Einfluss der Landoberflächeneigenschaften auf küstennahe zusammengesetzte Überschwemmungen mittels eines gekoppelten hydrodynamisch-hydraulischen Modellierungsrahmens

Warum Küstenüberschwemmungen für den Alltag wichtig sind

Für Menschen, die in der Nähe von Flussmündungen und tief gelegenen Küsten leben, können Überschwemmungen während Zyklonen gleichzeitig aus mehreren Richtungen kommen: angeschwollene Flüsse, starker Regen und hohe See. Diese Studie untersucht, wie die Beschaffenheit des Untergrunds – vom Stadtpflaster über Ackerflächen bis zu Küstenböden – diese „zusammengesetzten“ Überschwemmungen an Indiens Ostküste deutlich verschlimmern oder etwas abmildern kann. Indem gezeigt wird, wie Landbedeckung und Bodensaugfähigkeit reale Überflutungsereignisse prägen, liefert die Arbeit Hinweise für sicherere Planung, bessere Warnungen und klügeren Landgebrauch in gefährdeten Deltas weltweit.

Viele Wege, auf denen Wasser eine Küste überfordern kann

Die Autorinnen und Autoren konzentrieren sich auf zusammengesetzte Überschwemmungen, bei denen Sturmfluten, starker Niederschlag und Flussabflüsse zusammenwirken und den Wasserstand über das hinaus ansteigen lassen, was jeder einzelne Faktor auslösen würde. An der Küste von Odisha können Zyklone eine Wasserhaube an Land drücken und gleichzeitig enorme Regenmengen über die Einzugsgebiete abladen, die in dieselbe Küstenlinie entwässern. Frühere Studien behandelten diese Teilaspekte oft getrennt oder vernachlässigten, wie verschiedene Böden und Oberflächen beeinflussen, ob Regen versickert oder als Abfluss in Flüsse gelangt. Diese Studie will diese Verbindungen in einem Modellierungsrahmen erfassen, mit besonderem Augenmerk darauf, wie Landoberflächenbedingungen Überschwemmungen während des Zyklons Yaas im Jahr 2021 verstärken oder abschwächen.

Wie das Team ein digitales Abbild der Überschwemmungen baut

Die Forschenden koppeln zwei bekannte Werkzeuge zu einem System. Ein Modell (ADCIRC) bildet Gezeiten und zyklongetriebene Wasserstände im Golf von Bengalen ab, während das andere (HEC-RAS) verfolgt, wie Wasser durch Flüsse und Überschwemmungsgebiete an Land fließt. Sie speisen das Flussmodell mit Abflüssen an Aufstaupunkten, Sturmflutpegeln an den Flussmündungen, stündlichem Niederschlag und Verdunstung auf einem Gitter sowie detaillierten Karten zu Landnutzung und Bodentyp. Mithilfe satellitengestützter Landbedeckungs- und globaler Bodendaten weisen sie jedem Landstück eine „Curve Number“ und minimale Infiltrationsraten zu, die zusammen bestimmen, wie leicht Wasser in den Boden eindringt oder als Oberflächenabfluss abfließt.

Abgleich des Modells mit dem realen Sturm

Um die Leistungsfähigkeit des Systems zu prüfen, simuliert das Team den Zyklon Yaas und vergleicht die Ergebnisse mit Wasserstandsmessungen an Gezeitensensoren und Bojen und, am wichtigsten, mit Überflutungskarten aus Sentinel-1-Radaraufnahmen, die drei Tage nach dem Landfall erstellt wurden. Das Ozeanmodell reproduziert die Sturmfluten mit hoher Genauigkeit, was Vertrauen in die küstennahen Randbedingungen schafft. An Land erfassen die ersten Simulationen das grobe Muster der überfluteten Distrikte korrekt, unterschätzen jedoch einen großen Teil der beobachteten Überflutungsfläche, insbesondere in niedrig gelegenen Küstendistrikten. Diese Unterschätzung deutet auf zu viel Versickerung im Standard-Setup sowie auf Unsicherheiten in den zur Ansteuerung des Modells verwendeten Niederschlags- und Verdunstungsdaten hin.

