해안 도시와 지역사회가 기후변화로 인해 앞으로 더 빈번한 허리케인에 직면할 것으로 예측됨에 따라 MIT 과학자들은 미래의 허리케인에 위협에 대비해 지역사회가 준비할 수 있도록 돕기 위해 향후 수십 년동안 허리케인으로 인해 해안 지역에 얼마나 많은 홍수가 발생할 지 예측하는 도구를 개발했다. 

허리케인이 상륙할 때 동반하는 강풍은 바닷물을 일으켜 해안 지역에 폭풍 해일을 야기한다. 폭풍이 육지로 이동하면 폭우로 인해 내륙에 더 많은 홍수가 발생할 수 있다.

또한 폭풍 해일과 강우와 같은 여러 홍수원이 상호 작용할 때, 이는 허리케인의 위험을 가중시켜 한 가지 홍수원에서 발생하는 것보다 훨씬 더 많은 홍수를 초래할 수 있다.

새로운 연구는 온난화 기후에서 그러한 복잡하고 복합적인 홍수의 위험이 어떻게 전개될 수 있는지 예측하기 위해 물리학 기반 방법을 소개한다.

지난 2012년 발생한 허리케인 샌디는 복합 홍수의 한 예다. 허리케인 샌디가 미국 동부 해안에 상륙했을 때, 강풍은 엄청난 폭풍 해일을 일으켰고, 이는 일부 지역에서 강우로 인한 홍수와 결합해 뉴욕과 뉴저지 전역에 역사적이고 파괴적인 홍수를 일으켰다.

MIT 연구팀은 기후 변화가 향후 수십 년 동안 샌디와 같은 허리케인으로 인한 복합 홍수의 위험에 어떻게 영향을 미칠지 예측하기 위해 새로운 복합 홍수 모델링 방법을 뉴욕시에 적용했다.  

그들은 오늘날의 기후에서 샌디 수준의 복합 홍수가 150년마다 뉴욕시를 강타할 가능성이 높다는 것을 발견했다. 기후가 따뜻해짐에 따라 그러한 홍수의 빈도는 21세기 중반까지 60년에 한 번으로 증가할 것이고, 세기 말에는 30년에 한 번씩 도시를 휩쓸 것이다. 이는 현재 기후와 비교했을 때 5배나 증가한 수치다.

케리 엠마누엘(Kerry Emanuel) 연구의 공동 저자이자 MIT 대기과학(atmospheric science at MIT) 명예교수는 “기상 위험으로 인한 장기적인 평균 피해는 허리케인 샌디와 같은 희귀하고 강렬한 사건에 의해 지배된다“며 ”이를 올바르게 이해하는 것이 중요하다“고 말했다.

기존 기상 모델은 일반적으로 지역의 홍수 위험을 예측하기 위해 과거의 사건을 연구한다. 역사적 기록에는 이전 허리케인의 풍속, 강우량, 공간적 범위에 대한 측정 값이 포함돼 있어, 과학자들은 이를 사용해 미래 폭풍으로 홍수가 발생할 수 있는 위치와 정도를 예측한다. 

그러나 사르하디는 이러한 역사적 기록의 한계와 간결성이 미래 허리케인의 위험을 예측하는 데 충분하지 않다고 말한다. 사르하디는 “만약 우리가 긴 역사적 기록을 가지고 있다고 해도, 그것들은 미래의 위험에 대한 좋은 지침이 될 수 없다“라며 ”기후변화는 허리케인의 구조적 특징, 빈도, 강도, 움직임을 변화시키고 있으며, 우리는 과거에 의존할 수 없다“고 설명했다.

사르하디와 동료들은 그 대신 물리학 기반의 위험 평가 방법론을 사용해 변화하는 기후에서 허리케인 홍수의 위험을 예측했다. 

그들은 먼저 허리케인 활동 시뮬레이션을 시간 경과에 따른 해양 및 대기 모델과 결합했다.

