Table of Contents

Динамика прибрежных наводнений вдоль Атлантического побережья

Прибрежные наводнения представляют собой одну из самых стойких и разрушительных природных опасностей, с которыми сталкиваются сообщества вдоль Атлантического побережья Соединенных Штатов. От песчаных берегов Внешних берегов до городского побережья Нью-Йорка миллионы жителей и миллиарды долларов в инфраструктуре находятся в зонах, уязвимых для затопления. В то время как общественность часто слышит о «штормовых всплесках» и «приливных волнах» в прогнозах погоды, основная физика, исторический контекст и предсказательная наука, стоящая за этими явлениями, сложны и заслуживают глубокого понимания. В этой статье рассматриваются механизмы, приводящие к прибрежным наводнениям вдоль Атлантического побережья, с акцентом на штормовые нагоны, приливную динамику и усугубляющие факторы, которые превращают обычные погодные явления в катастрофы.

Что такое прибрежные наводнения?

Прибрежные наводнения происходят, когда обычно сухая низменная земля погружена морской водой. В отличие от речного наводнения, которое является результатом чрезмерных осадков над водоразделом, прибрежные наводнения вызваны океаническими силами. Вдоль Атлантического побережья эти силы включают тропические циклоны (ураганы), внетропические циклоны (северо-восток), астрономические приливы и долгосрочное повышение уровня моря. Каждый из этих факторов способствует общему риску наводнения, и их взаимодействие может привести к экстремальным уровням воды, которые намного превышают любой один фактор.

Атлантическое побережье особенно восприимчиво из-за его широкого, мелкого континентального шельфа. Когда шторм толкает воду к береговой линии, мелкий шельф действует как пандус, позволяя воде накапливаться более эффективно, чем это было бы вдоль более крутого побережья. Эта батиметрическая особенность усиливает воздействие штормовых нагонов и делает даже умеренные штормы способными производить значительные наводнения.

Штормовые наводнения: доминирующий фактор прибрежных наводнений

Штормовой нагон — это повышение уровня морской воды, вызванное штормовыми ветрами, толкающими воду к побережью. Он отличается от штормового прилива, который представляет собой комбинацию штормового нагона и астрономического прилива. Сам нагой вызван в первую очередь напряжением ветра на поверхности воды, хотя снижение атмосферного давления также играет незначительную роль. Более низкое атмосферное давление в центре урагана позволяет поверхности воды немного подниматься, что способствует примерно одному футу на каждые 30 миллибар падения давления. Однако на долю ветровых эффектов обычно приходится более 80 процентов от общей высоты нагона.

Как ветер генерирует всплеск

Ветер, дующий над большим водоемом, оказывает на поверхность фрикционную силу, заставляя воду двигаться в направлении ветра. В открытом океане это движение уравновешивается эффектом Кориолиса, в результате чего происходит чистый перенос воды вправо от направления ветра в Северном полушарии. По мере того, как ветер продолжает дуть в сторону побережья, вода накапливается вдоль береговой линии. Чем меньше вода, тем эффективнее ветер может ее скапливать. Это объясняет, почему Мексиканский залив и Атлантическое побережье с их широкими, неглубокими шельфами испытывают более высокие штормовые нагоны, чем тихоокеанское побережье, где шельф падает круто.

Ключевые факторы, контролирующие высоту

Высота штормового нагона неодинакова вдоль береговой линии. Она зависит от нескольких взаимосвязанных переменных:

  • Интенсивность шторма: Более высокие скорости ветра вызывают больший всплеск. Ураган категории 5 может генерировать всплеск высотой более 20 футов в некоторых местах.
  • Размер шторма: Большой шторм с широким ветровым полем толкает воду на более широкую площадь и на более длительный срок, производя более высокий нагон, чем компактный шторм той же интенсивности.
  • Скорость движения вперед: Медленно движущиеся бури позволяют больше времени накапливать воду, увеличивая высоту всплеска. Быстро движущиеся бури могут производить меньше всплеска, но могут генерировать опасное волновое действие.
  • Угловой подход: Шторм, который делает сушу перпендикулярной береговой линии, имеет тенденцию производить самый высокий всплеск непосредственно в центре шторма и справа от него.
  • Прибрежная форма: Вогнутые береговые линии и устья могут воронить воду внутри страны, усиливая прилив. Заливы, заливы и устья рек особенно уязвимы для приливного вторжения.

Исторические примеры иллюстрируют эту динамику. Ураган Катрина (2005) вызвал штормовой нагон в 28 футов вдоль частей побережья Миссисипи, вызванный интенсивностью шторма, медленной скоростью движения вперед и эффектом перекачки дельты реки Миссисипи. Ураган Сэнди (2012), хотя только шторм категории 1 при падении на сушу, вызвал рекордный нагон более 14 футов в Нью-Йоркской гавани из-за его огромных размеров и угла, под которым он приблизился к побережью.

