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May 19, 2023

潮汐による湿地の消失と海岸開発が高潮による人や財産への被害に及ぼす影響：ハリケーン・アイクの事例

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4620 (2023) この記事を引用

1229 アクセス

18 オルトメトリック

メトリクスの詳細

海岸湿地は、高潮による洪水や被害を軽減し、ハリケーンの際に地域社会を守ります。 これまでの研究では湿地のサージ軽減効果が定量化されているが、湿地の喪失と海岸開発の組み合わせが洪水の範囲と被害の空間分布にどのような影響を与えるかについてはあまり理解されていない。 この研究では、高解像度の 2 次元流体力学モデルと土地利用/土地被覆変化解析を統合して、テキサス州ガルベストン湾における湿地の総損失、数十年にわたる湿地の損失、および海岸開発が高潮被害に及ぼす影響を評価します。 ハリケーン アイクによる高潮の洪水範囲を次の 3 つのシナリオで測定します。(i) 2008 年のベースライン。 (ii) 2008 年の「No Wetlands」、および (iii) 2019 年の「現代の H. アイク」。 2008 年のハリケーン アイクの際、沿岸の湿地が完全に消失すると、純額約 9 億 3,400 万米ドル、つまり基準被害額の 12.8% の損害が増加したであろうことがわかりました。 2019 年の現在のエイク アイク シナリオでは、2008 年から 2019 年の間に失われた湿地はほとんどないことがわかりました。ハリケーン アイクが 2019 年に発生していれば、損害額は約 25 億 2000 万ドルまたは 34.6% 増加していたことでしょう。これはほぼ完全に実質の増加によるものです。不動産価値と新しい海岸開発。 私たちの調査結果は、経済的エクスポージャーの増加がガルベストン湾における高潮リスクの主な要因である一方で、効果的な湿地保護がこれらのリスクを軽減し続けていることを示唆しています。

ハリケーンによって引き起こされた高潮は、過去 1 世紀にわたって米国で多大な経済的損失と死者をもたらしてきました。 1900 年から 2017 年にかけて、米国本土をハリケーンが襲い、2 兆ドルの経済的被害と 16,000 人以上の死者を出しました 1,2。 高潮洪水のリスクは、一般に、危険 – 暴露 – 脆弱性の枠組みによって特徴付けることができます3。 ここで、ハザードは海岸線の高水位によって引き起こされる高潮の洪水範囲を指し、エクスポージャは浸水した資産または人々の数を指し、脆弱性はこれらの資産と人々が高潮洪水によって影響を受ける程度を指します。

嵐の際に内陸洪水を引き起こす海岸線の総水位は、主に高潮と潮汐の組み合わせによって決まりますが、沖合流などの他の海洋循環条件も影響します4。 ハリケーンの際には、高潮が被害の主な原因となることがよくあります。 たとえば、2014 年のハリケーン カトリーナ 5、2008 年のアイク 6、2014 年サンディ 7、そして最近では 2022 年のハリケーン イアン 8 では、高潮による内陸洪水が被害の最大の要素でした。米国東部とメキシコ湾岸は、被害が大きく脆弱な地域です。海面上昇によって悪化する高潮による洪水の危険まで。 これらのほぼ平坦な氾濫原における高潮の危険は、地形、ハリケーンの強さ、高潮時の潮位に応じて、沿岸地域から数マイル内陸に広がる可能性があります。

高潮は洪水リスクの主な要因ですが、沿岸開発もこれらの危険への曝露を増大させることでリスクに影響を与えます9,10。 気候変動と沿岸開発の複合的な影響により、将来のハリケーン被害は米国の経済成長に比例して大幅に増加すると予測されています11。 海岸開発は、露出を促進することにより、洪水のリスクを短期間で急速に増大させる可能性があります。 GIS に基づく海面上昇と人口予測の評価によると、米国全土で海面が 0.9 m 上昇すると、2100 年までに 400 万人以上が洪水の危険にさらされる可能性があります 12。 複数の研究が海岸開発の影響を調査しています。海面上昇と高潮の危険、およびそれに伴う社会経済的損害への曝露について。 これらの研究のほとんどは、予測される沿岸開発と、それに伴う氾濫原内でのリスクへのエクスポージャーの増加に焦点を当てています [例: 参考文献 14]。 しかし、海岸開発は高潮のリスクにさらされるだけでなく、高潮洪水の危険を軽減することが証明されている自然の潮間湿地を除去することで、このリスクをさらに悪化させる可能性があります15。

