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Oct 10, 2023

Die Auswirkungen des Gezeitenverlusts von Feuchtgebieten und der Küstenentwicklung auf Sturmflutschäden an Menschen und Eigentum: ein Fall von Hurrikan Ike

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4620 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Küstenfeuchtgebiete schützen Gemeinden bei Hurrikanen, indem sie Überschwemmungen und Schäden durch Sturmfluten reduzieren. Frühere Studien haben die Vorteile der Überschwemmungsreduzierung in Feuchtgebieten quantifiziert, es besteht jedoch weniger Verständnis dafür, wie die Kombination aus Feuchtgebietsverlust und Küstenentwicklung die räumliche Verteilung von Überschwemmungsausmaßen und -schäden beeinflusst. In dieser Studie integrieren wir ein hochauflösendes hydrodynamisches 2D-Modell mit Landnutzungs-/Landbedeckungsänderungsanalysen, um die Auswirkungen des gesamten Feuchtgebietsverlusts, des dekadischen Feuchtgebietsverlusts und der Küstenentwicklung auf Sturmflutschäden in Galveston Bay, Texas, zu bewerten. Wir messen die Ausmaße von Sturmfluten durch Hurrikan Ike für drei Szenarien: (i) Basisjahr 2008; (ii) 2008 No Wetlands und (iii) 2019 „Present-day H. Ike“. Wir stellen fest, dass während des Hurrikans Ike im Jahr 2008 der Gesamtverlust von Küstenfeuchtgebieten die Schäden um netto etwa 934 Millionen US-Dollar oder 12,8 % des Grundschadens erhöht hätte. Für das aktuelle H. Ike-Szenario 2019 stellten wir fest, dass zwischen 2008 und 2019 nur sehr wenige Feuchtgebiete verloren gingen. Wenn Hurrikan Ike im Jahr 2019 aufgetreten wäre, wären die Schäden um etwa 2,52 Milliarden US-Dollar oder 34,6 % höher ausgefallen, was fast ausschließlich auf den gestiegenen Realwert zurückzuführen wäre Immobilienwert und neue Küstenentwicklung. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zunahme der wirtschaftlichen Gefährdung zwar ein wesentlicher Faktor für das Sturmflutrisiko in Galveston Bay ist, ein wirksamer Schutz von Feuchtgebieten diese Risiken jedoch weiterhin verringert.

Durch Hurrikane verursachte Sturmfluten haben im letzten Jahrhundert in den Vereinigten Staaten zu großen wirtschaftlichen Verlusten und Todesopfern geführt. Zwischen 1900 und 2017 verursachten Hurrikane in den kontinentalen USA wirtschaftliche Schäden in Höhe von 2 Billionen US-Dollar und forderten mehr als 16.000 Todesopfer1,2. Das Risiko von Sturmflutüberschwemmungen kann allgemein durch das Rahmenwerk „Gefährdung – Gefährdung – Gefährdung“3 charakterisiert werden. Hier bezieht sich „Gefährdung“ auf das Ausmaß der Sturmflut, die durch hohe Wasserstände an der Küste verursacht wird, „Gefährdung“ bezieht sich auf die Anzahl der überschwemmten Vermögenswerte oder Menschen und „Gefährdung“ ist das Ausmaß, in dem diese Vermögenswerte und Menschen von Sturmfluten betroffen sind.

Der Gesamtwasserstand an der Küste, der während eines Sturms zu Überschwemmungen im Landesinneren führt, wird hauptsächlich durch eine Kombination aus Sturmflut und Gezeiten bestimmt, wobei auch andere Meereszirkulationsbedingungen, wie zum Beispiel Offshore-Strömungen, dazu beitragen4. Sturmfluten sind häufig die Hauptschadenursache bei einem Hurrikan. Beispielsweise waren Überschwemmungen im Landesinneren aufgrund von Sturmfluten die größte Schadenskomponente bei den Hurrikanen Katrina im Jahr 20145, Ike im Jahr 20086, Sandy im Jahr 20147 und zuletzt Hurrikan Ian im Jahr 20228. Die Ost- und Golfküsten der USA sind Regionen mit hoher Gefährdung und Anfälligkeit zu Überschwemmungsgefahren durch Sturmfluten, verschärft durch den Anstieg des Meeresspiegels. Die Gefahr von Sturmfluten in diesen im Allgemeinen flachen Überschwemmungsgebieten kann sich abhängig von der Topographie, der Intensität des Hurrikans und den Gezeitenwasserständen während der Flut vom Küstengebiet aus mehrere Meilen landeinwärts erstrecken.

Während Sturmfluten ein wesentlicher Auslöser von Überschwemmungsrisiken sind, beeinflusst die Küstenentwicklung auch die Risiken, indem sie die Gefährdung durch diese Gefahren erhöht9,10. Es wird prognostiziert, dass die kombinierten Auswirkungen des Klimawandels und der Küstenentwicklung den Anteil der künftigen Hurrikanschäden am US-Wirtschaftswachstum erheblich erhöhen werden11. Die Küstenentwicklung kann durch die zunehmende Exposition das Überschwemmungsrisiko schnell und über kurze Zeiträume erhöhen. GIS-basierte Bewertungen des Meeresspiegelanstiegs und Bevölkerungsprognosen deuten darauf hin, dass ein Anstieg des Meeresspiegels um 0,9 m in den gesamten USA bis zum Jahr 2100 mehr als 4 Millionen Menschen einem Überschwemmungsrisiko aussetzen kann12. Mehrere Studien haben den Einfluss der Küstenentwicklung untersucht über die Gefährdung durch den Anstieg des Meeresspiegels und Sturmfluten und die damit verbundenen sozioökonomischen Schäden11,13. Die meisten dieser Studien konzentrieren sich auf die geplante Küstenentwicklung und die damit verbundene Erhöhung der Risikoexposition innerhalb der Überschwemmungsgebiete [z. B. Ref. 14]. Die Küstenentwicklung erhöht jedoch nicht nur die Gefährdung durch Sturmfluten, sondern kann diese Gefahr auch noch verschärfen, indem natürliche Gezeitenfeuchtgebiete entfernt werden, die nachweislich die Überschwemmungsgefahr durch Sturmfluten verringern15.

Gezeitenfeuchtgebiete sind eine wichtige natürliche Barriere, die die Gefährdung und Anfälligkeit gegenüber Sturmfluten verringern kann, indem sie das Ausmaß und die Höhe von Überschwemmungen verringert und so Schäden und Todesfälle durch Hurrikane verhindert16,17,18. Eine Reihe von Studien hat die Physik der Überspannungsdämpfung in Feuchtgebieten und die daraus resultierenden Vorteile von Feuchtgebieten bei der Reduzierung von Sturmfluten19 und Sachschäden20,21,22,23 untersucht. Sheng et al.19 fanden heraus, dass es in einigen Teilen von Miami während des Hurrikans Andrew der Kategorie 5 im Jahr 1992 ohne Vegetationsbedeckung zu katastrophalen Überschwemmungen gekommen wäre19. Narayan et al.20 zeigten, dass durch Gezeitensalzwiesen-Feuchtgebiete in mehreren Bundesstaaten Überschwemmungsschäden von etwa 625 Millionen US-Dollar vermieden wurden Der Nordosten der US-Atlantikküste während des Hurrikans Sandy im Jahr 2018 verursachte Schäden in Höhe von insgesamt 60 Milliarden US-Dollar und stellte eine starke positive Korrelation zwischen der Ausdehnung des Feuchtgebiets und der Reduzierung der Überschwemmungsschäden fest20. Sheng et al.23 fanden heraus, dass diese Vorteile für Feuchtgebiete je nach Standort stark schwankten und zwischen 8 und 52 % der durch Sturmfluten verursachten Verluste während Hurrikan Sandy und anderen hypothetischen Sturmereignissen vermieden wurden23. In Galveston Bay stellten Highfield et al.24 unter Verwendung statistischer Modelle fest, dass die Ausdehnung von Sumpffeuchtgebieten die Ansprüche von Hochwasserversicherungen sowie die Entfernung von der Küste erheblich beeinflusste24. Obwohl in dieser Studie die räumliche Verteilung dieser Auswirkungen nicht untersucht wurde, unterstreicht sie, wie wichtig es ist, das Vorhandensein von Landschaftsmerkmalen einschließlich Barriereinseln zu berücksichtigen, da diese untrennbar mit der Verteilung der Ausmaße von Sturmfluten und den Auswirkungen von Feuchtgebieten auf diese Ausmaße von Überschwemmungen verbunden sind .

