Konstnärsillustration av NASA:s planerade Surface Water and Ocean Topography (SWOT) satellit över Amazonasbassängen. Färgerna visar uppskattade minimitider för översvämningsvågor att färdas nedströms och nå havet, data som kan informera krav på satelliter som SWOT som kan upptäcka översvämningar. Kredit:NASA/JPL-Caltech
Flodöversvämningar är en av de vanligaste och mest förödande av jordens naturkatastrofer. Under det senaste decenniet, syndaflod från floder har dödat tusentals människor varje år runt om i världen och orsakat förluster i storleksordningen tiotals miljarder amerikanska dollar årligen. Klimatförändring, som förväntas öka nederbörden i vissa delar av planeten, kan göra flodöversvämningar på dessa platser mer frekventa och allvarligare under de kommande decennierna.
Nu, en ny studie ledd av forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, analyserar vad som krävs för att flodobservationssatelliter ska bli ett ännu mer användbart verktyg för att mildra översvämningsskador och förbättra reservoarhanteringen globalt i nästan realtid.
"Tidiga översvämningsvarningssystem är traditionellt beroende av mätnätverk som upptäcker översvämningar längre upp i floden, men mätdata blir mer och mer knapphändig, sa George Allen, huvudförfattare till den nya forskningen och hydrolog vid JPL. "Vår studie visar att det finns utrymme för satelliter att hjälpa till att fylla luckan. Men för satelliter att informera om översvämningsbegränsning i realtid, de måste tillhandahålla data till vattenförvaltare inom en tillräckligt kort fördröjningstid."
Flodöversvämningar inträffar när en kanal fylls med vatten utöver dess stränders kapacitet, normalt på grund av kraftiga regn. Floden färdas längs flodens lopp som en våg, rör sig nedströms snabbare än själva vattnet. Flera satellituppdrag har kunnat upptäcka översvämningar som plötsliga förändringar i flodvattnets höjd eller bredd. När en översvämning har observerats, det är relativt lätt att exakt förutsäga hur den kommer att röra sig nerför floden. Denna information är extremt användbar i system för tidiga översvämningsvarning och andra flodhanteringsapplikationer i realtid.
För att studera hastigheten med vilken översvämningar fortplantar sig genom planetens floder, Allen och hans kollegor körde en enkel numerisk modell av flödesvågor som använde information som bredd, backe, djup och ojämnhet – mängden friktionsvatten som uppstår när man reser längs en flod – av floder över hela världen. Efter att ha analyserat våghastigheter genom 11 miljoner miles (17,7 miljoner kilometer) floder runt planeten, forskarna fann att översvämningsvågor som reser med sin maximala hastighet tar en mediantid på tre dagar för att nå nästa nedströmsfördämning, fyra dagar för att komma till nästa nedströms stad och sex dagar för att lämna flodsystemet helt.
Teamet jämförde sin modells resultat med utsläppsrekord från mer än 20, 000 U.S. Geological Survey mätstationer längs cirka 40, 000 miles (64, 400 kilometer) av olika flodsystem i USA. De fann att modellen uppskattade snabbare våghastigheter än mätdatan visade.
Global karta över de minsta gånger det tar översvämningsvågor att lämna det globala flodnätverket. Sådan information kan användas för att utveckla datakrav för satelliter som kan upptäcka översvämningar, för tillämpningar för att fatta beslut om flodförvaltning i realtid. Kredit:NASA/JPL-Caltech
"Det var väntat, baserat på det faktum att vi modellerar vågor som rör sig med maximal hastighet, medan mätardata tittar på alla typer av våghastigheter:låga hastigheter, höga hastigheter, allt däremellan, " sa Allen. "På detta sätt, vår studie uppskattar ett värsta scenario av hur snabbt översvämningar kan röra sig nedför floder."
Forskarna använde sedan sina våghastighetsfynd för att beräkna datalatens – hur snabbt satellitdata ska laddas ner, bearbetas och görs tillgänglig för allmänheten för att vara användbar för system för tidig varning för översvämningar och andra översvämningsreducerande strategier i realtid, samt reservoarhantering. Särskilt, de fokuserade på framtida data från NASA:s kommande Surface Water and Ocean Topography (SWOT) uppdrag. SWOT, planerad att lanseras 2021, är speciellt utformad för att observera floder. Det beror på att den har en omloppsbana på 21 dagar och kommer att kunna upptäcka översvämningsvågor, särskilt i stora floder på högre latitud. Forskarna fann att det kan vara användbart att göra SWOT-data tillgängliga inom några dagar efter att de förvärvats av rymdfarkosten för att lindra översvämningar i realtid. Jämfört med tidigare eller nuvarande satelliter som ger information om floder och översvämningar, SWOT kommer att tillhandahålla aldrig tidigare skådade kartor över flodens höjd, allowing for more reliable prediction of flood timing and magnitude.
If the data were to be processed in two days or less, Allen's team calculated, it would be ready for emergency managers before at least two-thirds of observed waves reached the next downstream city. For dams, the quick turnaround of satellite measurements would give advance notice to downstream reservoirs in at least half of the cases when SWOT detects a flood wave.
"There is a trade-off between data latency and data quality, " said Cédric David of JPL, who directed the new study and is a member of SWOT's science team. "Så, do we want to wait to get the best data possible, or do we want to get a rough version of what's going on now, so we can provide actionable information? As we prepare for new satellite missions like SWOT, that's when we start asking these types of questions."
Satellite data that could inform flood early warning systems would be particularly useful for developing nations, where either there are insufficient river gauges or countries do not share gauge data with their downstream neighbors, Allen said.
Resultaten av studien publiceras i tidskriften Geofysiska forskningsbrev .