潮間帯湿地は、洪水の範囲と高さの危険を軽減し、ハリケーンによる被害や死亡を回避することで、高潮への曝露と脆弱性を軽減できる重要な自然の障壁です16、17、18。 多くの研究が、湿地全体での高潮の減衰の物理学と、その後の高潮19と物的損害を軽減する湿地の利点を評価しています20、21、22、23。 Sheng ら 19 は、植生に覆われていなかったら、1992 年にカテゴリー 5 のハリケーン アンドリューが襲来した際に、マイアミの一部の地域で壊滅的な洪水が発生していたであろうことを発見しました 19。 ナラヤンら 20 は、潮汐塩性湿地の湿地が、沿線のいくつかの州で約 6 億 2,500 万ドルの洪水被害を回避したことを示しました。総額600億ドルの被害のうち、2018年のハリケーン・サンディの際に米国大西洋岸北東部で発生した被害を調査し、湿地の面積と洪水被害の軽減との間に強い正の相関関係があることが判明した20。 Sheng et al.23 は、これらの湿地の恩恵は場所によって大きく異なり、ハリケーン サンディやその他の仮想暴風雨の際には、高潮に関連した損失の 8 ～ 52% が回避されることを発見しました 23。 ガルベストン湾では、ハイフィールドら 24 が統計モデルを使用して、湿地の湿地の範囲が海岸からの距離とともに洪水保険請求に大きく影響することを発見しました 24。 この研究では、これらの影響の空間分布については調査されていないが、障壁島を含む景観特徴の存在を考慮することの重要性が強調されている。なぜなら、これらの特徴は本質的に高潮の洪水範囲の分布やこれらの洪水範囲に対する湿地の影響に関係しているからである。 。

この原稿では、高潮時の沿岸洪水リスクの空間分布に影響を与える相互に関連する 2 つの側面として、湿地の喪失と沿岸開発について初めて調査します。 海面上昇と海岸開発によって湿地が失われると、高潮から海岸を守る湿地能力が低下します9。 私たちの原稿は、湿地の喪失を含む氾濫原内の土地被覆と土地利用の変化が高潮洪水リスクの空間分布をどのように促進するかを検証しています。 私たちは、バリア島や沿岸内水路などの主要な航路を含む景観特徴の影響を捉えることができるグリッド解像度を備えたプロセスベースのモデルを使用して、洪水リスクに対するこれらの変化の影響を調査します。 高潮モデルと空間的土地被覆および土地利用分析を組み合わせることで、私たちの原稿は、湿地の総損失、数十年にわたる湿地の損失、および海岸開発が組み合わさって、人口密度の高いハリケーン多発地域における高潮洪水被害にどのような影響を与えるかについての最初の評価を提供しています。

ガルベストン湾は人口密度が高く、ハリケーンの常襲地域であり、2008 年のハリケーン アイクや 2017 年のハリケーン ハービーなど、過去の嵐の際に大規模な洪水や沿岸資産の破壊に見舞われました。ガルベストン湾には、集中的な人間開発にもかかわらず、広範囲に湿地が存在します。海岸線を越えて主要な輸送路が存在する25、26、27。 これまでのいくつかの研究では、ガルベストン湾の洪水に対する海岸開発と湿地の個別の影響を、私たちの研究に比べてかなり低い解像度で経験的および統計的モデルを使用して調査しましたが、現在までに、これらの要因の複合的な影響を調査したものは知りません。高潮のリスク。 Guannel ら 28 は、複数の海岸垂直トランセクトに適用された経験的静的 1 次元モデル 28 を使用して、海岸湿地の海岸保護価値に対する海面上昇の影響を評価し、Brody ら 29 はパルストリンの影響を調査しました。空間統計的手法を用いて、降雨に基づく洪水リスクに対する湿地の喪失について研究が行われている29が、これらの研究はいずれも開発がリスクに及ぼす影響を調査していない。 ハート研究所が実施した学際的なプロジェクトでは、ガルベストン湾を囲むハリス郡、ブラゾリア郡、ガルベストン郡、チェンバース郡、およびリバティ郡に対する海面上昇の社会的および経済的影響を調査した30が、この研究では湿地や海岸開発がガルベストン湾に及ぼす影響は評価されていない。高潮被害。 ガルベストン湾をテストケースとして使用した私たちの研究は、潮汐湿地と海岸開発が人や財産に対する高潮リスクに及ぼす複合的な影響について、斬新かつ高解像度で空間的に明示的な評価を示しています。 2008 年、ハリケーン アイクがカテゴリー 2 のハリケーンとしてガルベストンに上陸し、米国史上最も被害が大きく被害をもたらした嵐の 1 つとなりました 31。 アイクは上陸時はカテゴリー 2 の暴風雨に過ぎませんでしたが、大きな風場があり、大規模な高潮を引き起こし、特にガルベストン湾の東側で重大な洪水と沿岸資産の重大な破壊を引き起こしました。 ハリケーン アイクによるカリブ海諸国と米国全体の構造的および物的損害の総額は 295 億ドル以上と推定されており 32、米国湾岸地域沿いの嵐に直接的および間接的に関連して 112 人の人命が失われたと推定されています 33,34。 ハリケーン・アイクのアイウォールの右側の地域は、陸上で極端なハリケーン風にさらされ、一般的により高い高潮レベルを記録し、最大高潮レベルはテキサス州チェンバーズ郡の内陸 29 km までで 5.3 m を記録した32。

