新工具预测气候变暖中飓风的洪水风险

未来几年，沿海城市和社区将面临更频繁的气候变化大飓风。为了帮助沿海城市为未来的风暴做好准备，麻省理工学院的科学家们开发了一种方法来预测未来几十年随着飓风的发展，沿海社区可能会经历多少洪水。

当飓风登陆时，强风会掀起咸咸的海水，在沿海地区产生风暴潮。随着暴风雨在陆地上移动，暴雨会引发内陆进一步的洪水。当风暴潮和降雨等多个洪水源相互作用时，它们会加剧飓风的危害，导致的洪水比单独由任何一个来源造成的洪水要多得多。这项新研究引入了一种基于物理学的方法，用于预测在沿海城市气候变暖的情况下，这种复杂的复合洪水的风险如何演变。

复合洪水影响的一个例子是2012年飓风桑迪的后果。这场风暴在美国东海岸登陆，因为大风掀起了高耸的风暴潮，再加上一些地区的降雨驱动的洪水，在纽约和新泽西州造成了历史性的毁灭性洪水。

在他们的研究中，麻省理工学院的研究小组将新的复合洪水建模方法应用于纽约市，以预测气候变化如何影响未来几十年桑迪飓风的复合洪水风险。

他们发现，在当今的气候下，沙质复合洪水事件可能每150年袭击纽约市一次。到本世纪中叶，气候变暖将使这种洪水的频率上升到每60年一次。到本世纪末，破坏性的桑迪式洪水将每30年淹没一次这座城市，与目前的气候相比增加了五倍。

“天气灾害造成的长期平均损失通常由飓风桑迪等罕见，强烈的事件主导，”该研究的共同作者，麻省理工学院大气科学名誉教授Kerry Emanuel说。“把这些做好很重要。”

虽然这些都是发人深省的预测，但研究人员希望洪水预报可以帮助城市规划者准备和防范未来的灾难。“我们的方法为沿海城市当局和政策制定者提供了必要的工具，可以在当前和未来几十年内对沿海城市飓风进行详细、细致的复合洪水风险评估，并延伸到每条街道或建筑物，”研究作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系博士后Ali Sarhadi说。

该团队的开放获取研究今天在线发表在 《美国气象学会公报》上。合著者包括麻省理工学院洛伦兹中心的Raphaël Rousseau-Rizzi，哥伦比亚大学的Kyle Mandli，布里斯托大学的Jeffrey Neal，马德里查尔斯三世大学的Michael Wiper和瑞士洛桑联邦理工学院的Monika Feldmann。

洪水的种子

为了预测一个地区的洪水风险，天气建模者通常会回顾过去。历史记录包含对以前飓风的风速、降雨量和空间范围的测量，科学家用这些数据来预测即将到来的风暴可能发生的洪水的地点和程度。但萨哈迪认为，这些历史记录的局限性和简洁性不足以预测未来飓风的风险。

“即使我们有很长的历史记录，它们也不会成为未来气候变化风险的良好指南，”他说。“气候变化正在改变飓风的结构特征、频率、强度和运动，我们不能依赖过去。

相反，Sarhadi和他的同事们希望使用基于物理的风险评估方法来预测一个地区在气候变化中遭受飓风洪水的风险。他们首先将飓风活动的模拟与随时间变化的海洋和大气耦合模型配对。通过最初由伊曼纽尔开发的飓风模拟，研究人员几乎将数以万计的飓风“种子”散布到模拟气候中。大多数种子消散，而少数种子则长成类别级风暴，具体取决于海洋和大气条件。

当该团队使用某些全球温度预测下的海洋和大气条件的气候模型来驱动这些飓风模拟时，他们可以看到飓风在过去、当前和未来气候条件下的强度、频率和大小如何变化。

然后，该团队试图精确预测沿海城市未来飓风造成的复合洪水的水平和程度。研究人员首先使用降雨模型来模拟大量模拟飓风的降雨强度，然后应用数值模型在飓风登陆期间将降雨强度水力转化为地面洪水，并提供有关其表面和地形特征等区域的信息。他们还模拟了相同的飓风风暴潮，使用流体动力学模型将飓风的最大风速和海平面压力转化为沿海地区的浪涌高度。该模拟进一步评估了海水向沿海地区的传播，导致沿海洪水。

然后，该团队开发了一个数值流体动力学模型，以预测飓风引发的洪水的两个来源，如风暴潮和降雨驱动的洪水，将如何在时间和空间上同时相互作用，因为模拟飓风在纽约市等沿海地区登陆，在当前和未来的气候下。

“咸水潮驱动的洪水和淡水降雨驱动的洪水之间存在复杂的非线性水动力相互作用，形成了许多现有方法忽略的复合洪水，”Sarhadi说。“因此，他们低估了复合洪水的风险。

风险放大

有了洪水预报方法，该团队将其应用于一个特定的测试用例：纽约市。他们使用多管齐下的方法预测了城市在当前和未来气候下飓风，更具体地说是桑迪飓风造成的复合洪水风险。他们的模拟表明，随着气候变暖，该市在未来几十年内经历类似桑迪洪水的几率将显着增加，从当前气候下的每150年一次，到2050年每60年一次，到2099年每30年一次。

有趣的是，他们发现，这种风险的增加与飓风本身如何随着气候变暖而变化的关系不大，而是与世界各地的海平面将如何上升有关。

“在未来几十年里，我们将经历沿海地区的海平面上升，我们还将这种影响纳入我们的模型中，看看这将增加多少复合洪水的风险，”Sarhadi解释说。“事实上，我们看到海平面上升在放大纽约市飓风造成复合洪水的风险方面发挥了重要作用。

该团队的方法可以应用于任何沿海城市，以评估飓风和温带风暴造成的复合洪水风险。通过这种方法，Sarhadi希望决策者能够就实施适应性措施做出明智的决定，例如加强海岸防御以增强基础设施和社区复原力。

“突出我们研究紧迫性的另一个方面是，预计到本世纪中叶，沿海人口将增加25%，导致对破坏性风暴的暴露增加，”Sarhadi说。“此外，我们在沿海洪水易发地区拥有数万亿美元的资产，因此需要采取积极主动的策略来减少气候变暖下飓风造成的复合洪水造成的损失。”

这项研究在一定程度上得到了Homesite Insurance的支持。