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Jun 10, 2023

Der Nutzen historischer Aufzeichnungen für die Gefahrenanalyse in einem Gebiet mit geringem Zykloneinfluss

Kommunikation Erde und Umwelt

Communications Earth & Environment Band 4, Artikelnummer: 193 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Shark Bay Marine Park gehört zum UNESCO-Weltkulturerbe und liegt in einer Region mit geringem Einfluss tropischer Wirbelstürme. Eine nachhaltige Bewirtschaftung dieser einzigartigen Umwelt angesichts des Klimawandels erfordert ein quantifiziertes Verständnis ihrer Anfälligkeit für Naturgefahren. Hier skizzieren wir eine strukturierte Analyse neuartiger historischer Archivinformationen, die Berichte über eine extreme Sturmflut im Zusammenhang mit einem tropischen Wirbelsturm im Jahr 1921 aufgedeckt haben, die eine bemerkenswerte Überlandströmung erzeugte, die Fische und Haie bis zu 9,66 km (6 Meilen) landeinwärts strandete. Gewichtete Informationen aus historischen Archiven werden in einen neuen Rahmen gestellt und liefern Input für die Modellierung dieses Ereignisses, was das Verständnis seines Ausmaßes verbessert und Aufzeichnungen über die Auswirkungen dessen liefert, was an diesem Tag und insbesondere auch in den folgenden Jahren geschah. Die Reihe plausibler Spuren, die die historischen Daten reproduzieren, kontextualisieren den Sturm als einen marginalen Sturm der Kategorie 4 oder 5 und sein Wiederkehrintervall entspricht dem aktuellen lokalen Planungsniveau für Küstenüberschwemmungen in der Region oder liegt geringfügig darüber. Das Ergebnis unterstreicht die globale Bedeutung der Untersuchung des wahrscheinlichen Maximalereignisses für das Risikomanagement in Gebieten mit geringem Zykloneinfluss, in denen sich gefährdete Ökosysteme oder lebenswichtige regionale Infrastrukturen von entscheidender wirtschaftlicher Bedeutung befinden, und die Notwendigkeit, das TC-Risiko beim Meeresschutz und bei der Meeresplanung zu berücksichtigen Weltkulturerbestätte Shark Bay.

Tropische Wirbelstürme (Tropical Cyclones, TCs) stellen weltweit ein erhebliches Risiko dar. Die Untersuchung von Änderungen des Zyklonrisikos und die Bestimmung der ursächlichen Faktoren für solche Änderungen sind für Anpassungsmaßnahmen bei Zyklonereignissen von entscheidender Bedeutung1. Man geht allgemein davon aus, dass steigende TC-Intensitäten mit einem sich erwärmenden Klima verbunden sind2. Das Vertrauen in diesen Zusammenhang ist jedoch an Standorten mit geringem Zykloneinfluss oder in Gebieten, in denen Zyklonbeobachtungen nur unzureichend aufgezeichnet wurden oder in denen die verfügbaren Instrumentendaten durch eine schlechte räumliche und zeitliche Auflösung eingeschränkt sind, geringer. Solche Einschränkungen führen zu Schwierigkeiten bei der Erkennung der Bedeutung von Intensitätstrends in Beobachtungen, da diese von Natur aus mit Heterogenitäten in den relativ kurzen Instrumentenaufzeichnungen von TCs in der Vergangenheit zusammenhängen. Jüngste Arbeiten haben das Vertrauen in die Prognosen einer erhöhten TC-Intensität bei anhaltender Erwärmung gestärkt1,2,4.

Tropische Wirbelstürme werden sich in einem sich erwärmenden Klima wahrscheinlich polwärts bewegen5,6,7 und einige vermuten, dass dieser Trend in der südlichen Hemisphäre besonders deutlich ist8. Hinweise auf die Polverschiebungen der Sturmbahnen wurden sowohl in der Neuanalyse der instrumentellen Aufzeichnungen9,10 als auch in Projektionen aus numerischen Modellen gefunden, einschließlich Modellen mit erhöhten Treibhausgaskonzentrationen1,5,8,11,12,13,14. Chang et al.8 weisen beispielsweise darauf hin, dass sich die Sturmbahnen bei einer Verdoppelung der CO2-Emissionen wahrscheinlich um durchschnittlich 1° bis 2° polwärts verschieben könnten. Eine Verdoppelung des CO2-Gehalts mag unwahrscheinlich erscheinen, aber 10 Jahre nach Chang et al.8 ist der CO2-Gehalt von Papier bereits auf über 420 ppm gestiegen und die Emissionsrate steigt weltweit weiter an15. Während mehrere Mechanismen zur Erklärung der Polverschiebung angeführt wurden, besteht kaum oder gar kein Konsens über die vorherrschenden Prozesse, die einen solchen Trend vorantreiben16. Unabhängig vom Kausalmechanismus dürfte die Polwanderung von TCs auch Gebiete jenseits der traditionellen TC-Hotspots betreffen. Diese Wahrscheinlichkeit unterstreicht die Notwendigkeit, robuste und lange Aufzeichnungen der Zyklonaktivität in Gebieten mit seltener Zyklongefahr in zyklongefährdeten Meeresbecken zu erstellen.

Shark Bay liegt an der Küste Westaustraliens auf einer Breite von 26°S, am südlichen Rand des TC-Einflusses am östlichen Rand des Indischen Ozeans. Shark Bay ist als UNESCO-Weltkulturerbe anerkannt, da es die größten und vielfältigsten Seegrasbestände der Welt beherbergt17. Das Shark Bay-Gebiet bietet auch günstige Lebensräume für Meeresfauna von hohem Schutzwert, darunter Dugongs und Meeresschildkröten18,19. Es gibt auch die vielfältigsten Stromatolithen und mikrobiellen Matten der Welt20. Der Shark Bay Marine Park (SBMP) ist Teil des Weltkulturerbes. Shark Bay, vor Ort als Gathaagudu (Zwei Buchten) bekannt, ist Australiens größte Meeresbucht und besteht aus zwei flachen Golfen mit einer durchschnittlichen Tiefe von weniger als 10 m (Abb. 1). Die Gezeitenzyklusmuster der Shark Bay sind gemischt täglich und halbtags mit einer Reichweite von 1,4 m. Die Bucht ist in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet und weist eine flache und komplexe Bathymetrie auf21. Die langgestreckte Nord-Süd-Morphologie der Bucht weist Merkmale auf, die das Ausmaß der Sturmflut während der Passage der seltenen saisonalen TCs wahrscheinlich verstärken werden.

Historische Aufzeichnungen von TC-Einschlägen aus dem Jahr 1921, Shark Bay, Australien. A Zeigt den Standort von Shark Bay an der Küste Westaustraliens zusammen mit den Zyklonspuren von 1980–2005 aus der Datenbank des International Best Track Archive for Climate Stewardship (IBTrACS)102. Felddaten von den Standorten I bis IV (B) wurden verwendet, um die inverse Modellrekonstruktion der Sturmflut und ihrer Auswirkungen einzuschränken. Die beste Spur27 des Bureau of Meteorology für den wahrscheinlichen Zyklon von 1921 ist in beiden Tafeln A und B mit einer gelben gepunkteten Linie markiert. Tafeln A und B verwenden Google Earth mit Daten von SIO, NOAA, US Navy, NGA, GEBCO und Bildern von Landsat / Kopernikus.

Derzeit konzentriert sich die Forschung im Rahmen des SBMP hauptsächlich auf die Umweltauswirkungen von Extremereignissen wie der Meereshitzewelle 2010/1122,23,24,25. Im Gegensatz dazu bleiben TCs und das Risiko von Sturmfluten relativ wenig erforscht, trotz der Bedrohung, die TCs für den Status von Welterbewerten, die Sicherheit der Küsteninfrastruktur, indigene Kulturwerte und lokale Lebensgrundlagen in einer regionalen Wirtschaft darstellen, die stark vom Naturtourismus abhängig ist20. Diese Unwissenheit ist wahrscheinlich auf das relativ seltene Auftreten von TC-Ereignissen in der Region zurückzuführen, da seit der Gründung des SBMP im Jahr 1994 kein schädliches Sturmflutereignis registriert wurde.