엠마누엘이 개발한 허리케인 시뮬레이션을 사용해 연구원들은 수만 개의 허리케인 ‘씨앗’을 모의 기후에 가상으로 뿌렸다. 대부분의 씨앗은 소멸된 반면, 일부 씨앗은 해양과 대기의 조건에 따라 범주 수준(category-level)의 폭풍으로 성장했다.

특정 지구 온도 예측에 따른 해양 및 대기 조건의 기후 모델을 사용해 이러한 허리케인 시뮬레이션을 구동하면 허리케인이 과거, 현재 및 미래의 기후 조건에서 강도, 빈도 및 크기 측면에서 어떻게 변화하는지 볼 수 있다.

그런 다음 연구팀은 해안 도시에서 발생할 미래의 허리케인으로 인한 복합 홍수의 수준과 정도를 정확하게 예측하고자 했다. 

연구원들은 먼저 강우 모델을 사용해 많은 수의 모의 허리케인에 대한 강우 강도를 시뮬레이션 한 다음 수치 모델을 적용해 허리케인이 상륙하는 기간 동안 표면 및 지형 특성과 같은 지역에 대한 정보를 더해 강우 강도를 지상의 홍수로 수력학적으로 변환(hydraulically translate)했다.

또한 유체역학 모델을 사용해 허리케인의 최대 풍속과 해수면 압력을 해안 지역의 해일 높이로 변환해 동일한 허리케인에 대한 폭풍 해일 수준을 시뮬레이션했다. 시뮬레이션은 해수가 해안 지역으로 전파되어 해안 홍수를 일으키는 것을 추가로 평가했다.

그런 다음, 연구팀은 모의 허리케인이 현재와 미래 기후에서 뉴욕시와 같은 해안 지역에 상륙할 때 폭풍 해일과 강우로 인한 홍수 같은 두 가지 홍수원이 시간과 공간을 통해 어떻게 상호 작용할지 예측하는 수치 유체역학 모델을 개발했다.  

사르하디는 “해일로 인한 홍수와 강우로 인한 홍수 사이에는 복잡하고 비선형적인 유체역학적 상호작용이 있으며, 이는 기존의 많은 방법이 무시하는 복합 홍수를 형성한다“고 말했다.

홍수 예측 방법을 마련한 팀은 이를 특정 테스트 사례인 뉴욕시에 적용했다. 그들은 현재와 미래의 기후에서 허리케인, 특히 샌디와 같은 허리케인으로부터 도시의 복합 홍수 위험을 예측하기 위해 다각적인 방법을 사용했다. 

그들의 시뮬레이션은 기후가 따뜻해짐에 따라 향후 수십 년동안 샌디와 같은 홍수를 경험할 확률이 현재의 기후에서 150년에 한 번, 2050년까지 60년에 한 번, 그리고 2099년까지 30년마다 한 번으로 크게 증가할 것이라고 보여줬다. 

또한 그들은 이러한 위험 증가의 상당 부분이 온난화에 따른 허리케인의 변화보다는 전 세계적인 해수면 증가와 더욱 관련이 있다는 것을 발견했다.

사르하디는 “실제로 해수면 상승이 뉴욕시의 허리케인으로 인한 복합 홍수의 위험을 증폭시키는 데 중요한 역할을 한다”고 말했다. 

이 팀의 방법론은 허리케인과 열대성 폭풍으로 인한 복합 홍수의 위험을 평가하기 위해 모든 해안 도시에 적용될 수 있다. 사르하디는 “이러한 접근 방식을 통해 의사결정자들이 인프라 및 지역 사회 복원력을 강화하기 위해 해안 방어를 강화하는 것과 같은 적응 조치의 구현과 관련해 의사결정을 할 수 있기를 희망한다”고 말했다.

