De senaste orkanerna som Maria och Sandy har lett till förlamande vindar, kraftiga regn, och översvämningar till utsatta kustregioner, i vissa fall dödar tusentals människor. Havsväggar och andra hinder föreslås ofta som ett sätt att skydda dessa lågt liggande kustsamhällen, men hur stor ska en sådan vägg vara, och var är det mest effektiva stället att bygga det? På Columbia's Earth Institute, ett team av miljöforskare och forskare försöker svara på dessa frågor och mer, för att stävja förödelsen från framtida orkaner.

Med hjälp av en unik kombination av hård vetenskap och feedback från samhället, projektet använder modeller och orkansimuleringar för att utveckla och utvärdera prototyper av stormflodshinder och andra skyddsmekanismer. Projektet kommer att använda Lower Manhattan som en inledande fallstudie, men så småningom kommer de verktyg och tekniker som teamet utvecklar att vara fritt tillgängliga och tillämpliga på alla kustlinjer i världen.

"En av de saker vi förmodligen kommer att fokusera på är det specifika scenariot med en havsvägg runt Lower Manhattan-var ska den väggen placeras, och hur hög den måste vara är två av de variabler vi ska titta på, "sa huvudforskaren Kyle Mandli, en associerad professor och assisterande professor i tillämpad matematik vid Columbia University's School of Engineering and Applied Science. En stormflod är bara en av flera skyddstrategier för kustsamhällen - inklusive konstgjorda rev, infrastrukturhöjningar, och till och med lyckades reträtt - som Mandli och hans medarbetare tänker undersöka som en del av strävan.

För närvarande, Mandli och Columbia professor i matematik och teknik Daniel Bienstock kör simuleringar som förutser hur stormflod och havsnivåhöjning kommer att påverka NYC:s infrastruktur under befintliga förhållanden under de närmaste cirka 50 åren. Forskarna kommer sedan att introducera i dessa modeller ingrepp som en havsvägg, restaurerade våtmarker, eller konstgjorda sanddyner för att hypotesera hur, och i vilken utsträckning, skador från framtida orkaner kan förebyggas.

Teamets mål är att komma med ett flertalsförslag som skulle minimera stormrelaterade skador så mycket som möjligt. "Det optimala skulle vara att ha en uppsättning åtgärder som är utformade för att samarbeta för att skydda kusten, sa Mandli.

Fyll i detaljerna

Med hjälp av öppet tillgänglig data från New York, forskarna kartlägger fotspår och kritiska höjdnivåer för alla byggnader och infrastruktur i Manhattans varierade gatubild - inklusive sjukhus, tunnelbana ingångar, och brandstationer - med målet att förutsäga hur framtida orkaner kommer att påverka samhällen som helhet.

"Ingen har riktigt tänkt på hela området med alla inkluderade - alla byråer och alla delar av infrastrukturen, som sjukhusen, skolorna, det underjordiska transportsystemet, "sade Earth Institute -fakultetsmedlem George Deodatis, ordförande för Columbia Department of Civil Engineering and Engineering Mechanics.

Forskarna tar också hänsyn till kostnaderna för sådana motståndskraftsåtgärder. Vanligtvis, varje dollar som spenderas på skydd minskar skadorelaterade ekonomiska förluster med fem till tio dollar. Och, eftersom det ofta är svårt att säkra stora mängder statsfinansiering för kustinsatser, Mandlis team kan rekommendera en gradvis installation av utrustning var 30:e år eller så när nya medel blir tillgängliga.

Förutom, försämrade storm- och havsnivåhöjningsförhållanden kan utlösa behovet av mer skydd när åren går, noterade han. "Vi kan bara behöva en 5 fot vägg nu, "sa Mandli, "men om 30 år, kanske skulle vi behöva en 10 fot vägg. "

Ändra perspektiv

För att bättre förstå de verkliga effekterna av orkaner på de olika stadsdelarna i södra Manhattan, laget samlar in input från staten, stad, och lokala tjänstemän. Resultaten från dessa uppsökande insatser - ledda av National Center of Atmospheric Research (NCAR), en partner i projektet - ska hjälpa till att styra teamets stormflodsmodellering.

Än så länge, NCAR -anställda Rebecca Morss och Heather Lazrus, projektets medhuvudutredare, har intervjuat ett tiotal ledare för New York City och New York State Offices of Emergency Management och andra statliga myndigheter. Dessa tjänstemän har delat sina åsikter om behoven och sårbarheterna i sina samhällen - förklarade, till exempel, hur institutioner som sjukhus är beroende av elnätet i nödsituationer, och ger rekommendationer om hur man minskar riskerna vid stormflod.

Teamets tillvägagångssätt för att samla in tjänstemännens svar och revidera de vetenskapliga modellerna och simuleringarna i enlighet därmed är en avgörande del av projektets framgång, enligt Mandli.

"Tanken är, vi har alla dessa numeriska och beräkningstekniker för stormflodshinder - men om vi bara litar på dem, vi kommer att få ett svar som kanske inte är ett tecken på den sanna situationen, " han förklarade.

"Det är viktigt för oss att prata med människor som faktiskt fattar besluten och som förstår den potentiella effekten av stormflod på marken, "sa Lazrus. Morss och Lazrus planerar att hålla samhällsmöten i utvalda stadsdelar nästa sommar för att samla in lokal invånares input och bekymmer också.

Projektet finansieras fram till 2019, tack vare ett bidrag från National Science Foundation's Critical Resilient Interdependent Infrastructure Systems and Processes -program. Om teamet kan säkra ytterligare finansiering för att förlänga projektet till 2023 eller 2024, Mandli och hans kollegor kommer att utforska stormskyddsstrategier för andra amerikanska kuststäder som Tampa Bay, Miami, Houston, eller New Orleans. För att främja sitt mål att bredda projektets effekt, forskarna har gjort sin simuleringsprogramvara öppen källkod och därmed tillgänglig för användning för alla i den privata eller offentliga sektorn.

"Den verkliga avsikten här är att försöka tillhandahålla denna förmåga så brett som möjligt, så att den är tillämplig överallt i världen, sa Mandli.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.