In diesem Manuskript bieten wir eine erste Untersuchung des Feuchtgebietsverlusts und der Küstenentwicklung als zwei miteinander verbundene Aspekte, die die räumliche Verteilung des Küstenüberschwemmungsrisikos bei Sturmfluten beeinflussen. Da Feuchtgebiete durch den Anstieg des Meeresspiegels und die Küstenentwicklung verloren gehen, verringert sich ihre Fähigkeit, Küsten vor Sturmfluten zu schützen9. Unser Manuskript untersucht, wie Veränderungen der Landbedeckung und Landnutzung innerhalb der Überschwemmungsgebiete, einschließlich des Verlusts von Feuchtgebieten, die räumliche Verteilung des Sturmflutrisikos beeinflussen. Wir untersuchen die Auswirkungen dieser Veränderungen auf das Hochwasserrisiko mithilfe prozessbasierter Modelle mit Rasterauflösungen, die den Einfluss von Landschaftsmerkmalen einschließlich Barriereinseln und wichtigen Navigationskanälen wie der Intra-Coastal Waterway erfassen können. Durch die Kombination von Sturmflutmodellen mit räumlichen Landbedeckungs- und Landnutzungsanalysen liefert unser Manuskript eine erste Bewertung, wie der Gesamtverlust von Feuchtgebieten, der dekadische Verlust von Feuchtgebieten und die Küstenentwicklung zusammen die Schäden durch Sturmfluten in einer dicht besiedelten, hurrikangefährdeten Region beeinflussen.

Galveston Bay ist eine dicht besiedelte, hurrikangefährdete Region, die bei früheren Stürmen, darunter Hurrikan Ike im Jahr 2008 und Hurrikan Harvey im Jahr 2017, schwere Überschwemmungen und die Zerstörung von Küstengrundstücken erlitten hat. In Galveston Bay gibt es trotz intensiver menschlicher Entwicklung auch große Feuchtgebiete über die Küste und das Vorhandensein eines großen Schifffahrtskanals25,26,27. In einigen früheren Studien wurden die einzelnen Auswirkungen der Küstenentwicklung und von Feuchtgebieten auf Überschwemmungen in der Galveston Bay mithilfe empirischer und statistischer Modelle mit deutlich geringerer Auflösung im Vergleich zu unserer Studie untersucht. Bisher ist uns keine Studie bekannt, die die kombinierte Wirkung dieser Faktoren untersucht hat Sturmflutgefahr. Guannel et al.28 verwendeten ein empirisches, statisches 1-D-Modell, das über mehrere küstensenkrechte Transekte28 angewendet wurde, um den Einfluss des Meeresspiegelanstiegs auf den Küstenschutzwert von Küstenfeuchtgebieten zu bewerten, und Brody et al.29 untersuchten die Wirkung von Palustrine Feuchtgebietsverluste auf niederschlagsbedingte Überschwemmungsrisiken mithilfe räumlicher statistischer Methoden29, obwohl keine dieser Studien den Einfluss der Entwicklung auf das Risiko untersuchte. Ein vom Harte Research Institute durchgeführtes multidisziplinäres Projekt untersuchte die sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen des Anstiegs des Meeresspiegels auf die Landkreise Harris, Brazoria, Galveston, Chambers und Liberty, die Galveston Bay umgeben30, wobei diese Studie jedoch nicht die Auswirkungen von Feuchtgebieten oder der Küstenentwicklung bewertete Sturmflutschäden. Unter Verwendung von Galveston Bay als Testfall präsentiert unsere Studie eine neuartige, hochauflösende, räumlich explizite Bewertung der kombinierten Auswirkungen von Gezeitenfeuchtgebieten und Küstenentwicklung auf die Sturmflutrisiken für Menschen und Eigentum. Im Jahr 2008 traf Hurrikan Ike als Hurrikan der Kategorie 2 in Galveston auf Land und wurde zu einem der teuersten und verheerendsten Stürme in der Geschichte der USA31. Obwohl Ike bei seiner Landung nur ein Sturm der Kategorie 2 war, hatte er ein großes Windfeld, das eine große Sturmflut erzeugte, die erhebliche Überschwemmungen und große Zerstörungen an Küstengrundstücken verursachte, insbesondere auf der Ostseite der Galveston Bay. Die gesamten Struktur- und Sachschäden durch Hurrikan Ike in den karibischen Ländern und den Vereinigten Staaten werden auf mehr als 29,5 Milliarden US-Dollar geschätzt32, wobei der geschätzte Verlust von 112 Menschen direkt und indirekt mit dem Sturm entlang der Golfküstenregionen der USA zusammenhängt33,34. Gebiete auf der rechten Seite der Augenwand des Hurrikans Ike, die extremen Hurrikanwinden auf dem Festland ausgesetzt waren, verzeichneten im Allgemeinen höhere Sturmflutpegel, wobei der maximale Sturmflutpegel von 5,3 m bis zu 29 km landeinwärts in Chambers County, Texas, gemessen wurde32.

Um die Auswirkungen des Gezeitenverlusts von Feuchtgebieten und der Küstenentwicklung auf Sturmflutschäden zu bewerten, integrieren wir Delft3D, ein hydrodynamisches 2-D-Sturmflutmodell, mit räumlichen Landbedeckungs- und Landnutzungsänderungsanalysen unter Verwendung mehrerer öffentlich verfügbarer Datensätze zwischen den Jahren 2008 und 2008 2019 und für drei Vergleichsszenarien. Zunächst erstellen und validieren wir ein Delft3D-Modell mit hoher Auflösung (5,56 km in der Tiefsee bis 86 m in Küsten- und Küstenregionen), um Ausmaße und Höhen von Sturmfluten während des Hurrikans Ike in der Region Galveston Bay zu simulieren. Anschließend bewerten wir das Ausmaß der Sturmfluten durch Hurrikan Ike für drei Szenarien: (1) Basisjahr 2008 mit Daten zum mittleren Meeresspiegel, zu Feuchtgebieten und zur Landbedeckung von 2008; (2) 2008 Keine Feuchtgebiete mit dem mittleren Meeresspiegel und der Landbedeckung von 2008, aber unter der Annahme, dass alle Küstenfeuchtgebiete durch offenes Wasser verloren gehen; und (3) 2019 „heutiger Hurrikan Ike“ mit mittlerem Meeresspiegel 2019 einschließlich Meeresspiegelanstieg seit 2008 sowie Feuchtgebiet und Landbedeckung 2019. Überschwemmungshöhen werden nur für Sturmfluten und nicht für Wellen ermittelt. Wir integrieren Sturmfluthöhen aus diesen drei Szenarien mit öffentlich verfügbaren räumlichen Datensätzen zu Bevölkerung, Landbedeckung, Landnutzung und wirtschaftlichem Wert, um Sturmflutschäden zu bewerten. Wir nutzen öffentliche Landnutzungs- und Grundsteuerdaten für 2019, um den wirtschaftlichen Gesamtwert im überschwemmten Gebiet zu ermitteln. Für das Jahr 2008 leiten wir wirtschaftliche Werte auf der Grundlage verfügbarer Datensätze zur Landbedeckung und Landnutzung für 2008 und 2019 ab. Zur Bewertung wirtschaftlicher Schäden verwenden wir Tiefenschadensfunktionen, um räumlich explizit die erwarteten wirtschaftlichen Schäden zu berechnen Wert der Wohn-, Gewerbe- und Agrarlandnutzungsarten aufgrund der Überschwemmung für jedes Szenario. Die Schadenswerte aller Szenarien werden verglichen, um zu verstehen, wie die Verteilung der Feuchtgebiete die Sturmflutschäden während H. Ike im Jahr 2008 beeinflusste und wie neue Küstenentwicklungen und der Verlust von Feuchtgebieten im darauffolgenden Jahrzehnt diese Risiken beeinflusst haben. Alle Dollarbeträge werden als Dollar für 2019 dargestellt.

Die Sturmflut von Hurrikan Ike überschwemmte 55 % der Überschwemmungsgebiete (Tabelle 1). Wir schätzen, dass die Sturmflut 143.598 Menschen oder etwa 35 % der Bevölkerung in der Region betroffen hat und Sturmflutschäden in Höhe von etwa 7,27 Milliarden US-Dollar verursacht hat. Für beide Schadensszenarien von 2008 treten höhere Überschwemmungsspitzen hauptsächlich im östlichen Teil der Galveston Bay auf (3–4,8 m) (Abb. 1a,b). Dies ist auf landwärts gerichtete Hurrikanwinde zurückzuführen, die Wasser in die Küstengebiete drückten. Niedrigere Hochwasserspitzenwerte sind auf der Westseite der Bucht (< 2 m) zu beobachten, wo sich hauptsächlich die linke Seite des Hurrikans Ike befand und der Wind seewärts wehte. Hurrikan Ike überschwemmte auch andere Teile der texanischen Küste und der Nachbarstaaten (Abb. S6). Das Sturmflutmodell schneidet bei beobachteten Tidenpegeln und Hochwassermarken gut ab, mit einem maximalen quadratischen Mittelwertfehler von 0,14 m für Tidenpegelbeobachtungen und 0,68 m für die Hochwassermarken (Tabelle S1; Abb. S14, S15).