Was Boden und Regen am Überschwemmungsbild ändern

Die Autorinnen und Autoren führen eine Reihe von Experimenten durch, um zu entwirren, wie Niederschlag, Verdunstung, Sturmfluten und Bodeneinstellungen jeweils die Überschwemmungen beeinflussen. Durch den Vergleich von drei verschiedenen Niederschlagsdatensätzen stellen sie fest, dass ein indisches hochauflösendes Produkt (IMDAA) Niederschlagsmessungen und beobachtete Überflutungsmuster am besten wiedergibt. Sie zeigen, dass der Niederschlag der wichtigste Treiber für die überschwemmte Fläche ist, wobei Sturmfluten wichtige, aber räumlich stärker begrenzte Effekte in der Nähe von Ästuaren beitragen. Die Verdunstung verringert die Überschwemmungen in den Tagen nach dem stärksten Regen moderat. Sensitivitätstests zeigen, dass das Absenken der minimalen Infiltrationsrate und die Verwendung höherer Curve Numbers mehr Regen in den Oberflächenabfluss lenken und die simulierte überflutete Fläche stark vergrößern, insbesondere in Distrikten mit bestimmten Küstenböden.

Vom Ausprobieren zum kalibrierten Überschwemmungswerkzeug

Anhand dieser Tests kalibriert das Team die Bodenparameter Distrikt für Distrikt, konzentriert sich auf den dominanten Küstenbodentyp und belässt die Landbedeckungsmuster unverändert. Die Verringerung seiner minimalen Infiltrationsrate und in einem Distrikt die Erhöhung der Curve Number bringt das Modell den auf Sentinel-Daten basierenden Überflutungsausdehnungen deutlich näher. Das verbesserte Setup erhöht die insgesamt simulierte Überflutung im Vergleich zum Standardfall um etwa die Hälfte und erreicht eine starke statistische Übereinstimmung mit den Satellitenkarten. Schließlich wird das kalibrierte Modell verwendet, um zwei frühere Zyklone zu rekonstruieren, den Superzyklon von Odisha 1999 und Phailin 2013, wobei gezeigt wird, dass die Berücksichtigung realistischer Niederschlags- und Landoberflächenprozesse die geschätzte Überflutungsfläche gegenüber Simulationen, die nur Flussabfluss und Sturmfluten berücksichtigen, ungefähr verdoppeln kann.

Was das für Menschen in Delta-Küstenregionen bedeutet

Kurz gesagt zeigt die Studie, dass der Feuchtigkeitszustand des Bodens, wie leicht lokale Böden Wasser aufnehmen und wie viel Fläche versiegelt oder bebaut ist, genauso wichtig sein kann wie die Höhe der Sturmflut, um zu entscheiden, wer überflutet wird. Durch die Kombination von Küsten-, Fluss-, Niederschlags- und Landoberflächeninformationen in einem Rahmen und dessen Abstimmung an Satellitenbeobachtungen liefern die Autorinnen und Autoren ein realistischeres Werkzeug, um zu schätzen, welche Distrikte bei verschiedenen Arten von Zyklonen am stärksten gefährdet sind. Solche Modellierungen können Planerinnen und Planern helfen, Überflutungszonen genauer zu kartieren, Drainage- und Landmanagementmaßnahmen zu priorisieren und Frühwarnsysteme zu entwerfen, die die gesamte Kette vom fallenden Regen und steigenden Meeren bis zum Wasser auf der Straße berücksichtigen.

Zitation: Tiwari, P., Rao, A.D. & Pant, V. Impact of land surface characteristics on coastal compound flooding using a coupled hydrodynamic-hydraulic modelling framework. Sci Rep 16, 15386 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46242-1

Schlüsselwörter: Küstenüberschwemmung, Zyklonniederschlag, Bodeneinfiltration, zusammengesetzte Flut, Flussdeltas