潮による湿地の喪失と海岸開発が高潮被害に及ぼす影響を評価するために、2 次元流体力学高潮モデルである Delft3D を、2008 年から 2008 年までの間に公開されている複数のデータセットを使用した空間的土地被覆および土地利用の変化解析と統合します。 2019 年と 3 つの比較シナリオについて。 まず、ガルベストン湾地域のハリケーン アイク時の高潮洪水の範囲と高さをシミュレーションするための、深海で 5.56 km から沿岸および沿岸地域で 86 m までの高解像度の Delft3D モデルを設定して検証します。 次に、ハリケーン アイクによる高潮の洪水範囲を 3 つのシナリオで評価します。(1) 2008 年の平均海面、湿地および土地被覆データを使用した 2008 年のベースライン。 (2) 2008 年の平均海面および土地被覆では湿地はありませんが、すべての沿岸湿地が外水に失われると仮定しています。 (3) 2019 年の「現在のハリケーン アイク」と、2008 年以降の海面上昇を含む 2019 年の平均海面、および 2019 年の湿地と土地被覆。 洪水の高さは高潮についてのみ評価され、波については評価されません。 これら 3 つのシナリオからの高潮浸水高を、人口、土地被覆、土地利用、経済的価値に関する公的に利用可能な空間データセットと統合して、高潮被害を評価します。 2019 年の公共土地利用と固定資産税のデータを使用して、浸水地域の経済価値の合計を評価します。 2008 年については、2008 年と 2019 年の土地被覆と土地利用に関する利用可能なデータセットに基づいて経済価値を導き出します。経済的損害を評価するために、深度損害関数を使用して、空間的に明示的な方法で、経済的被害に対する予想される損害を計算します。各シナリオにおける洪水による住宅、商業、農地利用タイプの価値。 2008 年の H. アイクの際に湿地の分布が高潮被害にどのような影響を与えたか、またその後 10 年間の新たな海岸開発と湿地の喪失がこれらのリスクにどのように影響したかを理解するために、すべてのシナリオの被害値が比較されます。 すべてのドル額は 2019 年のドルとして表示されます。

ハリケーン アイクによる高潮により、氾濫原の 55% が浸水しました (表 1)。 高潮により、この地域の人口の約 35% に相当する 143,598 人が被害を受け、約 72 億 7,000 万ドルの高潮被害が発生したと推定されています。 2008 年のどちらの被害シナリオでも、より高い洪水のピークは主にガルベストン湾の東部 (3 ～ 4.8 m) で発生しています (図 1a、b)。 これはハリケーンの陸向きの風が沿岸地域に水を押し込んだためです。 洪水のピーク値が低いのは湾の西側 (< 2 m) で見られます。そこではハリケーン アイクの左側が主に位置しており、風が海に向かって吹いています。 ハリケーン・アイクは、テキサス州沿岸部の他の地域や近隣の州にも洪水をもたらした（図S6）。 高潮モデルは、観測された潮汐計の水位と最高水位に対して良好に機能し、最大二乗平均平方根誤差は、潮位計観測では 0.14 m、最高水位では 0.68 m でした（表 S1、図 S14、S15）。

