Klimatförändringar ökar frekvensen av extrema händelser som översvämningar. Detta förstärker behovet av att utveckla metoder för mer exakt och snabbare översvämningsprognoser för att bättre skydda befolkningen i framtiden.
En forskargrupp från Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) och German Research Centre for Geosciences (GFZ) har presenterat ett översvämningsprognosesystem i Nature Communications som ger inte bara aktuella vattennivåer utan också dynamiska högupplösta översvämningskartor. Forskarna har kunnat kombinera olika prognosmodeller på ett sådant sätt att de exakt kan förutse översvämningspåverkan på enskilda byggnader.
Under de senaste åren har stora framsteg gjorts i den rumsliga prognosen av översvämningshändelser. Det är således nu möjligt att förutsäga maximala översvämningsnivåer vid flodmätare. Hittills har uppskattningar av effekterna av översvämningar på städer och kommuner dock bara varit grova eller till och med helt felaktiga, särskilt för människor vid de nedre flodsträckorna bort från mätplatser. Denna information är dock kritisk, eftersom den drabbade befolkningen måste underrättas så snabbt som möjligt i förväg för att kunna vidta nödvändiga evakueringsåtgärder.
"Vad som behövs är ett toppmodernt system för tidig översvämningsvarning som ger högupplösta översvämningsprognoser i tid och indikerar effekterna av översvämningen på enskilda byggnader", säger senior författare och UFZ-modeller professor Luis Samaniego . Detta skulle vara en viktig förbättring för krishantering.
I ett första steg i utvecklingen av det nya systemet för översvämningsprognoser kombinerade forskarna från de två Helmholtz-centren nederbördsprognoserna från German Weather Service (NWP limited area ensemble prediction system) med den mesoskala hydrologiska modellen (mHM) som utvecklats vid UFZ. Denna modell ger inte bara information om vattenutsläpp, utan också information om tidsmässig markfuktighet – en av de kritiska faktorerna för översvämningsutveckling.
Baserat på tillgängliga data från den katastrofala översvämningen i Ahr-dalen i juli 2021 och ett förutsägelsesystem för ensemble med 20 medlemmar, kunde de förutsäga översvämningstoppflöden per timme vid mätaren Altenahr i ett hindcast-läge. I detta tillvägagångssätt uppskattade de sannolikheten för överskridande av 50- eller 100-årsnivåerna.
Simuleringar avslöjade att 15 % av ensemblemedlemmarna skulle ha förutspått ett överskridande av en 100-årsflod med en ledtid på 47 timmar och därmed nästan två dagar före översvämningens topp i Ahrdalen. Ju närmare händelsen kom, desto större är sannolikheten att den då definierade 100-årsnivån faktiskt skulle överskridas:75 % av alla ensemblemedlemmar förutspådde 100-årsfloden 17 timmar före översvämningens topp, och slutligen 100 % gjorde det. 7 timmar i förväg.
"Om 75 % av prognoserna i en ensemble förutspår en 100-års översvämning, är det stor sannolikhet att det kommer att inträffa", säger huvudförfattaren och UFZ-modelleraren Dr Husain Najafi.
I det andra steget kombinerade Helmholtz-forskarna strömflödet som genereras av mHM hydrologisk modell med RIM2D hydrodynamiska översvämningsmodellen utvecklad av GFZ Potsdam. RIM2D simulerar mycket snabbt översvämningsdynamiken och utvecklingen av översvämningsdjup. Denna modell, med en rumslig upplösning på 10 meter x 10 meter, möjliggör först timprognoser för översvämningsområden och djup och avslöjar därmed vilka platser och i vilken utsträckning specifika byggnader, gator, järnvägssegment, sjukhus eller andra kritiska infrastrukturelement kommer att påverkas av en översvämningshändelse.
"De ansvariga myndigheterna och befolkningen har därför inte bara information om ett eventuellt mätvattenstånd 30 kilometer uppströms, utan också en högupplöst översvämningskarta som visar konsekvenserna av översvämningen. De kan till exempel veta var människor kan vara i fara eller som måste evakueras", säger GFZ-hydrologen Dr. Sergiy Vorogushyn.
Den kombinerade prognosmodellen från UFZ och GFZ har klarat det första testet för att rekonstruera den extrema översvämningen i Ahrdalen. I en ytterligare testfas som börjar i sommar kommer den automatiserade modellkedjan att testas i realtid som en del av den andra fasen av Helmholtz Climate Initiative i ytterligare två avrinningsområden för floderna Fils och Murr i Baden-Württemberg.
Om modellsystemet också klarar denna fas kan det tillämpas för regioner med hög översvämningsrisk, särskilt på grund av översvämningar. Detta skulle på ett avgörande sätt kunna stärka de befintliga systemen för tidig varning för översvämningar och skulle kunna utöka prognosernas horisont till att omfatta översvämningskonsekvenser. Detta kan avsevärt minska drabbade befolkningar och skador på egendom i framtiden.
Mer information: Husain Najafi et al, Högupplöst påverkanbaserat system för tidig varning för flodöversvämningar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-48065-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
