Studie stellt fest, dass das Risiko von Hochwasserschäden in den USA unterschätzt wird

In einer neuen Studie verwendeten Forscher der North Carolina State University künstliche Intelligenz, um vorherzusagen, wo Hochwasserschäden in den kontinentalen Vereinigten Staaten wahrscheinlich auftreten werden, was darauf hindeutet, dass die jüngsten Hochwasserkarten der Federal Emergency Management Agency (FEMA) nicht das volle Ausmaß der Überschwemmungen erfassen Risiko.

In der Studie, erschienen in Umweltforschungsbriefe, fanden Forscher eine hohe Wahrscheinlichkeit von Hochwasserschäden – einschließlich finanzieller Schäden, Verletzungen von Menschen und Verlust von Menschenleben – für mehr als eine Million Quadratmeilen Land in den Vereinigten Staaten über einen Zeitraum von 14 Jahren. Das war mehr als 790.000 Quadratmeilen größer als die Hochwasserrisikozonen, die auf den Karten der FEMA identifiziert wurden.

„Wir sehen, dass außerhalb der 100-jährigen Aue viele Hochwasserschäden gemeldet werden“, sagte die Hauptautorin der Studie, Elyssa Collins, Doktorandin am NC State Center for Geospatial Analytics. „Es gibt viele Orte, die anfällig für Überschwemmungen sind, und da sie außerhalb der Überschwemmungsgebiete liegen, müssen sie sich nicht an Versicherungen, Bauvorschriften und Landnutzungsanforderungen halten, die zum Schutz von Menschen und Eigentum beitragen könnten.“

Laut einem Bericht der Association of State Floodplain Managers aus dem Jahr 2020 kann es die FEMA bis zu 11,8 Milliarden US-Dollar kosten, nationale Hochwasserversicherungsratenkarten zu erstellen, die zeigen, ob ein Gebiet in einem Jahr mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 1 % überschwemmt wird. Forscher sagen, dass ihre Methode zur Verwendung von Werkzeugen für maschinelles Lernen zur Schätzung des Hochwasserrisikos eine Möglichkeit bietet, Hochwasserkarten schnell zu aktualisieren, wenn sich die Bedingungen ändern oder mehr Informationen verfügbar werden.

„Dies ist die erste räumlich vollständige Karte der Wahrscheinlichkeit von Hochwasserschäden für die Vereinigten Staaten: umfassende Informationen, die verwendet werden können, um mehr über das Hochwasserrisiko in gefährdeten, unterrepräsentierten Gemeinden zu erfahren“, sagte Ross Meentemeyer, Goodnight Distinguished Professor of Geospatial Analytics im NC-Staat.

Um ihre Computermodelle zu erstellen, verwendeten die Forscher gemeldete Daten von Flutschäden für die Vereinigten Staaten zusammen mit anderen Informationen, wie z. B. ob Land in der Nähe eines Flusses oder Baches liegt, Art der Landbedeckung, Bodenart und Niederschlag. Der Computer war in der Lage, aus tatsächlichen Schadensberichten zu „lernen“, um Gebiete mit hoher Wahrscheinlichkeit von Hochwasserschäden für jedes Pixel des kartierten Landes vorherzusagen. Sie erstellten separate Modelle für jede Wasserscheide in den Vereinigten Staaten.

„Unsere Modelle basieren nicht auf Physik oder der Mechanik des Wasserflusses; wir verwenden Methoden des maschinellen Lernens, um Vorhersagen zu erstellen“, sagte Collins. „Wir haben Modelle entwickelt, die Prädiktoren – Variablen im Zusammenhang mit Hochwasserschäden wie extreme Niederschläge, Topographie, die Beziehung Ihres Hauses zu einem Fluss – mit einem Datensatz von Hochwasserschadensberichten der National Oceanic and Atmospheric Administration in Beziehung setzen. Es ist sehr schnell – unsere Modelle für die US-Wassereinzugsgebiete liefen durchschnittlich fünf Stunden.“

Die tatsächlichen Hochwasserschadensberichte, die sie zum „Trainieren“ der Modelle verwendeten, waren öffentlich zugängliche Berichte der NOAA, die zwischen Dezember 2006 und Mai 2020 erstellt wurden. Verglichen mit den neuesten FEMA-Karten, die 2020 heruntergeladen wurden, befanden sich 84,5 % der von ihnen ausgewerteten Schadensberichte nicht in den Berichten der Agentur Hochwassergefährdete Gebiete. Die Mehrheit, mit 68,3 %, befand sich außerhalb der Überschwemmungsgebiete mit hohem Risiko, während sich 16,2 % an Orten befanden, die von der FEMA nicht kartiert wurden.

Als sie ihre Computermodelle zur Bestimmung des Hochwasserschadensrisikos durchführten, fanden sie eine hohe Wahrscheinlichkeit von Hochwasserschäden auf mehr als 1,01 Millionen Quadratmeilen in den Vereinigten Staaten, während das kartierte Gebiet in der 100-jährigen Überschwemmungsebene der FEMA etwa 221.000 Quadratmeilen beträgt. Die Forscher sagten, dass es Faktoren gibt, die erklären könnten, warum die Unterschiede so groß waren, einschließlich der Tatsache, dass ihr auf maschinellem Lernen basierendes Modell Schäden durch Überschwemmungen jeglicher Häufigkeit bewertete, während die FEMA nur Überschwemmungen berücksichtigt, die durch Stürme mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 % auftreten würden in einem bestimmten Jahr passiert.

„Möglicherweise unterschätzt die FEMA die Gefährdung durch Hochwasserschäden“, sagte Collins.

Einer der größten Faktoren für das Risiko von Hochwasserschäden war die Nähe zu einem Bach, zusammen mit der Höhe und der durchschnittlichen Menge extremer Niederschläge pro Jahr. Die drei Census-Regionen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit lagen im Südosten. Louisiana, Missouri, der District of Columbia, Florida und Mississippi hatten das höchste Risiko aller US-Bundesstaaten oder -Distrikte in den kontinentalen Vereinigten Staaten. Von den 30 Bezirken mit dem höchsten Risiko hatte North Carolina drei: Dare, Hyde und Tyrrell.

In ihrem Modell nutzten die Forscher historische Klimadaten. Künftig wollen sie den Klimawandel berücksichtigen.

In der Zwischenzeit sagen die Forscher, dass ihre Ergebnisse, die öffentlich zugänglich sein werden, nützlich sein könnten, um politischen Entscheidungsträgern zu helfen, die an der Landnutzungsplanung beteiligt sind. Sie stellen auch eine Proof-of-Concept-Methode dar, um Hochwasserkarten in Zukunft effizient zu aktualisieren.

„Es gibt noch viel zu tun, um dieses Modell dynamischer zu machen“, sagte Collins. „Aber es ist Teil eines Umdenkens darüber, wie wir diese Probleme kosteneffektiver und recheneffizienter angehen. Angesichts des Klimawandels müssen wir diese Karten und Modelle zwangsläufig aktualisieren, wenn Ereignisse eintreten. Das würde es Es kann hilfreich sein, Zukunftsschätzungen zu haben, die wir verwenden können, um uns auf das vorzubereiten, was kommen wird.“

Die Studie „Prognose der Wahrscheinlichkeit von Hochwasserschäden in den Vereinigten Staaten“ wurde am 21. Februar 2022 online veröffentlicht Umweltforschungsbriefe.