ガルベストン湾の地域におけるハリケーン アイクによる洪水標高と地形 (地面) 表面との差を示す、シミュレーションされたピーク洪水高さ (m): (a) 2008 年に湿地なし、(b) 2008 年のベースライン、および (c) 差 (湿地禁止 2008 – ベースライン 2008)。 地形および洪水の標高はすべて MSL を基準としています。

ハリケーン・アイクの際、ガルベストン湾周辺のほとんどの地域では、潮間帯湿地により洪水標高が 0.25 ～ 0.9 m 顕著に減少しました（図 1c）。 これらの湿地は、2008 年のハリケーン アイクの際に最大洪水範囲を 112 km2 減らし (図 1c)、18,000 人以上をこの洪水から守りました。 調査地域 3,000 km2 内で、2008 年の湿地面積（新興草本湿地）の総面積は 828 km2、総人口は 405,730 人でした。

湿地の存在による洪水範囲の減少は、経済的な洪水被害の純額で約 9 億 3,400 万米ドル、またはベースライン損失の 12.8% の減少につながりました。 浸水地域の中で、ガルベストン郡とハリス郡は湿地の存在から最も恩恵を受け、各郡で4億ドル以上の洪水被害が回避され、ヒューストン都市圏の沿岸地域は大きな恩恵を受けました（表1、図2a、b） ）。

(a) 地図は、損害の差の比率として計算された、2008 年からの湿地被覆の利益値の割合を示しています: (2008 年湿地なし - 2008 年ベースライン)*100/2008 ベースライン。 挿入パネル (b) と (c) は、ヒューストン都市部とガルベストン島の海岸線に関する H. アイクの軌跡に沿った、正と負のパーセント利益値の詳細な例をそれぞれ示しています。

私たちの研究では、ガルベストン湾地域の湿地の高潮被害回避効果の平均値は、ハリケーン アイクの際に平方キロメートルあたり 110 万ドルと推定されていますが、湿地の単位利益は場所によって大きく異なります。 ハリケーン アイクの発生中、ガルベストン郡は 198 km2 の沿岸湿地から推定約 4 億 1,500 万ドルの高潮削減効果を得ました。これは、この郡の湿地 1 km2 あたり約 210 万ドルの経済的利益に相当しますが、ブラゾリア郡では損失と湿地が発生しました。範囲は全体的に低く、湿地は 1 km2 あたり約 32,000 ドルの利益をもたらしました (表 1)。

湿地が完全に失われると、高潮によって氾濫原の 60% と人口の 40% (162,069 人) が浸水することになり、ベースラインと比較してさらに 18,471 人が浸水することになります。 湿地の損失の合計は2倍以上に増加し、4メートルを超える極端な高潮を経験した総面積は、4メートルを超える高潮を経験した人の数が約25％増加したであろう（補足表S4）。 しかし、高潮被害を回避するための湿地の利益はピーク洪水高さが低いほど大きく、ピーク洪水高さが 2.5 フィート未満の場合に 7 億 8,000 万ドル以上、つまり湿地全体の利益の 80% 以上が得られることがわかりました (補足図)。 .S13)。

興味深いことに、湿地によって、場所によっては最大洪水深と洪水被害が最大 2,000 万ドル、または基準損失総額の 0.28% 増加することもわかりました。 湿地被覆のこの悪影響は、主に湿地の海側に位置する土地の障壁島の外側の海岸地域で見られます (図 2c)。

私たちの調査によると、ハリケーン アイクが 2019 年に再発した場合、高潮の被害総額は約 97 億 9,000 万ドルになっていたでしょう。 これは、2008 年からの損害額が約 25 億 2,000 万、または 34.6% 増加したことを意味します。 過去 10 年間の高潮による経済的損害の合計増加の 99.7% は、新たな海岸開発や不動産価値の増加という形での経済価値の増加が原因であることがわかりました (図 3a ～ c​​)。 経済活動によるリスク増加のほぼ 90% は、2008 年から 2019 年にかけての氾濫原内の不動産価値の上昇によって引き起こされています。

(a) ガルベストン湾における 2008 年から 2019 年の間の湿地被覆の変化: オレンジ色と緑色の領域はそれぞれ湿地被覆の減少と増加を示し、薄黄色の領域は変化のない湿地を示します。 (b) 2008 年から 2019 年の不動産価値の変化。赤色は不動産価格の上昇、青色は下落、黄色は変化なし。 (c) ピーク洪水高さの違い（つまり、MSL に関する洪水標高と地形標高の差）データ）、2019 年「現在のハリケーン アイク」シナリオと 2008 年のベースライン シナリオの間、(d) 2019 年「現在のハリケーン アイク」と 2008 年のベースライン シナリオ間の経済的高潮被害の差。