사르하디는 “금세기 중반까지 해안 인구가 25% 증가할 것으로 예상돼 파괴적인 폭풍에 대한 노출이 증가할 것으로 예상된다”라며 “홍수 취약 지역인 해안 지역에서 허리케인으로 인한 복합 홍수 피해를 줄이기 위한 사전 예방적 전략이 필요하다”고 강조했다.

연구팀의 이번 공개 연구는 지난 1월 24일(현지 시간) 『미국 기상학회 회보(American Meteorological Society)』에 온라인으로 게재됐다. 공동 저자로는 MIT 로렌츠 센터(MIT’s Lorenz Center)의 라파엘 루소-리지(Raphaël Rousseau-Rizzi), 컬럼비아 대학(Columbia University)의 카일 맨들리(Kyle Mandli), 브리스톨 대학(University of Bristol)의 제프리 닐( Jeffrey Neal), 마드리드 찰스 3세 대학(Charles III University of Madrid)의 마이클 와이퍼(Michael Wiper), 스위스 연방 공과대학 로잔(Swiss Federal Institute of Technology Lausanne)의 모니카 펠드만(Monika Feldmann) 등이 참여했다.

이 연구는 부분적으로 홈사이트 인슈어런스(Homesite Insurance)의 지원을 받았다.  

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New tool predicts flood risk from hurricanes in a warming climate

Using New York as a test case, the model predicts flooding at the level experienced during Hurricane Sandy will occur roughly every 30 years by the end of this century.

Coastal cities and communities will face more frequent major hurricanes with climate change in the coming years. To help prepare coastal cities against future storms, MIT scientists have developed a method to predict how much flooding a coastal community is likely to experience as hurricanes evolve over the next decades.

When hurricanes make landfall, strong winds whip up salty ocean waters that generate storm surge in coastal regions. As the storms move over land, torrential rainfall can induce further flooding inland. When multiple flood sources such as storm surge and rainfall interact, they can compound a hurricane’s hazards, leading to significantly more flooding than would result from any one source alone. The new study introduces a physics-based method for predicting how the risk of such complex, compound flooding may evolve under a warming climate in coastal cities.

One example of compound flooding’s impact is the aftermath from Hurricane Sandy in 2012. The storm made landfall on the East Coast of the United States as heavy winds whipped up a towering storm surge that combined with rainfall-driven flooding in some areas to cause historic and devastating floods across New York and New Jersey.

In their study, the MIT team applied the new compound flood-modeling method to New York City to predict how climate change may influence the risk of compound flooding from Sandy-like hurricanes over the next decades.  

They found that, in today’s climate, a Sandy-level compound flooding event will likely hit New York City every 150 years. By midcentury, a warmer climate will drive up the frequency of such flooding, to every 60 years. At the end of the century, destructive Sandy-like floods will deluge the city every 30 years — a fivefold increase compared to the present climate.

“Long-term average damages from weather hazards are usually dominated by the rare, intense events like Hurricane Sandy,” says study co-author Kerry Emanuel, professor emeritus of atmospheric science at MIT. “It is important to get these right.”

While these are sobering projections, the researchers hope the flood forecasts can help city planners prepare and protect against future disasters. “Our methodology equips coastal city authorities and policymakers with essential tools to conduct compound flooding risk assessments from hurricanes in coastal cities at a detailed, granular level, extending to each street or building, in both current and future decades,” says study author Ali Sarhadi, a postdoc in MIT’s Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences.

The team’s open-access study appears online today in the Bulletin of the American Meteorological Society. Co-authors include Raphaël Rousseau-Rizzi at MIT’s Lorenz Center, Kyle Mandli at Columbia University, Jeffrey Neal at the University of Bristol, Michael Wiper at the Charles III University of Madrid, and Monika Feldmann at the Swiss Federal Institute of Technology Lausanne.

The seeds of floods

To forecast a region’s flood risk, weather modelers typically look to the past. Historical records contain measurements of previous hurricanes’ wind speeds, rainfall, and spatial extent, which scientists use to predict where and how much flooding may occur with coming storms. But Sarhadi believes that the limitations and brevity of these historical records are insufficient for predicting future hurricanes’ risks.

