《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Extreme river flood induced by the 2019 Typhoon Hagibis at Shinano River basin under climate change conditions
编辑推荐：
为了评估气候变化对台风引发的极端河道洪水风险的具体影响，研究人员以2019年袭击日本的海贝思台风为典型案例，采用气象-水文-水动力耦合模型，结合伪全球增温（PGW）情景模拟，量化了在SSP5-8.5情景下，日本信浓川流域在2050s因气候变化导致降雨、径流及溃堤淹没面积的变化。研究发现，未来气候变暖下流域面平均降雨量将增加15%，导致河道流量显著增加42%，并可能使洪水淹没面积增加7.04%~22.62%，该研究为理解与预测人为气候变化下强台风驱动的严重洪水灾害提供了重要见解。
由强降水引发的河流洪水已成为全球关注的主要问题。随着气候变化和城市化进程，暴露在洪水风险下的人口和经济活动持续增加，而科学预测显示，在变暖的气候条件下，洪水的强度和频率有进一步加剧的潜力。特别是在东亚地区，夏季和秋季的严重降雨有20%至50%由热带气旋（台风）造成。2019年袭击日本的超强台风“海贝思”（Typhoon Hagibis）就造成了历史性的严重洪灾，尤其是长野县千曲川堤坝溃决，给当地社区带来了毁灭性打击。这一事件不仅凸显了当前防洪体系的脆弱性，更提出了一个紧迫的科学问题：在未来持续变暖的气候背景下，类似的极端台风洪水事件将发生怎样的变化？其影响范围会扩大多少？为了回答这些问题，一项聚焦于信浓川流域的研究应运而生。
这项发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》的研究，采用了一种创新的耦合模拟框架，旨在精确再现并预测气候变化对台风洪水的影响。研究首先利用WRF-Hydro气象水文模型，对历史和未来（SSP5-8.5情景2050s）气候条件下台风“海贝思”的降雨和河道径流进行了高分辨率模拟。为了更真实地刻画洪水泛滥过程，研究团队进一步将模拟的径流数据输入到二维非恒定流洪水模拟器Nays2D Flood中，并特意在模型中设置了堤坝溃口，以模拟历史观测到的真实溃堤情景。通过将模拟结果与气象站观测数据、卫星合成孔径雷达（SAR）影像以及实地调查数据进行比较，验证了模型在重现历史洪水方面的可靠性。在此基础上，研究应用了伪全球增温（PGW）方法，通过将全球气候模型（GCM）预估的未来（2050s）与历史（2005-2014年）气候态差异，叠加到区域气象模型的初始和边界条件中，从而构建出未来变暖背景下的“海贝思”台风情景，并评估了其对洪水特征的改变。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：
首先是气象-水文耦合模型WRF-Hydro，它用于模拟流域尺度的降雨和产汇流过程。其次是二维水动力模型Nays2D Flood，用于高分辨率模拟河道水流演进及溃堤后的淹没过程，并设置了基于实地调查的溃口位置进行敏感性分析。第三是伪全球增温（PGW）实验，采用动态降尺度方法，将多模式全球气候模型（CMIP6）在SSP5-8.5情景下预估的未来气候态变化（包括海表温度、气温、湿度、位势高度和风场）叠加到历史台风事件的初始场中，从而构建未来气候情景下的台风事件，同时使用谱逼近技术以保持台风路径与历史一致。此外，研究还使用了日本高精度地形数据（如日本流向图J-FlwDir和日本国土地理院GIA数据）构建模型地形，并采用F1和F2分数以及纳什效率系数（Nash–Sutcliffe Efficiency， NSE）等指标，对模拟的降雨、径流和淹没面积进行了系统的定量验证。