不動産価値の上昇を考慮せず、新規開発のみによる損害賠償額の増加は、約 2 億 6,900 万米ドルとなり、損害賠償総額の約 11% に相当します。 2008 年のベースラインと 2019 年の「現在のハリケーン アイク」シナリオの土地被覆と土地利用データを比較すると、2008 年から 2019 年の間に氾濫原の約 3% で土地被覆の変化があり、そのほとんどが都市開発によるものであることが示されています (図 1)。 3a、d)。 2019 年から 2008 年の間に開発地の面積は 52 km2 (8%) 増加しましたが、そのすべてが浸水しました。 新規開発によるリスクの最大の増加は、工業用地（1億1,400万ドル）、住宅用地（8,400万ドル）、商業用地（6,000万ドル）でした。

この研究では、新たな海岸開発は非常に少量の湿地の喪失にも関連しており、このリスクをさらに悪化させることが判明しました。 この 10 年間の湿地の純損失は約 31 km2 (2008 年の湿地面積の 3.7%) で、一部の地域では湿地面積が減少し、他の地域では湿地面積が純増加しました (図 3a)。その結果、高潮被害が純増加しました。 〜 700 万ドル、これは損害総額の増加の 0.27%、新規開発だけによる損害の増加の 2.6% に相当します。 湿地の総損失は約 15.95 km2 (2008 年の湿地面積の 1.9%) で、そのほとんどは湿地がインフラに置き換えられたことによるものです (図 3a、b)。 この 10 年間で氾濫原の一部にも湿地が増え、湿地面積は合計 6.68 km2 (2008 年の湿地面積の 0.8%) になりました。

この研究は、洪水リスク管理と意思決定に関連する数十年規模の高潮洪水と被害の総量と空間分布に対する、海岸開発と湿地喪失要因の複合的な影響についての新たな評価を示している。 これらの要因が危険と暴露を変えることによって個別にリスクに影響を与えることは広く認識されているが、私たちの研究は、高潮による経済的な洪水被害という観点から、湿地の喪失と海岸開発の複合的な影響を初めて調査したものである。 この調査では、不動産価値の変化が全体的なリスクの増大をどの程度促進するかについても強調しています。

ハリケーン・アイクによる被害総額の大部分は高潮による洪水によるものでした。 私たちの被害推定値を正確に検証することは困難ですが、高潮被害額 72 億 7,000 万ドルという私たちの推定値は、ハリケーン アイク 32、35、36、37 の被害総額推定値をわずかに過小評価しています。 アルバレスとプロチェック 37 は、ハリケーン アイクによる被害総額は 156 億ドルで、そのうち 89 億ドルはガルベストン郡、ハリス郡、チェンバーズ郡の高潮によるものであると推定しています。 これらの郡は調査対象地域の 98% を占めています。 国土安全保障省の別の報告書では、交通機関、公共構造物、住宅、病院、インフラ修理への損害を含めて、損害総額は93億ドルと見積もられている35。 NOAA は、影響を受けたすべての州を含めると、より高い被害額を 295 億ドルと見積もる報告書を発表し 32、テキサス工務普及局は、長期的な経済的損害を含む総損失額を 1,420 億ドルと見積もる報告書を発表しました 36。 他のほとんどの報告書における推定被害額（290億～1,420億ドル）は、いくつかの州（テキサス、ルイジアナ、アーカンソー）による被害、風の影響、降雨による洪水被害、長期的な経済的影響が含まれているため、我々の調査の被害額を上回っています。 。 私たちの研究は、(1) 高潮による沿岸の財産被害のみに焦点を当てたという点で、これらの報告から逸脱しています。 (2) 被害は浸水深が 0.1 m を超える最小 (閾値) を超えた場合にのみ発生すると仮定。 (3) 高潮による経済的被害は建物と農地のみに限定されると想定し、また、 (4)には事業中断などの二次的影響による損害は含まれていない。 また、ピーク洪水高さの推定値の不確実性が経済被害額に及ぼす影響も評価します。 モデル化された最高水位点と観察された最高水位点の差が、それらの六角形における損害推定値の変動をもたらし、その結果、0.01万ドル未満であることがわかりました（図S14）。 すべての累積結果を保守的に 100 万ドル単位で表示します。

