DOI: https://doi.org/10.1029/2025ef007367
تاريخ النشر: 2026-02-01
المؤلف: Lauren Grimley وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقييم وإدارة مخاطر الفيضانات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تأثير الأعاصير الاستوائية (TCs) على مخاطر الفيضانات في شرق كارولينا الشمالية والجنوبية، مع التأكيد على أهمية فهم التفاعلات بين عمليات الفيضانات الناتجة عن الأمطار والفيضانات الساحلية. من خلال محاكاة أكثر من 2,800 إعصار استوائي اصطناعي تحت سيناريوهات مناخية تاريخية ومستقبلية (SSP5-8.5)، تكشف الأبحاث أن التغيرات المتوقعة في خصائص الأعاصير الاستوائية – وبشكل خاص السرعات البطيئة للترجمة وزيادة معدلات الأمطار – ترفع بشكل كبير من مدى الفيضانات وعمقها. ومن الجدير بالذكر أن خطر الفيضانات السنوي بنسبة 1% من المتوقع أن يزيد بنسبة 36%، مع مساهمة الفيضانات المركبة التي تكاد تتضاعف من 12% إلى 25%. كما أن ارتفاع مستوى سطح البحر يزيد من تفاقم الفيضانات الساحلية والمركبة، مما يدفع بمدى الفيضانات إلى الداخل وإلى مجرى النهر.
تسلط النتائج الضوء على الفجوات الحرجة في تقييمات مخاطر الفيضانات التقليدية، التي غالبًا ما تقلل من تقدير الغمر من خلال نمذجة الجريان السطحي ومخاطر الفيضانات الساحلية بشكل منفصل. توضح الدراسة أن الاحتمالية المشتركة لظروف حدود العواصف لا تعكس بدقة احتمال مدى الفيضانات على مستوى حوض المياه. من خلال استخدام إطار عمل احتمالي مع نماذج قائمة على الفيزياء، تؤكد الأبحاث على ضرورة التقاط الديناميات المكانية الزمنية المعقدة للفيضانات من أجل تقييمات دقيقة لمخاطر الفيضانات الناتجة عن الأعاصير الاستوائية على مستوى حوض المياه. هذه الرؤى حيوية لإبلاغ التخطيط المستند إلى المخاطر، وتصميم البنية التحتية، واستراتيجيات التكيف في المناطق الساحلية التي تواجه مخاطر متزايدة من الفيضانات بسبب تغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الاقتصادي الكبير للأعاصير الاستوائية (TCs)، التي أدت إلى خسائر عالمية بلغت 161 مليار دولار أمريكي في عام 2024، متجاوزة المتوسط لمدة 10 سنوات بمقدار 47 مليار دولار أمريكي. تؤكد الدراسة على الطبيعة التدميرية للأعاصير الاستوائية بسبب رياحها الشديدة، والأمطار الغزيرة، وارتفاع الأمواج، التي يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات الفيضانات المركبة في أحواض المياه الساحلية. تؤكد الأعاصير الأخيرة، مثل هارفي وفلورنس، على ضرورة إجراء تقييمات شاملة لمخاطر الفيضانات تأخذ في الاعتبار كل من ارتفاع الأمواج وعمليات الفيضانات الناتجة عن الأمطار، خاصة في المناطق المنخفضة حيث قد تكون التقييمات التقليدية غير كافية.
تحدد الورقة فجوة حرجة في المنهجيات الحالية لتقييم مخاطر الفيضانات الناتجة عن الأعاصير الاستوائية، التي غالبًا ما تعتمد على بيانات تاريخية محدودة وإطارات نمذجة مكلفة حسابيًا. تناقش مجموعة متنوعة من الأساليب، بما في ذلك طريقة الاحتمالية المشتركة – أخذ العينات المثلى (JPM-OS) والنماذج الإحصائية، التي تهدف إلى تقييم مخاطر الفيضانات ولكن تفتقر إلى توافق في التطبيق وتنتج نتائج متغيرة. علاوة على ذلك، تشير المقدمة إلى تغير المناخ للأعاصير الاستوائية، مثل انخفاض سرعات الترجمة وزيادة معدلات الأمطار، مما يعقد توقعات مخاطر الفيضانات. تهدف الدراسة إلى معالجة هذه القضايا من خلال استخدام مجموعة بيانات للأعاصير الاستوائية الاصطناعية ونماذج عددية قائمة على الفيزياء لتوليد تقديرات احتمالية لمخاطر الفيضانات لخمس أحواض مائية في كارولينا، مع دراسة كيف تؤثر التغيرات المتوقعة في مناخ الأعاصير الاستوائية على ديناميات الفيضانات والعلاقة بين ظروف الحدود ومخاطر الفيضانات.