3.1. 验证性模拟结果
3.1.1. 台风路径与海平面最低气压
模拟的台风路径和中心最低气压（MSLP）与日本气象厅（JMA）发布的最佳路径数据吻合良好。在台风登陆前，中心位置偏差在200公里以内，MSLP的均方根误差（RMSE）低于20 hPa，表明模型能够合理再现台风的关键特征，为后续降雨模拟的准确性奠定了基础。
3.1.2. 降水场
模拟的信浓川流域面平均累积降水量（144.85毫米）与53个AMeDAS（自动气象数据采集系统）站点的观测平均值（138.53毫米）非常接近。虽然模拟的强降水开始时间比观测晚了约3小时，但模拟与观测的小时降水量空间分布相关性（R）平均值达到0.646，RMSE为2.95毫米/小时，表明模型较好地捕捉了降雨的空间格局和强度。
3.1.3. 河道径流
在靠近溃堤发生地的Tategahana水文站，模拟的河道径流与观测值在考虑2小时时间偏移后，纳什效率系数（NSE）高达0.945，显示出很高的模拟精度。对整个流域内31个观测点的最大流量进行验证，相关性系数在0.943至0.965之间，进一步证实了WRF-Hydro模型在模拟该事件径流方面的可靠性。
3.1.4. 淹没面积
研究对比了考虑溃堤与不考虑溃堤两种情景下的模拟淹没面积。与卫星SAR影像对比，考虑溃堤的模拟其F1和F2分数分别为0.35和-0.12；而与溃堤区域附近的实地调查数据对比，这两个分数分别提高到0.81和0.63。相比之下，不考虑溃堤的模拟严重高估了下游的淹没范围。这表明，在模型中纳入堤坝溃决机制对于准确再现历史洪水的淹没范围至关重要。模拟通过溃口的平均流量约为313立方米/秒，与另一项独立研究的估算值（约400立方米/秒）大致相符。
3.2. 伪全球增温（PGW）实验结果
3.2.1. 变暖气候下的台风路径与MSLP
在谱逼近技术的约束下，未来气候情景下的台风路径与历史情景基本一致。由于海表温度（SST）升高和大气增温的复杂相互作用，未来台风的中心最低气压略有下降，这与以往使用PGW方法的研究结论一致。
3.2.2. 降水与径流变化
PGW实验表明，在SSP5-8.5情景下，到2050年代，信浓川流域的面平均降雨量将增加约15%。这直接导致了Tategahana站的最大河道流量（洪峰流量）比历史情景增加了约42%。此外，最大面平均小时降雨量与洪峰流量之间的滞后时间在未来情景下略有缩短，表明流域的水文响应可能会变得更加迅速。
3.2.3. 淹没面积变化
这是本研究的核心发现。通过对溃堤位置进行五种不同设定的敏感性分析（S1至S5），研究发现，在历史气候条件下，模拟的淹没面积在8.22至13.33平方公里之间变化。而在未来变暖气候下，淹没面积增加至10.08至14.11平方公里。这意味着，由于气候变化导致的降雨和径流增加，预计将使洪水淹没面积增加7.04%至22.62%。这种增加主要是由于未来水文过程线中高流量持续时间延长所致。
本研究通过耦合气象-水文-水动力模型，成功再现了2019年台风“海贝思”在日本信浓川流域引发的极端洪水事件，并首次定量评估了在未来（2050s）SSP5-8.5变暖情景下，同类事件可能造成的加剧影响。研究表明，气候变化将显著增强台风相关的极端降雨和河道径流，导致洪峰流量大幅增加，并可能使溃堤引发的洪水淹没面积扩大超过五分之一。这些发现为区域决策者提供了关于未来由强台风驱动的严重洪水灾害风险的具体、量化的科学依据。研究强调了在洪水风险评估和防灾规划中，必须考虑气候变化因素以及堤坝等关键基础设施失效的可能性。尽管本研究在溃口位置设定、未考虑水库调控和城市建筑影响等方面存在局限，但其建立的模型框架和得出的定量结论，对于其他易受台风洪水影响的沿海和河流区域评估未来灾害风险具有重要的参考价值。
