文章信息：Husain Najafi, Pallav Kumar Shrestha, Oldrich Rakovec, Heiko Apel, Sergiy Vorogushyn, Rohini Kumar, Stephan Thober, Bruno Merz, & Luis Samaniego. (2024). High-resolution impact-based early warning system for riverine flooding. Nature Communications, 15(1), 3726. https://doi.org/10.1038/s41467-024-48065-y

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年1月30日

Abstract: Despite considerable advances in flood forecasting during recent decades, state-of-the-art, operational flood early warning systems (FEWS) need to be equipped with near-real-time inundation and impact forecasts and their associated uncertainties. High-resolution, impact-based flood forecasts provide insightful information for better-informed decisions and tailored emergency actions. Valuable information can now be provided to local authorities for risk-based decision-making by utilising high-resolution lead-time maps and potential impacts to buildings and infrastructures. Here, we demonstrate a comprehensive floodplain inundation hindcast of the 2021 European Summer Flood illustrating these possibilities for better disaster preparedness, offering a 17-hour lead time for informed and advisable actions.

摘要：尽管近几十年来洪水预测的进展很大，但最先进的洪水预警系统（少数）仍需要配备近实时的淹没和影响预测及其相关的不确定性。高分辨率，基于影响的洪水预测提供了深刻的信息，以实现更明智的决策和量身定制的紧急行动。现在，可以通过利用高分辨率的交货时间地图以及对建筑物和基础设施的潜在影响，向地方当局提供有价值的信息，以提供基于风险的决策。在这里，我们展示了2021年欧洲夏季洪水的全面洪泛区淹没后广播，说明了这些可能性更好的灾难准备的可能性，提供了17小时的提前时间，以采取明智和明智的行动。

1. 研究背景

• 洪水是全球影响最广泛、最具破坏性的自然灾害之一，全球约23%的人口暴露于百年一遇的洪水风险中。
• 气候变化、政府和私人部门的投资不足以及人类认知偏差是导致洪水灾害加剧的主要原因。
• 近年来，极端降雨事件的频率和强度不断增加，未来气候变化将进一步加剧这一趋势。洪水准备和防御措施往往难以应对极端事件，因此洪水预测和早期预警系统被视为减少人员伤亡和经济损失的关键工具。
• 尽管近年来洪水预测技术取得了显著进展，但现有的洪水早期预警系统（FEWS）仍需要具备近实时的淹没和影响预测及其不确定性信息，以提供更明智的决策和定制化的紧急行动。

2. 研究意义

• 提供了一种高分辨率、基于影响的洪水早期预警系统（FEWS），能够提供近实时的淹没和影响预测及其不确定性信息，为当地当局提供风险基础的决策支持。
• 通过2021年欧洲夏季洪水事件的案例研究，展示了该系统在提高洪水预测精度和灾害管理能力方面的潜力，为未来的洪水预警系统开发提供了概念验证。
• 强调了将洪水影响预测纳入现有FEWS的重要性，特别是在小尺度和快速响应河流流域中的应用，为灾害管理提供了更丰富的信息和更动态的响应能力。

3. 研究方法

• 气象输入：使用德国气象局（DWD）的区域集合预测系统ICON-D2 EPS，提供48小时预报范围内的高分辨率降水和温度预报。
• 集合水文预报：基于中尺度水文模型（mHM）生成流量和水位预报，模型分辨率为1.1公里，使用多尺度参数区域化方法估计分布式参数场。
• 水动力学预报：使用高分辨率（10米网格）水动力学模型RIM2D，模拟淹没深度，并计算水位超过预设警戒水位（HQ100）的时间。
• 影响预报：基于OpenStreetMap数据和水动力学模型输出，计算受影响的建筑物、道路和铁路的长度。
• 数据来源：包括DWD的降水和温度数据、OpenStreetMap的地理数据、Copernicus应急管理服务（CEMS）的快速制图产品等。

4. 研究主要结论

• 预测能力：通过ICON-D2_EPS-mHM链生成的集合降水和水位预报显示，尽管存在不确定性，但能够有效预测洪水事件，尤其是在洪水峰值前17小时提供预警。
• 淹没和影响预测：通过扩展预报链至高分辨率水动力学模型RIM2D，能够生成近实时的淹没深度图和流速图，为下游地区提供关键的洪水影响信息。
• 不确定性传播：研究展示了如何将不确定性从气象预报传递到水文和淹没预测中，并通过集合预报方法量化这些不确定性。
• 决策支持：通过提供高分辨率的淹没和影响预测，该系统能够为当地当局和应急管理部门提供更准确的决策支持，减少洪水对人类生命和基础设施的威胁。

5. 研究展望

• 技术挑战：尽管该系统展示了高分辨率洪水预测的潜力，但在全国范围内实施实时服务仍面临计算能力、数据存储和操作调度的挑战。
• 数据需求：许多洪水易发地区缺乏高分辨率的土壤和地形数据、实时气象观测和高分辨率大气预报，这些数据的获取对于实施近实时洪水影响预测至关重要。
• 模型改进：需要进一步改进数值天气预报（NWP）模型，以减少降水预测的不确定性，并提高对极端事件的预测能力。
• 用户沟通：未来的研究需要探索如何更好地将洪水影响预测信息传达给用户、决策者和公众，以提高预警系统的有效性和公众信任度。

6. 研究主要图表

01 基于影响的整体端到端洪水预报建模链

02 ICON_D2_EPS-MHM链的降水和水位的集合预测

03 基于ICON_D2_EPSMHM-RIM2D链条的最大洪水前置时间警告

04 Altenahr仪表下游预测的淹没区域的不确定性表示

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48065-y                          

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/hrxRnGHUSNckQFpqy-gWEQ