الطرق
توضح قسم “البيانات والطرق” تصميم البحث والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. تفصل مصادر البيانات المستخدمة، بما في ذلك مجموعات البيانات الأولية والثانوية، وتصف معايير اختيار البيانات وجمعها. تشمل المنهجية أساليب كمية ونوعية، مما يضمن تحليلًا شاملاً للأسئلة البحثية المطروحة.
تستخدم تقنيات إحصائية، مثل تحليل الانحدار واختبار الفرضيات، لتفسير البيانات، مع إيلاء اهتمام خاص للافتراضات الأساسية لهذه الأساليب. كما يبرز القسم أي أدوات برمجية مستخدمة لتحليل البيانات، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج. بشكل عام، تم تصميم الطرق لاختبار الفرضيات بدقة وتقديم نتائج قوية تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تُظهر النتائج أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، كما يتضح من قيمة p التي تقل عن 0.05، مما يشير إلى أن التأثير الملاحظ ذو دلالة إحصائية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التفاعل بين المتغيرين $A$ و $B$ يؤثر بشكل كبير على المتغير التابع $Z$، مع حجم تأثير محسوب يشير إلى تأثير متوسط إلى كبير. تساهم هذه النتائج في فهم الآليات الأساسية المعنية وتسلط الضوء على الإمكانية لمزيد من الاستكشاف في الأبحاث المستقبلية. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية العلاقات المحددة وتأثيراتها على هذا المجال.
المناقشة
تستكشف الدراسة تأثيرات الأعاصير الاستوائية (TCs) على الفيضانات في كارولينا، باستخدام مجموعة بيانات للأعاصير الاستوائية الاصطناعية لمحاكاة الفيضانات عبر خمس أحواض مائية. تكشف النتائج أن الأعاصير الاستوائية من المتوقع أن تظهر سرعات ترجمة أبطأ وزيادة في معدلات الأمطار في المستقبل، مع ارتفاع معدل الأمطار الذروة من 28.0 مم/ساعة إلى 40.4 مم/ساعة. يؤدي هذا الارتفاع في الأمطار، جنبًا إلى جنب مع انخفاض في ذروة المد العاصف، إلى زيادة كبيرة في إجمالي مدى الفيضانات السطحية، والتي من المتوقع أن تزيد بعوامل 1.20 (الوسيط) و1.77 (النسبة المئوية 90) في المستقبل. كما تبرز الدراسة مساهمات الجريان السطحي والعمليات الساحلية والمركبة في الفيضانات، حيث تُظهر سيناريوهات الجريان السطحي فقط زيادات كبيرة في مدى الفيضانات.
تشير تقييمات مخاطر الفيضانات الاحتمالية إلى أن مدى وعمق مخاطر الفيضانات ستزداد بسبب تغير مناخ الأعاصير الاستوائية. على وجه الخصوص، من المتوقع أن يرتفع مدى الفيضانات بنسبة 1% من احتمال تجاوزها السنوي (AEP) بمقدار 4,924 كم²، بينما ستزداد أعماق الفيضانات المتوسطة والوسيط بمقدار 0.21 م و0.11 م، على التوالي. تؤكد التحليلات على عدم كفاية الاعتماد فقط على سيناريوهات الجريان السطحي أو الساحلية لتقييم مخاطر الفيضانات، حيث إنها تقلل بشكل كبير من تقديرات مدى وعمق الفيضانات الإجمالية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى نمذجة شاملة للفيضانات تأخذ في الاعتبار جميع العمليات المساهمة لفهم أفضل وتقليل مخاطر الفيضانات المستقبلية في المنطقة.