Simulierte Hochwasserspitzenhöhen (m), die den Unterschied zwischen Hochwasserhöhen und der topografischen (d. h. Boden-)Oberfläche von Hurrikan Ike über Regionen in Galveston Bay für: (a) 2008 keine Feuchtgebiete, (b) 2008 Basislinie und (c) Differenz ( Keine Feuchtgebiete 2008 – Ausgangsbasis 2008). Topografische und Überschwemmungshöhen beziehen sich alle auf MSL.

Gezeitenbedingte Feuchtgebiete führten während des Hurrikans Ike in den meisten Regionen rund um die Galveston Bay zu einer deutlichen Verringerung der Überschwemmungshöhe um 0,25–0,9 m (Abb. 1c). Diese Feuchtgebiete reduzierten die gesamte Spitzenflutausdehnung während des Hurrikans Ike im Jahr 2008 um 112 km2 (Abb. 1c) und schützten mehr als 18.000 Menschen vor dieser Überschwemmung. Innerhalb des Untersuchungsgebiets von 3000 km2 betrug die Gesamtgröße der Feuchtgebiete (aufstrebende krautige Feuchtgebiete) im Jahr 2008 828 km2 und die Gesamtbevölkerung betrug 405.730 Menschen.

Die Verringerung des Überschwemmungsausmaßes aufgrund des Vorhandenseins von Feuchtgebieten führte zu einer Nettoreduzierung der wirtschaftlichen Überschwemmungsschäden um etwa 934 Millionen US-Dollar oder 12,8 % der Basisverluste. Unter den überschwemmten Regionen profitierten die Landkreise Galveston und Harris am meisten vom Vorhandensein von Feuchtgebieten, wobei in jedem Landkreis Überschwemmungsschäden in Höhe von mehr als 400 Millionen US-Dollar vermieden wurden, wobei die Küstenregionen im Großraum Houston erhebliche Vorteile erhielten (Tabelle 1; Abb. 2a, b). ).

(a) Die Karte zeigt den prozentualen Nutzenwert der Feuchtgebietsbedeckung ab 2008, berechnet als Verhältnis der Schadensdifferenz: (Keine Feuchtgebiete 2008 – Basislinie 2008)*100/Basislinie 2008. Die eingefügten Felder (b) und (c) zeigen detaillierte Beispiele für positive bzw. negative prozentuale Nutzenwerte entlang der Strecke von H. Ike für die Küstenlinien Houston Metropolitan und Galveston Island.

Unsere Studie schätzt den durchschnittlichen Wert der Feuchtgebiete in der Region Galveston Bay für die Vermeidung von Sturmflutschäden während des Hurrikans Ike auf 1,1 Millionen US-Dollar pro km2, wobei die Vorteile der einzelnen Feuchtgebiete je nach Standort stark variieren. Während des Hurrikans Ike erhielt Galveston County durch 198 km² Küstenfeuchtgebiete einen geschätzten Nutzen aus der Reduzierung von Sturmfluten in Höhe von ca Obwohl die Ausmaße insgesamt geringer waren, boten Feuchtgebiete Vorteile von etwa 32.000 US-Dollar pro km2 (Tabelle 1).

Der vollständige Verlust von Feuchtgebieten hätte dazu geführt, dass 60 % der Überschwemmungsgebiete und 40 % der Bevölkerung (162.069 Menschen) aufgrund der Sturmflut überschwemmt worden wären, also 18.471 Menschen zusätzlich im Vergleich zum Ausgangswert. Der Gesamtverlust an Feuchtgebieten hätte sich um mehr als das Doppelte erhöht, die Gesamtfläche, die eine extreme Sturmflut von > 4 m erlebte, und die Zahl der Menschen, die eine Sturmflut von > 4 m erlebten, um etwa 25 % erhöht (Ergänzungstabelle S4). Wir stellen jedoch fest, dass der Nutzen für Feuchtgebiete bei der Vermeidung von Schäden durch Sturmfluten größer ist, wenn die Spitzenhöhe der Überschwemmungen geringer ist, wobei mehr als 780 Millionen US-Dollar, d . S13).

Interessanterweise stellen wir auch fest, dass Feuchtgebiete die Spitzenüberschwemmungstiefen und die Überschwemmungsschäden an einigen Orten um etwa 20 Millionen US-Dollar oder 0,28 % der gesamten Basisverluste erhöhen. Dieser negative Effekt der Feuchtgebietsbedeckung ist vor allem in den weiter außen liegenden Küstenregionen der Barriereinseln bei Grundstücken zu beobachten, die seewärts der Feuchtgebiete liegen (Abb. 2c).

Unsere Studie zeigt, dass bei einem erneuten Auftreten von Hurrikan Ike im Jahr 2019 die gesamten Sturmflutschäden ~ 9,79 Milliarden betragen hätten. Dies entspricht einer Schadenssteigerung gegenüber 2008 von ~ 2,52 Milliarden bzw. 34,6 %. Wir stellen fest, dass die Steigerung des wirtschaftlichen Werts in Form neuer Küstenentwicklungen und steigender Immobilienwerte für 99,7 % des gesamten Anstiegs der wirtschaftlichen Schäden durch Sturmfluten im letzten Jahrzehnt verantwortlich ist (Abb. 3a–c). Fast 90 % dieses wirtschaftsbedingten Risikoanstiegs sind auf den Anstieg der Immobilienwerte im Überschwemmungsgebiet zwischen 2008 und 2019 zurückzuführen.

(a) Veränderung der Feuchtgebietsbedeckung zwischen 2008 und 2019 in Galveston Bay: Orangefarbene und grüne Bereiche kennzeichnen Verlust bzw. Zunahme der Feuchtgebietsbedeckung, und hellgelbe Bereiche kennzeichnen Feuchtgebiete, die sich nicht verändert haben. (b) Änderung des Immobilienwerts zwischen 2008 und 2019, einschließlich Anstieg der Immobilienpreise in Rot, Rückgänge in Blau und keine Änderung in Gelb (c) Unterschied in den Spitzenhochwasserhöhen (d. h. Unterschied zwischen Hochwasserhöhen und topografischen Höhen in Bezug auf den MSL). Datum) zwischen dem „heutigen Hurrikan Ike“ von 2019 und den Basisszenarien von 2008, (d) Unterschied in den wirtschaftlichen Sturmflutschäden zwischen dem „heutigen Hurrikan Ike“ von 2019 und den Basisszenarien von 2008.

Der Anstieg des Schadens allein aufgrund neuer Entwicklungen, ohne Berücksichtigung des Anstiegs der Immobilienwerte, beträgt ~ 269 Millionen US-Dollar oder ~ 11 % des gesamten Anstiegs des Schadens. Ein Vergleich der Landbedeckungs- und Landnutzungsdaten zwischen dem Basisszenario von 2008 und dem „heutigen Hurrikan Ike“-Szenario von 2019 zeigt, dass sich zwischen 2008 und 2019 bei etwa 3 % der Überschwemmungsgebiete die Landbedeckung veränderte, der Großteil davon im Zuge der Stadtentwicklung (Abb. 3a,d). Die bebaute Fläche nahm zwischen 2019 und 2008 um 52 km2 (8 %) zu, wobei diese Fläche vollständig überschwemmt wurde. Die größten Risikozuwächse bei Neuentwicklungen gab es bei Industrie- (114 Millionen US-Dollar), Wohn- (84 Millionen US-Dollar) und Gewerbegrundstücken (60 Millionen US-Dollar).

Die Studie ergab, dass neue Küstenentwicklungen auch mit einem sehr geringen Verlust von Feuchtgebieten verbunden sind, was dieses Risiko weiter verschärft. Der Netto-Feuchtgebietsverlust betrug in diesem Jahrzehnt etwa 31 km2 (3,7 % der Feuchtgebietsausdehnung von 2008), wobei in einigen Gebieten ein Verlust und in anderen Gebieten eine Nettozunahme der Feuchtgebietsausdehnung zu verzeichnen war (Abb. 3a), was zu einem Nettoanstieg der Schäden durch Sturmfluten führte ~ 7 Millionen US-Dollar, was 0,27 % des gesamten Schadensanstiegs und 2,6 % des Schadensanstiegs allein aufgrund neuer Entwicklungen entspricht. Der Bruttoverlust an Feuchtgebieten belief sich auf ca. 15,95 km2 (1,9 % der Feuchtgebietsausdehnung von 2008), der größte Teil davon war auf den Ersatz von Feuchtgebieten durch Infrastruktur zurückzuführen (Abb. 3a, b). Einige Teile der Auen gewannen in diesem Jahrzehnt auch an Feuchtgebieten, so dass sich insgesamt 6,68 km2 Feuchtgebietsfläche (0,8 % der Feuchtgebietsfläche von 2008) ergaben.

