Balaguru وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تكثيف الأعاصير الاستوائية (TCs) في المناطق القريبة من الشاطئ وتأثيراتها في ظل تغير المناخ، مع التركيز على الفترة من 1979 إلى 2020. تشير النتائج إلى زيادة كبيرة في معدل تكثيف الأعاصير الاستوائية العالمية بمعدل يقارب 3 عقد في 24 ساعة في المناطق الساحلية، ويعزى ذلك إلى انخفاض في القص العمودي للرياح وزيادة في الرطوبة النسبية مقارنةً بظروف المحيط المفتوح. تدعم هذه التحليلات الملاحظات وإعادة تحليل الغلاف الجوي، مما يبرز الدور الحاسم لهذه العوامل البيئية في التأثير على سلوك الأعاصير الاستوائية.
علاوة على ذلك، تتنبأ محاكاة نماذج المناخ عالية الدقة بأن تكثيف الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ سيستمر في الارتفاع بسبب الاحتباس الحراري المستمر. تكشف التجارب العددية المثالية باستخدام نموذج معقد متوسط أن الزيادات المتوقعة في تكثيف الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ مدفوعة أساسًا بالاحترار المتزايد في الطبقة العليا من الغلاف الجوي وتغيرات في أنماط التسخين، مما يسهم في مزيد من الانخفاضات في القص العمودي للرياح بالقرب من السواحل. تؤكد هذه الدراسة على المخاطر الاجتماعية والاقتصادية التي تطرحها الأعاصير الاستوائية المتزايدة وتؤكد على الحاجة إلى مواصلة التحقيق في خصائصها المتغيرة في سياق تغير المناخ.
مقدمة
تعتبر الأعاصير الاستوائية (TCs) من بين أكثر الكوارث الطبيعية تدميراً، حيث تلحق أضراراً اجتماعية واقتصادية كبيرة على مستوى العالم (Cerveny et al., 2017; K. Emanuel, 2003; Noy, 2016). مع توقع أن يؤدي تغير المناخ إلى تفاقم آثار الأعاصير الاستوائية (Gettelman et al., 2018; Mendelsohn et al., 2012; Peduzzi et al., 2012)، فإن فهم سلوكها بالقرب من السواحل – حيث تكون الآثار الاجتماعية أكثر وضوحاً – أمر بالغ الأهمية. تشير النتائج الحديثة إلى أن الأعاصير الاستوائية قد تظهر حركة أبطأ، وزيادة في الشدة، وهطول أمطار أكبر، مع ميل للوصول إلى أقصى شدة بالقرب من اليابسة والتلاشي بشكل أبطأ بعد الوصول إلى اليابسة (Hall & Kossin, 2019; Kossin, 2018; Patricola & Wehner, 2018; S. Wang & Toumi, 2021; L. Li & Chakraborty, 2020).
تشكل ظاهرة التكثيف السريع للأعاصير الاستوائية قبل الوصول إلى اليابسة تهديداً كبيراً للمجتمعات الساحلية، مع توقعات تشير إلى زيادة في كل من تكرار وشدة مثل هذه الأحداث بسبب الاحتباس الحراري المستمر (K. Emanuel, 2017). تشمل الأمثلة البارزة الأخيرة إعصار راي (2021) وإعصار موكا (2023)، وكلاهما تكثف بسرعة وتسبب في أضرار واسعة النطاق (Mata et al., 2023; منظمة الصحة العالمية، 2023). وثقت الدراسات زيادة في حجم وتكرار أحداث التكثيف السريع، لا سيما في مناطق المحيط الأطلسي والشمال الغربي من المحيط الهادئ (Balaguru et al., 2018; K. T. Bhatia et al., 2019; K. Bhatia et al., 2022). على الرغم من هذه الرؤى، لا تزال هناك حاجة إلى تقييم شامل عالمي لتغيرات شدة الأعاصير الاستوائية في المنطقة القريبة من الشاطئ، لا سيما فيما يتعلق بالتوقعات المستقبلية. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال تحليل التغيرات الملحوظة في تكثيف الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ، وتوقع التغيرات المستقبلية باستخدام نماذج المناخ، واستكشاف الآليات الأساسية من خلال التجارب العددية المثالية.
