新工具预测气候变暖中飓风带来的洪水风险

当飓风登陆时，强风会掀起咸水，在沿海地区产生风暴潮。当风暴移过陆地时，暴雨可能会进一步引发内陆洪水。当风暴潮和降雨等多个洪水源相互作用时，它们可能会加剧飓风的危害，导致比单独任何一个洪水源造成的洪水要多得多。这项新研究引入了一种基于物理的方法，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可能如何演变。

复合洪水影响的一个例子是2012年桑迪飓风的后果。这场风暴在美国东海岸登陆，强风引发了高耸的风暴潮，与降雨驱动的洪水相结合，在一些地区造成了历史性的和严重的洪水。纽约和新泽西发生毁灭性洪水。

在他们的研究中，麻省理工学院的团队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类似桑迪飓风的复合洪水风险。

他们发现，在当今的气候下，纽约市可能每150年就会发生一次桑迪级复合洪水事件。到本世纪中叶，气候变暖将使此类洪水发生的频率增加，达到每60年一次。到本世纪末，每隔30年就会发生一次破坏性的桑迪式洪水，淹没这座城市——与目前的气候相比，增加了五倍。

研究合著者、麻省理工学院大气科学名誉教授克里·伊曼纽尔表示：“天气灾害造成的长期平均损失通常主要是像飓风桑迪这样罕见的强烈事件。”“把这些做好是很重要的。”

虽然这些预测发人深省，但研究人员希望洪水预报能够帮助城市规划者做好准备并防范未来的灾难。研究作者阿里·萨尔哈迪(AliSarhadi)表示：“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的飓风进行复合洪水风险评估，并扩展到每条街道或建筑物。”，麻省理工学院地球、大气和行星科学系的博士后。

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。历史记录包含对先前飓风的风速、降雨量和空间范围的测量，科学家利用这些测量来预测即将到来的风暴可能发生的地点和程度。但萨哈迪认为，这些历史记录的局限性和简短性不足以预测未来的飓风风险。

“即使我们有很长的历史记录，它们也不能很好地指导气候变化带来的未来风险，”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。”

萨哈迪和他的同事们希望使用基于物理的风险评估方法来预测气候变化下该地区发生飓风洪水的风险。他们首先将飓风活动的模拟与随时间变化的海洋和大气模型结合起来。通过伊曼纽尔最初开发的飓风模拟，研究人员实际上将数万颗飓风“种子”撒入模拟气候中。大多数种子会消散，而少数会成长为类别级风暴，具体取决于海洋和大气的条件。

当团队在某些全球温度预测下利用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、当前和未来的气候条件下如何变化，例如强度、频率和规模。

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，然后根据某个区域的表面和地形特征等信息，应用数值模型将降雨强度通过水力转化为飓风登陆期间地面上的洪水。。他们还模拟了同一飓风的风暴潮，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风暴潮高度。该模拟进一步评估了海水向沿海地区传播，导致沿海洪水的情况。

然后，该团队开发了一个数值流体动力学模型，以预测当模拟飓风在纽约等沿海地区登陆时，风暴潮和降雨引发的洪水等两种飓风引发的洪水源将如何在时间和空间上同时相互作用城市，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，”萨尔哈迪说。“因此，他们低估了复合洪水的风险。”

风险放大

洪水预测方法到位后，团队将其应用于特定的测试案例：纽约市。他们使用多管齐下的方法来预测在当前和未来的气候下，该市因飓风(尤其是类似桑迪飓风)而发生复合洪水的风险。他们的模拟显示，随着气候变暖，未来几十年该市遭遇桑迪式洪水的几率将显着增加，从当前气候下每150年一次，到2050年每60年一次，到2099年每30年一次。

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