极端洪水的袭击

2017年9月8日，托马斯·瓦尔（Thomas Wahl）在伦敦盖特威克机场（London Gatwick Airport）办理了飞往佛罗里达州奥兰多的几乎为空的航班的登机手续。Wahl是佛罗里达州中部大学的一名沿海工程师，他知道他的家乡要去的地方：5级飓风“艾尔玛”（Irma），已经使加勒比海的大部分地区遭受重创。他还是上飞机了。他说：“是我，飞行员和一些迪士尼游客，他们只是不在乎。”

厄玛（Irma）大雨和狂风使佛罗里达州数十人丧生。对于在自己的家庭一居室公寓中度过暴风雨的瓦尔来说，这种经历是亲眼目睹他长期担心的现象的难得机会：极端海平面-风暴潮，涨潮和海浪时会发生什么结合。

极端的海平面事件可能使水流过沿海壁垒，淹没人们的房屋并淹没重要的基础设施。例如，它们发生在路易斯安那州的新奥尔良及周边地区，“仍在从2005年卡特里娜飓风造成的超过1000亿美元的损失中恢复”，以及佛罗里达州的杰克逊维尔，那里厄玛（Irma）淹没了部分城市位于2米深的水下，困住居民并关闭桥梁和城市国际机场。

在全球范围内，随着冰川和冰盖融化以及海水变暖，平均海平面每年正以超过3毫米的速度上升。研究人员通常专注于了解这种上升的原因和速度。但是，汹涌的大海也有望对极端海平面产生破坏性影响。在接下来的几十年中，可能会每隔一两年发生一次100年的洪灾，即在给定年份有1％的几率发生洪水，或平均回报间隔为100年的洪灾。在整个欧洲，到21001年，沿海洪水的成本可能会增加20倍以上。在某些地区，构成100年洪水的强度将更加严重。

瓦尔和一小群同事说，更多的科学家需要关注这些灾难性事件的变化性质以及它们将如何影响沿海地区的人们。他说，这样的洪水将是人类未来面临的最大威胁之一。当我们谈论洪水风险时，在某些时候我们必须进行极端分析。我们真正要担心的那些高影响力，低概率的事件。

通过组合历史记录并使用模型来估计风险2，Wahl和其他人在预测此类事件的危险方面取得了长足的进步。结论因地点而异。一些沿海社区将面临极端海平面事件数量上升的危险。其他人可能更容易“泛滥”，淹没街道，使居民生活困难，但总体影响却不那么严重。

纽约市咨询公司ICF International的气候变化专家Maya Buchanan说，社区将需要这些知识来帮助他们做好准备。官员们可以通过改善排水系统和其他基础设施来解决令人讨厌的洪水。但是极端事件需要更大的努力：建造堤坝或加强海堤。总计，约有3亿沿海居民有发生这些事件的危险。布坎南说：“他的决定对决策很重要，社会也很重要。”

梳理记录

1978年2月6日，新英格兰爆发了一场历史性暴风雪。大雪困车手。高潮和暴风雨使沿海房屋像洋娃娃屋一样折腾。总计有54人被杀，数千座建筑物被毁。

来自波士顿港的官方潮汐记录显示，未计潮汐的水位在12小时内上升了大约1米，达到了有记录以来最高水位线之一。但这只是全球水准仪收集的众多记录之一，其中记录了每日潮汐的潮起潮落以及风暴引起的水位上升。

2009年，由英国利物浦国家海洋学中心的菲利普·伍德沃斯（Philip Woodworth）领导的小组决定将尽可能多的这些记录组合到一个定制的全球数据库中。该团队专注于至少每小时进行一次的测量，这些频率足以在快速变化的暴风雨中准确捕获高水位线。

该数据库被称为全球极端海平面分析（GESLA）项目，现已成为分析极端海平面如何随时间变化的首选资源。它显示3，自1970年以来，全世界的极端海平面的数量和频率都在增加。例如，在某些地方，构成50年洪水事件的高度每十年增加了10厘米以上4。