Zuverlässige Satellitenbeobachtungen tropischer Wirbelstürme in Westaustralien begannen in der Saison 1969/7026. Im Satellitenzeitalter kommt es in der regionalen Hauptstadt Denham durchschnittlich alle fünf Jahre zu etwa einem TC, der Winde mit mehr als einer Sturmstärke oder 34 Knoten erzeugen kann (Abb. 1)27. Zu den jüngsten Aufzeichnungen tropischer Wirbelstürme im Gebiet der Shark Bay gehören TC Seroja (2021), TC Hazel (1979) und TC Herbie (1988)28,29,30,31,32,33. Historische Aufzeichnungen weisen darauf hin, dass in Shark Bay mehrere schwere TC-Ereignisse beobachtet wurden, insbesondere am 28. Februar–1. März 1839, 25. Februar 1893, 24. Januar 1898 und 11. Februar 1937, zusätzlich zu dem hier berichteten Ereignis vom 17.–18. Februar 1921 . Über historische Aufzeichnungen hinaus schätzen geologische Studien, die in der Nähe von Hamelin Pool in der südlichen Shark Bay durchgeführt wurden (Abb. 1), eine schwere TC-Häufigkeit von 190–270 Jahren im Holozän, basierend auf parallelen Muschelkämmen in der Nähe34.

Sturmfluten sind extreme Meeresspiegelereignisse, die durch eine Kombination aus starken Winden, die Wasser gegen die Küste treiben, und einer Überanhebung des lokalen Meeresspiegels vor der Küste durch niedrigeren Luftdruck verursacht werden. Sturmfluten können an gefährdeten Küsten zu ausgedehnten Überlandströmungen und Küstenüberschwemmungen führen35,36. Das Sturmflutrisiko wird typischerweise durch die Wiederkehrperiode oder das durchschnittliche Wiederholungsintervall (ARI) charakterisiert, das einfach als durchschnittliche Zeit zwischen Ereignissen einer bestimmten Sturmfluthöhe ausgedrückt wird. Die Küstenentwicklung an der Küste Westaustraliens erfordert die Berücksichtigung eines 500-jährigen ARI für Küstenüberschwemmungsereignisse. Es ist jedoch schwierig, dieses Niveau anhand von Messungen abzuschätzen, da die Geschichte der durch Zyklone verursachten Sturmfluten sowohl zeitlich als auch räumlich begrenzt ist37. Begrenzte historische Ereignisse sowie der Mangel an Gezeitenmessaufzeichnungen aus dem frühen 20. Jahrhundert untergraben die für eine genaue ARI-Analyse verfügbaren Daten erheblich und schränken daher die Genauigkeit solcher Werte ein. Die meisten ARI-Analysen verwenden stochastische Modellierungsrahmen, die eine synthetische Klimatologie von TCs und Sturmfluten basierend auf der historischen Klimatologie von TC-Ereignissen generieren38,39. Die Beurteilung der Qualität dieser zugrunde liegenden historischen Klimatologie ist daher von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Genauigkeit der ARI-Analyse.

Historische Aufzeichnungen können eine wichtige Rolle bei der Bewertung zahlreicher Gefahren spielen, da sie eine inhärente Datenbeschränkung beheben, die durch relativ kurze, räumlich begrenzte und fragmentierte Instrumentenaufzeichnungen entsteht40,41,42. Hier untersuchen wir einzigartige historische Aufzeichnungen eines intensiven Zyklons, der am 17. und 18. Februar 1921 an der Küste der Shark Bay auf Land traf. Wir bieten einen Validierungsrahmen für die Verwendung historischer Beobachtungen und skizzieren eine Methodik zur Rekonstruktion historischer Stürme in Umgebungen mit marginalem Zykloneinfluss.

In dieser Studie vergleichen wir eine historische Aufzeichnung eines großen Zykloneinschlags mit dem besten Streckendatensatz des Australian Bureau of Meteorology (BOM). Best-Track-Datensätze werden häufig in Wetter- und Klimaanwendungen verwendet und sind von Natur aus mit einem gewissen Maß an Unsicherheit hinsichtlich der TC-Position und -Intensität verbunden43,44. Typischerweise nehmen sowohl die Positions- als auch die Intensitätsunsicherheit ab, wenn Zyklone intensiver werden, da das Auftreten eines Zyklonauges in Satellitendatensätzen eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Zirkulationszentrums ermöglicht43. Die Unsicherheit hinsichtlich der Position und Intensität des besten Tracks ist nicht trivial, und die Datensätze zu den besten Tracks sollten erneut überprüft werden, wenn neue Beobachtungen aus den historischen oder instrumentellen Datensätzen ans Licht kommen oder Fortschritte bei der Integration verschiedener Informationsquellen in die Datensätze zu den besten Tracks gemacht werden.

Nur an wenigen Standorten weltweit wurden erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen, um prähistorische und Paläoarchive in regionale Zyklonrisikobewertungen einzubeziehen45,46,47, einschließlich einiger Studien an der Küste Westaustraliens34,48. Durch Sturmfluten hinterlassene Sedimentablagerungen sind wohl der am häufigsten verwendete Indikator für die Rekonstruktion vergangener Stürme45,46 und sie können Aufzeichnungen über Jahrhunderte bis Jahrtausende liefern, um die Häufigkeit von Sturmflutüberschwemmungen zu untersuchen. Solche Proxy-Aufzeichnungen hängen jedoch stark von der Küstengeomorphologie, den hydrodynamischen Bedingungen und den Sturmeigenschaften ab49 und erfassen nur die einflussreichsten Ereignisse an einem Standort, da nur die heftigsten Sturmfluten Sedimentsignaturen in Küstenumgebungen hinterlassen.

In letzter Zeit erfreuen sich hochauflösende Aufzeichnungen, die eine Jahresauflösung ermöglichen, zunehmender Beliebtheit und stammen typischerweise aus geochemischen Studien von Isotopenverhältnissen, die in Speläothemen50 oder Baumringen51,52 gemessen wurden. Baumringe haben auch den zusätzlichen Vorteil, dass aus der Baumringbreite abgeleitete Metriken angewendet werden können, um Schätzungen der Niederschläge tropischer Wirbelstürme zu erstellen53,54. Die Hervorhebung detaillierter historischer Aufzeichnungen vergangener Stürme wie der hier vorgestellten liefert wertvolle Querverweise für hochauflösende Aufzeichnungen und trägt zum Aufbau robusterer Proxy-Aufzeichnungen bei.

In der Klimageschichte füllen historische Wetter- und Klimabeobachtungen eine kritische Lücke zwischen instrumentellen Aufzeichnungen und langfristigen paläowissenschaftlichen Datensätzen55. Historische Aufzeichnungen können Details zu TC-Ereignissen liefern, um das Ereignis durch numerische Modellierung zu rekonstruieren56,57,58,59. Zusammenfassungen tropischer Wirbelstürme in Westaustralien für die Zeit vor der Satellitenbeobachtung zeigten, dass das Ereignis von 1921 zu zwei Todesfällen und einem Verlust und einer Beschädigung der Infrastruktur im Wert von ca. 10.000 £ führte, wovon vor allem die örtliche Perlenfischerei betroffen war60,61.

Durch eine umfassende Untersuchung der Archive des State Records Office of Western Australia und Zeitungsberichte über die „Trove“-Datenbank der National Library of Australia haben wir zusätzliche Beweise für die TC-Auswirkungen von 1921 entdeckt. Unsere Umfrage ergab eine detaillierte, handschriftliche Aussage des Pearling-Inspektors Wally Edwards über den TC von 1921, der Zeuge des Zyklons und seiner Folgen war. Bei den Zeugenaussagen handelte es sich um Beobachtungen der Auswirkungen des Zyklons in den am stärksten betroffenen Gebieten des westlichen Golfs von Shark Bay, die sich über einen Zeitraum von mehr als sechs Wochen nach dem Ereignis erstreckten.

Die Qualität der in die numerische Modellierung integrierten historischen Informationen wurde über ein neuartiges Quantified Historical Data Framework (QHDF) quantifiziert, bei dem historische Berichte mithilfe einer fünfdimensionalen Bewertung entlang der Achsen „Nähe“, „Unmittelbarkeit“, „Genauigkeit“ und „Genauigkeit“ untersucht wurden. „Unparteilichkeit“ und „Provenienz“ (siehe Methoden) wurden in ihrer Bedeutung gleich gewichtet. Der Bericht von Edwards ist unglaublich detailliert, konsistent und belastbar und insbesondere stellte er fest, dass die Sturmfluten etwa 3,0 m (10 Fuß) und etwa 6,1 m (20 Fuß) über der höchsten Flut in Denham (Standort I) am Ostufer lagen von Freycinet Reach bzw. am Useless Inlet (Standort II) am Westufer. Bemerkenswert ist auch, dass Edwards feststellte, dass Überlandüberschwemmungen und Überschwemmungen ihren Höhepunkt bei etwa 2,1 m (7 Fuß) über dem Boden am Standort III am südlichen Ende von Freycinet Reach in der Nähe der Tamala-Station erreichten (Abb. 1). In der Nähe von Standort III fand Edwards auch Haie und Fische, die bis zu 9,66 km (6 Meilen) landeinwärts gestrandet waren – ein klarer Hinweis auf das wahrscheinliche Ausmaß der Überlandströmung in der Gegend. Darüber hinaus beobachtete Edwards Schiffsberührungen, überschwemmte Küstenbrunnen, Überschwemmungen und eine veränderte Küstengeomorphologie an anderen Orten in Freycinet Reach und Freycinet Estuary (Abb. 1 und Ergänzungstabelle 1). Hinweise auf längerfristige sozioökonomische und ökologische Auswirkungen wurden auch aus Archivquellen zusammengestellt (Ergänzungstabelle 2), um den Vergleich mit dokumentierten Auswirkungen neuerer TC-Ereignisse zu erleichtern.