Diese Studie präsentiert eine neuartige Bewertung der kombinierten Auswirkungen von Küstenentwicklung und Feuchtgebietsverlusttreibern auf die Gesamtmenge und räumliche Verteilung von Sturmflutüberschwemmungen und Schäden über einen dekadischen Zeitrahmen, der für das Hochwasserrisikomanagement und die Entscheidungsfindung relevant ist. Während allgemein anerkannt ist, dass diese Faktoren Risiken individuell beeinflussen, indem sie Gefahren und Exposition verändern, präsentiert unsere Studie eine erste Untersuchung der kombinierten Auswirkungen von Feuchtgebietsverlust und Küstenentwicklung im Hinblick auf wirtschaftliche Überschwemmungsschäden durch Sturmfluten. Die Studie verdeutlicht auch, inwieweit Veränderungen im Immobilienwert zu einem Anstieg des Gesamtrisikos führen.

Sturmfluten waren für einen großen Teil der Gesamtschäden durch Hurrikan Ike verantwortlich. Obwohl es schwierig ist, unsere Schadensschätzungen genau zu validieren, unterschätzt unsere Schätzung von Sturmflutschäden in Höhe von 7,27 Milliarden US-Dollar leicht die Gesamtschadensschätzungen für Hurrikan Ike32,35,36,37. Alvarez und Plocheck37 schätzen, dass Hurrikan Ike einen Gesamtschaden von 15,6 Milliarden US-Dollar verursachte, wovon 8,9 Milliarden US-Dollar auf Sturmfluten in den Landkreisen Galveston, Harris und Chambers zurückzuführen waren. Diese Landkreise machen 98 % unseres Untersuchungsgebiets aus. In einem anderen Bericht der Abteilung des Heimatschutzministeriums wurde der Gesamtschaden auf 9,3 Milliarden US-Dollar geschätzt, einschließlich Schäden an Transportmitteln, öffentlichen Gebäuden, Wohnungen, Krankenhäusern und Infrastrukturreparaturen35. Die NOAA veröffentlichte einen Bericht, der einen höheren Schadenswert von 29,5 Milliarden US-Dollar schätzte, indem alle betroffenen Staaten einbezogen wurden32, und der Texas Engineering Extension Service veröffentlichte einen Bericht, der einen Gesamtverlust von 142 Milliarden US-Dollar schätzte, der auch langfristige wirtschaftliche Schäden einschloss36. Die geschätzten Schadenswerte (29 bis 142 Milliarden US-Dollar) in den meisten anderen Berichten übersteigen die in unserer Studie, da sie Schäden aus mehreren Bundesstaaten (Texas, Louisiana und Arkansas), Windeinwirkungen, durch Regen verursachte Überschwemmungsschäden und langfristige wirtschaftliche Auswirkungen umfassen . Unsere Studie weicht insofern von diesen Berichten ab, als (1) wir uns nur auf durch Sturmfluten verursachte Schäden an Küsteneigentum konzentrierten; (2) angenommen, dass Schäden erst oberhalb einer Mindestüberschwemmungstiefe (Grenzwert) über 0,1 m auftreten; (3) angenommen, dass der wirtschaftliche Schaden durch Sturmfluten nur auf Gebäude und Anbauflächen beschränkt ist, und; (4) umfasste keine Schäden durch sekundäre Auswirkungen wie Betriebsunterbrechungen. Wir bewerten auch die Auswirkung von Unsicherheiten bei der Schätzung der Spitzenhochwasserhöhe auf unsere wirtschaftlichen Schadenswerte. Wir stellen fest, dass Unterschiede zwischen modellierten und beobachteten Hochwassermarken zu Abweichungen bei den Schadensschätzungen in diesen Sechsecken von weniger als 0,01 Millionen US-Dollar führen (Abb. S14). Wir präsentieren alle unsere kumulierten Ergebnisse konservativ auf 1 Million US-Dollar genau.

Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Bedeutung der Erhaltung der Feuchtgebietsausdehnungen, um deren Vorteile beim Hochwasserschutz aufrechtzuerhalten. In der Region Galveston Bay gelten mehrere Vorschriften zum Schutz der Lebensräume von Küstenfeuchtgebieten38. Darüber hinaus hat die Region Galveston Bay eine lange Geschichte der Bemühungen staatlicher Institutionen und Nichtregierungsorganisationen zum Schutz von Feuchtgebieten26. Im Jahr 2021 gab die Galveston Bay Foundation etwa 11,5 Millionen US-Dollar aus regionalen und bundesstaatlichen Zuschüssen aus, um über 4.000 Acres oder 16 km2 Feuchtgebiet zum Schutz in den Counties Brazoria und Galveston zu erwerben39. Basierend auf einem Einheitswert von 1,1 Millionen US-Dollar pro km2 bedeutet eine Investition von 12 Millionen US-Dollar in den Schutz von 16 km2 dieser Feuchtgebiete eine Kapitalrendite von fast 150 % allein aufgrund dieser Risikominderungsvorteile, was ähnliche Ergebnisse in anderen Küstenökosystemen und -regionen unterstützt40. Unsere Schätzungen zum Nutzen von Feuchtgebieten für die Reduzierung von Sturmflutschäden stimmen gut mit den Ergebnissen früherer Studien überein, obwohl diese Ergebnisse je nach Standort und Hurrikankontext stark variieren. Sun und Carson41 schätzten den wirtschaftlichen Wert von Feuchtgebieten während des Hurrikans Irma auf 860.000 US-Dollar pro km241. Andere Studien im Nordosten der USA haben gezeigt, dass der relative Nutzen von Feuchtgebieten zwischen 8 und 52 %23 des gesamten Überschwemmungsschadens bei einzelnen Sturmereignissen schwankt und durchschnittlich etwa 15 % des Überschwemmungsschadens im Hinblick auf die jährliche Überschwemmungsreduzierung ausmacht20.

Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass Gezeitenfeuchtgebiete in einigen Fällen auch die Schäden durch Sturmfluten erhöhen, obwohl dieser Effekt im Vergleich zum positiven Nettoeffekt dieser Feuchtgebiete auf den Rest der Region gering ist (2,14 % des gesamten Nettonutzens) (Abb. 2a). Diese Feststellung stützt ähnliche Erkenntnisse früherer Bewertungen der Vorteile der Sturmflutreduzierung in Gezeitensumpf- und Mangrovenfeuchtgebieten20,42. Diese Studie zeigt, dass auf den außerhalb liegenden Barriereinseln in der Galveston Bay während H. Ike ein Anstieg der Spitzenfluthöhen zu verzeichnen war, was auf das Vorhandensein von Sumpffeuchtgebieten hinter der Barriere zurückzuführen ist, die als semipermeable Barrieren fungierten und den Sturmfluss verlangsamten oder blockierten Welle weiter ins Landesinnere. Da Feuchtgebiete zunehmend als Alternativen für Küstenschutzportfolios in Betracht gezogen werden43, wird es wichtig zu verstehen, wie sich diese Feuchtgebiete als Barrieren verhalten und wie sie daher die Auswirkungen von Überschwemmungen auf an diese Feuchtgebiete angrenzende Gebiete beeinflussen.

Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen auch, wie wichtig es ist, bei der Bewertung von Überschwemmungsrisiken Veränderungen in der Feuchtgebietsausdehnung, dem Immobilienwert und der Küstenentwicklung zu berücksichtigen. Regionale Landnutzungsmanagementrichtlinien, einschließlich Entscheidungen zur Landnutzungsplanung und -erhaltung, werden häufig über einen Zeitraum von 10 bis 30 Jahren aktualisiert44. Entscheidungen zum Hochwasserrisikomanagement und Versicherungspreisrichtlinien basieren in der Regel auf statischen Hochwasserkarten der Federal Emergency Management Agency (FEMA), die regelmäßig aktualisiert werden45. Der Prozess der Einbeziehung dieser Daten in Versicherungspolicen und Bebauungsgesetze kann jedoch viel länger dauern, während sich das Überschwemmungsgebiet in Bezug auf Gefahren und Gefährdung weiterhin verändert, was dazu führen kann, dass diese Policen bei ihrer Ankunft veraltet sind46. Durch die Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Variabilität des Schadensrisikos durch Sturmfluten aufgrund von Änderungen der Landnutzung und der Feuchtgebietsausdehnung über ein Jahrzehnt unterstreicht unsere Studie, wie wichtig es ist, zu ermitteln, wie Änderungen dieser Faktoren das heutige Überschwemmungsrisiko beeinflussen können.

