DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-024-06552-x
تاريخ النشر: 2024-04-09
المؤلف: Kees Nederhoff وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية
نظرة عامة
تقيّم هذه الورقة البحثية مخاطر الفيضانات على طول ساحل المحيط الأطلسي الجنوبي شبه الاستوائي في الولايات المتحدة، مع التركيز على مساهمات الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية في الفيضانات الساحلية. باستخدام نمذجة هيدروديناميكية متقدمة تم التحقق منها مقابل البيانات التاريخية، تكشف الدراسة أن الأعاصير غير الاستوائية مسؤولة عن أحداث الفيضانات الأكثر تكرارًا، مما يؤثر على ما يقرب من ضعف عدد الأشخاص سنويًا مقارنة بالأعاصير الاستوائية. ومع ذلك، خلال أحداث الفيضانات النادرة التي تحدث كل 100 عام، تهيمن الأعاصير الاستوائية، حيث تساهم بحوالي 96% من المساحة المغمورة بالمياه وتؤثر على 30 مرة أكثر من الأفراد مقارنة بنظرائها غير الاستوائية. ومن الجدير بالذكر أن الأعاصير الاستوائية تمثل أكثر من نصف إجمالي مخاطر الفيضانات المركبة الساحلية، على الرغم من أن أهميتها النسبية تتناقص مع ارتفاع مستويات البحر.
تشير النتائج إلى أنه مع ارتفاع مستويات البحر، ستزداد مدى الفيضانات بشكل كبير، مع توقع أن تتصاعد مخاطر الفيضانات السنوية من 6.3% من المناطق المنخفضة اليوم إلى 11.7% تحت ارتفاع 200 سم في مستوى البحر. ستؤدي هذه التحولات إلى تحويل أحداث الفيضانات غير المتكررة إلى أحداث أكثر شيوعًا، مما يزيد من المخاطر العامة للفيضانات بشكل غير خطي. تؤكد الدراسة على الحاجة الملحة لصانعي السياسات للنظر في كل من المخاطر المطلقة والنسبية للفيضانات، خاصة في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية مثل مقاطعات ميامي-ديد، وبراوارد، وبالم بيتش، مع الاعتراف أيضًا بأن المناطق الأصغر والأقل كثافة سكانية قد تواجه مخاطر نسبية أعلى. الإطار النموذجي المطور يلتقط بفعالية مستويات المياه الساحلية، على الرغم من أنه يعترف بالقيود في نمذجة العمليات الهيدرولوجية الداخلية بدقة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الزيادة المتزايدة في تعرض السكان الساحليين للأحداث الجوية المتطرفة، وخاصة الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية، مع تفاقم التنمية الحضرية وتغير المناخ. مع تقدير أن 680 مليون شخص يعيشون حاليًا في مناطق ساحلية منخفضة، ومن المتوقع أن يتجاوز العدد مليار شخص بحلول عام 2050، تواجه هذه المناطق مخاطر كبيرة من المخاطر الطبيعية، بما في ذلك الفيضانات التي تفاقمت بسبب ارتفاع مستوى البحر (SLR) وأحداث الفيضانات المركبة. تؤكد الورقة على تعقيد نمذجة هذه المخاطر، حيث يمكن أن تنتج الفيضانات عن عوامل مترابطة متعددة مثل ارتفاع الأمواج، المد العالي، والأمطار، والتي من المتوقع أن تتغير في الشدة والتكرار بسبب تغير المناخ.
يقترح المؤلفون سير عمل جديد لتحليل وتوقع تأثيرات كل من الأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية على مخاطر الفيضانات المركبة. يدمج هذا النهج العمليات الداخلية والساحلية على نطاقات مكانية كبيرة ويأخذ في الاعتبار سيناريوهات مناخية مستقبلية متعددة، بما في ذلك سبعة سيناريوهات لارتفاع مستوى البحر. تهدف الدراسة إلى سد فجوة في الأبحاث الحالية من خلال قياس المساهمات النسبية للأعاصير الاستوائية وغير الاستوائية في الفيضانات المركبة، وهو عامل حاسم لفهم المخاطر والتأثيرات المرتبطة. تم هيكلة الورقة لوصف المجال الإقليمي أولاً، تليها المنهجية، والنتائج، والمناقشات الختامية، مما يساهم في مبادرة أوسع من قبل المسح الجيولوجي الأمريكي لتقييم مخاطر الفيضانات الساحلية والتآكل المستقبلية في جنوب شرق الولايات المتحدة.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، المدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على التقنيات والنهج المستخدمة لتحقيق أهداف الدراسة، مما يسهل الأبحاث المستقبلية في هذا المجال.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$)، مما يشير إلى توافق جيد مع البيانات الملاحظة.
علاوة على ذلك، تكشف التحليلات أن بعض المعلمات تؤثر بشكل كبير على النتائج، مع قيم p أقل من 0.05 تشير إلى الأهمية الإحصائية. تساهم هذه النتائج في فهم الآليات الأساسية المعنية وتقترح طرقًا محتملة لمزيد من البحث. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النهج المقترح وتأثيراته على التطبيقات المستقبلية في هذا المجال.
مناقشة
تتميز منطقة الساحل الأطلسي الجنوبي الشرقي، التي تشمل مناطق من خليج بيسكاين، فلوريدا، إلى خليج تشيسابيك، بمناطق منخفضة وسرعة التحضر، خاصة في المناطق الحضرية مثل ميامي وتشارلستون. يزيد هذا النمو الحضري من التعرض للفيضانات، خاصة مع ارتفاع مستويات البحر العالمية – وهو اتجاه من المتوقع أن يتسارع بسبب عوامل مثل فقدان كتلة الجليد في القارة القطبية الجنوبية. تشير التوقعات الأخيرة إلى أن مستويات البحر المحلية قد ترتفع بمقدار 0.3-0.5 م بحلول عام 2050 وحتى 2.7 م بحلول عام 2150، مما يؤثر بشكل كبير على تكرار الفيضانات في المجتمعات المعرضة بالفعل للخطر. تعمل مدن مثل تشارلستون على تطوير استراتيجيات للتخفيف من هذه المخاطر، كما يتضح من خطة استراتيجية ارتفاع مستوى البحر الخاصة بهم.