“Even if we had lengthy historical records, they wouldn’t be a good guide for future risks because of climate change,” he says. “Climate change is changing the structural characteristics, frequency, intensity, and movement of hurricanes, and we cannot rely on the past.”

Sarhadi and his colleagues instead looked to predict a region’s risk of hurricane flooding in a changing climate using a physics-based risk assessment methodology. They first paired simulations of hurricane activity with coupled ocean and atmospheric models over time. With the hurricane simulations, developed originally by Emanuel, the researchers virtually scatter tens of thousands of “seeds” of hurricanes into a simulated climate. Most seeds dissipate, while a few grow into category-level storms, depending on the conditions of the ocean and atmosphere.

When the team drives these hurricane simulations with climate models of ocean and atmospheric conditions under certain global temperature projections, they can see how hurricanes change, for instance in terms of intensity, frequency, and size, under past, current, and future climate conditions.

The team then sought to precisely predict the level and degree of compound flooding from future hurricanes in coastal cities. The researchers first used rainfall models to simulate rain intensity for a large number of simulated hurricanes, then applied numerical models to hydraulically translate that rainfall intensity into flooding on the ground during landfalling of hurricanes, given information about a region such as its surface and topography characteristics. They also simulated the same hurricanes’ storm surges, using hydrodynamic models to translate hurricanes’ maximum wind speed and sea level pressure into surge height in coastal areas. The simulation further assessed the propagation of ocean waters into coastal areas, causing coastal flooding.

Then, the team developed a numerical hydrodynamic model to predict how two sources of hurricane-induced flooding, such as storm surge and rain-driven flooding, would simultaneously interact through time and space, as simulated hurricanes make landfall in coastal regions such as New York City, in both current and future climates.  

“There’s a complex, nonlinear hydrodynamic interaction between saltwater surge-driven flooding and freshwater rainfall-driven flooding, that forms compound flooding that a lot of existing methods ignore,” Sarhadi says. “As a result, they underestimate the risk of compound flooding.”

Amplified risk

With their flood-forecasting method in place, the team applied it to a specific test case: New York City. They used the multipronged method to predict the city’s risk of compound flooding from hurricanes, and more specifically from Sandy-like hurricanes, in present and future climates. Their simulations showed that the city’s odds of experiencing Sandy-like flooding will increase significantly over the next decades as the climate warms, from once every 150 years in the current climate, to every 60 years by 2050, and every 30 years by 2099.

Interestingly, they found that much of this increase in risk has less to do with how hurricanes themselves will change with warming climates, but with how sea levels will increase around the world.

“In future decades, we will experience sea level rise in coastal areas, and we also incorporated that effect into our models to see how much that would increase the risk of compound flooding,” Sarhadi explains. “And in fact, we see sea level rise is playing a major role in amplifying the risk of compound flooding from hurricanes in New York City.”

The team’s methodology can be applied to any coastal city to assess the risk of compound flooding from hurricanes and extratropical storms. With this approach, Sarhadi hopes decision-makers can make informed decisions regarding the implementation of adaptive measures, such as reinforcing coastal defenses to enhance infrastructure and community resilience.

“Another aspect highlighting the urgency of our research is the projected 25 percent increase in coastal populations by midcentury, leading to heightened exposure to damaging storms,” Sarhadi says. “Additionally, we have trillions of dollars in assets situated in coastal flood-prone areas, necessitating proactive strategies to reduce damages from compound flooding from hurricanes under a warming climate.”

This research was supported, in part, by Homesite Insurance.

[출처 = Massachusetts Institute of Technology(https://news.mit.edu/2024/new-tool-predicts-flood-risk-hurricanes-warming-climate-0124) / 2024년 1월 24일]

[번역 = 박원희 기자]