Приливные волны: понимание терминологии

Термин «приливная волна» часто используется в популярных СМИ для описания штормовых нагонов или цунами. В научных терминах приливная волна — мелководная волна, вызванная гравитационными взаимодействиями между Землей, Луной и Солнцем. Эти волны ответственны за регулярный подъем и падение поверхности моря, которые мы испытываем как приливы. Вдоль Атлантического побережья приливной диапазон значительно варьируется. В открытых прибрежных районах диапазон может составлять всего три-пять футов, но в некоторых эстуариях и заливах, таких как залив Фанди в Канаде, диапазон может превышать 50 футов.

Приливные волны не следует путать с цунами, которые вызваны подводными землетрясениями, извержениями вулканов или оползнями. Цунами не обусловлены гравитационными силами и имеют гораздо более длинные волны и более высокие скорости. Вдоль атлантического побережья цунами встречаются реже, чем в Тихом океане, но они не отсутствуют. Примечательно, что Лиссабонское землетрясение 1755 года породило цунами, поразившее Карибское море и восточное побережье Северной Америки.

Как приливы влияют на прибрежные наводнения

Сроки прилива относительно штормового прилива имеют решающее значение при определении пиковых уровней воды. Если штормовой прилив совпадает с астрономическим приливом, то возникающий штормовой прилив может быть на несколько футов выше, чем один только прилив. И наоборот, если прилив прибывает в низкий прилив, то наводнение может быть сведено к минимуму. Именно поэтому синоптики уделяют пристальное внимание лунному циклу и приливным предсказаниям при выдаче предупреждений о наводнении.

Весенние приливы, которые происходят во время новых и полнолуний, производят более высокие приливы и более низкие приливы. Если ураган делает выпадение на сушу во время весеннего прилива, потенциал наводнения резко возрастает. Например, ураган Сэнди сделал выпадение на сушу во время перигейского весеннего прилива, когда Луна была в самой близкой точке к Земле. Это способствовало рекордному уровню воды, наблюдаемому в Нью-Йорке и Нью-Джерси.

Повышение уровня моря постепенно увеличивает исходную линию, от которой действуют приливы и штормовые нагоны. Более высокий средний уровень моря означает, что данный штормовой нагон достигнет дальше внутри страны и нанесет больший ущерб. По данным NOAA , глобальный средний уровень моря поднялся примерно на восемь-девять дюймов с 1880 года, и скорость подъема ускоряется. Вдоль Атлантического побережья скорость относительного повышения уровня моря выше, чем в среднем по миру из-за оседания суши и изменений в циркуляции океана.

Нор-Фистеры: угроза зимнего наводнения

В то время как ураганы доминируют в общественном внимании, ни «восточники» не несут ответственности за значительную долю прибрежных наводнений вдоль Атлантического побережья.Эти внетропические циклоны формируются вдоль Восточного побережья, как правило, в период с октября по апрель, и характеризуются сильными северо-восточными ветрами.В отличие от ураганов, которые черпают энергию из теплой океанской воды, ни «восточники» не получают свою энергию из температурных контрастов между холодным континентальным воздухом и более теплой океанской водой.

Ни на востоке не могут возникнуть штормовые нагоны, сравнимые с штормовыми нагонами слабых и умеренных ураганов. Однако они затрагивают более широкую область и могут сохраняться в течение нескольких приливных циклов. Медленно движущиеся ни на востоке не могут вызвать наводнения в течение нескольких приливов, что приводит к совокупному ущербу. Пепельная среда Буря 1962 года, классическая ни на востоке, вызвала катастрофическое наводнение вдоль побережья Средней Атлантики, уничтожив тысячи домов и изменив береговую линию.

Основное различие между ураганными штормовыми нагонами и ни'восточными штормовыми нагонами лежит в ветровом поле. Ураганы имеют компактное, интенсивное ядро с круговыми ветрами, в то время как ни'восточники не имеют большего, асимметричного ветрового поля с устойчивыми ветрами с северо-востока. Это различие означает, что ни'восточные нагоны обычно ниже по высоте пика, но влияют на более длинный участок береговой линии.

Факторы, влияющие на серьезность прибрежных наводнений

Тяжесть прибрежного наводнения вдоль Атлантического побережья зависит от взаимодействия множества факторов. Понимание этих факторов имеет важное значение для оценки риска и планирования чрезвычайных ситуаций.