Nach dem Ereignis veröffentlichte meteorologische Berichte deuten darauf hin, dass wahrscheinlich mindestens drei Schiffe den Zyklon von 1921 vor der Küste Westaustraliens beobachteten. Die SS Toromeo, südwestlich von Fremantle, am 19. Februar; und die SS Great City und SS Carignano, westlich von Shark Bay am 18. und 19. Februar62. Diese Schiffe sind wahrscheinlich die Quelle der instrumentellen meteorologischen Beobachtungen, die aus dem International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set (ICOADS; ergänzende Abbildung 1) extrahiert wurden. Bemerkenswert ist, dass ein Schiff (Name nicht genannt) am 18. Februar 1921 um 01 UTC etwa 300 km westlich des abgeleiteten TC einen minimalen Oberflächendruck von 988,5 hPa beobachtete. Dies deutet weiter darauf hin, dass der Sturm eine viel größere Intensität und Größe hatte als bisher angenommen .

Wir verwendeten numerische Modelle zur Rekonstruktion des TC von 1921 und untersuchten, ob die in den historischen Aufzeichnungen beschriebenen erhöhten Wasserstände und Überschwemmungen reproduziert werden konnten. Wir verwenden einen nichtlinearen, inversen Modellierungsansatz, der einem Rastersuchmodell mit Brute-Force-Elementen ähnelt, wie durch die historischen Daten vorgegeben. Sturmflutniveaus in Flussmündungen und halbgeschlossenen Buchten reagieren sehr empfindlich auf Änderungen der TC-Parameter wie Zentraldruck, Annäherungswinkel an die Küste, Vorwärtsgeschwindigkeit und Radius maximaler Winde (RMW)63,64,65,66. Beispielsweise wurde berichtet, dass eine Änderung des Annäherungswinkels an die Küste von 10–15° zu einer Variation der Sturmflutstärke von >0,5 m führt67. Wenn der Annäherungswinkel des Zyklons von 1921 mit der NNW-SSE-Ausrichtung der Längsachse der Shark Bay übereinstimmt, würde dies wahrscheinlich die Sturmflut am südlichen Ende der Bucht verstärken (Abb. 1). Das Ziel der Modellierungsübung besteht darin, wahrscheinliche Kombinationen von TC-Streckenparametern abzuschätzen, die zu den historischen Beobachtungen der Sturmflutüberschwemmung führten, und so die wahrscheinliche Intensität und Kategorie des TC von 1921 auf der Grundlage einer Reihe von Modellergebnissen zu ermitteln, die den Felddaten entsprechen (Abb. 2).

Schematische Abbildung, die die Methodik zur Rekonstruktion historischer Wirbelstürme, die auf Land trafen, zusammenfasst. Das QFHD ermöglicht eine detaillierte Bewertung des historischen Datensatzes und die Möglichkeit, die Konsistenz und Qualität der in den Rekonstruktionen verwendeten historischen Daten zu untersuchen.

Es wurde eine Reihe von 225 numerischen Simulationen durchgeführt, zunächst unter Verwendung der vom Australian Bureau of Meteorology (BOM) festgelegten Spur. Frühere tropische Wirbelstürme: Die Australian Tropical Cyclone Database27 des TC von 1921 (Abb. 1B und Tabelle 1). Anschließend modellieren wir eine Reihe von Zyklonspuren mit unterschiedlichen Vorwärtsgeschwindigkeiten, RMW, Annäherungswinkeln und Spurpositionen (Ergänzungsabbildung 2 und Ergänzungstabelle 4). Diese Übung kann als von Experten geleiteter, nichtlinearer, inverser Modellierungsansatz betrachtet werden (Abb. 2), bei dem die zugrunde liegende Verteilung jedes Zyklonspurparameters zunächst durch die archivierte Zyklonspur informiert und dann innerhalb möglicher, durch die Zyklonspur eingeschränkter Bereiche variiert wird historische Beobachtungen.

Der Testsatz von Zyklonspuren, die den TC von 1921 repräsentieren, besteht aus 225 Spuren (Ergänzungstabelle 4), die aus Kombinationen bestehen, die aus Folgendem bestehen: fünf zentrale Drücke, drei Radien maximaler Winde (RMW), drei unterschiedliche Orientierungen der Spur beim Landfall und fünf Spurpositionen (Verschiebung nach Westen um 0,1° von der Position der BOM-Bestspur). Das Auge des Zyklons wurde ebenfalls entlang der Strecke nach hinten verschoben, um die Änderungen im RMW widerzuspiegeln und gleichzeitig den in den historischen Aufzeichnungen von Edwards vermerkten Zeitpunkt des Einsetzens der Nordostwinde bei Denham beizubehalten. Schiffsbeobachtungen aus historischen Berichten deuten auf ausgedehnte Stürme vor der Küste hin, daher wurden die Sturmradien für alle Teststrecken auf 400 km festgelegt.

Wir haben Zyklonwind und Druckfelder mithilfe eines parametrischen Modells simuliert68. Das Modell nutzt TC-Streckeninformationen wie Zentral- und Umgebungsdruck sowie Radien maximaler Winde und Stürme. Für die Modellierung von Sturmfluten verwendeten wir Bairds südwestliches Australien-Ozeanmodell69,70, das im unstrukturierten Mesh-Open-Source-2D-vertikalen hydrodynamischen Modell Delft3D-FM71,72,73 erstellt wurde (siehe Abschnitt „Methoden“; ergänzende Abbildung 2A, B). Bairds Modell wurde zuvor für die astronomische Gezeitenkalibrierung kalibriert und für 35 historische TC-Sturmflutereignisse in ganz Australien validiert. Es war in der Lage, gemessene Gezeitenspitzenreste mit einer linearen Anpassung von 0,9957 (R2 = 0,96)70 zu reproduzieren. Wir stellen fest, dass unsere Studie den Beitrag von Wellen zu erhöhten Küstenwasserspiegeln durch Wellenaufbau als Bestandteil von Hochlaufprozessen nicht berücksichtigt. Die Wellenumgebung des Golfs von Shark Bay wäre aufgrund des flachen Wassers, in dem es vor der Küste zu Wellenbrüchen unter solch energiereichen Bedingungen kommt, in ihrer Tiefe begrenzt und würde somit den Beitrag der Wellen zu den festgestellten Überschwemmungshöhen an der Küste begrenzen. Der Wellenaufbau durch Wellen, die sich über die Bucht brechen, wird wahrscheinlich den Wasserstand an Gezeitenmessstellen in der Größenordnung von 0,1–0,2 m erhöhen, wie es in ähnlichen Umgebungen und Zyklonbedingungen vorkommt (z. B. in der Nähe im Mermaid Sound, Westaustralien (Churchill). et al.73) und auch Moreton Bay, Queensland74,75.

Die Qualität der in die numerische Modellierung integrierten historischen Informationen wurde mithilfe der fünfdimensionalen Bewertung unseres QHDF quantifiziert. Unter Verwendung des QHDF wurden die Beobachtungen von Edwards und anderen Beobachtern in Denham priorisiert, gefolgt von den Beobachtungen von Edwards an der Tamala-Station (Standort III) und gefolgt von Berichten über Überschwemmungen am Useless Inlet (Standort II) und an anderen Orten (Ergänzung). Tabelle 5).

Unsere numerische Simulation des TC BOM Best Track von 1921 (Abb. 1 und ergänzende Abb. 2D) reproduziert nicht die extreme Sturmflut um Shark Bay, die in den historischen Aufzeichnungen beobachtet wurde. Der mit dem TC BOM Best Track von 1921 simulierte Spitzenwert der Sturmflut betrug in Denham nur 0,86 m und an der Anlandungsstelle 1,28 m und blieb damit um mehr als 50 % hinter den Beobachtungsdaten zurück (Tabelle 1).