القيود
في هذه الدراسة، يعترف المؤلفون بعدة قيود قد تؤثر على قوة نتائجهم المتعلقة بالأعاصير الاستوائية (TCs) والفيضانات المرتبطة بها. تعتمد الأبحاث على أعاصير استوائية اصطناعية وسيناريو انبعاثات عالية واحد (SSP5-8.5) متوقع لعام 2100، بينما من المتوقع أن تؤدي سيناريوهات الانبعاثات المنخفضة (مثل SSP2-4.5، SSP3-7.0) إلى نتائج نوعية مماثلة. ومع ذلك، فإن افتراض معدل وصول ثابت للأعاصير الاستوائية لكل من الفترات التاريخية والمستقبلية يقدم عدم يقين، خاصة فيما يتعلق بتكرار الأعاصير الاستوائية في المستقبل، والذي لا يزال غير واضح. على الرغم من أن التوقعات تشير إلى زيادة في شدة العواصف عبر نماذج المناخ العالمية المختلفة (GCMs)، فإن اعتماد الدراسة على نموذج مناخ عالمي واحد (CANESM) بسبب القيود الحسابية قد يؤدي إلى اختلافات كبيرة في تقديرات المخاطر المركبة، خاصة إذا تم اعتبار نماذج أخرى تتنبأ بعواصف أكثر شدة.
بالإضافة إلى ذلك، لا تأخذ الدراسة في الاعتبار عدة عوامل حاسمة قد تؤثر على نتائج الفيضانات. على سبيل المثال، يتجاهل نموذج TCR الأشرطة المطرية الخارجية، التي يمكن أن تسهم بشكل كبير في الفيضانات الداخلية، ولم يتم التحكم في تفاعل ذروة المد العاصف مع تقلبات المد. قد يؤدي غياب نهج احتمالي لارتفاع مستوى سطح البحر واستبعاد تصريف الأنهار في السيناريو الساحلي فقط إلى تقليل تقديرات مدى الفيضانات الإجمالية. كما يشير المؤلفون إلى أن بيانات قاع القناة عالية الدقة مفقودة، مما قد يؤثر على دقة النموذج، ولا يأخذون في الاعتبار ظروف رطوبة التربة الأولية أو التغيرات في استخدام الأراضي، وكلاهما يمكن أن يؤثر على الجريان السطحي والفيضانات. أخيرًا، قد تؤدي المنهجية المستخدمة لحساب مقاييس الفيضانات إلى إخفاء الديناميات الحقيقية لتأثيرات العواصف، حيث إنها تأخذ متوسط معدلات الأمطار الذروة وسرعات الرياح عبر المناطق المختارة بدلاً من الامتداد الكامل للعاصفة، ولا تأخذ في الاعتبار الفجوات الزمنية بين المد العاصف والأمطار.
DOI: https://doi.org/10.1029/2025ef007367
Publication Date: 2026-02-01
Author(s): Lauren Grimley et al.
Primary Topic: Flood Risk Assessment and Management
Overview
This study investigates the impact of tropical cyclones (TCs) on flood risk in eastern North and South Carolina, emphasizing the importance of understanding the interactions between rainfall-driven and coastal flood processes. By simulating over 2,800 synthetic TCs under both historical and future climate scenarios (SSP5-8.5), the research reveals that projected changes in TC characteristics—specifically slower translation speeds and increased rainfall rates—significantly elevate flood extent and depth. Notably, the 1% annual flood hazard is projected to increase by 36%, with the contribution of compound flooding nearly doubling from 12% to 25%. The inclusion of sea level rise further exacerbates coastal and compound flooding, pushing flood extents inland and upriver.
The findings highlight critical gaps in traditional flood hazard assessments, which often underestimate inundation by modeling runoff and coastal flood hazards in isolation. The study demonstrates that the joint-probability of storm boundary conditions does not accurately reflect the probability of overland flood extent at the watershed scale. By employing a probabilistic framework with physics-based models, the research underscores the necessity of capturing the complex spatiotemporal dynamics of flooding for accurate watershed-scale TC flood hazard assessments. These insights are vital for informing risk-informed planning, infrastructure design, and adaptation strategies in coastal regions facing increasing flood risks due to climate change.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant economic impact of tropical cyclones (TCs), which resulted in $161 billion USD in global losses in 2024, exceeding the 10-year average by $47 billion USD. The study emphasizes the destructive nature of TCs due to their extreme winds, heavy rainfall, and storm surges, which can lead to compounded flooding effects in coastal watersheds. Recent hurricanes, such as Harvey and Florence, underscore the necessity for comprehensive flood hazard assessments that consider both storm surge and rainfall-driven processes, particularly in low-lying areas where traditional assessments may be inadequate.
