StormRisk: Linking Norwegian windstorms and damage, future risk and the feasibility of impact based forecasting

Abstract

Vindstormer er blant de mest signifikante naturfarene i Norge, og kan påføre skade på infrastruktur og eiendom, inkludert boliger, industribygg og kraftlinjer. Pålitelige risikoanalyser av vindstormer og nøyaktige værmeldinger er derfor avgjørende for beredskap og skadebegrensning ved stormhendelser. Ved bruk av historiske data over vindskader i Norge etablerer vi relasjoner mellom storm og skade for norske kommuner gjennom funksjoner for stormskade som knytter vindhastighet til skade. Disse relasjonene kobles deretter med scenarier for framtidige forandringer i vindhastighet og demografi for å kvantifisere klimaendringenes påvirkning på fremtidige skader. Til slutt undersøker vi mulighetene for å bruke storm-skade-relasjonene med for å varsle tanke på å forutsi stormskader.

Storm-skade-relasjonene etableres ved å kalibrere fire skadefunksjoner på kommunenivå i Norge, og deres prediktive evne analyseres i Artikkel I. Denne studien bruker detaljerte og pålitelige forsikringsdata samt høyoppløselige vindhastighetsdata fra det norske hindcast-arkivet (NORA3). Resultatene viser at ingen av skadefunksjonenen presterte systematisk bedre enn de andre med hensyn til prediksjonsevne. Skadefunksjoner basert på vindhastighet vektet etter befolkning ga bedre prediksjonsresultater enn de som benyttet vindhastigheter for hele kommunen, noe som understreker betydningen av eksponering i risikoanalyse. Det er utviklet en klassifiseringsmodell som skiller mellom vindhendelser som gir tap av verdier og de som ikke gjør det. Både skadefunksjonene og klassifiseringsmodellen fanger opp romlige tapmønstre ved ekstreme stormer, men det er store usikkerheter i tapsestimatene for hendelser med små og moderate tap.

I Artikkel II brukes de kalibrerte skadefunksjonene på kommunenivå i Norge for å vurdere hvordan klimaforandringer- og demografiske endringer påvirker fremtidige stormskader. Fremtidige vindhastigheter estimeres fra tjue bias-korrigerte regionale klimamodellsimuleringer fra EURO-CORDEX. Alle klimamodellene bruker utslippscenario rcp8.5 som gir rundt 4 grader global oppvarming på slutten av århundret. Analyse av vindhastighet vektet etter befolkning viser en nedgang i 98. persentilen for vindhastigheter i to tredjedeler av landet ved slutten av århundret, mens maksimale vindhastigheter forventes å øke i nesten alle kommuner. Med tanke på kun virkningen av klimaforandringer, med dagens eksponeringsnivå, finner vi en medianøkning på 34\% i stormskader for Norge. Fremtidige skader påvirkes også av forandring i eksponering. Ved bruk av tre kommunebaserte befolkningsfremskrivninger og fire skadefunksjoner på tjue vindhastighetsprognoser, finner vi at median skadeendringer i Norge kan variere fra -1\% til +66\% under fremtidige klima- og demografiforhold. Imidlertid gjenstår store usikkerheter i skadeprognosene, hovedsakelig som følge av klimamodeller, eksponeringsscenarier og skadefunksjoner.

I Artikkel III foreslås et nytt rammeverk for skadebasert varsling av stormskader, hvor klassifiseringsmodellen utviklet i Artikkel I utgjør kjernekomponenten. Et trafikksystem med lys i gul, oransje eller rød kategori av alvorlighet er utviklet på kommunenivå ved hjelp av skadeinformert klassifisering og sammenlignet med en ren vindbasert klassifisering. Trafikklyssystemet testes med vindprognoser fra Meteorologisk institutts MetCoOp Ensemble Prediction System (MEPS). Resultatene viser at et skadeinformert trafikklys system samsvarer bedre med observert skade enn den rent vindbaserte klassifiseringen, selv om det gir et høyere antall falske alarmer. I tillegg bør trafikklyssystemet kalibreres i henhold til bruksområder, ettersom valget av terskler involverer subjektivitet. I 70\% av tilfellene var det observerte pengetap på fylkesnivå innenfor ensemblespredningen til skadeprognosen.

Windstorms are among the most significant natural hazards in Norway, inflicting damage on infrastructure and property, including houses, industrial buildings and power lines. Reliable windstorm risk assessments and accurate storm forecasts are therefore crucial for storm event preparedness and mitigation. Using historical wind-damage data for Norway, we establish storm-damage relationships for Norwegian municipalities using storm-damage functions. These relationships are then coupled with wind speed and demographic projections to quantify the impacts of climate change on future damages. Lastly, we explore the opportunities to refine the storm-damage relationships for forecasting storm damage.

Storm damage relationships are established by calibrating four damage functions at the municipality-level resolution of Norway, and their predictive skill is analyzed in Paper I. This study utilizes detailed and reliable insurance loss data and high-resolution wind speed data from the NOrwegian hindcast Archive (NORA3). Results show that no single damage function consistently outperformed the others in terms of predictive skill. Damage function fits using population-weighted wind speed demonstrated better predictive performance than those using raw wind speeds, emphasizing the importance of exposure in risk analysis. Using damage probabilities, a damage classifier that distinguishes between damaging and non-damaging events is devised. Both the damage functions and classifier capture spatial patterns of losses for extreme storms but large uncertainties remain in loss estimation of moderate and weak events.

In Paper II, the damage functions calibrated at the municipality level of Norway are used to assess the impacts of climate and demographic change on future storm damages. Future wind speeds are taken from twenty bias-corrected regional climate model simulations from EURO-CORDEX. The climate models are all run with emission scenario rcp8.5 giving a global warming in the range of 4 degrees Celsius by the end of the century. Analysis of population-weighted wind speed shows a decrease of the 98th percentile wind speeds in two-thirds of the country by the end of the century, while maximum wind speeds are projected to increase in nearly all municipalities. Considering only the impact of climate change, with present exposure levels, we find a median increase of 34\% in storm damages for Norway. Future damages are also determined by exposure scenarios. Using three municipality-level population projection scenarios as proxies for future exposure and applying four damage functions to twenty wind speed projections, we find that median damage changes in Norway could range from -1\% to +66\% under future climate and demography changes. However, large uncertainties remain in damage projections, arising from the choice of climate models, exposure scenarios, and damage functions.

In Paper III, a novel framework for impact-based forecasting of damages is proposed, with the damage classifier developed in Paper I as the core component. A traffic light system, that classifies wind speed into yellow, orange or red severity categories, is developed at the municipality level using the damage-informed classifier and compared with a purely wind-informed classifier. The traffic light system is tested using wind speed forecasts from the Norwegian Meteorological Institute’s MetCoOp Ensemble Prediction System (MEPS). Results show that the damage-informed traffic light system aligns more closely with observed red damage warnings than the purely wind-based classifier, although it is prone to a higher number of false alarms. Additionally, the traffic light system should be calibrated according to use cases, as the selection of thresholds involves subjectivity. In 70\% of the cases the county level observed monetary loss was withing the ensemble spread of the forecast.