Наводнения остаются одной из самых дорогостоящих и повторяющихся стихийных бедствий во всем мире, обусловленных в первую очередь конкретными метеорологическими условиями, которые производят чрезмерное накопление воды. Понимание сложного взаимодействия между погодными условиями, топографией, землепользованием и климатической динамикой имеет важное значение для прогнозирования наводнений, управления рисками и разработки эффективных стратегий смягчения последствий. В этой статье рассматриваются основные погодные условия, которые приводят к наводнениям, анализируются, как события наводнения распределены по различным географическим и человеческим ландшафтам, и исследуются ключевые факторы, влияющие на это распределение. Синтезируя современное научное понимание, мы стремимся предоставить всеобъемлющий, основанный на данных обзор для практиков, планировщиков и исследователей, участвующих в управлении рисками наводнений и устойчивости к изменению климата.

Погодные шаблоны, которые провоцируют наводнения

Наводнение происходит, когда вода превышает емкость природных или техногенных дренажных систем, часто вызываемых длительными или интенсивными осадками, быстрым таянием снега, прибрежными штормовыми нагонами или комбинацией этих факторов. Понимание метеорологических факторов, стоящих за наводнением, имеет решающее значение для своевременного предупреждения и снижения риска. Среди наиболее значимых погодных условий, приводящих к наводнениям, являются сильные осадки, тропические циклоны, атмосферные реки и сезонные снегопады.

Сильные дожди и конвективные бури

Сильные дожди от конвективных штормов, включая медленно движущиеся грозы, мезомасштабные конвективные системы и стационарные погодные фронты, являются наиболее частым и широко распространенным триггером наводнений во всем мире. Когда уровень осадков превышает способность почвы к проникновению или перегружает городскую дренажную инфраструктуру, внезапные наводнения могут быстро развиваться, иногда в течение нескольких минут до нескольких часов. Эти внезапные наводнения особенно опасны из-за их внезапного начала и высокой скорости.

Например, в июле 2021 года серия застопорившихся гроз над Западной Европой привела к рекордным суммарным количествам осадков — до 180 мм за 24 часа — что привело к разрушительным наводнениям в Германии, Бельгии и Люксембурге. Это событие продемонстрировало, как интенсивность и продолжительность осадков являются критическими факторами, влияющими на тяжесть наводнений. Так называемое 100-летнее событие осадков, которое статистически происходит раз в столетие, может отложить несколько дюймов дождя за короткий период, в результате чего реки и городские дренажные системы быстро выходят за пределы своих возможностей.

На конвективные системы влияют атмосферная нестабильность, доступность влаги и топографические особенности. Городские тепловые острова могут усиливать конвективную активность на местном уровне, усиливая риск осадков и наводнений в городских районах. Изменение климата, по прогнозам, увеличит частоту экстремальных осадков, еще больше повышая угрозу от конвективных штормов.

Тропические циклоны и ураганы

Тропические циклоны, включая ураганы, тайфуны и циклоны, представляют двойную угрозу наводнения: интенсивные, продолжительные дожди над большими внутренними районами и штормовой нагон вдоль прибрежных зон. Штормовой нагон — это аномальный подъем уровня моря, вызванный сильными штормовыми ветрами, толкающими океанскую воду к берегу, часто в сочетании с низким атмосферным давлением. Этот нагон может затопить низменные прибрежные районы несколькими метрами воды, вызывая широкомасштабные разрушения.

Ураган Харви в 2017 году иллюстрирует катастрофический потенциал наводнений тропических циклонов. Харви застопорился над юго-восточным Техасом почти на четыре дня, упав до 60 дюймов (1 524 мм) дождя в некоторых местах, включая столичный район Хьюстона. Сочетание беспрецедентных осадков и штормового нагона привело к массовым наводнениям, повредив тысячи домов и вытеснив десятки тысяч жителей.

Сложная природа тропического циклона, где внутренние дождевые наводнения сочетаются с прибрежным всплеском, часто увеличивает ущерб, особенно в густонаселенных прибрежных городах с обширной инфраструктурой. Штормовые пути, интенсивность, размер и скорость движения вперед влияют на масштаб наводнения, и эти факторы могут быть модулированы изменчивостью климата и долгосрочными тенденциями.