Die Studie konzentriert sich auf die Untersuchung sturmflutbedingter Überschwemmungen und ihres Ausmaßes und berücksichtigt nicht die Auswirkungen von Wellen, sodass unsere Schätzungen sowohl der Schäden als auch der Vorteile für Feuchtgebiete eher konservativ sind. In Küstenregionen können Wellen einen erheblichen Einfluss auf das Ausmaß der Überschwemmungen während eines Hurrikans haben und möglicherweise zu größeren Schäden an Menschen und Eigentum führen47. Küstenökosysteme, insbesondere Gezeitenfeuchtgebiete, haben sich bei der Reduzierung von Wellenhöhen bei Extremereignissen als äußerst wirksam erwiesen48. Wellenbedingte Überschwemmungen und Schäden sind ein wichtiger Bestandteil von Überschwemmungen, auch wenn die Modellierung mit hoher Auflösung rechenintensiv ist. Es sind weitere Studien erforderlich, um ihren Beitrag zu Überschwemmungsschäden sowie ihre Wechselwirkungen mit Küstenfeuchtgebieten bei Extremereignissen zu isolieren. Weitere Untersuchungen zu den Vorteilen von Feuchtgebieten bei Hochwellenereignissen sind ebenfalls erforderlich. Bei der Schadensbewertung werden zuvor beschriebene Tiefenschadensfunktionen verwendet, die empirische Informationen über das Ausmaß der zu erwartenden Strukturschäden bei unterschiedlichen Hochwassertiefen liefern. Diese Funktionen werden häufig anstelle von Vor-Ort-Beobachtungen struktureller Schadensdaten verwendet, die nach einem Extremereignis schwer zu erhalten sein können [z. B. Ref. 13].

Die Simulation der Überschwemmungen durch Hurrikan Ike wird mithilfe eines digitalen Höhenmodells mit einer Auflösung von 10 m innerhalb der Galveston Bay durchgeführt, das die meisten wichtigen Schifffahrts- und Navigationskanäle erfasst (Abb. 4a–c). Während die meisten dieser Kanäle im DEM erfasst werden (Abb. 4c), hat unser Modell eine Gitterauflösung von 86 m, sodass der Effekt von Kanälen mit einer Breite von weniger als 86 m innerhalb des Modells gemittelt wird. Die explizite Auflösung kleinerer Kanäle ist für große Untersuchungsregionen wie diese rechenintensiv, aber wichtig für die Untersuchung kleinräumiger städtischer Überschwemmungen in stark kanalisierten städtischen Küstenumgebungen49.

(a) Karte mit Details der Bathymetrie (relativ zum mittleren Meeresspiegel (MSL) für den Golf von Mexiko (GoM). Die schwarze gepunktete Linie markiert die offenen Grenzen des Delft3D, wo der Gezeitenantrieb angewendet wird. (b) Karte mit dem Bathymetrie des nordwestlichen Teils von GoM, wo die Validierung des Hochwassermodells durchgeführt wurde. Die für die Modellvalidierung verwendeten USGS-Hochwassermarken sind in blauen Dreiecken dargestellt. (c) Karte mit der Bathymetrie von Galveston Bay und den Standorten der Gezeitenstationen (rote Kreise) , Hochwassermarken (blaues Dreieck) und Wellenboje (gelber Stern) zur Modellvalidierung. Die Pfeillinie zeigt in allen Feldern die Ike-Spur an.

Unsere Bewertung des Verlusts von Feuchtgebieten basiert auf einem Extremszenario, das davon ausgeht, dass alle diese Feuchtgebiete durch offenes Wasser ersetzt werden, ohne dass sich die darunter liegende Höhe ändert. Obwohl dieses Szenario extrem ist, ist es die klarste Möglichkeit, die Vorteile des Hochwasserschutzes dieser gesamten Feuchtgebiete für die Reduzierung von Sturmflutschäden explizit zu quantifizieren. Allerdings ist ein solches Szenario für kleinere Regionen, auch im Golf von Mexiko, nicht unrealistisch50,51. Wir gehen davon aus, dass diese Schätzung konservativ ist, da sie möglicherweise die Vorteile von Feuchtgebieten unterschätzt, da wir die geomorphologischen Veränderungen von Bathymetrie, Sedimenten und Strömungen nicht berücksichtigen, die mit einem derart umfangreichen Verlust von Feuchtgebieten einhergehen könnten52, was den Anstieg des Sturmflutrisikos weiter verschärfen kann.

Bei der Bevölkerungsanalyse wurden Volkszählungsdaten aus dem Jahr 2010 verwendet, die möglicherweise nicht die tatsächliche Bevölkerung in der Region während H. Ike im Jahr 2008 widerspiegeln. Die Folgen des Hurrikans Ike führten dazu, dass einige der am stärksten betroffenen Regionen wie Galveston Island aufgrund der Abwanderung von Menschen Bevölkerung verloren die Insel53. Erkenntnisse aus Galveston Island deuten auf einen Bevölkerungsrückgang um etwa 11.000 bzw. 5 % der Gesamtbevölkerung in der von der Sturmflut des Hurrikans Ike überschwemmten Region hin54. Eine solche Abwanderung von Menschen aus einer Region nach einem Extremereignis kann dazu führen, dass bei der Schadensbeurteilung die Gesamtzahl der betroffenen Menschen unterschätzt wird. In unserer Studie haben wir Annahmen basierend auf Landbedeckungsdaten aus den Jahren 2008 und 2019 sowie Landnutzungsdaten aus dem Jahr 2019 verwendet, um Lücken in den Landnutzungsdaten für 2008 für die Verwendung in den Tiefenschadensfunktionen zu schließen. Diese Annahmen verringern die Genauigkeit unserer Schadensschätzungen und verdeutlichen, wie wichtig es ist, nach Möglichkeit historische Landnutzungsdaten zu entwickeln, um Schäden durch vergangene Hurrikane besser abschätzen zu können.

Die Ergebnisse dieser Studie ergänzen eine wachsende Literatur, die Aufschluss über die Bedeutung von Gezeitenfeuchtgebieten für die Reduzierung des Risikos von Sturmfluten und den gleichzeitigen Effekt gibt, den die Küstenentwicklung auf die zunehmende Gefährdung durch diese Risiken hat. Hurrikan Ian im Jahr 2022 hat erneut die Folgen von Entwicklungsentscheidungen an riskanten Küstenlinien gezeigt, auch vor und hinter Küsten- und Gezeitenmangrovenwäldern55. Hochauflösende, räumlich explizite Modelle, wie sie in dieser Studie vorgestellt werden, können sowohl lokalen Planern als auch Sanierungsfachkräften wichtige Informationen darüber liefern, wo an Küsten gebaut werden sollte und wo natürliche Lebensräume als natürliche Küstenverteidigung wiederhergestellt oder geschützt werden sollten.

Galveston Bay hat eine Länge von 50 km und eine Breite von 27 km und ist mit einer Fläche von 1554 km2 die größte Flussmündung an der Golfküste von Texas. Die durchschnittliche Tiefe beträgt 3 m, außer dort, wo der Meereskanal mit einer Tiefe von mehr als 12 m durch die Mitte der Bucht verläuft (siehe Abb. 4c). Zwei Flüsse (San Jacinto und Trinity) stellen die wichtigsten Süßwasserquellen dar. Auf der Meeresseite verbinden zwei Eingänge die Bucht mit dem Golf von Mexiko. Der Großteil der menschlichen Bevölkerung in der Bucht konzentriert sich auf Gebiete auf der Westseite der Bucht. In der Bucht gibt es überall Küstenfeuchtgebiete, die meisten davon befinden sich jedoch auf der Südseite der Bucht und einige auch auf der Ost- und Nordostseite. Die Gesamtgröße des Untersuchungsgebiets in Galveston Bay (Landfläche um Galveston Bay) beträgt 3000 km2.

