Tänk om Sandy hade gett New Jersey ett blickande slag 2012 istället för att slå det nästan rakt av? Eller om den historiska stormen hade gjort landfall längre söderut eller norrut? Tänk om stormen var mindre, långsammare, eller mer intensiv? Hur skulle effekterna förändras?

Svara på dessa frågor med hjälp av dynamiska vädermodeller, som den allmänt använda Weather Research and Forecasting (WRF) modellen baserad på National Center for Atmospheric Research (NCAR), är en utmaning. Även om dessa modeller kan simulera orkaner i detalj, de är i första hand utformade för att ge bästa möjliga förutsägelse av en orkans spår och utveckling givet de nuvarande förhållandena i modellen, inte svara på vad-om-scenarier. Som ett resultat, forskare har mycket liten kontroll över hur stormarna i modellen fortplantar sig.

Ett nytt verktyg utvecklat av NCAR-forskare ändrar på det. Hybrid WRF Cyclone Model (HWCM) tillåter forskare att skapa en idealiserad storm (föreskriver stormegenskaper som storlek och intensitet), placera den stormen där de vill ha den, och styr sedan stormen mot land, ger dem en mycket större grad av kontroll över hur och var den simulerade orkanen landar.

Denna förmåga att styra stormar gör det möjligt för forskare att karakterisera en rad möjliga effekter från en landfallande orkan på en viss plats. Använder HWCM, forskare kan utsätta samma plats för stormar från många olika vinklar, som avsevärt kan påverka stormflod, samt en rad stormstorlekar, intensiteter, och hastigheter framåt. Tillsammans, dessa simuleringar kan bättre karakterisera de möjliga riskerna för kustsamhällen.

"Det kan vara mycket utmanande att studera de möjliga effekterna av orkaner genom att bara titta på det historiska rekordet, " sa NCAR-forskaren Cindy Bruyère, som ledde utvecklingen av den nya modellen. "Om du tittar längs en 50 mil lång kustlinje, du kanske bara ser en orkan per decennium. Att realistiskt kunna modellera dessa stormar kan ge oss en mycket mer komplett bild av de möjliga effekterna."

Utvecklingen av HWCM stöddes av National Science Foundation, som är NCAR:s sponsor, och av Insurance Australia Group Limited.

Kvantifiera orkanrisk

Riskhanterare, samhällsplanerare, försäkringsbolag, och andra har länge varit intresserade av att kvantifiera risken för orkanskador på samhällen. Traditionellt, detta har gjorts med hjälp av statistiska modeller, som kännetecknar relationer mellan företeelser i det förflutna - t.ex. nederbörden som vanligtvis förknippas med en viss storlek eller intensitet av stormen – och sedan tillämpa den kunskapen för att göra förutsägelser om framtiden.

Även om statistiska modeller är användbara, de har begränsningar eftersom de tenderar att bara titta på en variabel åt gången och använda historiska stormar som sina riktmärken. Men när klimatet förändras, stormar kan bildas i framtiden som inte har någon analog i den historiska historien, inklusive orkaner som landar längre mot polerna än någonsin tidigare.

Däremot dynamiska modeller, som WRF, faktiskt använda vår förståelse av fysiska relationer i världen – hur haven påverkar atmosfären, och hur atmosfärisk instabilitet kan skapa en storm, till exempel – att själva simulera orkaner. Dessa typer av modeller kan ge intressenter en mängd detaljerad information om hur stormen interagerar med de andra realistiska miljöegenskaperna i modellen, såsom kusttopografin.

Men att få information om hur en viss typ av storm kan påverka en specifik plats är en utmaning. Det beror på hur stormen fortplantar sig efter att den har bildats i modellen, inklusive dess spår och var (eller om) den landar, beror på modellens fysik, som skapar vädermönster utifrån miljöförhållanden. Till exempel, ett högtrycksområde som bildas över kusten i modellen kan hålla en storm i schack eller böja dess kurs.

Bruyère och hennes kollegor försökte skapa en dynamisk modell som kunde användas för att bedöma farorna med orkaner genom att ge modelleraren kontroll. Resultatet blev Hybrid WRF Cyclone Model.

"Jag vill inte att vädermönster i modellen ska påverka min storm, jag vill kontrollera var min storm gör land, ", sa hon. "Vi har utvecklat förmågan att placera en mogen storm precis där vi vill ha den och att utsätta den för olika bakgrundsflöden från simulering till simulering, tvingar stormen att landa på olika sätt. Nu kan vi börja se en rad möjliga effekter från samma storm."

Tittar på vinklarna

HWCM tillåter modellbyggare att snurra upp en idealiserad orkan inom WRF – en sorts storm i en låda – och sedan placera den mogna stormen i WRF:s verkliga domän. Väl placerad, modelleraren kan föreskriva bakgrundsvindflödet och riktningen, i huvudsak styr stormen samtidigt som den låter den interagera med den omgivande miljön när den utvecklas.

Forskargruppen beskrev nyligen den nya modelleringsförmågan i detalj i tidskriften Weather and Climate Extremes. De har också börjat experimentera med vad verktyget kan lära dem, inklusive en detaljerad studie av hur landgångsvinkeln för en sandliknande storm kunde förändra stormflodens effekter längs New Jersey-stranden.

En del av Sandys ryktbarhet var relaterad till den säregna vänsterkroken som stormen gjorde före landfallet, låter den träffa stranden vinkelrätt, från öster. Historiskt sett, stormar i den regionen har vanligtvis kommit upp från söder, beskjuta strandlinjen när de reser norrut.

De preliminära resultaten av forskningen med HWCM fann att stormvinkel har en betydande inverkan på stormflodseffekter, och att stormar med vinkelräta infallsvinklar ger större översvämningar och fler översvämningar i inlandet. De fann också, dock, att den exakta platsen för landföringen också är viktig och att vissa områden på New Jerseys kust var särskilt sårbara för stormflod, oavsett infallsvinkel.

Bruyère har också använt den nya modelleringsförmågan för att titta på några av de möjliga effekterna av klimatförändringar, inklusive stormar som bildas över varmare hav och stormar som vandrar mot polen. I ett fall, teamet undersökte hur cykloner som slår i nordöstra Australien kan förändras när havsytans temperaturer blir varmare. De hittade indikationer på att ökade havstemperaturer fick simulerade stormar att tränga in längre in i landet, med mer nederbörd och större vindfält. Bruyère sa att mer forskning med HWCM kan hjälpa forskare att bättre kvantifiera de potentiella effekterna av klimatförändringar på tropiska cykloner.

"Med den här modellen, vi kan titta på stormar som inte finns i vår historia, ", sa Bruyère. "Vi kan placera stormar över varmare vatten än vi vanligtvis har eller nära delar av kusten där stormar vanligtvis inte landar, men som kan komma att påverkas i framtiden. Resultaten kommer att hjälpa oss att planera för några av riskerna med ett förändrat klimat."