Атмосферные реки

Атмосферные реки представляют собой длинные узкие коридоры в атмосфере, которые переносят огромное количество водяного пара из тропических районов океана в средние широты суши. Когда эти реки, наполненные влагой, выпадают на сушу, особенно над гористой местностью, они могут производить экстремальные осадки, длящиеся несколько дней. Это устойчивое количество осадков может насыщать почвы и разбухать реки, вызывая широко распространенные наводнения и оползни.

Западное побережье США и части Европы особенно уязвимы к атмосферным речным явлениям. Например, в начале 2023 года ряд атмосферных рек обрушился на Калифорнию, вызвав масштабные наводнения, оползни и ущерб инфраструктуре, оцениваемый в миллиарды долларов. Эти события сейчас признаны основным фактором риска наводнений в умеренных регионах, часто доминирующим в сезонной статистике наводнений.

На атмосферные реки влияют крупномасштабные климатические колебания, такие как Эль-Ниньо-Южное колебание (ENSO). По мере повышения температуры океана в условиях изменения климата эти события переноса влаги могут становиться более интенсивными и частыми, усугубляя опасности наводнений.

Снегопад и ледяные джемы

В более холодном климате быстрое таяние снега в весенние теплые периоды может перегружать речные системы, особенно когда сопровождается осадками. Это создает условия для широкого наводнения в водосборных бассейнах и поймах ниже по течению. Кроме того, ледяные пробки - где сломанный речной лед накапливается и образует временные плотины - могут вызвать наводнение вверх по течению и внезапные, сильные скачки вниз по течению, когда эти ледяные плотины разрушаются.

Красная река Севера, протекающая через Миннесоту и Северную Дакоту, испытывает ежегодные весенние наводнения, часто усугубляемые ледяными пробками. Сроки и темпы повышения температуры при переходе от зимы к весне являются критическими предикторами для наводнений, вызванных таянием снега. Изменения в скоплении снежных покровов и характере таяния из-за изменения климата изменяют риски наводнений во многих северных и горных регионах.

В некоторых случаях отступление ледников, вызванное долгосрочным потеплением, изменяет режимы речного стока, создавая новые опасности наводнений, такие как наводнения в ледниковых озерах, которые могут быть внезапными и разрушительными.

Распределение наводнений

Наводнения не происходят равномерно по всему миру или даже в отдельных странах. Географические, климатические и антропогенные факторы объединяются, чтобы создать различные модели частоты наводнений, тяжести и риска. Понимание этого пространственного распределения имеет решающее значение для эффективного смягчения наводнений, готовности к чрезвычайным ситуациям и распределения ресурсов.

Глобальные модели

Согласно данным Национальных центров экологической информации NAA, миллиардные наводнения наиболее сконцентрированы в Восточной и Юго-Восточной Азии, Соединенных Штатах и Европе.В муссонных регионах, таких как Южная Азия, включая Индию, Бангладеш и Непал, наблюдаются одни из самых высоких частот наводнений из-за интенсивных сезонных осадков и топографического перекачивания воды в низменные речные бассейны, такие как Ганга и Брахмапутра.

И наоборот, засушливые и полузасушливые регионы, такие как пустыня Сахара и австралийская глубинка, испытывают относительно редкие, но чрезвычайно интенсивные внезапные наводнения. Они возникают, когда грозы развиваются над сухими, затвердевшими почвами, которые имеют минимальную инфильтрационную способность, что приводит к быстрому стоку и локализованному наводнению. Эти внезапные наводнения могут быть смертельными и разрушительными, несмотря на общую низкую частоту осадков.

Частота и тяжесть наводнений также варьируются в зависимости от широты, близости к побережьям и преобладающих климатических режимов, а тропические и умеренные зоны демонстрируют различные доминирующие факторы наводнений.

Топографические влияния

Топография играет доминирующую роль в определении распределения наводнений и характеристик. Низко лежащие районы, поймы и прибрежные зоны по своей природе более восприимчивы из-за их возвышения и гидрологической связи. Речные долины собирают стоки из обширных водосборных бассейнов, концентрируя поток воды и часто приводя к длительному затоплению.

Плоская местность замедляет отток воды, продлевая продолжительность наводнений, в то время как горная или крутая местность обычно приводит к быстрому стоку и внезапным наводнениям в узких долинах.Наводнение 2021 года в Германии усугублялось крутыми, замкнутыми долинами рек Ахр и Эрфт, где сток концентрировался быстро, что приводило к быстрому повышению уровня воды и внезапным наводнениям с разрушительными последствиями.