最主要的责任在于平均海平面的上升。随着海洋沿着海岸线越来越高，来袭的风暴潮会泛滥成灾，更容易记录高水位标记。一项估计表明，海平面上升造成了桑迪飓风在2012年对纽约市造成的近120亿美元的损失中的超过20亿美元。

其他因素也影响极端海平面。长期的大气环流模式起作用；例如，强壮的厄尔尼诺（El Ni帽o）会以增加美国西海岸高海平面的概率并降低其在热带西太平洋海平面的概率推挤水团。陆地和海洋的相对高度的变化也很重要；自从上个冰河时代末期沉重的冰川消失以来，斯堪的纳维亚半岛的大部分沿海地区一直在缓慢上升。在南亚，恒河的揃马普特拉河三角洲正在沉陷，因为其沉积物很紧。

GESLA于2016年进行了更新，现在包含来自世界各地的1,355条记录，具有超过39,000站年（站数乘以记录长度）5。大部分时间可以追溯到20世纪下半叶。但这对于想要改善长期统计数据的研究人员来说还不够长。根据经验，事件发生的频率可以推断到未来的四倍，直到观测记录向后退。几十年来的数据将足以为10,000年洪水事件提供预报，这是某些社区和敏感基础设施（如核电厂）所需要的。

在俄勒冈州的波特兰州立大学，海洋学家Stefan Talke一直致力于扩展美国水位的历史记录。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）维护着该国大部分地区的潮汐仪。它的记录包括整个20世纪的大部分时间，但可以追溯到19世纪。Talke与同事和学生一起，前往全国各地的档案馆，寻找NOAA未将其数字化的潮汐模式和风暴潮信息。塔尔克说：“对于未来会发生什么，所有这些问题都有。”“我们什至不了解过去，我们如何展望未来？”？/ p>

塔克和他的同事们仔细阅读了一系列手写数据表和说明如何进行测量的随附注释。这些注释对于评估数据的质量至关重要。他们描述了时钟坏了，冰块塞住了仪表以及醉酒的观察者进行了可疑的测量。研究人员总共发现了约300,000个文档，代表丢失或遗忘的测量值超过6,500站年6。

例如，在波士顿，他们发现并数字化了1921年现代NOAA记录开始之前50年的记录。根据这些甚至更古老的记录，他们计算出，自1820年代以来，波士顿的海平面相对于陆地平面上升了28厘米。随着这种上升，极端情况已成为惯例：1820年代的100年事件现在更像是8年事件（请参阅“即将来临的洪水”）。

时光倒流

研究人员还发现了一些极端事件，这些事件有助于使更现代的洪水发生。例如，他们在1909年发现的暴风雨造成的洪水与1978年的暴风雪一样多。塔尔克说：“档案研究表明，1978年的事件确实是反常的。”

但是，这两个高水位线在1月份的波士顿遭到了“炸弹旋风”的袭击，这是由于海平面上升破坏海堤并将冰冷的水倒入居民区而获得的。上周，另一场强烈的冬季风暴在波士顿地区造成近乎创纪录的洪水泛滥，距上次打破纪录仅两个月之久。

Talke与其他科学家以及诸如负责联邦沿海工程的陆军工程兵团等机构的官员分享了他的发现。他希望，通过了解长期趋势，社会将能够更好地做出决定，为未来的高水位做好准备。

一旦获得了过去极端事件的数据，研究人员便可以通过两种方式预测极端事件发生的频率。最简单的方法是使用一种称为Gumbel分布的方法。政府间气候变化专门委员会最近关于海平面上升的报告中使用了这种方法，以计算在各种温室气体排放情景下洪灾发生的频率。瓦尔说，但这是相对简单的，不能很好地捕捉极端事件。例如，典型的Gumbel分析可能会查看给定位置的最高年度水位。这意味着只有一年最多的洪水才算是一场大风暴。

Buchanan和她的同事们最近采用了一种不同的方法，即广义帕累托分布，将高于99％的所有每小时水位观测数据都包括在内。这意味着需要更多的数据点，因此可以更准确地了解随时间变化的情况。该小组研究了至少30年前的所有NOAA潮汐记录，然后将这些数据与对海平面上升的分析相结合，以预测在不同位置发生洪灾的频率以及这些洪灾的规模7。