Für die Sturmflut-Hochwassermodellierung wurde DELFT3D-FLOW verwendet, ein prozessbasiertes hydrodynamisches Modell. Das hydrodynamische Modell schätzt nur Sturmflutströme und damit verbundene Überschwemmungen und berücksichtigt nicht Wellen oder welleninduzierte Überschwemmungen, die zusätzlich zu Sturmfluten auftreten können. In einer Reihe numerischer Modellstudien wurden verschiedene Sturmflutmodellierungssysteme verwendet, um das Sturmflutverhalten und die Überschwemmung in Küstengebieten im oberen Teil des Golfs von Mexiko aufgrund des Hurrikans Ike50,51,52 zu untersuchen. Veeramony et al.55 untersuchten die Leistung des Delft3D-FLOW-Modells zur Simulation von Sturmfluten und Überschwemmungen durch Hurrikan Ike und stellten fest, dass es das Ausmaß der Überschwemmungen durch Ike einigermaßen gut vorhersagt. Wir haben nur Sturmfluten modelliert und Wellen in dieser Analyse nicht berücksichtigt.

Delft3D-FLOW ist ein gut entwickeltes numerisches Modell, das üblicherweise zur Lösung drei- oder zweidimensionaler (tiefengemittelter) instationärer Flachwassergleichungen (Kontinuität [Ergänzungsgleichung S1] und Reynold-gemittelter Navier-Stokes-Gleichungen [Ergänzungsgleichungen. S2 und S3]) auf einem Rechengitter mit einem impliziten Finite-Volumen-Ansatz zur Simulation hydrodynamischer Küstenprozesse17,53,54. Diese Studie verwendet Delf3D-Flow im 2D-Modus.

Dem gesamten Golf von Mexiko wurde ein unstrukturierter Gitterbereich mit einer räumlichen Auflösung von 5,5 km (0,05 Grad) zugewiesen, und die Auflösung erhöhte sich allmählich zu einem feineren Gitter in der Nähe der texanischen Küste und in die Bucht hinein und erreichte schließlich eine räumliche Auflösung von 86 m im Inneren Galveston Bay und die umliegenden Auen. Das Modellgebiet wurde so gebaut, dass es sich vom äußeren Golf von Mexiko bis in die Küstenauen rund um die Galveston Bay bis zu einer topografischen Höhe von 10 m erstreckt. Die Wahl der Modellauflösung von 86 m innerhalb der Galveston Bay und der Überschwemmungsebene basierte auf einer Bewertung des Wertes im Hinblick auf die Überschwemmungsausdehnung im Vergleich zu den Berechnungskosten. Da die 86-m-Rasterzellen die wichtigsten Landschaftsmerkmale und wichtigen Navigationskanäle genau erfassten, stellten wir fest, dass eine Erhöhung dieser Auflösung auf 30 m die Ergebnisse zur Überschwemmungsausdehnung nicht wesentlich veränderte, jedoch die Rechenkosten erheblich erhöhte.

Drei Bathymetrie-Datensätze wurden in das Modell integriert (siehe Tabelle 2). In Galveston Bay wurde für die Studie ein Bathymetrie-Digital-Höhenmodell (DEM) mit hoher räumlicher Auflösung von 10 m verwendet. Das Modell umfasste Informationen über Gezeitenbestandteile, die als astronomische Komponenten in Bezug auf Amplitude und Phase implementiert wurden und aus Global Satellite Altimeter-Daten (AVISO) mit einer räumlichen Auflösung von 6,94 km entlang der beiden offenen Grenzen im Süden und Südosten des Golf-von-Mexiko-Gebiets gewonnen wurden (schwarze Linien in Abb. 4a). Um Änderungen der Wasserhöhen aufgrund der saisonalen sterischen Expansion im Golf von Mexiko zu berücksichtigen, wurde ein anfänglicher Wasserstand von 0,125 m basierend auf den durchschnittlichen saisonalen Schwankungen im Jahr 2008 an 22 Gezeitenstationen im Golf von Mexiko hinzugefügt (Abb. S1). Die Simulation einer Sturmflut wurde hauptsächlich durch den atmosphärischen Antrieb vorangetrieben. Als externer Antrieb wurde im Modell ein räumlich und zeitlich variierender Windfelddatensatz verwendet (siehe Tabelle 2). Für den Windwiderstandskoeffizienten \({C}_{d}\) betragen die Standardhaltepunktwerte (\({C}_{d}\) 0,00063 und 0,00723 für \({U}_{10}\) 0 m/s bzw. 100 m/s) unterschätzten den simulierten Spitzenwasserstand. Wir haben modifizierte Haltepunkte (\({C}_{d}\) von 0,0028 und 0,0035 für \({U}_{10}\) von 0 m/s bzw. 100 m/s verwendet, um die Modellleistung zu verbessern Bedingungen für die genaue Erfassung der Größe und Form des von Ike erzeugten Sturmflutgipfels. Die Änderung der für den Luftwiderstandsbeiwert festgelegten Haltepunkte wurde in verschiedenen Studien vorgeschlagen und berichtet10,11,12.

Um den Einfluss von Feuchtgebieten auf Sturmflutüberschwemmungen in der Galveston Bay zu untersuchen, wurden diese Lebensräume im numerischen Modell als Manning-Koeffizienten für die Oberflächenrauheit dargestellt. Die Koeffizientenwerte wurden auf der Grundlage von Landbedeckungsklassifizierungen abgeleitet, die aus den National Land Cover Databases NLCD von 2008 stammen (Ergänzungstabelle S3). Die Landbedeckungsklassifikationen wurden auf der Grundlage von Mattocks und Forbes56 in den entsprechenden Manning-n-Wert übersetzt. Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf neu entstehenden krautigen Feuchtgebieten mit einem Manning-n-Wert von 0,045. Das Sturmflutmodell wurde unter Verwendung des n-Werts und der Windwiderstandskoeffizienten von Manning aus dem Golf von Mexiko kalibriert. Da die Gebiete rund um die Küste von Texas und Louisiana größtenteils aus schlammigem Boden bestehen, wurde für offenes Wasser ein Wert von 0,012 anstelle von 0,02 verwendet, der für sandige Gebiete gilt55,57.

Um sicherzustellen, dass das Delft3D-Strömungsmodell die Gezeitensignale genau erfasst, wurde das Strömungsmodell zunächst nur mit Gezeitenkomponenten entlang der offenen Grenzen als externen Antrieb eingerichtet. Im Modell wurden insgesamt 34 Gezeitenkomponenten verwendet (siehe SI-Datei) sowie saisonale Schwankungen des Wasserstands aufgrund von Temperatur und Salzgehalt berücksichtigt. Die Simulation wurde für den Zeitraum vom 1. bis 16. Januar 2008 mit einem Zeitschritt von 10 Minuten durchgeführt. Die Statistiken des Vergleichs zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen dem simulierten und dem in situ Wasserstand an den meisten Gezeitenpegelstandorten, mit einem R-Wert im Bereich von 0,72 bis 0,92 und RMSE-Werten zwischen 0,09 m und 0,14 m, obwohl die Neigungswerte von Die Regressionslinie deutet auf eine Unterschätzung des Wasserstands hin (Steigung 0,85–0,93) (Ergänzende Abbildung S2 und Tabelle S1). Eine genaue simulierte Sturmflutmodellierung hängt hauptsächlich von der Genauigkeit der externen Krafteinwirkung, insbesondere des Windfelds (Windgeschwindigkeit und -richtung) und dem Abfall des Luftdrucks ab. Daher wurde die Neuanalyse von Windfeld- und Druckdatensätzen (aus dem globalen Klimamodell) mit Beobachtungen an mehreren NOAA-Gezeitenstationen in Galveston Bay und Offshore-Wellenbojen verglichen. Bei den Windgeschwindigkeiten stimmten die Simulationen gut mit den Beobachtungen überein, wobei RMS-Fehler kleiner als 2,3 m/s und Korrelationskoeffizienten größer als 0,84 gefunden wurden. Zur Quantifizierung der Windrichtungssimulation haben wir die komplexen Korrelationskoeffizienten ermittelt. Diese Koeffizienten liegen zwischen 0,53 und 0,83 bei Winkeln von -7,3 bis 3,34 Grad. Der Druckdatensatz der erneuten Analyse zeigt eine robuste Korrelation mit Beobachtungen (Ergänzende Abbildungen S3–S5 und Tabelle S2).

Nachdem sichergestellt wurde, dass das Delft3D-Modell das Gezeitensignal und die meteorologischen Beobachtungen genau erfasst, wurde das Modell für die Sturmflutsimulation eingerichtet, indem die Sturmwind- und Druckfelddatensätze als externer Antrieb einbezogen wurden. Das Sturmmodell wurde vom 20. August bis 29. September 2008 durchgeführt, um den Gesamtwasserstand an der Küste zu simulieren. Abbildung 5 zeigt Zeitreihenvergleiche des simulierten und gemessenen Wasserstands an verschiedenen Gezeitenmessstandorten in der Galveston Bay (siehe linke Felder in Abb. 4c, 5) sowie an mehreren USGS-Wasserstandsmessern (siehe rechte Felder in Abb. 4b, 5). ). Um die Leistung des Sturmflutmodells zu quantifizieren, werden statistische Analysen durchgeführt und in Tabelle 3 zusammengefasst. Das Sturmflutmodell erfasst die Stärke und Form der Sturmflutspitzen an allen Standorten genau. Die RMS-Fehlerwerte liegen zwischen 0,18 und 0,39 m mit Korrelationskoeffizienten über 0,90 (Tabelle 3).