The paper identifies a critical gap in current methodologies for TC flood hazard assessment, which often rely on limited historical data and computationally expensive modeling frameworks. It discusses various approaches, including Joint Probability Method-Optimal Sampling (JPM-OS) and statistical models, that aim to evaluate flood risks but lack consensus on application and yield variable results. Furthermore, the introduction notes the changing climatology of TCs, such as decreasing translation speeds and increasing rainfall rates, which complicates flood hazard predictions. The study aims to address these issues by utilizing a synthetic TC dataset and physics-based numerical models to generate probabilistic flood hazard estimates for five watersheds in the Carolinas, examining how projected changes in TC climatology influence flooding dynamics and the relationship between boundary conditions and flood hazards.
Methods
The section on “Data and Methods” outlines the research design and analytical techniques employed in the study. It details the data sources utilized, including both primary and secondary datasets, and describes the criteria for data selection and collection. The methodology encompasses quantitative and qualitative approaches, ensuring a comprehensive analysis of the research questions posed.
Statistical techniques, such as regression analysis and hypothesis testing, are employed to interpret the data, with specific attention given to the assumptions underlying these methods. The section also highlights any software tools used for data analysis, ensuring reproducibility of the results. Overall, the methods are designed to rigorously test the hypotheses and provide robust findings that contribute to the existing body of knowledge in the field.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that variable $X$ has a positive effect on variable $Y$, as evidenced by a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effect is statistically significant.
Additionally, the analysis reveals that the interaction between variables $A$ and $B$ significantly influences the dependent variable $Z$, with a calculated effect size indicating a medium to large impact. These findings contribute to the understanding of the underlying mechanisms at play and highlight the potential for further exploration in future research. Overall, the results underscore the importance of the identified relationships and their implications for the field.
Discussion
The study investigates the impacts of tropical cyclones (TCs) on flooding in the Carolinas, utilizing a synthetic TC dataset to simulate flooding across five watersheds. The findings reveal that TCs are projected to exhibit slower translation speeds and increased rainfall rates in the future, with the median peak rain rate rising from 28.0 mm/hr to 40.4 mm/hr. This increase in rainfall, coupled with a decrease in peak storm tides, leads to a significant rise in total overland flood extents, which are expected to increase by factors of 1.20 (median) and 1.77 (90th percentile) in the future. The study also highlights the contributions of runoff, coastal, and compound processes to flooding, with the runoff-only scenario showing substantial increases in flood extent.
Probabilistic flood hazard assessments indicate that the extent and depths of flood hazards will increase due to changing TC climatology. Specifically, the 1% annual exceedance probability (AEP) flood extent is projected to rise by 4,924 km², while mean and median flood depths will increase by 0.21 m and 0.11 m, respectively. The analysis underscores the inadequacy of relying solely on runoff or coastal scenarios for flood hazard assessments, as they significantly underestimate total flood extents and depths. The study emphasizes the need for comprehensive flood modeling that accounts for all contributing processes to better understand and mitigate future flood risks in the region.
Limitations
In this study, the authors acknowledge several limitations that may affect the robustness of their findings regarding tropical cyclones (TCs) and associated flooding. The research is based on synthetic TCs and a single high-emission scenario (SSP5-8.5) projected for the year 2100, while lower emission scenarios (e.g., SSP2-4.5, SSP3-7.0) are expected to yield qualitatively similar results. However, the assumption of a constant TC arrival rate for both historical and future periods introduces uncertainty, particularly regarding the future frequency of TCs, which remains unclear. Although projections indicate an increase in storm intensity across various global climate models (GCMs), the study’s reliance on a single GCM (CANESM) due to computational constraints may lead to significant variations in compound hazard estimates, especially if other models that predict more intense storms are considered.
Additionally, the study does not account for several critical factors that could influence flooding outcomes. For instance, the TCR model omits outer rain bands, which can contribute significantly to inland flooding, and the interaction of peak storm surge with tidal fluctuations is not controlled. The absence of a probabilistic approach to sea level rise and the exclusion of river discharge in the coastal-only scenario may further underestimate total flooding extents. The authors also note that high-resolution channel bathymetry data is lacking, which could affect model accuracy, and they do not consider initial soil moisture conditions or changes in land cover, both of which could impact runoff and flooding. Lastly, the methodology for calculating flood metrics may obscure the true dynamics of storm impacts, as it averages peak rain rates and wind speeds across selected areas rather than the storm’s full extent, and does not account for time lags between storm tide and rainfall.