底线很简单。布坎南说：“洪水将变得更加频繁。”但分析还显示，美国本土的海岸运价将有所不同。在东部城市，例如纽约市和南卡罗来纳州的查尔斯顿，滋扰性洪水将变得更加频繁。相比之下，西方城市，例如华盛顿的西雅图和加利福尼亚的圣地亚哥，应该预料到极端事件会导致洪水泛滥。西部通常有较陡的沿海坡度，倾向于保护居民。但是，不断上升的海平面提供了超越曾经成为保护屏障的力量。

区域之间的差异可能很明显。例如，如果查尔斯顿的海平面上升半米，那么今天100年的洪水袭击频率可能会增加16倍。在西雅图，费率上升到335，更像是一个为期4个月的活动。

在伊利诺伊州芝加哥大学，海洋学家肖恩·维托瑟克（Sean Vitousek）也一直在使用一种称为广义极值分布的统计技术来了解洪水风险。去年，在他的《科学报告》 8中，他和他的同事们将全球海浪，潮汐和风暴潮的模型与海平面的预测相结合，以计算未来几十年沿海洪灾的增加趋势。他们发现，预计到2050年，全球平均海平面上升10'0厘米-是热带极端海平面事件发生频率的两倍以上。受灾最重的将是地势较低的太平洋岛国，那里的海平面上升占典型洪水多变性的很大一部分。基里巴斯，马绍尔群岛和马尔代夫等地不仅面临被永久淹死的威胁，而且还面临经常性洪灾的危险，洪水可能破坏供水，使土地不适合耕种。

Vitousek的工作是首批将潮汐变化与潮汐和风暴潮相结合的极端项目。他希望进一步改进统计方法，以更好地估计此类事件可能发生的频率。他问道：“我们要看的是每年超过50年的水位又有什么意义？”“需要了解我们还剩下多少时间来设计出解决问题的方法。”？/ p>

极端洪水的预测因温室气体排放量可能快速增长的不确定性而模糊不清。去年，研究人员对极端海平面如何影响欧洲沿海地区进行了首次预测1，得出100年洪水的高度到2100年可能会增加57至81厘米。但这是整个欧洲的平均水平。在北海地区，排放量很高时，极端海平面可能会上升近一米。葡萄牙海岸和加的斯湾实际上可能会出现极端海平面下降的情况，部分原因是极端风的减弱导致风暴潮和海浪。

由意大利伊斯普拉欧洲联合研究中心海洋学家Michalis Vousdoukas领导的分析小组现在将注意力转向了计算经济影响。沃杜杜卡斯（Vousdoukas）去年12月在新奥尔良举行的美国地球物理联盟会议上报告说，到2100年，江河洪水造成的破坏将从欧洲国内生产总值的0.04％上升到0.1％。但是沿海洪水造成的损失目前为0.01％，将上升至0.29％至0.86％。他说：“洪水泛滥将成为未来最重要的自然灾害之一。”

沃杜杜卡斯（Vousdoukas）和这个新兴领域的其他人都渴望将他们的发现带给沿海社区的决策者。例如，在奥兰多，瓦尔是将工程师，海洋学家，经济学家，社会科学家和其他专家召集在一起的新举措的一部分。他们希望在总部位于佛罗里达州中部大学的新的国家海岸综合研究中心，希望为决策者提供所需的信息，以弄清楚在未来几十年中要建造多高的防御工事，例如堤防或海堤。

瓦尔说，了解情况将是多么糟糕-“极端海平面可能会变得多么极端”将是这一努力的主要部分。他说：“我认为我们已经可以根据我们所知道的提供建议。”

Wahl说，立即开始至关重要，因为适应可能需要一段时间。以伦敦附近的泰晤士河洪水屏障为例，该屏障有助于防止洪水泛滥，但经过了数十年的努力，直到1953年遭受毁灭性洪水之后，才于1982年投入运营。瓦尔说，社会根本可以等那么长时间开始为极端海平面的影响做准备。“现在需要做出一些决定。” / p>

自然555，156-158（2018）