この研究の結果は、洪水防御の利点を維持するために湿地の範囲を保全することの重要性を強調しています。 ガルベストン湾地域では、沿岸湿地の生息地を保護するためにいくつかの規制が実施されています38。 さらに、ガルベストン湾地域には、州機関や非政府組織による湿地保全活動の長い歴史があります26。 2021 年、ガルベストン湾財団は、ブラゾリア郡とガルベストン郡の保全のために 4,000 エーカー (16 km2) 以上の湿地を取得するために、地域および連邦の補助金から得た約 1,150 万ドルを費やしました39。 1 km2 あたり 110 万ドルの単位価値に基づくと、これらの湿地 16 km2 の保全に 1,200 万ドルを投資すると、これらのリスク軽減効果だけでほぼ 150% の投資収益率に相当し、他の沿岸生態系や地域でも同様の結果が裏付けられます40。 高潮被害軽減に対する湿地の利点に関する私たちの推定値は、これまでの研究で判明したものとよく一致していますが、これらの結果は場所やハリケーンの状況によって大きく異なります。 サンとカーソン 41 は、ハリケーン イルマの際の湿地の経済的価値を 1 キロメートルあたり 86 万ドルと見積もりました 241。 米国北東部での他の研究では、湿地の相対的な利益は、個々の暴風雨発生時の洪水被害総額の 8 ～ 52%23 の間で変化し、年間の洪水削減効果としては高潮被害の平均約 15% であることが示されています20。

この研究では、潮間帯湿地が地域の他の地域に及ぼす正味のプラスの効果と比較すると、この影響は小さい（純便益全体の2.14％）ものの、少数の例では高潮被害も増加させることが判明した（図1）。 2a)。 この発見は、潮汐湿地とマングローブ湿地の高潮削減効果に関する以前の評価からの同様の発見を裏付けています20,42。 この研究は、ガルベストン湾の外側にある障壁島では、嵐の流れを遅らせたり遮断したりする半透性の障壁として機能する後退障壁湿地の存在により、H.アイクの洪水のピーク高さの増加を目撃したことを示している。さらに内陸部へと押し寄せる。 湿地が海岸防衛ポートフォリオ内の代替案としてますます考慮されるようになるにつれて43、これらの湿地が障壁としてどのように機能し、したがってこれらの湿地がこれらの湿地に隣接する地域への洪水の影響にどのように影響するかを理解することが不可欠になっています。

この研究の結果は、洪水リスクを評価する際に、湿地の範囲、不動産価値、海岸開発の変化を考慮することの重要性も強調しています。 土地利用計画や保全に関する決定を含む地域の土地利用管理政策は、10 ～ 30 年のタイムスケールで更新されることがよくあります44。 洪水リスク管理の決定と保険価格設定ポリシーは通常、定期的に更新される連邦緊急事態管理庁 (FEMA) の静的な洪水マップに基づいています45。 しかし、これらのデータを保険契約や土地区画法に含めるプロセスにはさらに時間がかかる可能性があり、一方、氾濫原は危険と暴露の点で変化し続けており、到着時にはこれらの保険が時代遅れになる可能性があります46。 私たちの研究は、10年にわたる土地利用と湿地の範囲の変化による高潮被害リスクの空間的および時間的変動を定量化することにより、これらの要因の変化が現在の洪水リスクにどのような影響を与えているかを特定することの重要性を強調しています。

この研究は高潮に関連した洪水とその範囲の調査に焦点を当てており、波の影響は考慮されていないため、被害と湿地の利益の両方についての推定はやや保守的になっています。 海岸地域では、波がハリケーン時の洪水範囲に影響を与える重要な要因となる可能性があり、人や財産への被害が増大する可能性があります47。 海岸生態系、特に潮間帯湿地は、極端な現象の際に波高を下げるのに非常に効果的であることが示されています48。 波によって引き起こされる洪水と被害は、高解像度でモデル化するには計算コストがかかるものの、洪水の重要な要素であり、洪水被害への寄与や、極端な現象が発生した際の海岸湿​​地との相互作用を分離するには、さらなる研究が必要です。 高波現象時の湿地の利点についてもさらなる研究が必要です。 被害の評価には、さまざまな浸水深から予想される構造的被害の範囲に関する経験的情報を提供する、前述の深さ被害関数が使用されます。 これらの機能は、極端な現象の後に取得するのが難しい構造損傷データの地上観測の代わりに広く使用されています[例:参考文献13]。