Ergebnisse der numerischen Simulation von 225 Szenarien deuten darauf hin, dass es erhebliche Schwankungen in der Stärke der Sturmflut gibt, wenn sie Schwankungen der TC-Streckenparameter in Denham (Standort I) und beim Landfall ausgesetzt sind (Abb. 3). Von den 225 simulierten Szenarien erfüllen 29 die Einschränkungen der historischen Beobachtungen in Denham, nur einschließlich Spitzenwinden aus dem Nordostquadranten, die die Sturmstärke (34 m/s) übersteigen, und einem Spitzenwasserstand bei Springflut von >3 m (10 Fuß; Abb. 3). Durch das Hinzufügen der Einschränkungen bei Useless Loop (Standort IV) und bei der Landung nördlich der Tamala-Station (Standort III) wird die Anzahl der Sturmszenarien, die mit der historischen Aufzeichnung übereinstimmen, auf fünf eingeschränkt (Tabelle 1).

Modellausgaben der maximalen Windgeschwindigkeit im Vergleich zur Spitzensturmflut in Denham (Standort I) für Varianten der TC-BOM von 1921. Beste Strecke: Zentraler Druck, Radius der maximalen Winde, Ausrichtung beim Landfall, Streckenposition. Insgesamt 29 Szenarien stimmen mit den historischen Aufzeichnungen in Denham überein.

Die Ergebnisse unserer numerischen Modellierung deuten auf einen wahrscheinlichen zentralen Druck für den TC von 1921 im Bereich von 930–945 hPa hin, was einem TC der Kategorie 4 oder der Grenzkategorie 5 entspricht. Dies ist von viel größerer Intensität als die, die der BOM Best Track Record mit einem Pc von 989 hPa impliziert (Tabelle 1). Es deutet auch darauf hin, dass die TC-Sturmflut von 1921 mit dem Zyklon Vance vergleichbar ist, der 1999 etwa 450 km nördlich von Denham über den Golf von Exmouth zog76,77,78, aber wahrscheinlich nicht von dieser Intensität war (Vance hatte 910 hPa)30. Der Sturm von 1921 hatte wahrscheinlich auch eine ähnliche Intensität und Auswirkung wie der Zyklon Yasi, der 2011 Zentral-Queensland an der Nordostküste Australiens traf78.

Ein wichtiges Ergebnis ist, dass dieser Sturm im Vergleich zum BOM Best Track-Archiv33 als das intensivste Ereignis eingestuft wird, das in der Region Shark Bay aufgezeichnet wurde, und als das intensivste TC-Ereignis, das in Westaustralien südlich von 25° S aufgezeichnet wurde. In Westaustralien ist 25° S eine wichtige geografische Grenze, da sich hier die staatliche Bauordnung in Bezug auf Winde von Region D nach Norden zu Region C (geringeres Risiko) ändert79. Dies bedeutet, dass die Gefahr, die von Zyklonen südlich von 25° S ausgeht, möglicherweise ebenfalls unterschätzt wird.

Abbildung 4 zeigt die Modellergebnisse für Lauf 180, einen der fünf Modellläufe, die am besten mit den historischen Beobachtungen übereinstimmen (Tabelle 1). Dieses Beispiel (Durchlauf 180) reproduziert eine Sturmflut in Denham von 3,2 m + 0,8 m Flut, was einen Gesamtwasserstand über MSL von 4,0 m ergibt – im Einklang mit der beobachteten Überschwemmungshöhe zwischen 2,1 m (7 ft) und 3,05 m (10 Fuß), mit sehr geringer Höhe von 2–3 m über dem Meeresspiegel am tief liegenden Küstenvorland von Denham. Alle in Tabelle 1 dargestellten Läufe stimmen mit der Darstellung von Edwards überein, der angibt, dass die Überschwemmung am Höhepunkt der Springflut stattfand. Das Auge des Sturms ging in allen fünf Modellszenarien nicht durch Denham, was wiederum mit den historischen Berichten übereinstimmt.

Modellergebnisse für Lauf 180. Dieses Modell ist eines von fünf Modellen, die mit den historischen Beobachtungen in Denham mit einem Wasserstand über 3 m mittlerem Meeresspiegel und mit der beobachteten Überschwemmung zwischen 2,1 m (7 Fuß) und 3,05 m (10 Fuß) übereinstimmen. über Land. Das Modell reproduziert auch die extrem hohen Sturmfluten am Useless Loop (Standort IV) und am Landpunkt nördlich der Tamala-Station (Standort III).

Eine bemerkenswerte Einschränkung sind die historischen Beobachtungen von Überlandströmungen und gestrandeten Fischen, die sich 6 Meilen landeinwärts an der Tamala-Station am südlichen Ende der Shark Bay erstrecken (Abb. 1 und Ergänzungstabelle 1). Die Landschaft rund um die Tamala-Station wird von Nord-Süd-orientierten Dünenfeldern mit niedrigem Relief dominiert, wie die Streifen auf den Satellitenbildern zeigen und von Playford et al. beschrieben wurden. 31. Eine oberflächliche Analyse der STRM-Topographie-Satellitenbilder und von GoogleStreetMap (ergänzende Abbildung 3) zeigt, dass tief liegende Gebiete mit Höhen <6 m weit landeinwärts über die Tamala-Station hinaus verbunden werden könnten. Aufgrund des Mangels an hochwertigen Höhendaten an diesem sehr abgelegenen Ort haben wir den Überlandfluss nicht modelliert. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass der erhöhte Wasserstand in Küstennähe am südlichen Ende des Golfs in der Nähe der Tamala-Station (Standort III) wahrscheinlich etwa 6 m über dem mittleren Meeresspiegel lag. Derzeit konnten wir nicht modellieren, ob sich eine Sturmflut dieser Stärke über die beobachtete Entfernung landeinwärts ausbreiten könnte, da dies den Rahmen dieses Projekts sprengt und dies als Einschränkung und Möglichkeit zukünftiger Forschung angesehen wird. Aus der Geomorphologie gehen wir jedoch davon aus, dass es angesichts der Nord-Süd-Ausrichtung des Flachrelief-Dünenfeldes wahrscheinlich ist, dass eine Sturmflut von mehr als 5 m so weit ins Landesinnere vordringen könnte (ergänzende Abbildung 3). Darüber hinaus verursachte das Ausmaß der Sturmflut wahrscheinlich erhebliche Veränderungen an den weichen Küstenlandschaften durch Sedimenttransportprozesse, die Zerstörung von Dünen und den Schnitt neuer Kanäle. Die gekoppelte hydrodynamische Sedimenttransportmodellierung für dieses historische Ereignis würde aufgrund der sehr begrenzten Beobachtungsdaten ebenfalls den Rahmen dieser Studie sprengen.

Wir kontextualisieren die Schwere des TC von 1921 im Vergleich zu den aktuellen Planungsniveaus für Denham, wo das 100-jährige ARI-Niveau für die bestehende Entwicklung 3,6 m über dem Australian Height Datum (AHD) liegt (einschließlich 0,9 m Meeresspiegelanstiegszuschlag), und zum 500-jährigen ARI Der Mindestwert für die Erschließung neuer Grundstücke beträgt 4,2 Mio. AHD, wie in der staatlichen Planungsrichtlinie 2.6 gefordert. Diese Werte wurden durch Simulation von 1000 Jahren synthetischer TC-Spuren (154 Ereignisse) ermittelt, die sich auf die Shark Bay auswirken, basierend auf der TC-Klimatologie seit 196080. Wenn man den zulässigen Anstieg des Meeresspiegels abzieht, ergibt sich eine 500-jährige ARI-Sturmflut von 3,3 m, was äquivalent ist etwas niedriger als die beobachteten Wasserstände aus dem TC von 1921. Dieses Ergebnis impliziert, dass entweder die TC-Klimatologie und damit das Planungsniveau unterschätzt wird oder dass das TC-Ereignis von 1921 hinsichtlich des Wiederholungsintervalls ein extremer Ausreißer war. Dies ist wahrscheinlich sowohl für das Sturmflut- als auch für das Windrisiko wichtig und kann durch Erweiterung der TC-Klimatologie getestet werden, die dem synthetischen TC-Track-Set zugrunde liegt, das derzeit nur das Satellitenzeitalter (nach 1969/70) umfasst.

