研究表明耦合计算机建模可以帮助更准确地预测沿海洪水

当飓风佛罗伦萨在 2018 年以一级风暴袭击北卡罗来纳州海岸时，它创下了降雨量的新记录，在开普菲尔河流域造成了破坏性的 500 年一遇的洪水事件。

这正是路易斯安那州立大学 (LSU) 海洋学和海岸科学系 (DOCS) 的 Z. George Xue 的天气事件类型，他认为他新颖的耦合计算机建模方法可以更准确地预测，从而帮助社区进行灾难规划。薛说，据他所知，他的实验室是唯一使用这种技术的实验室。

Xue 与 DOCS 研究生 Daoyang Bao 及其研究团队的其他成员最近在“地球系统建模进展杂志”上发表了一项利用佛罗伦萨飓风事件的研究，以证明这种新方法的有效性。

该研究的另一合作者、美国地质调查局的约翰·C·华纳 (John C. Warner) 说，提高洪水预测的准确性有助于飓风的防备。“更准确的预报可以帮助沿海管理人员更好地提醒社区即将来临的风暴。”

薛说，这种突破性的耦合建模技术也可以为社区带来长期利益。

“我们的模型可以确定哪个地区在复合洪水方面最脆弱，不仅可以提供短期预测，还可以提供有关未来气候和海平面条件的情景分析，”他说。

复合驱的复杂性

飓风佛罗伦萨期间发生的沿海洪水被称为复合洪水事件，其中两个或多个洪水源——在这种情况下，被雨水淹没的河流和飓风带来的风暴潮——汇聚在一起。

这是一个复杂的系统，很难用传统的河流和海洋模型来模拟，因为它们都没有完全捕捉到不同水源相互作用的方式。

在耦合建模中，河流和海洋的模拟配对并同时运行，因此每个模型都会收到来自另一个模型的反馈。这重现了复合洪水事件的情况，飓风登陆时伴随的风暴潮和风暴向内陆移动时降雨引发的洪水在沿海地区相遇。

薛和他的团队使用飓风佛罗伦萨期间收集的数据将海洋模型与河流模型配对，作为对模型性能的验证。他们将此模拟的结果与更传统的“链接”模型进行了比较，在传统的“链接”模型中，两个模拟分别运行，并使用实际飓风期间从 Cape Fear 地区周围的不同监测站收集的数据。

研究发现，耦合模型产生了明显更好的结果。Cape Fear Estuary 水位的模拟水位比链接模型生成的水位准确度高出 20% 到 40%。这也是首次定量诊断风暴潮和山洪对复合洪水的贡献。

薛说，这种耦合模型代表了他研究了近 20 年的想法的一个新阶段。

“我一直在尝试建立一个‘封闭循环’建模系统，将大气、海洋和河流过程整合到陆地-河口-海洋连续体中，”薛说。“这个新模型通过将河流和陆地表面过程与海洋一侧的过程相结合来关闭循环。”