ハリケーン アイクによる洪水のシミュレーションは、ガルベストン湾内の主要な船舶航路と航行路のほとんどを捉えた解像度 10 m の数値標高モデルを使用して実行されます (図 4a ～ c​​)。 これらのチャネルのほとんどは DEM でキャプチャされますが (図 4c)、モデルのグリッド解像度は 86 m であるため、幅が 86 m より小さいチャネルの効果はモデル内で平均化されます。 より小さな水路の明示的な解決は、この地域のような大規模な調査地域では計算コストが高くなりますが、高度に水路化された都市沿岸環境における詳細な都市洪水の調査には重要です49。

(a) メキシコ湾 (GoM) の海底地形の詳細を示す地図 (メキシコ湾 (GoM) の平均海面 (MSL) との関係。黒い点線は、潮汐力が適用される Delft3D の開いた境界を示します。(b) 海底地形を示す地図洪水モデル検証が行われた GoM の北西部の海底地形. モデル検証に使用された USGS の高水位マークは青い三角形で示されています. (c) ガルベストン湾の深浅地形と検潮所の位置を示す地図 (赤丸) 、モデル検証に使用される最高水位マーク (青い三角形) と波ブイ (黄色の星)、矢印線はすべてのパネルのアイク トラックを示します。

湿地の消失に関する私たちの評価では、これらすべての湿地が基礎となる標高に変化がなく、開いた水域に置き換わると仮定する極端なシナリオが使用されます。 極端ではありますが、このシナリオは、高潮被害を軽減するために、これらの湿地全体の洪水防御効果を明示的に定量化する最も明確な方法です。 しかし、このようなシナリオはメキシコ湾などの小規模な地域では非現実的ではありません50,51。 この推定値は湿地の利益を過小評価する可能性があるという点で保守的であると予想しています。これは、高潮リスクの増加をさらに悪化させる可能性がある、このような広範な湿地の喪失に伴う可能性のある水深、堆積物、海流の地形学的再加工を考慮していないためです52。

人口分析には 2010 年の国勢調査データが使用されており、2008 年のアイク襲来時の地域の実際の人口を反映していない可能性があります。ハリケーン アイクの余波により、ガルベストン島のような最も被害が大きかった地域の一部では、住民の移住により人口が減少しました。島53． ガルベストン島の証拠は、ハリケーン アイクの高潮によって浸水した地域内の人口が、総人口の 5% に相当する約 11,000 人減少したことを示唆しています54。 極端な出来事の後に人々が地域から流出すると、被害評価の際に影響を受ける人の総数が過小評価される可能性があります。 私たちの研究では、2008 年と 2019 年の土地被覆データ、および 2019 年の土地利用データに基づく仮定を使用して、深度損傷関数で使用するために 2008 年の土地利用データのギャップを埋めました。 これらの仮定は被害推定の精度を低下させ、過去のハリケーンによる被害をより正確に推定するために、可能であれば過去の土地利用データを開発することの重要性を浮き彫りにします。

この研究の結果は、高潮リスク軽減のための高潮湿地の重要性と、沿岸開発がこれらのリスクへの曝露を増大させる同時効果に光を当てる文献の増加に加えられるものである。 2022 年のハリケーン イアンは、海岸沿いおよび潮間帯のマングローブ林の前後を含む、危険な海岸線での開発の選択がもたらす影響を再び実証しました55。 この研究で提示されたような高解像度で空間的に明示的なモデルは、海岸線のどこに建物を建てるべきか、また自然の海岸防御として自然の生息地をどこに復元または保護すべきかについて、地元の計画立案者と修復専門家の両方に重要な情報を提供できます。

ガルベストン湾は長さ 50 km、幅 27 km で、表面積 1554 km2 をカバーするテキサス湾岸最大の河口です。 海水路が深さ 12 m を超える湾の中央を通過する場所を除いて、平均深さは 3 m です (図 4c を参照)。 2 つの川 (サン ジャシント川とトリニティ川) が主要な淡水源です。 海側には 2 つの入口があり、湾とメキシコ湾を結んでいます。 湾内の人口のほとんどは湾の西側の地域に集中しています。 湾にはいたるところに海岸湿地がありますが、そのほとんどは湾の南側に位置し、東側と北東側にもいくつかあります。 ガルベストン湾の調査地域 (ガルベストン湾周辺の陸地) の総面積は 3000 km2 です。