Der TC von 1921 war deutlich intensiver als ein Ereignis der Kategorie 1 oder 2, das in den Aufzeichnungen des Bureau of Meteorology angegeben war. Unsere numerische Modellierung zeigt, dass es sich bei der TC von 1921 wahrscheinlich um ein Grenzereignis der Kategorie 4–5 handelte. Das TC-Ereignis von 1921 in Shark Bay ist wahrscheinlich mit einem ähnlich heftigen TC Yasi vergleichbar, der 2011 die Nordküste von Queensland überquerte. TC Yasi hatte einen minimalen zentralen Druck von 929 hPa und erzeugte bei Cardwell an der Küste von Queensland eine Sturmflut von 5,3 m78. Unsere Modellierung des TC von 1921 weist auf eine wahrscheinliche Sturmflut in Denham von ca. 3,0 m bei einer Springflut bis zu einem Wasserstand von ca. 4,0 m hin. Diese Zahl übersteigt die während der TCs Hazel (~1,9 m AHD) und Herbie (~2,4 m AHD) aufgezeichneten Überschwemmungen bei weitem80. Die modellierte TC-Sturmflut von 1921 ist auch mit der Sturmflut am Golf von Exmouth (Abb. 1) während der Passage von TC Vance im Jahr 1999 vergleichbar, wo im Jachthafen der Stadt ein Spitzenwasserstand von 3,6 m über dem lokalen Bezugspunkt gemessen wurde77. Eine Wiederholung des Ereignisses von 1921 heute hätte wahrscheinlich verheerende Folgen, wenn man bedenkt, dass in Denham seit 1988 eine erhebliche Küstenentwicklung stattgefunden hat, und vor dem Hintergrund der hohen Risiken des Klimawandels für wichtige Welterbewerte innerhalb des SBMP20,81.

Der Hauptzweck der in dieser Studie durchgeführten Sturmflutmodellierung besteht darin, die Interpretation des Bereichs wahrscheinlicher Intensitäten des TC-Ereignisses von 1921 zu unterstützen, und nicht darin, die wahrscheinlich aufgetretenen komplexen hydrodynamischen Wellen- und Sedimenttransportprozesse vollständig nachzubilden. Eine detailliertere und komplexere gekoppelte Prozessmodellierung bleibt künftiger Forschung überlassen. Unsicherheitsquellen hinsichtlich der Spitzenstärke der Sturmflut und der Beziehung zur Zyklonintensität werden im Abschnitt „Methoden“ erörtert und in Tabelle 2 zusammengefasst. Die kumulativen Auswirkungen dieser Unsicherheitsquellen haben keinen großen Einfluss auf die Schlussfolgerung dieser Studie, da der Fehler von jeder Quelle abhängt Die Quelle wäre zufällig verteilt und könnte sich gegenseitig aufheben, und es ist höchst unwahrscheinlich, dass alle Fehlerquellen während dieses Ereignisses zu ihrem maximalen Ausmaß beigetragen hätten (insgesamt schätzungsweise 1 m). Wahrscheinlicher ist ein kombinierter RMSE von 0,2–0,3 m, der die Schätzung der Ereignisintensität in dieser Hinsicht nicht wesentlich verändern würde.

Bemerkenswert ist, dass der TC von 1921 auch erhebliche langfristige sozioökonomische und ökologische Auswirkungen hatte, über die noch bis zu 30 Jahre nach dem Ereignis berichtet wurde82. So erlebte Denham beispielsweise eine Salzwasserüberschwemmung seiner Süßwasserbrunnen, die bis in die frühen 1950er Jahre hinein salzig blieb, und das in einem Kontext, in dem die Verfügbarkeit von Süßwasser die regionale Wirtschaftsentwicklung stark einschränkte81. Pastoralstationen auf der Peron-Halbinsel (Abb. 1) erlitten Viehverluste aufgrund der Überschwemmung von Küstenbrunnen (Bohrungen). Die Perlenfischerei wurde durch kurzfristige Rückgänge der Pinctada albina-Populationen und längerfristig durch die langsame Erholung der Bestände beeinträchtigt (Ergänzungstabelle 2). In der Shark Bay ist P. albina mit dominanten Seegrasansammlungen durchsetzt82. Einer zeitgenössischen Quelle zufolge wurden Dugongs in den Jahren nach dem TC von 1921 ebenfalls seltener angetroffen (Ergänzungstabelle 2).

Die im TC von 1921 festgestellten Ökosystemschäden stimmen mit Berichten an anderer Stelle über aktuelle Ereignisse überein. Beispielsweise liefert TC Yasi im Jahr 2011 ein aktuelles Beispiel für die Auswirkungen von TCs auf Seegras- und Dugong-Populationen. Yasi beschädigte 98 % der tropischen Gezeiten-Seegraswiesen in den Gewässern im Norden von Queensland83,84 und verursachte einen Rückgang der Biomasse und der Sprossdichte in den verbleibenden Wiesen85. Die Seegräser in Queensland wurden in erster Linie als kolonisierende Arten eingestuft, bei denen eine geringere Persistenz, aber eine schnellere Erholungsrate nach Störungsereignissen zu erwarten ist als bei den hartnäckigen Seegräsern, die Shark Bay dominieren86. Der zyklonbedingte Verlust des Seegras-Lebensraums fiel mit einem Rückgang der geschätzten Dugong-Population in der südlichen Great Barrier Reef-Region zusammen87, und ähnliche Muster wurden in Shark Bay nach dem klimabedingten Seegras-Verlust beobachtet88. Der durch Wirbelstürme verursachte Verlust von Seegras in der Shark Bay hätte erhebliche langfristige Folgewirkungen auf die Funktionen und Dienstleistungen des Ökosystems, insbesondere da die Seegras in der Shark Bay zu mehreren Welterbewerten beitragen.

Bei einem Vergleich der Sturmflutstärke mit der lokalen Topographie in einer Badewannennäherung erster Ordnung des Überschwemmungsausmaßes würde eine Sturmflut von mehr als 2 m heute in Denham wahrscheinlich die Hauptstraße entlang des Küstenvorlandes überschwemmen und wichtige Infrastruktur, einschließlich des Hauptquartiers des Landkreises, überschwemmen , wichtige staatliche Regierungsbüros, ein Weltkulturerbe-Entdeckungszentrum, die meisten Lebensmittelgeschäfte, Tankstellen und Restaurants der Stadt, Touristenunterkünfte und der städtische Anlegesteg sowie die Bootsanlegestelle81. Dies wäre verheerend für die regionale Tourismuswirtschaft, die schätzungsweise 64 Millionen US-Dollar pro Jahr an Besucherausgaben einbringen wird20. Eine Solarsalzanlage am Useless Inlet, die etwa 40 Millionen US-Dollar pro Jahr20 zur regionalen Wirtschaft beiträgt, wäre ebenfalls von einem Sturm ähnlicher Stärke wie bei dem Ereignis von 1921 bedroht.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt sind die Auswirkungen des Klimawandels auf das SBMP und die umliegende Region. Allmählich steigende Meeresoberflächentemperaturen (SSTs) und episodische extreme Wetterereignisse wie Meereshitzewellen erhöhen den Hitzestress und erhöhen die Anfälligkeit der gemäßigten Seegräser (Amphibolis antarctic und Posidonia australis), die bei Shark bereits an der hohen Temperaturgrenze ihrer thermischen Toleranzgrenzen leben Bay23. Lebensraumbildende Arten wie Seegräser sind besonders anfällig für synergistische Stressfaktoren, die zur gleichen Zeit und am gleichen Ort auftreten. Dies wurde innerhalb des SBMP während der Meereshitzewelle von 2011 veranschaulicht, wo Wiesen neben dem fließenden Wooramel River (Abb. 1) aufgrund der Kombination aus hohen Temperaturen und geringer Lichtverfügbarkeit aufgrund von Flussüberschwemmungen und dem Eintrag feiner Sedimente am stärksten betroffen waren in die Umgebung23. Die kombinierte Bedrohung durch Meereshitzewellen, immer häufigere und heftigere Stürme und den Anstieg des Meeresspiegels hat dazu geführt, dass Shark Bay laut dem Climate Change Vulnerability Index, einer kürzlich entwickelten Methode zur Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf Welterbestätten, die höchste Gefährdungseinstufung erhalten hat89 .