Однако крутые склоны иногда могут смягчать риск наводнений за счет ускорения дренажа воды, при условии, что почва или субстрат могут поглощать осадки, не вызывая оползней или эрозии.Взаимодействие между склоном, типом почвы и растительным покровом является сложным и критически важным для оценки риска наводнений.

землепользование и урбанизация

Использование человеком земли глубоко изменяет распределение наводнений и риск. Урбанизация увеличивает непроницаемые поверхности, такие как дороги, крыши и парковки, которые препятствуют проникновению дождевой воды в землю. Это усиливает поверхностный сток, увеличивая объем и скорость поступления воды в дренажные системы, ручьи и реки. Исследования показывают, что даже умеренное городское развитие может удвоить пиковые потоки наводнений для данного события осадков по сравнению с природными условиями.

Плохо спланированная экспансия городов в поймы еще больше концентрирует риск, помещая больше активов и населения в опасности без адекватной защиты от наводнений. Прибрежные города сталкиваются с усугубляющейся угрозой внутреннего наводнения от интенсивных осадков и штормовых нагонов, часто подавляя существующую инфраструктуру, предназначенную для исторических режимов наводнений.

Кроме того, обезлесение, сельское хозяйство и добыча полезных ископаемых могут ухудшить почву и уменьшить растительный покров, еще больше увеличив сток и транспорт осадочных пород во время штормов, которые могут засорить водные пути и усугубить наводнения вниз по течению.

Воздействие изменения климата

Изменение климата значительно изменяет распределение и интенсивность наводнений во всем мире. Более теплая атмосфера содержит примерно на 7% больше водяного пара на градус Цельсия потепления, усиливая тяжелые осадки во многих регионах. Шестой оценочный доклад МГЭИК подтверждает, что тяжелые осадки стали более частыми и интенсивными с 1950 года, и эта тенденция, как ожидается, продолжится или ускорится в будущем.

Повышение уровня моря, обусловленное тепловым расширением и таянием ледяных шапок, повышает исходную линию для прибрежных наводнений и штормовых нагонов, делая прибрежные наводнения более частыми и разрушительными, даже если штормовая интенсивность остается постоянной. Изменения в сроках таяния снега из-за потепления изменяют режимы речного стока, повышая риски наводнений весной в некоторых бассейнах горного корма при одновременном сокращении хранения снежных пакетов в целом.

Кроме того, изменение климата влияет на характер циркуляции атмосферы, потенциально влияя на частоту, интенсивность и следы штормов, атмосферных рек и других погодных систем, вызывающих наводнения.Эти изменения требуют адаптивных стратегий в управлении наводнениями и городском планировании для устранения возникающих рисков.

Управление реками и инфраструктура

Инфраструктура, спроектированная человеком, включая плотины, дамбы, каналы и водохранилища, может как смягчить, так и усугубить распределение наводнений. Хорошо спроектированные системы контроля за наводнениями снижают риск для многих районов , регулируя потоки рек, сохраняя избыточную воду и защищая городские зоны. Однако эти системы также могут передавать воздействие наводнений вниз по течению или усиливать последствия, если они не сработают.

Системы дамб вдоль реки Миссисипи иллюстрируют эту двойственность.В то время как дамбы позволили обширное развитие в поймах, обеспечив защиту, отказ или перекрытие этих дамб может вызвать катастрофическое наводнение из-за высокой плотности населения и концентрации инфраструктуры позади них.

Деятельность плотин играет ключевую роль в управлении рисками наводнений, но требует тщательной координации с прогнозами погоды, чтобы избежать непреднамеренного наводнения в нижнем течении во время сбросов водохранилищ. Канализация рек и дноуглубительные работы могут ускорить поток воды и уменьшить локальное наводнение, но могут увеличить риск наводнений вниз по течению путем концентрации потока и сокращения естественного хранения пойм.

Комплексные подходы к управлению водосборными бассейнами, учитывающие весь бассейн реки и включающие восстановление естественных пойм, все чаще признаются в качестве устойчивых решений для обеспечения сбалансированного контроля за наводнениями и здоровья экосистем.