الطرق
في هذه الدراسة، يقدر المؤلفون معدل تكثيف الأعاصير الاستوائية (TC) باستخدام نهج الانحدار الخطي، مع التركيز على أقصى سرعة رياح مسجلة في خمس مواقع متتالية كل 6 ساعات، مع استبعاد الحالات التي تعبر فيها الأعاصير الاستوائية اليابسة. لضمان الاستقلالية بين نقاط البيانات، يتم اعتبار مواقع المسار التي تفصل بينها 18 ساعة على الأقل فقط. تعرف الدراسة “بالقرب من الشاطئ” على أنها المواقع التي تبعد حوالي 3° أو حوالي 200 ميل بحري من الساحل، بما يتماشى مع التعريفات المستخدمة من قبل الأمم المتحدة وتعكس المسافة اليومية النموذجية التي تسافرها الأعاصير الاستوائية بناءً على سرعة انتقال متوسطة عالمية تبلغ حوالي 4.8 م/ث.
تستخدم التحليلات عتبات محددة للمسافة من الساحل، وسرعة الرياح، وسرعة الانتقال لتصنيف مواقع مسار الأعاصير الاستوائية على أنها “قريبة من الشاطئ” أو “بعيدة عن الشاطئ”. تم تحديد العتبات للمواقع القريبة من الشاطئ على مسافة \( d \leq 3.0° \)، وسرعات الرياح بين \( 35 \, \text{kt} \leq w \leq 75 \, \text{kt} \)، وسرعات الانتقال بين \( 3 \, \text{m/s} \leq t \leq 10 \, \text{m/s} \). بالنسبة للمواقع البعيدة عن الشاطئ، فإن المعايير هي ببساطة غياب عتبة المسافة القريبة من الشاطئ، مع تطبيق عتبات مماثلة لسرعة الرياح وسرعة الانتقال. يتم تحديد عدم اليقين في معدلات تكثيف الأعاصير الاستوائية باستخدام طريقة مونت كارلو، حيث يولد أخذ عينات عشوائية متكررة دوال توزيع الاحتمالات (PDFs) لتقدير القيم المتوسطة والانحرافات المعيارية، مما يوفر بالتالي أشرطة خطأ للتحليل.
النتائج
في هذا القسم، يحلل المؤلفون التغيرات في معدلات تكثيف الأعاصير الاستوائية العالمية على مدى 24 ساعة في المناطق القريبة من الشاطئ من 1979 إلى 2020، متزامنة مع عصر الأقمار الصناعية وتحسينات إعادة التحليل. تكشف النتائج عن زيادة كبيرة في معدلات تكثيف الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ، من متوسط 0.37 عقدة لكل 6 ساعات خلال 1979-1999 إلى 1.15 عقدة لكل 6 ساعات في 2000-2020، مما يترجم إلى زيادة تقريبية قدرها 3 عقدة على مدى 24 ساعة. هذه الزيادة ذات دلالة إحصائية عند مستوى 5% وتتناقض مع عدم وجود تغيير كبير في معدلات تكثيف الأعاصير الاستوائية البعيدة عن الشاطئ. النتائج متسقة عبر مختلف الأحواض، مع زيادات ملحوظة في مناطق مثل الساحل الشرقي للولايات المتحدة وساحل الخليج، وجنوب شرق إفريقيا، وأستراليا، على الرغم من أن التغيرات في الساحل الغربي للمكسيك والساحل الجنوبي الآسيوي لم تكن ذات دلالة إحصائية.
يستكشف المؤلفون أيضًا المعلمات البيئية واسعة النطاق التي تؤثر على تكثيف الأعاصير الاستوائية، مشيرين إلى الاتجاهات في درجة حرارة سطح البحر (SST)، والقص العمودي للرياح (VWS)، والرطوبة النسبية (RH). يلاحظون احترارًا عامًا في المحيط العلوي في عدة مناطق، بينما تظهر اتجاهات VWS انخفاضًا في المحيط الهندي الاستوائي وقرب الساحل الأمريكي، مع زيادات في المحيط الهادئ الاستوائي المركزي والشرقي. من الجدير بالذكر أن المنطقة القريبة من الشاطئ تظهر اتجاهًا إيجابيًا كبيرًا في الرطوبة النسبية، مما يتناقض مع الاتجاهات الأضعف بعيدًا عن الشاطئ. تشير هذه التغيرات البيئية إلى وجود جو أكثر ملاءمة لتطور العواصف بالقرب من الساحل، مما يؤكد النتائج من الدراسات السابقة. تدعم قوة هذه النتائج النتائج المتسقة عند استخدام مصادر بيانات مختلفة للتحليل.