Die regionale TC-Klimatologie wird sich wahrscheinlich mit dem Klimawandel ändern (IPCC 2021), wobei sich der Breitengrad der maximalen Intensität der Entwicklung tropischer Wirbelstürme polwärts verschiebt, da sich die SSTs erwärmen und die Dauer der TCs zunimmt90,91. Kossin et al. 90. fanden heraus, dass sich im Becken des Südindischen Ozeans die Überschreitungswahrscheinlichkeit großer TC-Intensitäten (Saffir-Simpson-Kategorien 3–5) um 18 % pro Jahrzehnt verändert hat, basierend auf der Analyse einer homogenen 39-jährigen globalen Satellitenaufzeichnung von 1979 bis 2017. Mit dynamisches Downscaling im Vergleich des historischen Zeitraums (1965–2014) mit RCP8.5 (2045–2094), Cattiaux et al. 7, untersuchte mögliche Veränderungen in der TC-Klimatologie im südlichen Indischen Ozean. Sie stellten einen Rückgang der Häufigkeit um 20 % und eine Verschiebung der maximalen Lebensintensität von niedrigeren zu höheren Kategorien fest. Sie fanden auch eine leichte polwärts gerichtete Ausdehnung der TC-Spuren von etwa 1° über 80 Jahre hinweg. Ihre Entdeckung einer möglichen zeitlichen Verschiebung der TC-Saison in Richtung der zweiten Hälfte der Saison (Februar–April) könnte auch bedeuten, dass TC-Ereignisse mit größerer Wahrscheinlichkeit mit den höchsten (Königs-)Gezeitenereignissen zusammenfallen.

Umweltmanager müssen TCs innerhalb einer Reihe potenzieller Klimastressoren für die Seegraswiesen und das größere Meeresökosystem innerhalb des SBMP berücksichtigen. Die Bedeutung des Meeresökosystems bedeutet, dass jeder große Wirbelsturm wahrscheinlich ein großes Potenzial hat, die ökologische Widerstandsfähigkeit zu untergraben und sich direkt auf die Werte des Welterbes auszuwirken.

Diese Studie verdeutlicht das Risiko für Gemeinden am Rande des TC-Einflusses, wo seltene Zyklonereignisse im ARI-Bereich von 100–500 Jahren und darüber hinaus schwer einzuschätzen sind. Wir zeigen den klaren Wert der Verbesserung quantitativer Risikomanagementmethoden anhand mehrerer Beweislinien aus historischen Archiven für das Verständnis der langfristigen Klimatologie tropischer Wirbelstürme und der Sturmflutgefahr. Ein solcher Ansatz hat wichtige Auswirkungen auf die Landnutzungsplanung, das Notfallmanagement und das Umweltmanagement dieses einzigartigen Weltkulturerbes und anderer Standorte mit geringem Zykloneinfluss. Historische Beobachtungen stellen eine wichtige Ressource für Planung und Management und eine Erweiterung der TC-Klimatologie dar, die nach Möglichkeit für Planungs- und Nachhaltigkeitsprogramme genutzt werden sollte.

Für Wetter- und Klimastudien füllen historische Daten eine kritische Lücke zwischen instrumentellen Aufzeichnungen und langfristigen paläowissenschaftlichen Datensätzen55. Historische Aufzeichnungen können Details zu TC-Ereignissen liefern, um das Ereignis durch numerische Modellierung zu rekonstruieren59. Zusammenfassungen tropischer Wirbelstürme in Westaustralien für die Zeit vor der Satellitenbeobachtung zeigten, dass das Ereignis von 1921 zwei Todesopfer forderte und etwa 10.000 £ an verlorener und beschädigter Infrastruktur verursachte60. Wir durchsuchten die Archive des State Records Office of Western Australia und Zeitungsberichte über die „Trove“-Datenbank der National Library of Australia und entdeckten zusätzliche Beweise für die TC-Auswirkungen von 1921, die zuvor nicht erwähnt wurden. Unsere Umfrage hat Augenzeugenberichte in Form von Briefen, Tagebucheinträgen, Memoiren und mündlich überlieferten Interviews an mehreren Punkten in Shark Bay gefunden. Die in die numerische Modellierung integrierten historischen Informationen wurden über ein QHDF quantifiziert und stützten sich dabei auf Schlüsselmethoden, Konzepte und Erkenntnisse der historischen Klimatologie und historischen Tempestologie. Historische Beobachtungen werden von Einzelpersonen produziert und ihre Interpretation ist inhaltsspezifisch; „Um diese Quellen beurteilen und interpretieren zu können, müssen Forscher wissen, wer sie erstellt hat, warum und wie sie meteorologische Bedingungen und ihre Folgen für den Menschen aufgezeichnet haben.“55 In der historischen Klimatologie wird daher im Allgemeinen ein „quellenkritischer“ Ansatz angewendet, um menschliche Vorurteile zu identifizieren, Daten aus verschiedenen Quellen zu vergleichen und die Wiederholung von Fehlern in Sekundärquellen zu vermeiden92. Als einzigartige Wetterphänomene werfen Wirbelstürme und Sturmfluten zusätzliche Fragen zur Zuverlässigkeit von Beobachtungsaufzeichnungen auf. In ihrer Bewertung der verfügbaren Beweise in Bezug auf TC Mahina (Qld, 1899) haben Nott et al. 93 beweisen die Richtigkeit von Beobachtungen aus erster Hand bekannter Personen zum Zeitpunkt des Ereignisses selbst im Vergleich zu Berichten aus zweiter Hand oder anonymen Berichten, die nach dem Ereignis erstellt wurden. Andererseits hat Christensen61 eine Tendenz festgestellt, dass die Auswirkungen von Zyklonen von Augenzeugen, die unmittelbar nach schweren Ereignissen von Verwirrung, Schock oder Trauer betroffen sind, übertrieben werden. Um diese Probleme anzugehen, passen wir die qualitative dreistufige „Konfidenzbewertung“ von Kelso und Vogel94 für narrative Berichte über Dürre an, um verifizierte, zuverlässige Daten in historischen Rekonstruktionen von Wetter und Klima95 zu einer fünfdimensionalen Bewertung der beobachteten Zyklone und Sturmfluten zu unterscheiden Auswirkungen. Unser QHDF verwendet eine Konfidenzbewertung von 1 (Beobachtung ist fraglich), 2 (Beobachtung ist in anderen Quellen nicht bestätigt) oder 3 (Beobachtung ist von anderen bestätigt), entlang der Achsen der „Unmittelbarkeit“ (wurde die Beobachtung während des Ereignisses gemacht oder in seine Nachwirkungen), „Nähe“ (ist es aus erster Hand oder aus zweiter Hand), Genauigkeit (gibt es präzise und konsistente Bezugspunkte), Objektivität (kann Voreingenommenheit durch Schock, Angst oder Trauer usw. erkannt werden) und Herkunft (kann der Betrachter als bekannte historische Person identifiziert werden). Wir gehen davon aus, dass jede Variable gleich gewichtet ist. Die detaillierten Ergebnisse sind in der Ergänzungstabelle 5 aufgeführt.

Das in dieser Studie verwendete Ozeanmodell im Südwesten Australiens ist Teil von Bairds australienweiter Modellreihe70, die im Open-Source-2D-vertikalen hydrodynamischen Modell Delft3D-FM71,72 erstellt wurde. Der Modellbereich erstreckt sich von 19,1°S bis 35,72°S und 107,6°E bis 115°E (Ergänzende Abbildung 2), ein Bereich, der die gesamte Spur des Zyklons von 1921 enthält. Das unstrukturierte Modellnetz (ergänzende Abbildung 2) hat eine maximale Auflösung von 1 km zwischen der Tiefenkontur von –10 m und der Küstenlinie und eine feinere Auflösung in komplexen Gebieten, eine Auflösung von 3 km zwischen –100 m und –10 m Tiefe und 8–20 km Auflösung über −100 m Tiefe. Die Modellbathymetrie wird aus verfügbaren hydrografischen Daten interpoliert, die aus den Electronic Navy Charts96 der australischen Marine extrahiert wurden. Die Modellausgangspunkte wurden in der gesamten Shark Bay in Tiefen zwischen –0,85 und –19,85 m angegeben.

Um das Modell zu kalibrieren, wurden die Ozeangrenzen mit TOPEX-8-Gezeitenbestandteilen97 erzwungen und mit einjährigen Gezeitenkalibrierungen aus den Australian National Tide Tables an den neun Australian Standard Ports verglichen. Die Kalibrierung innerhalb des Modellbereichs war ausgezeichnet, mit einem mittleren Amplitudenfehler von 0,02 m oder weniger und einem Phasenfehler von 2,5° für die acht wichtigsten Bestandteile an allen Standorten. In Denham (Ergänzungstabelle 4) erreichte die Gezeitenkalibrierung für eine Ganzjahressimulation für das Jahr 2011 einen RMS-Fehler von 0,064 m und eine Modellabweichung von 0,021 m.