Интенсивность шторма и трек

Интенсивность шторма, измеряемая его центральным давлением и максимальными устойчивыми ветрами, является основным драйвером высоты всплеска. Однако не менее важен и трек шторма. Шторм, который идет параллельно побережью, может вызвать всплеск на большей площади, в то время как шторм, который делает сушу под перпендикулярным углом, концентрирует скачок в точке падения. Точный трек определяет, какие сообщества испытывают самые высокие уровни воды.

Прибрежная топография и батиметрия

Форма береговой линии и глубина морских вод сильно влияют на то, как распространяется волна. Мелкие, мягко наклонные континентальные шельфы позволяют более эффективно строить волны. И наоборот, крутые береговые линии с глубокой водой вблизи берега испытывают меньше волн. Прибрежные особенности, такие как барьерные острова, входы и устья, могут либо рассеивать, либо усиливать волны в зависимости от их геометрии. Барьерные острова, например, обеспечивают некоторую защиту материка, но они могут быть перемыты или пробиты во время экстремальных событий.

Повышение уровня моря

Повышение уровня моря — это долгосрочная тенденция, которая неуклонно увеличивает исходную линию для прибрежных наводнений. Данные спутников НАСА показывают, что глобальный уровень моря поднялся примерно на четыре дюйма с 1993 года, и скорость увеличивается. Вдоль Атлантического побережья скорость подъема выше из-за теплового расширения, таяния ледяных щитов и оседания суши. Результатом является то, что то, что когда-то было 100-летним наводнением, теперь происходит чаще. Во многих местах так называемое «наводнение неприятностей» только от приливов становится регулярным явлением.

Направление ветра и скорость

Направление ветра определяет, куда подталкивается вода. Наземные ветры (выдувающиеся из океана в сторону суши) являются наиболее опасными для прибрежных наводнений. Скорость ветра определяет величину силы, оказываемой на водную поверхность. Устойчивые ветры от 40 до 50 миль в час могут генерировать значительный всплеск, в то время как ураганные ветры, превышающие 74 мили в час, могут вызывать катастрофические наводнения.

Время высокой приливной волны

Как упоминалось ранее, совпадение штормового нагона с астрономическим приливом может привести к экстремальным уровням воды. Разница между приливом и отливом вдоль Атлантического побережья может составлять несколько футов, поэтому время выхода на берег относительно приливного цикла является решающей переменной. Синоптики используют приливные прогнозы для оценки пиковых уровней прилива, и сообщества часто используют эту информацию, чтобы решить, следует ли выдавать приказы об эвакуации.

Атмосферное давление

Низкое атмосферное давление способствует всплеску через обратный барометрический эффект. На каждое падение давления в миллибаре уровень моря повышается примерно на 0,4 дюйма. В урагане категории 5 с центральным давлением 900 миллибар один только эффект давления может способствовать три-четыре фута всплеска. Хотя это вторичный фактор по сравнению с ветром, он может быть значительным при экстремальных штормах.

Прогнозирование и моделирование прибрежных наводнений

Достижения в компьютерном моделировании значительно улучшили нашу способность предсказывать штормовые нагоны и прибрежные наводнения. Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) управляет моделью «Море, озеро и наземные нагоны от ураганов» (SLOSH), которая используется для прогнозирования высот штормовых нагонов для районов, подверженных ураганам, вдоль побережья Атлантики и Персидского залива. Модель SLOSH учитывает интенсивность шторма, размер, скорость движения вперед и трек, а также местную батиметрию и топографию.

Бассейны SLOSH определены для конкретных прибрежных регионов, и модель тысячи раз запускается для создания композитных карт наводнений, которые показывают районы, подверженные риску для различных категорий ураганов. Эти карты используются аварийными менеджерами для планирования маршрутов эвакуации и определения того, какие районы должны быть эвакуированы в первую очередь.

В последние годы были разработаны более сложные модели, которые сочетают атмосферные, океанические и волновые модели, чтобы обеспечить более полную картину прибрежных наводнений. Модель ADCIRC, например, представляет собой конечную гидродинамическую модель, которая имитирует уровни воды и течения на больших географических территориях. Она использовалась для изучения динамики штормовых нагонов для ураганов, таких как Катрина, Сэнди и Флоренция.

Ограничения существующих моделей

Несмотря на эти достижения, прогнозирование штормового нагона остается сложной задачей. Точность модели зависит от качества входного поля ветра, что, в свою очередь, зависит от прогнозов интенсивности и структуры шторма. Небольшие ошибки в штормовой дорожке могут привести к большим ошибкам в высоте нагона в конкретных местах. Кроме того, модели изо всех сил пытаются захватить эффекты волновой установки, волновой разбег и сухопутный поток в сложной прибрежной местности. Текущие исследования направлены на улучшение этих возможностей.