المناقشة
تبحث هذه الدراسة في معدلات تكثيف الأعاصير الاستوائية (TCs) في المناطق القريبة من الشاطئ من 1979 إلى 2020، باستخدام بيانات من الأرشيف الدولي لأفضل مسارات المناخ (IBTrACS) وسجل الأقمار الصناعية للأعاصير باستخدام تقنية ديفوراك المتقدمة (ADT-HURSAT). تكشف التحليلات عن زيادة كبيرة في متوسط معدل تكثيف الأعاصير الاستوائية، والذي يُعزى إلى تغييرات بيئية متنوعة، بما في ذلك ارتفاع درجات حرارة سطح البحر (SST)، وانخفاض القص العمودي للرياح (VWS)، وزيادة الرطوبة النسبية (RH). تشير النتائج إلى أن هذه الاتجاهات من المحتمل أن تستمر في المستقبل، مع توقعات تشير إلى أن الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ ستستمر في التكثيف بشكل أسرع بسبب الظروف الملائمة التي يخلقها تغير المناخ.
تستخدم الدراسة نماذج مناخية متعددة، بما في ذلك تلك من مشروع المقارنة بين النماذج عالية الدقة (HighResMIP) ومشروع المقارنة بين نماذج السيناريو (ScenarioMIP)، لتقييم الاتجاهات المستقبلية في سلوك الأعاصير الاستوائية. تشير النتائج إلى أنه بينما تتوقع نماذج HighResMIP تغييرات أضعف في شدة الأعاصير الاستوائية مقارنةً بالبيانات الملاحظة، إلا أنها لا تزال تبرز زيادة نوعية في تكثيف الأعاصير الاستوائية القريبة من الشاطئ. تؤكد الأبحاث على إمكانية زيادة الخسائر الاقتصادية والوفيات في المناطق الساحلية بسبب الأعاصير الاستوائية الأكثر قوة عند الوصول إلى اليابسة، مما يفاقم من تأثيرات النمو السكاني والبنية التحتية المتزايدة. علاوة على ذلك، تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من الأبحاث حول تكثيف الأعاصير الاستوائية في المناطق الجزرية والآليات التي تدفع هذه التغيرات، لا سيما دور VWS والتسخين الدياباتيك في تشكيل البيئة القريبة من الشاطئ.
DOI: https://doi.org/10.1029/2023ef004230
Publication Date: 2024-05-01
Author(s): Karthik Balaguru et al.
Primary Topic: Tropical and Extratropical Cyclones Research
Overview
The research investigates the intensification of Tropical Cyclones (TCs) in nearshore regions and its implications under climate change, focusing on the period from 1979 to 2020. The findings indicate a significant increase in the global mean TC intensification rate by approximately 3 knots per 24 hours in coastal areas, attributed to a reduction in vertical wind shear and an increase in relative humidity compared to open ocean conditions. This analysis is supported by observations and atmospheric reanalyses, highlighting the critical role of these environmental factors in influencing TC behavior.
Furthermore, high-resolution climate model simulations predict that nearshore TC intensification will continue to rise due to ongoing global warming. Idealized numerical experiments using an intermediate complexity model reveal that the projected increases in nearshore TC intensification are primarily driven by enhanced warming in the upper troposphere and alterations in heating patterns, which contribute to further decreases in vertical wind shear near coastlines. This research underscores the socio-economic risks posed by intensifying TCs and emphasizes the need for continued investigation into their changing characteristics in the context of climate change.
Introduction
Tropical cyclones (TCs) are among the most devastating natural disasters, inflicting significant socio-economic damages globally (Cerveny et al., 2017; K. Emanuel, 2003; Noy, 2016). With climate change anticipated to exacerbate the impacts of TCs (Gettelman et al., 2018; Mendelsohn et al., 2012; Peduzzi et al., 2012), understanding their behavior near coastlines—where societal impacts are most pronounced—is crucial. Recent findings indicate that TCs may exhibit slower movement, increased intensity, and greater rainfall, with a tendency to reach maximum intensity closer to land and decay more slowly after landfall (Hall & Kossin, 2019; Kossin, 2018; Patricola & Wehner, 2018; S. Wang & Toumi, 2021; L. Li & Chakraborty, 2020).