Die Sturmflut aus dem Shark Bay TC von 1921 wurde mithilfe des Delft3D-FM-Ozeanmodells mit Eingabeparametern aus Zyklonwind- und Druckfeldern reproduziert. Die Simulationen wurden auf dem Cloud-Supercomputer Microsoft AzureTM durchgeführt. Zyklonische Wind- und Druckfelder wurden mithilfe der parametrischen Beschreibung von Ref. simuliert. 68, die die relative Gleichmäßigkeit der Zyklonwinde annimmt. Das parametrische Modell verwendet Informationen zur Zyklonbahn, einschließlich Zentral- und Umgebungsdruck, Radius zu maximalen Winden (RMW) und Radius zu Stürmen (R34) (Ergänzende Abbildung 3)68. Um die asymmetrische Natur von Zyklonen zu berücksichtigen, bei denen die Vorwärtsgeschwindigkeit des Systems die Windgeschwindigkeit auf einer Seite erhöht, wurde die Vorwärtsgeschwindigkeitskorrektur α von Shea und Gray98 an der Gradientenwindgeschwindigkeit vorgenommen. Außerdem wurde eine Korrektur des Einströmwinkels, β, vorgenommen, um die kreuzisobare Strömung aufgrund der Oberflächenreibung darzustellen99. Die hier verwendeten australischen Ozeanmodelle wurden für 35 historische Sturmflutereignisse70 validiert und reproduzierten die gemessenen Spitzengezeitenrückstände mit einer linearen Anpassung von 0,9957 (R2 = 0,96) (Abb. 5 in Burston et al.70).

Der Testsatz von Zyklonspuren, die den tropischen Wirbelsturm Shark Bay von 1921 repräsentieren, besteht aus 225 Spuren (Ergänzungstabelle 4), bestehend aus einer Kombination von fünf zentralen Drücken, drei Radien maximaler Winde (RMW), drei Spurausrichtungen beim Landfall und fünf Gleispositionen (Verschiebung nach Westen um 0,1° von der Position des BOM-Bestgleises). Die erste Spur ist die beste Stücklistenspur. Die 225 Storm-Track-Variationen des BOM Best Track wurden durch Anpassen der Parameter des Tracks abgeleitet und gleichzeitig sichergestellt, dass diese Parameter immer noch mit den historischen Berichten übereinstimmen (Tabelle 1). Die Schwankungen des RMW variieren auch die Vorwärtsgeschwindigkeit, da das Auge des Zyklons entlang der Strecke nach hinten verschoben wurde, um das veränderte RMW widerzuspiegeln und gleichzeitig den Zeitpunkt des Einsetzens der Nordostwinde in Denham beizubehalten. Die historischen Berichte deuten darauf hin, dass die Stürme aufgrund der Beobachtungen an Bord des Schiffes ziemlich ausgedehnt waren, sodass der Radius der Stürme für alle Teststrecken auf 400 km festgelegt wurde. Das Modell kann als nichtlinearer, inverser Modellierungsansatz betrachtet werden, der einem Rastersuchmodell mit Brute-Force-Elementen ähnelt, wie durch die historischen Daten vorgegeben. Daher wird jedes Szenario durch eine Vielzahl von Variablen eingeschränkt, die mit den historischen Informationen zu Zeit, Ort und Sturmfluthöhe verknüpft sind.

Die Gleisintensität und andere Gleisparameter stellen die Hauptunsicherheitsquelle bei der Abschätzung des Sturmflutgipfels dar und sind Gegenstand dieser Untersuchung. Weitere Unsicherheitsquellen sind diejenigen im hydrodynamischen Modell, einschließlich der Modellbathymetrie, der Bodenrauheit und des Windwiderstandskoeffizienten sowie zusätzliche Prozesse wie Wellenaufbau, Wellen-Strömungs-Wechselwirkung, Überschwemmung und dynamische Sedimenttransportprozesse.

Mehrere Aspekte der Windfeldparametrisierung können einen Grad an Unsicherheit zweiter oder dritter Ordnung zur Schätzung der Windgeschwindigkeit und damit der Sturmflutstärke hinzufügen. Die modellierten synthetischen TC-Tracks wurden im 12-Stunden-Zeitschritt der Best Track-Aufzeichnung variiert, da in der Zeit vor dem Satelliten keine Informationen mit höherer zeitlicher Auflösung verfügbar waren. Die Spur kann sich in feineren Zeitschritten verändert haben, was zu lokalen Verhaltensänderungen geführt hat. In dieser Region im Südwesten Westaustraliens sind die nach Südwesten auf Land treffenden TC-Strecken jedoch typischerweise „eingefangene“ Systeme32 und weisen ein lineares Verhalten auf, da die vorherrschenden starken Steuerwinde ihre Spur lenken und hohe Vorwärtsgeschwindigkeiten erzeugen, die durch eine schnelle Beschleunigung gekennzeichnet sind, die mit einem westlichen Frontalsystem verbunden ist .

Das Verhältnis des Zentraldrucks (Pc) zur Spitzenwindgeschwindigkeit wird in Holland et al. bestimmt. 68-Modell unter Verwendung des Parameters „bs“, das sich im Vergleich zu BOM-Post-Satellitenbeobachtungen von Pc und maximalen anhaltenden Windgeschwindigkeiten als gut für die Region Westaustralien eignet. In diesem Experiment wird ein Wertebereich von Pc vorgegeben und zur Konstruktion eines Windfelds verwendet. Die maximale Windgeschwindigkeit jedes einzelnen Zyklons kann im Verhältnis zu seinem zentralen Druck variieren, und diese Streuung führt zu einer gewissen Unsicherheit in der resultierenden Stärke der Sturmflut, da die Windgeschwindigkeit die Wasseroberfläche erzwingt. Die Autoren schätzen, dass die Unsicherheitsspanne für die Spitzenstärke der Sturmflut aufgrund dieser Streuung in der Größenordnung von 0,2 m liegt

Lowe et al. 100 zeigen, dass saisonale und zwischenjährliche Schwankungen des Meeresspiegels den Küstenmeeresspiegel entlang der Küste Westaustraliens erhöhen können, obwohl dies ein Effekt zweiter Ordnung im Vergleich zu einer Sturmflut von 4 bis 6 m ist. Die Modellierung wurde bei Flut durchgeführt, da diese zu diesem Zeitpunkt beobachtet wurde, und aufgrund des Alters des Ereignisses wurde keine saisonale Komponente berücksichtigt, obwohl diese möglicherweise bis zu 20 cm zum mittleren Meeresspiegel zu diesem Zeitpunkt beigetragen hat. Dies liegt innerhalb der Unsicherheit der Beobachtungen von Spitzenwasserständen, die auf den nächsten Fuß genähert wurden. Da sich Sturmfluten in flacherem Wasser zu einem höheren Ausmaß entwickeln, ist die Nutzung des Hochwasserstands eher konservativ.

Mangelnde Messungen an diesem Standort führen leider dazu, dass das hydrodynamische Modell für ein aktuelles Zyklonereignis nicht gut verifiziert werden konnte. Die Gezeiten wurden gut nachgebildet, was darauf hindeutet, dass die Bathymetrie und Parametrisierung des hydrodynamischen Modells, wie etwa die Bodenrauheit, geeignet waren. Simulationen von TC Hazel (1979) und Herbie (1988) (nicht gezeigt) ergeben Sturmflutstärken in Denham, die mit visuellen Beobachtungen von Überschwemmungen am Boden aus nicht überprüften Quellen vergleichbar sind, wenn man die schlechte Qualität der TC-Track-Informationen für diese Ereignisse berücksichtigt, was deren Ausschluss ausschließt Verwendung als strenge Kalibrierungsereignisse100. Der Windwiderstandskoeffizient wurde validiert, indem eine Reihe von 35 modellierten historischen TC-Ereignissen mit guten Sturmflutbeobachtungen rund um Australien verglichen wurde69.

In der Modellierung dieser Studie wird davon ausgegangen, dass die im Modell dargestellte Bathymetrie der Shark Bay im Jahr 1921 anwendbar war. Dies ist eine begründete Annahme, obwohl wir uns darüber im Klaren sind, dass sich die Lage der Sandbänke wahrscheinlich geändert hat. Die normalerweise niedrigen bis mäßigen ozeanografischen Bedingungen würden dazu führen, dass sich die Sandschwärme in den vergangenen 100 Jahren zu ihrem Gleichgewichtszustand hin entwickeln. Das Gesamtwasservolumen in der Shark Bay und die durchschnittliche Tiefe haben sich wahrscheinlich nicht wesentlich verändert. Die Lage bestimmter lokaler Untiefen ist wahrscheinlich kein wirksamer Einfluss auf die Entwicklung von Spitzenfluten, da die extremen Strömungen diese wahrscheinlich schnell erodieren würden.