Изменение климата и будущий риск наводнений

Изменение климата меняет профиль риска для прибрежных наводнений вдоль Атлантического побережья несколькими способами. Прежде всего, повышение уровня моря делает каждый штормовой нагон более опасным. То, что когда-то было 50-летним наводнением, теперь может происходить каждые 20 лет, и ожидается, что частота будет увеличиваться. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) проектирует , что глобальный уровень моря может подняться на один-два фута к 2100 году при сценариях умеренных выбросов, с более высокими значениями, возможными при сценариях с высокими выбросами.

Во-вторых, изменение климата может изменить поведение тропических циклонов. Хотя нет четких доказательств того, что общее число ураганов увеличивается, есть свидетельства того, что доля интенсивных ураганов (категории 4 и 5) увеличивается. Более теплые океанские воды обеспечивают больше энергии для усиления штормов, а более теплый воздух может удерживать больше влаги, что приводит к более сильным осадкам. Сочетание более сильных штормов и более высокого уровня моря представляет растущую угрозу для прибрежных общин.

В-третьих, изменения в атмосферной циркуляции могут влиять на частоту и следы ни'востока. Некоторые исследования показывают, что ни'восток может стать менее частым, но более интенсивным по мере потепления климата. Потенциал зимних штормов для производства прибрежных наводнений остается высоким, особенно на северо-востоке.

Стратегии смягчения и адаптации

В ответ на растущую угрозу прибрежных наводнений общины вдоль Атлантического побережья осуществляют ряд стратегий смягчения последствий и адаптации, в том числе как структурные меры, такие как морские стены и дамбы, так и неструктурные меры, такие как планирование землепользования и строительные кодексы.

Структурные меры

Морские стены, паводковые стены и дамбы обеспечивают физический барьер от штормового нагона. Самым известным примером является нидерландский завод Delta Works, который защищает низменную страну от Северного моря. В США система снижения риска ураганов и штормов (HSDRRS) в Новом Орлеане включает мили дамб, паводков и барьеров для нагона. Другие города, включая Нью-Йорк, Бостон и Чарльстон, изучают или внедряют аналогичные системы.

Однако структурные меры имеют ограничения. Они дороги в строительстве и обслуживании, и они могут создать ложное чувство безопасности. Морской вал, предназначенный для противостояния шторму категории 3, может быть перегружен штормом категории 4. Кроме того, твердые конструкции могут иметь негативные экологические последствия, такие как эрозия пляжей и потеря среды обитания.

Неструктурные меры

Неструктурные меры направлены на снижение уязвимости за счет более разумного развития и готовности. К ним относятся возведение зданий в районах, подверженных наводнениям, использование материалов, устойчивых к наводнениям, и внедрение строгих строительных норм. Правила зонирования могут ограничивать развитие в районах с высоким риском, а программы выкупа могут удалять существующие структуры из пойм.

Природная инфраструктура, такая как водно-болотные угодья, дюны и барьерные острова, также может обеспечить эффективную защиту от наводнений. Прибрежные водно-болотные угодья поглощают энергию волн и хранят паводковые воды, в то время как дюны действуют как естественные барьеры. Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США поддерживает восстановление и сохранение этих природных систем в рамках комплексного подхода к устойчивости прибрежных районов.

Системы раннего предупреждения

Инвестиции в системы раннего предупреждения, включая прогнозирование штормовых нагонов и картирование наводнений, имеют решающее значение для спасения жизней. Национальный центр ураганов NOAA выпускает часы штормовых нагонов и предупреждения, а Национальная служба погоды предоставляет локализованные прогнозы наводнений. Сообщества используют эту информацию для выдачи приказов об эвакуации и активации планов реагирования на чрезвычайные ситуации.

Не менее важно просвещение и информирование общественности. Многие жители прибрежных районов не в полной мере осознают опасность штормового нагона, даже если они живут в зоне эвакуации. Необходимы постоянные информационно-пропагандистские усилия для обеспечения того, чтобы люди предпринимали надлежащие действия при вынесении предупреждений.

Заключение

Наука, стоящая за прибрежными наводнениями вдоль Атлантического побережья, представляет собой сложное взаимодействие физики атмосферы, океанографии и прибрежной геологии. Штормовые нагоны, вызванные ветром и давлением, являются основной причиной экстремальных наводнений, но они модулируются приливами, повышением уровня моря и местной географией. Понимание этих механизмов необходимо для подготовки к неизбежным штормам, которые ударят по побережью.

По мере того, как уровень моря продолжает расти, а климат продолжает меняться, прибрежные общины сталкиваются с трудным будущим. Адаптация не является факультативной. Благодаря сочетанию улучшенного прогнозирования, структурной защиты, естественной инфраструктуры и разумной политики землепользования можно снизить риски и построить более устойчивые сообщества вдоль этой динамичной и уязвимой береговой линии.