تستخدم الدراسة إطارًا نمذجيًا يعتمد على نظام نمذجة العواصف الساحلية (CoS-MoS) ونموذج SFINCS (التغمر السريع للسواحل) لمحاكاة ديناميات الفيضانات على اليابسة. يدمج هذا النهج عوامل متعددة، بما في ذلك التضاريس، نوع التربة، واستخدام الأراضي، لتقييم مخاطر الفيضانات تحت سيناريوهات مختلفة لارتفاع مستوى البحر. شملت عملية التحقق من صحة النموذج بيانات واسعة من محطات مستوى المياه التابعة لـ NOAA وأحداث العواصف التاريخية، مما يضمن موثوقيته للتوقعات المناخية المستقبلية. تتضمن المنهجية أيضًا طريقة رقم المنحنى لتقدير الجريان السطحي، مما يعزز دقة النموذج في توقع تأثيرات الفيضانات عبر ساحل المحيط الأطلسي الجنوبي الشرقي.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-024-06552-x
Publication Date: 2024-04-09
Author(s): Kees Nederhoff et al.
Primary Topic: Tropical and Extratropical Cyclones Research
Overview
This research paper assesses flood hazards along the subtropical Southeast Atlantic Coast of the United States, focusing on the contributions of tropical and extratropical cyclones to coastal flooding. Utilizing advanced hydrodynamic modeling validated against historical data, the study reveals that extratropical cyclones are responsible for more frequent flooding events, impacting nearly twice as many people annually compared to tropical cyclones. However, during rare 100-year flood events, tropical cyclones dominate, contributing approximately 96% of the flooded area and affecting 30 times more individuals than their extratropical counterparts. Notably, tropical cyclones account for over half of the total coastal compound flood risk, although their relative importance diminishes with rising sea levels.
The findings indicate that with increasing sea levels, the extent of flooding will rise significantly, with annual flood hazards projected to escalate from 6.3% of low-lying areas today to 11.7% under 200 cm of sea level rise. This shift will transform infrequent flood events into more common occurrences, thereby increasing the overall flood risk non-linearly. The study emphasizes the critical need for policymakers to consider both absolute and relative flood risks, particularly in densely populated regions like Miami-Dade, Broward, and Palm Beach counties, while also recognizing that smaller, less populated areas may face higher relative risks. The developed model framework effectively captures coastal water levels, although it acknowledges limitations in accurately modeling inland hydrological processes.
Introduction
The introduction highlights the increasing vulnerability of coastal populations to extreme weather events, particularly tropical and extratropical cyclones, as urban development and climate change intensify. With an estimated 680 million people currently living in low-lying coastal zones—projected to exceed one billion by 2050—these areas face significant risks from natural hazards, including flooding exacerbated by sea-level rise (SLR) and compound flooding events. The paper underscores the complexity of modeling these risks, as flooding can result from various interrelated factors such as storm surges, high tides, and rainfall, which are expected to change in intensity and frequency due to climate change.
The authors propose a novel workflow for analyzing and predicting the impacts of both tropical and extratropical cyclones on compound flooding hazards. This approach integrates inland and coastal processes over large spatial scales and considers multiple future climate scenarios, including seven SLR scenarios. The study aims to fill a gap in existing research by quantifying the relative contributions of tropical and extratropical cyclones to compound flooding, a critical factor for understanding the associated hazards and impacts. The paper is structured to first describe the regional domain, followed by the methodology, results, and concluding discussions, contributing to a broader initiative by the U.S. Geological Survey to assess future coastal flooding and erosion risks in the Southeast United States.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the techniques and approaches utilized to achieve the study’s objectives, facilitating future research in the field.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a strong correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value, which suggests a good fit to the observed data.
Furthermore, the analysis reveals that certain parameters significantly influence the outcomes, with p-values less than 0.05 indicating statistical significance. These findings contribute to the understanding of the underlying mechanisms at play and suggest potential avenues for further research. Overall, the results underscore the efficacy of the proposed approach and its implications for future applications in the field.
Discussion
The Southeast Atlantic coastal zone, encompassing areas from Biscayne Bay, Florida, to the Chesapeake Bay, is characterized by low-lying regions and rapid urbanization, particularly in metropolitan areas like Miami and Charleston. This urban growth increases vulnerability to flooding, especially as global sea levels rise—a trend projected to accelerate due to factors such as Antarctic ice sheet mass loss. Recent projections indicate that local sea levels could rise by 0.3-0.5 m by 2050 and up to 2.7 m by 2150, significantly impacting flood frequency in already at-risk communities. Cities like Charleston are proactively developing strategies to mitigate these risks, as evidenced by their Sea-Level Rise Strategy Plan.
The study employs a modeling framework based on the Coastal Storm Modeling System (CoS-MoS) and the SFINCS (Super-Fast INundation of CoastS) model to simulate overland flooding dynamics. This approach integrates various factors, including topography, soil type, and land cover, to assess flooding risks under different sea-level rise scenarios. The model’s validation involved extensive data from NOAA water level stations and historical storm events, ensuring its reliability for future climate projections. The methodology also incorporates a Curve Number method for estimating runoff, enhancing the model’s accuracy in predicting flood impacts across the Southeast Atlantic Coast.