The phenomenon of rapid intensification of TCs shortly before landfall poses a significant threat to coastal communities, with projections suggesting an increase in both frequency and severity of such events due to ongoing climate warming (K. Emanuel, 2017). Notable recent examples include Typhoon Rai (2021) and Cyclone Mocha (2023), both of which intensified rapidly and caused extensive damage (Mata et al., 2023; World Health Organization, 2023). Studies have documented an increase in the magnitude and frequency of rapid intensification events, particularly in the Atlantic and northwestern Pacific regions (Balaguru et al., 2018; K. T. Bhatia et al., 2019; K. Bhatia et al., 2022). Despite these insights, a comprehensive global assessment of TC intensity changes in the nearshore region remains lacking, particularly regarding future projections. This study aims to fill this gap by analyzing observed changes in nearshore TC intensification, projecting future changes using climate models, and exploring the underlying mechanisms through idealized numerical experiments.
Methods
In this study, the authors estimate the tropical cyclone (TC) intensification rate using a linear regression approach, focusing on the maximum wind speed recorded at five successive 6-hour track locations, while excluding instances where the TC crosses land. To ensure independence among data points, only track locations that are at least 18 hours apart are considered. The study defines “nearshore” as locations within approximately 3° or about 200 nautical miles from the coastline, aligning with definitions used by the United Nations and reflecting the typical daily travel distance of a TC based on a global mean translation speed of approximately 4.8 m/s.
The analysis employs specific thresholds for distance from the coast, wind speed, and translation speed to categorize TC track locations as “nearshore” or “offshore.” The thresholds for nearshore locations are set at a distance \( d \leq 3.0° \), wind speeds between \( 35 \, \text{kt} \leq w \leq 75 \, \text{kt} \), and translation speeds between \( 3 \, \text{m/s} \leq t \leq 10 \, \text{m/s} \). For offshore locations, the criteria are simply the absence of the nearshore distance threshold, with similar wind and translation speed thresholds applied. Uncertainty in the TC intensification rates is quantified using the Monte Carlo method, where repeated random sampling generates Probability Distribution Functions (PDFs) to estimate mean values and standard deviations, thereby providing error bars for the analysis.
Results
In this section, the authors analyze changes in global 24-hour tropical cyclone (TC) intensification rates in nearshore regions from 1979 to 2020, coinciding with the satellite era and improved reanalyses. The findings reveal a significant increase in nearshore TC intensification rates, from a mean of 0.37 kt per 6 hours during 1979-1999 to 1.15 kt per 6 hours in 2000-2020, translating to an approximate 3 kt increase over a 24-hour period. This increase is statistically significant at the 5% level and contrasts with the lack of significant change in offshore TC intensification rates. The results are consistent across various basins, with notable increases in regions such as the US East and Gulf coasts, Southeast Africa, and Australia, although changes in the Mexican west coast and South Asian coast were not statistically significant.
The authors further investigate large-scale environmental parameters influencing TC intensification, noting trends in sea surface temperature (SST), vertical wind shear (VWS), and relative humidity (RH). They observe a general warming of the upper ocean in several regions, while VWS trends show a decrease in the tropical Indian Ocean and near the US coast, with increases in the central and eastern tropical Pacific. Notably, the nearshore region exhibits a significant positive trend in RH, contrasting with weaker trends offshore. These environmental changes suggest a more favorable atmosphere for storm development near the coast, corroborating findings from previous studies. The robustness of these results is supported by consistent outcomes when utilizing different data sources for analysis.
Discussion
This study investigates the intensification rates of tropical cyclones (TCs) in nearshore regions from 1979 to 2020, utilizing data from the International Best Track Archive for Climate Stewardship (IBTrACS) and the Advanced Dvorak Technique-Hurricane Satellite record (ADT-HURSAT). The analysis reveals a significant increase in the average TC intensification rate, which is attributed to various environmental changes, including rising sea surface temperatures (SST), decreasing vertical wind shear (VWS), and increasing relative humidity (RH). The findings suggest that these trends are likely to persist into the future, with projections indicating that nearshore TCs will continue to intensify more rapidly due to favorable conditions created by climate change.
The study employs multiple climate models, including those from the High Resolution Model Intercomparison Project (HighResMIP) and the Scenario Model Intercomparison Project (ScenarioMIP), to assess future trends in TC behavior. Results indicate that while the HighResMIP models project weaker changes in TC intensity compared to observational data, they still highlight a qualitative increase in nearshore TC intensification. The research underscores the potential for increased economic losses and fatalities in coastal areas due to stronger landfalling TCs, exacerbated by growing populations and infrastructure. Furthermore, the study emphasizes the need for future research on TC intensification in island regions and the mechanisms driving these changes, particularly the role of VWS and diabatic heating in shaping the nearshore environment.