Während sich die lokale Sedimentverteilung in der Shark Bay seit 1921 möglicherweise verändert hat, bleibt ihre großräumige Konfiguration als nach Norden offener Trichter erhalten. Angesichts der starken Kräfte, die durch die Zyklonströmungen und -wellen ausgeübt wurden, hätten sich die Sedimente auch bei dem Ereignis selbst erheblich bewegt. Es ist wahrscheinlich, dass die extreme Windbelastung während des Zyklons von 1921 eine sehr große Sturmflut ausgelöst hätte, unabhängig von den lokalen Sedimentmustern zu diesem Zeitpunkt, und das Ereignis hätte einen Sedimenttransport in großem Maßstab erzwungen, um das Sediment an den hydrologischen Antrieb anzupassen. Die durch die bathymetrische Änderung des Sedimentmaterials verursachte Unsicherheit des Spitzenwasserstands würde in der Größenordnung von 10–20 cm liegen.

Es wird davon ausgegangen, dass die Wellenumgebung in dieser Flachwasserumgebung unter zyklonischen Wellenbedingungen tiefenbegrenzt ist, was bedeutet, dass das Brechen der Wellen weit vor der Küste erfolgt und somit zum Wellenaufbau auf der Skala der gesamten Bucht und nicht lokal an der Küstenoberfläche beiträgt. Es wird geschätzt, dass der Wellenaufbau 0,1–0,2 m zum Wasserstand über dem Einlass beitragen kann, wie er an ähnlichen Orten unter Zyklonbedingungen auftritt (z. B. Mermaid Sound, Westaustralien)70. Diese Annahme kann in einer zukünftigen Studie mithilfe einer Kombination aus einem phasengemittelten Wellenmodell und einem küstennahen 2D-Wellenprofilmodell wie XBeach getestet werden. Eine Einschränkung besteht in diesem Fall darin, dass an diesem Standort keine Wellenbeobachtungsdaten für zeitgleiche Ereignisse zur Modellkalibrierung oder -validierung verfügbar sind.

Eine Überschwemmungsmodellierung war für dieses Ereignis aufgrund des Mangels an hochauflösenden topografischen Daten ausgeschlossen, und es wäre aufschlussreich zu verstehen, wie sich eine Sturmflut dieser Größenordnung über Land ausbreitet, wenn solche Daten verfügbar sind. Darüber hinaus könnte in einer zukünftigen Studie eine gekoppelte hydrodynamische Sedimenttransportmodellierung durchgeführt werden Informieren Sie darüber, wie großräumige Änderungen der Bathymetrie und der Küstenlandschaftsformen während eines extremen Zyklonereignisses auftreten können.

Die in dieser Studie verwendeten Daten umfassen historische Archivdaten, die vom State Records Office of Western Australia, der State Library of Western Australia und über die digitale Zeitungsdatenbank „Trove“ der National Library of Australia verfügbar sind. Das Tagebuch und die Korrespondenz von Wally Edwards sowie die Berichte über längerfristige Auswirkungen stammen aus Aufzeichnungen des State Records Office of Western Australia (siehe State Records Office (www.wa.gov.au)). Die Beobachtungen von Ines Fletcher und GW Fry stammen aus Sammlungen der State Library of Western Australia (State Library of Western Australia (slwa.wa.gov.au)). Alle Zeitungsberichte stammen aus der digitalen Zeitungsdatenbank „Trove“ der National Library of Australia, die öffentlich zugänglich ist (About | Trove (nla.gov.au)). Für das State Records Office und die State Library sind die relevanten Materialien nicht online zugänglich, sondern als physische Objekte, die persönlich eingesehen werden müssen. In diesem Sinne handelt es sich jedoch um öffentlich zugängliche Aufzeichnungen.

Für die Modellierung von Sturmfluten verwendeten wir Bairds südwestliches Australien-Ozeanmodell (Ref. 69,70), ein unstrukturiertes Open-Source-2D-vertikales hydrodynamisches Modell Delft3D-FM (https://oss.deltares.nl/web/delft3dfm). Das Baird-Ozeanmodell im Südwesten Australiens ist kommerziell eingeschränkt, die Autoren akzeptieren jedoch Anfragen für die Komponente im Zusammenhang mit diesem Projekt.

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Die Autoren erkennen die Malgana-Völker als die traditionellen Hüter von Gathaagudu an und zollen ihren früheren, gegenwärtigen und aufstrebenden Ältesten Respekt. ADS und JC (an der Murdoch University) wurden vom Australian Research Council LP150100649 und JC vom Social Sciences and Humanities Research Council of Canada unterstützt. ADS wurde vom Singapore Ministry of Education Academic Research Fund MOE2019-T3-1-004 und dem Earth Observatory of Singapore (Fördernummer 003113-00001) über seine Finanzierung durch die National Research Foundation Singapore und das Singapore Ministry of Education im Rahmen der Forschung unterstützt Initiative „Centers of Excellence“. Die Autoren würdigen HOLSEA und PALSEA, Arbeitsgruppen der International Union for Quaternary Sciences (INQUA) und Past Global Changes (PAGES), die wiederum Unterstützung von der Schweizerischen Akademie der Wissenschaften und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erhielten. MWF wurde durch das Robson and Robertson Research Fellowship der UWA und das Projekt Integrated Coastal Analyses and Sensor Technology (ICoAST) mit Mitteln des Indian Ocean Marine Research Centre, einer gemeinsamen Partnerschaft zwischen UWA, AIMS, CSIRO und DPIRD WA, unterstützt. Dieser Artikel ist ein Beitrag zum Projekt 725 des International Geoscience Program (IGCP), „Forecasting Coastal Change: From Cores to Code“. Diese Arbeit umfasst den EOS-Beitrag Nr. 524. Die Autoren danken Constance Chua für Kommentare zu einem früheren Entwurf, Fiona Williamson für Kommentare zum QHDF und Emma Hill für Kommentare zur inversen Modellierung.

Erdobservatorium von Singapur, Nanyang Technological University, Singapur, Singapur

Adam D. Switzer

Asian School of the Environment, Nanyang Technological University, Singapur, Singapur

Adam D. Switzer

Fakultät für Geisteswissenschaften, University of Western Australia, Perth, Australien

Joseph Christensen

School of Geosciences, University of Sydney, Sydney, Australien

Joanna Aldridge

Griffith Center for Coastal Management, Griffith University, Nathan, Australien

Joanna Aldridge

Baird Australia, Level 22 227 Elizabeth St, Sydney, Australien

David Taylor, Jim Churchill und Holly Watson

OceanOmics Centre, The Minderoo Foundation, Forrest Hall, Perth, Australien

Matthew W. Fraser

School of Biological Sciences & Oceans Institute, University of Western Australia, Perth, Australien

Matthew W. Fraser

Western Australian Marine Science Institution, Perth, Australien

Jenny Shaw

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ADS leitete die Konzeptualisierung, Methodik, formale Analyse, das Schreiben des Originalentwurfs, die Überprüfung und Bearbeitung; JC leitete die Entwicklung des QHDF und die Datenbeschaffung und Zusammenstellung historischer Datensätze sowie das Schreiben, Überprüfen und Bearbeiten. JA und DT leiteten die Modellierungskomponente des Programms mit Beiträgen zum Modell von Jim Churchill und Holly Watson. MWF und JS leiteten die Arbeit zu den Auswirkungen auf das Ökosystem, stellten den lokalen Kontext bereit und trugen zum Verfassen des Originalentwurfs bei.

Korrespondenz mit Adam D. Switzer.

ADS ist Mitglied des Redaktionsausschusses für Communications Earth & Environment, war jedoch weder an der redaktionellen Überprüfung noch an der Entscheidung zur Veröffentlichung dieses Artikels beteiligt. Alle anderen Autoren haben keine konkurrierenden Interessen.

Communications Earth & Environment dankt Ning Lin und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Hauptredakteur: Joe Aslin. Eine Peer-Review-Datei ist verfügbar

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Switzer, AD, Christensen, J., Aldridge, J. et al. Der Nutzen historischer Aufzeichnungen für die Gefahrenanalyse in einem Gebiet mit geringem Zykloneinfluss. Commun Earth Environ 4, 193 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00844-z

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Eingegangen: 20. Dezember 2021

Angenommen: 12. Mai 2023

Veröffentlicht: 31. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-023-00844-z

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