Анализ риска и прогнозирования наводнений

Современный анализ и прогнозирование риска наводнений основаны на сочетании наблюдательных данных, гидрологических и гидравлических моделей и передовых технологий дистанционного зондирования. Точное прогнозирование наводнений требует понимания как погодных факторов, так и местной физической географии и инфраструктуры , которые влияют на движение и хранение воды.

Гидрологическое моделирование

Гидрологические модели моделируют, как осадки трансформируются в стоки и маршрутизируются через речные сети, включая такие факторы, как количество осадков, влажность почвы, почвенный покров и геометрия каналов. Такие модели, как Национальная модель воды (NOAA) и Европейская система информирования о наводнениях (EFAS), обеспечивают прогнозы наводнений в реальном времени в региональном и континентальном масштабах.

В этих моделях все чаще используются методы прогнозирования вероятностных ансамблей, которые учитывают неопределенности в прогнозах погоды, что позволяет прогнозировать риск наводнений за несколько дней до нескольких недель. Такие прогнозы поддерживают инициативное управление чрезвычайными ситуациями и распределение ресурсов.

Удаленное зондирование и интеграция данных

Спутниковое дистанционное зондирование улучшает мониторинг и прогнозирование наводнений, предоставляя оценки осадков, данные о влажности почвы и картирование местности. Такие миссии, как спутники Глобального измерения осадков (GPM) и Активная пассивная влажность почвы (SMAP), заполняют пробелы в наблюдениях, особенно в отдаленных или бедных данными районах.

Цифровые модели возвышения высокого разрешения (DEM) облегчают детальное картирование пойм и моделирование затопления. Исторические записи о наводнениях, поддерживаемые такими агентствами, как Геологическая служба США (USGS) , позволяют ученым выявлять тенденции, проверять модели и улучшать оценки рисков. В настоящее время применяются методы машинного обучения для интеграции различных наборов данных для расширенного картирования восприимчивости к наводнениям и раннего предупреждения.

Системы раннего предупреждения

Эффективные предупреждения о наводнениях основаны на своевременном распространении прогнозов и предупреждений уязвимым группам населения. Во многих странах действуют национальные системы предупреждения о наводнениях, которые объединяют метеорологические и гидрологические модели для выпуска на общинном уровне часов, предупреждений и рекомендаций по эвакуации.

Вспышки наводнений представляют собой особую проблему из-за их быстрого наступления и ограниченного времени выполнения, часто от нескольких минут до нескольких часов. Надежные сети мониторинга в реальном времени, включая датчики рек, радары дождя и автоматические оповещения, необходимы для максимального времени реагирования.

Бангладеш является примером, когда системы предупреждения о циклонах и наводнениях в сочетании с программами обеспечения готовности общин резко сократили смертность от экстремальных погодных явлений за последние десятилетия, иллюстрируя потенциал хорошо скоординированных систем раннего предупреждения для спасения жизни.

Тематические исследования: события наводнения и их водители

2021 Европейские наводнения

В июле 2021 года медленно движущаяся система низкого давления застопорилась над Западной Европой, вытягивая теплый, влажный воздух из Средиземноморского и Ла-Манша. Эта атмосферная установка произвела рекордные осадки - до 180 мм за 24 часа в некоторых частях Германии - выпадающие на уже насыщенные почвы из-за предыдущих осадков. В результате внезапных наводнений и речных наводнений погибло более 200 человек, в основном в Германии и Бельгии, и вызвали миллиарды экономических потерь.

Это событие подчеркнуло уязвимость даже технологически развитых стран с развитой инфраструктурой к экстремальным осадкам в условиях меняющегося климата. Оно выявило пробелы в коммуникации о рисках наводнений, планировании землепользования и реагировании на чрезвычайные ситуации, подчеркнув необходимость комплексных подходов к управлению рисками наводнений и повышения устойчивости городов.

2022 Пакистанские наводнения

В 2022 году беспрецедентные муссоны, связанные с сочетанием изменения климата и моделей Ла-Нинья, вызвали катастрофические наводнения по всему Пакистану. Почти треть страны была затоплена, затронув более 33 миллионов человек и вызвав широкое перемещение и экономические потрясения.

Массивные масштабы осадков, превышающие 700% от нормы в некоторых районах, переполнили естественные дренажные системы и речные бассейны, особенно систему реки Инд. Наводнение затопило как городские, так и сельские районы, повредив дома, инфраструктуру и сельскохозяйственные угодья.