Vergleich der Gesamtwasserstände (WL) im vertikalen Datum des mittleren Meeresspiegels (MSL) zwischen Gezeitenstationen (in Schwarz) und dem Sturmflutmodell (in Rot) an verschiedenen Orten im Untersuchungsgebiet.

Nach der Validierung wurde das Modell verwendet, um die Ausmaße von Sturmfluten für drei Szenarien zu berechnen: (1) Basisjahr 2008, mit mittlerem Meeresspiegel (MSL) von 2008 und Landbedeckung; (2) 2008 Keine Feuchtgebiete 2008, mit MSL 2008 und Landbedeckung, aber keine Feuchtgebiete (hier werden Feuchtgebiete durch offenes Wasser ersetzt); und (3) 2019 „heutiger Hurrikan Ike“, mit 2019 MSL, 2019 Landbedeckung. Szenario 3 wurde durchgeführt, um die Auswirkungen von Landbedeckungs-/Landnutzungsänderungen, einschließlich des Verlusts von Feuchtgebieten und des Anstiegs des Meeresspiegels, auf Schäden durch Sturmfluten zu untersuchen.

In Szenario (3) wurde das Sturmflutmodell für Hurrikan Ike im Hinblick auf die Feuchtgebietsbedeckung (Mannings n-Wert des Reibungskoeffizienten) anhand der Landbedeckungsdaten von 2019 modifiziert und für den Zeitraum vom 31. August 2019 bis 18. September 2019 durchgeführt. Hier Der Anstieg des Meeresspiegels wurde berücksichtigt, indem der Durchschnittswert des SLR aus der Anzahl der Gezeitenstationen (0,0582 m über 11 Jahre) zum ursprünglichen Wasserstand addiert wurde, zusätzlich zum Anstieg des Wasserstands aufgrund durchschnittlicher saisonaler Schwankungen im September 2019 von 0,125 m. Diese Werte wurden auf der Grundlage der Meeresspiegelentwicklung anhand von Gezeitenmessern im Golf von Mexiko innerhalb von 11 Jahren (von 2008 bis 2019) berechnet.

Für jedes Szenario wurden räumlich eindeutige Karten der Spitzenhochwasserausdehnungen erstellt, indem die Gesamtwasserstände aus dem Delft-3D-Modell, die über MSL liegen, berücksichtigt und die Höhe der zugrunde liegenden Topographie abgezogen wurden. Für die Kartierung überschwemmter Gebiete wurde ein minimaler Spitzenhochwasserschwellenwert von 0,1 m berücksichtigt58.

Räumlich explizite Modellergebnisse zu Überschwemmungsausdehnungen und -höhen für jedes Szenario wurden mit öffentlich verfügbaren Daten zu Immobilientyp und -wert integriert, um den wirtschaftlichen Wert von Sturmflutschäden für jedes Szenario abzuschätzen. Wir haben dies in fünf Schritten unter Verwendung der modellierten Überschwemmungshöhen und öffentlich verfügbaren sozioökonomischen Daten durchgeführt: (1) Bestimmung der Spitzenüberschwemmungshöhen; (2) Landnutzung und Grundstückstyp bestimmen; (3) den Gesamtwert der Immobilie bestimmen; (4) Bevölkerung bestimmen; (5) den Immobilienwert auf Tiefenschadensfunktionen abbilden, die die Überschwemmungshöhen mit dem erwarteten Ausmaß der strukturellen Schäden in Beziehung setzen59. Aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Auflösungen in den Datensätzen zu Überschwemmungen, Immobilienwert und Immobilientyp wurden alle wirtschaftlichen Analysen an Sechsecken einheitlicher Größe mit einer Seitenlänge von 86 m und einer Fläche von 11.320 m2 durchgeführt, wobei diese Abmessungen so gewählt wurden, dass jedes Sechseck dazwischen enthält zwei und vier Hochwasserhöhen-Datenpunkte. Alle Dollarbeträge wurden in US-Dollar-Werte für 2019 umgerechnet.

Zunächst wurde die Überschwemmungshöhe für jedes Sechseck als Durchschnitt der Überschwemmungshöhenpunktwerte innerhalb der Sechseckgrenze geschätzt. Anschließend wurden Landnutzung und Grundstückstyp in den überschwemmten Regionen für die Jahre 2019 und 2008 bestimmt. Landnutzungsdaten für 2019 wurden aus Datensätzen des Houston-Galveston Area Council für alle Gebiete ermittelt, die sich mit überschwemmten Gebieten aus dem Modell überschneiden. Aus diesen Datensätzen haben wir die Landnutzung innerhalb der Überschwemmungsgebiete im Jahr 2019 in sechs Kategorien eingeteilt: Wohnen, Gewerbe, Industrie, Landwirtschaft, Infrastruktur und unbebaut (siehe Abschnitt SI 4, ergänzende Abbildung S8). Diese Landnutzungskategorien wurden verwendet, um die Überschwemmungstiefen den Schadensausmaßen innerhalb jedes Sechsecks zuzuordnen. Jedem Sechseck wurde eine Landbedeckung und Landnutzung entsprechend der Kategorie zugewiesen, die die größte Fläche innerhalb des Sechsecks aufweist.

Da für das Jahr 2008 keine öffentlich zugänglichen Informationen über die Landnutzung in der Region vorliegen, wurden Landbedeckungsdaten für 2019 und 2008 verwendet, um zeitliche Veränderungen der Landbedeckung zu untersuchen und anschließend für jedes Sechseck eine Landnutzungskategorie für 2008 vorherzusagen . Zunächst wurden die Landbedeckungsdaten von USGS für beide Jahre in drei Kategorien umklassifiziert: (1) Bebaut, (2) Ackerland, (3) Unbebaut. Wenn die Landbedeckung zwischen 2008 und 2019 gleich blieb, gingen wir davon aus, dass die Landnutzung im Jahr 2008 dieselbe war wie im Jahr 2019. Für alle Gebiete, in denen sich die Landbedeckung zwischen 2008 und 2019 geändert hatte, haben wir Landnutzungskategorien basierend auf dem zugewiesen Landbedeckungsdaten 2008 (siehe Abschnitt SI 4). Wir fanden heraus, dass sich die Landbedeckung zwischen 2008 und 2019 bei 18.615 Sechsecken, also etwa 7 %, verändert hat, von insgesamt 264.995 Sechsecken. Alle Veränderungen der Landbedeckung zwischen 2008 und 2019 stellten einen Anstieg der Entwicklung dar (d. h. den Wechsel von unbebautem zu bebautem Land oder von Ackerland zu bebautem Land), mit Ausnahme von 14 Sechsecken, die wir ignoriert haben.

Nachdem Landnutzung und Grundstückstyp bestimmt waren, bestand der nächste Schritt darin, den Gesamtwert des Grundstücks zu ermitteln. In jedem Landkreis wurden Daten zur Immobilienbewertungssteuer erhoben, die den Parzellenwert und den Verbesserungswert einer bestimmten Immobilie umfassen. Der Grundstückswert bezieht sich hier auf den Wert des unbebauten Grundstücks. Der Verbesserungswert bezieht sich auf den Wert des Gebäudes und anderer zusätzlicher Bauten, berechnet als Differenz zwischen dem gesamten Immobilienmarktpreis und dem Grundstückswert. Für die Aggregation mit den sechseckigen Analyseeinheiten wurden die Grundstücks- und Verbesserungswerte in jeder Parzelle zunächst in Werte pro Quadratmeter umgerechnet. Anschließend wurde die Funktion „Union“ in ArcGIS Pro verwendet, um den Anteil (die Fläche) jedes Pakets innerhalb eines bestimmten Sechsecks zu ermitteln. Auf dieser Grundlage wurden die Land- und Verbesserungswerte für jedes Sechseck als lineare flächengewichtete Summe aller Landnutzungsklassifizierungen innerhalb jedes Sechsecks geschätzt (ergänzende Abbildung S7). Der endgültige Grundstückswert für jedes Sechseck wurde dann auf der Grundlage der Landnutzung ermittelt. Für alle Landnutzungsarten mit Bauwerken wurde der Gesamtgrundstückswert gleich dem Verbesserungswert festgelegt. Bei Bauten auf unbebauten Grundstücken wie Parks wurde davon ausgegangen, dass es sich um Infrastrukturobjekte (z. B. öffentliche Gebäude usw.) handelte, bei Bauwerken auf landwirtschaftlichen Flächen um Wohngebäude (z. B. Wohnhäuser). Von den 165.492 Sechsecken haben 40.539 keinen Immobilienwert. Der gesamte Immobilienwert aller Sechsecke innerhalb des Untersuchungsbereichs beträgt 28,74 Milliarden US-Dollar für 2008 und 40,8 Milliarden US-Dollar für 2019 (beide in US-Dollar von 2019). Für landwirtschaftlich genutzte Sechsecke, bei denen Überschwemmungsschäden überwiegend das Land selbst betreffen, wurde der Gesamtwert der Immobilie gleich der Summe aus Bodenwert und Verbesserungswert festgelegt. Der Wert landwirtschaftlicher Flächen wurde pro Hektar geschätzt, basierend auf dem Median aller verfügbaren Werte landwirtschaftlicher Flächen aus den Steuerdaten für 2019 in einem bestimmten Landkreis (siehe Abschnitt SI 4), multipliziert mit der Gesamtfläche der landwirtschaftlichen Fläche im angegebenen Sechseck (ergänzende Abbildung S9). .