Эта катастрофа продемонстрировала, как изменение климата может усилить давно установленные погодные условия, такие как муссоны в Южной Азии, увеличение частоты и интенсивности наводнений. Она также подчеркнула настоятельную необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов в сочетании с усилением местных мер по адаптации, включая устойчивую к наводнениям инфраструктуру и повышение готовности к стихийным бедствиям.

Ураган Харви (2017)

Беспрецедентное затягивание урагана Харви над Техасом в течение почти четырех дней было частично связано со слабыми атмосферными рулевыми течениями, что привело к рекордным суммам осадков, превышающим 50 дюймов в некоторых местах. Это событие побило рекорды осадков тропических циклонов в США и привело к катастрофическим наводнениям, особенно в столичном районе Хьюстона.

Урбанизация сыграла значительную роль в усилении последствий наводнений Харви. Обширные непроницаемые поверхности и развитие пойм увеличили стоки и уменьшили естественное поглощение воды. Это событие подчеркнуло сложные взаимодействия между экстремальными погодными условиями и моделями землепользования, которые могут усилить риск наводнений.

Харви вызвал переоценку политики управления рисками наводнений в регионе, включая обновления картирования пойм, строительных норм и протоколов реагирования на чрезвычайные ситуации.

Стратегии смягчения и адаптации

Для эффективного устранения риска наводнений необходим многогранный подход, сочетающий в себе как структурные, так и неструктурные меры. Одного решения недостаточно; интегрированные, адаптивные стратегии необходимы для снижения уязвимости и повышения устойчивости в условиях меняющегося климата.]

Структурные меры

  • Линии и наводненные стены:] Они обеспечивают локализованную защиту, физически блокируя паводковые воды. Хотя они эффективны в снижении риска для охраняемых районов, они могут увеличить риск наводнений вниз по течению или в других местах и могут создать ложное чувство безопасности, потенциально поощряя рискованное развитие в зонах, подверженных наводнениям.
  • Дамы и водохранилища: Они регулируют потоки рек, сохраняя избыточную воду во время наводнений. Правильно управляемые, они уменьшают пиковые потоки наводнений; однако, отказ плотины или несогласованные сбросы воды могут вызвать катастрофическое наводнение вниз по течению.
  • Канализация и отвод: Модификация речных каналов для ускорения потока или отвода паводковых вод может уменьшить локальные наводнения, но может увеличить риск вниз по течению и ухудшить речные экосистемы.
  • Зеленая инфраструктура и восстановление пойменных пойм: Восстановление естественных пойм, водно-болотных угодий и прибрежных буферов увеличивает емкость хранения воды, снижает скорость потока и улучшает качество воды. Эти природные решения обеспечивают устойчивое смягчение последствий наводнений и преимущества экосистем.

Неструктурные меры

  • Планирование и зонирование землепользования: Ограничение развития в районах, подверженных наводнениям, снижает подверженность и уязвимость. Внедрение выкупа пойм и переселение общин из зон высокого риска повышает долгосрочную устойчивость.
  • Раннее предупреждение и готовность к чрезвычайным ситуациям: Инвестирование в прогнозирование наводнений, мониторинг в режиме реального времени, системы оповещения общественности и образование в общинах улучшает реагирование и снижает потери жизни.
  • Строительные коды и устойчивый к наводнениям дизайн: Требуя повышенных конструкций, защиты от наводнений и устойчивых материалов минимизирует ущерб имуществу во время наводнений.
  • Страховые и финансовые инструменты: Программы страхования от наводнений и фонды стихийных бедствий помогают распределять экономические риски и поддерживать усилия по восстановлению.

Комплексные подходы и будущие направления

Эффективное управление рисками наводнений все чаще подчеркивает комплексные подходы к водосбору, которые сочетают в себе структурную защиту с восстановлением экосистем и адаптивным планированием землепользования. Инновации в области анализа данных, машинного обучения и дистанционного зондирования обеспечивают расширенные возможности прогнозирования наводнений. Участие общин и справедливое планирование устойчивости обеспечивают приоритет уязвимых групп населения в стратегиях адаптации.

Для решения проблемы риска наводнений в контексте изменения климата необходима динамичная, перспективная политика, которая включает в себя неопределенность и меняющиеся профили опасности. Сотрудничество между правительствами, учеными, инженерами и сообществами имеет важное значение для создания адаптивного потенциала и снижения растущей численности жертв наводнений во всем мире.