Bei der Berechnung der wirtschaftlichen Werte für 2008 wurden auch Änderungen der durchschnittlichen Immobilienwerte zwischen 2008 und 2019 berücksichtigt. Da im Jahr 2008 keine öffentlich verfügbaren Daten zur Immobilienbewertungssteuer vorlagen, wurden Entwicklungsänderungen zwischen 2008 und 2019 zur Bestimmung der Entwicklungsquoten für die Schätzung von Immobilien für 2008 herangezogen Werte (Abschnitt SI 4; Abb. S11). Entwicklungsänderungen wurden für alle Sechsecke zwischen 2008 und 2019 untersucht. Wenn es für alle Sechsecke eine Entwicklungsänderung für ein bestimmtes Sechseck gab, wurde der Verbesserungswert für 2019 um das Verhältnis der Entwicklungsänderung angepasst, um den Verbesserungswert für 2008 zu erhalten. Für alle landwirtschaftlichen Sechsecke wurde der mittlere landwirtschaftliche Bodenwert pro Hektar aus dem Jahr 2019 auf die gesamte landwirtschaftliche Nutzfläche in jedem Sechseck angewendet. Anschließend wurden die Verhältnisse der regionalen Immobilienpreise und der ländlichen Grundstückswerte zwischen 2008 und 2019 auf alle Verbesserungen und Grundstückswerte des Jahres 2008 angewendet, um die Änderungen des Immobilienwerts zwischen 2008 und 2019 zu erfassen.

Die Bevölkerung für jedes Sechseck wurde anhand von Daten aus den Datensätzen der Volkszählung 2010 und der Neuverteilung der Volkszählung 2020 auf der geografischen Ebene des Volkszählungsblocks (US-Volkszählung) bestimmt. Wie die Immobilienwertdaten wurden auch die Bevölkerungsdaten pro Quadratmeter berechnet und dann mit jedem Sechseck verknüpft, um die Bevölkerung pro Sechseck zu erhalten. Wir gingen davon aus, dass sich die Landbedeckung und die Bevölkerung in den kurzen Zeiträumen zwischen 2008–2010 und 2019–2020 nicht ändern.

Anschließend wurden die Schäden an Grundstücken durch Sturmfluten geschätzt, indem die Spitzenhöhen der Überschwemmungen mit dem Gesamtwert des Grundstücks für alle Sechsecke integriert wurden. Für jedes Sechseck haben wir Tiefenschadensfunktionen angewendet, die den Anteil der Überschwemmungsschäden basierend auf der durchschnittlichen Überschwemmungshöhe, dem vorherrschenden Grundstückstyp und dem mit diesem Sechseck verbundenen Gesamteigentumswert schätzen. Wir haben die in Huizinga et al.59 beschriebenen Tiefenschadensfunktionen mit einer Regressionsanpassungsanalyse verwendet, um die gruppierten Tiefenschadensdaten in Huizinga et al.59 in eine kontinuierliche Funktion umzuwandeln, die bei jeder Überschwemmungstiefe anwendbar ist (ergänzende Abbildung S12). Darüber hinaus haben wir die Anzahl der überschwemmten Menschen in jedem Sechseck als die Bevölkerung innerhalb von Sechsecken gezählt, in denen die durchschnittliche Überschwemmungstiefe mehr als 0,1 m beträgt. So wurden für alle Sturmflutszenarien räumlich explizite Werte für den wirtschaftlichen Schaden und die überschwemmten Menschen ermittelt, die auf den Schäden aus den Spitzenfluttiefen basieren. Alle Dollarbeträge wurden in Dollar von 2019 umgerechnet.

Schließlich berechneten wir anhand der Schadensschätzungen den Nutzen für Feuchtgebiete als Differenz zwischen dem Basisszenario 2008 und den Schäden ohne Feuchtgebiete im Jahr 2008. Der kombinierte dekadische Effekt der Stadtentwicklung, d. h. Änderung der Landnutzungsart und des Landnutzungswerts sowie der Feuchtgebietsveränderung, wurde als Differenz zwischen dem Szenario „Heute. Hurrikan Ike“ von 2019 und dem Basisszenario von 2008 berechnet. Für die dekadische Analyse haben wir zwei Schadenswerte geschätzt, von denen einer den Anstieg der mittleren Immobilienwerte zwischen 2008 und 2019 berücksichtigt und der andere diese Änderung nicht berücksichtigt. Die durchschnittlichen Immobilienwerte für beide Jahre wurden aus öffentlichen Daten zu durchschnittlichen Haus- und Landgrundstückspreisen ermittelt60.

Die MATLAB-Skripte zur Vorbereitung der Eingabedaten für die Modellsimulation und zur Analyse der Ergebnisse werden online auf GitHub (https://github.com/Zaidrahman85/Storm_Surge_Analysis_Code) und Zenodo (https://zenodo.org/record/7631246#) verfügbar sein. .ZBM5o3bMK3A).

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Die Autoren danken den anonymen Gutachtern und dem Herausgeber für ihre gründlichen und konstruktiven Kommentare, die wesentlich zur Stärkung dieses Manuskripts beigetragen haben. Die Finanzierung dieser Arbeit erfolgte im Rahmen der Auszeichnung Nr. NA18OAR4170088 von der National Oceanic and Atmospheric Administration des US-Handelsministeriums an das Texas Sea Grant-Programm (2018SP-R-Figlus-CNH1) an die Privatdozenten Dr. Jens Figlus und Dr. Siddharth Narayan. Die Aussagen, Erkenntnisse, Schlussfolgerungen und Empfehlungen stammen von den Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten des Texas Sea Grant Program, der National Oceanic and Atmospheric Administration oder des Department of Commerce und der ECU Integrated Coastal Programs wider.

Abteilung für Küstenstudien, Integrierte Küstenprogramme, East Carolina University, Greenville, NC, USA

Zaid Al-Attabi & Siddharth Narayan

Abteilung für Meereswissenschaften, Zentrum für Meereswissenschaften, Universität Basra, Basra, Irak

Zaid Al-Attabi

Integriertes PhD-Programm für Küstenwissenschaften, East Carolina University, Greenville, NC, USA

Yicheng Xu & Georgette Tso

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ZA schlug die Studienziele vor, erstellte und führte die Modellsimulationen und Hochwasserschadensfunktionen durch und analysierte die Ergebnisse des Hochwassermodells. YX führte die Hochwasserkartierung und räumliche Analysen von Landbedeckungs- und Landnutzungsänderungen sowie Hochwasserschäden durch. GT trug zur Formulierung der Forschungsziele und zum Verfassen des Manuskripts bei. SN entwarf die Studie, schlug die Studienziele vor, überwachte den Modellaufbau und die Simulation, die Entwicklung der Hochwasserschadensfunktionen und räumlichen Analysen und trug zur Analyse der Ergebnisse bei. Alle Autoren haben zum Verfassen des Manuskripttextes beigetragen.

Korrespondenz mit Siddharth Narayan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Al-Attabi, Z., Xu, Y., Tso, G. et al. Die Auswirkungen des Gezeitenverlusts von Feuchtgebieten und der Küstenentwicklung auf Sturmflutschäden an Menschen und Eigentum: eine Fallstudie zum Hurrikan Ike. Sci Rep 13, 4620 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31409-x

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Eingegangen: 18. August 2022

Angenommen: 11. März 2023

Veröffentlicht: 21. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31409-x

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