高潮洪水モデリングには、プロセスベースの流体力学モデルである DELFT3D-FLOW が使用されました。 流体力学モデルは、高潮の流れとそれに関連する洪水のみを推定し、高潮の上で発生する可能性のある波や波によって引き起こされる洪水は考慮していません。 多くの数値モデル研究では、ハリケーン アイクによるメキシコ湾上部の沿岸地域における高潮の挙動と浸水を研究するために、さまざまな高潮モデリング システムが使用されています50、51、52。 Veeramony ら 55 は、ハリケーン アイクによる高潮と浸水をシミュレートする Delft3D-FLOW モデルのパフォーマンスを検証し、このモデルがアイクによる洪水の範囲をかなり適切に予測していることを発見しました。 この解析では高潮のみをモデル化し、波は考慮しませんでした。

Delft3D-FLOW は、3 次元または 2 次元（深さ平均）の非定常浅水方程式（連続 [補足式 S1] およびレイノルド平均ナビエ・ストークス方程式 [補足式 S1]）を解くためによく使用される、よく開発された数値モデルです。 S2 および S3]) を暗黙的な有限体積アプローチを使用して計算グリッド上で実行し、沿岸の流体力学プロセスをシミュレートします 17,53,54。 この研究では、2D モードで Delf3D-Flow を使用します。

空間解像度 5.5 km (0.05 度) の非構造化グリッド ドメインがメキシコ湾全体に割り当てられ、解像度はテキサス州の海岸線付近から湾に向かってより細かいグリッドに徐々に増加し、最終的にはメキシコ湾内で 86 m の空間解像度に達しました。ガルベストン湾とその周囲の氾濫原。 モデル ドメインは、メキシコ湾外側からガルベストン湾周辺の沿岸氾濫原まで地形標高 10 m まで広がるように構築されました。 ガルベストン湾と氾濫原内のモデル解像度 86 m の選択は、計算コストに対する洪水範囲の観点からの価値の評価に基づいています。 86 m のグリッド セルは主要な景観特徴と主要なナビゲーション チャネルを正確に捉えていたため、この解像度を 30 m に高めても洪水範囲の結果は大きく変化しませんでしたが、計算コストが大幅に増加することがわかりました。

3 つの深深測量データセットがモデルに統合されました (表 2 を参照)。 ガルベストン湾では、研究では 10 m の高空間分解能深深測量数値標高モデル (DEM) が使用されました。 このモデルには、メキシコ湾ドメインの南と南東にある 2 つの開いた境界に沿った 6.94 km の空間分解能を持つ全球衛星高度計データ (AVISO) から得られた、振幅と位相に関する天文成分として実装された潮汐成分に関する情報が含まれていました。 (図4aの黒線)。 メキシコ湾の季節的な立体膨張による水位の変化を考慮するため、メキシコ湾の 22 の検潮所にわたる 2008 年の平均季節変動に基づいて、初期水位 0.125 m が追加されました (図 S1)。 高潮のシミュレーションは主に大気による強制力によって行われました。 空間的および時間的に変化する風場のデータセットがモデル内の外部強制として使用されました (表 2 を参照)。 風抵抗係数 \({C}_{d}\) の場合、デフォルトのブレークポイント値 (\({C}_{d}\) は 0.00063、\({U}_{10}\) は 0.00723 です。 m/s と 100 m/s) は、シミュレートされたピーク水位を過小評価しました。 変更されたブレークポイント (\({U}_{10}\) が 0 m/s と 100 m/s に対して、それぞれ \({C}_{d}\) が 0.0028 と 0.0035) を使用して、モデルのパフォーマンスを向上させました。これは、アイクによって発生した高潮のピークの大きさと形状を正確に捕捉するという点で重要です。 抗力係数に設定されたブレークポイントの変更が提案され、さまざまな研究で報告されています10、11、12。

ガルベストン湾の高潮洪水に対する湿地の影響を研究するために、これらの生息地は表面粗さのマニング係数として数値モデルで表現されました。 係数値は、2008 年の全国土地被覆データベース NLCD から得られた土地被覆分類に基づいて導出されました (補足表 S3)。 土地被覆分類は、Mattocks と Forbes56 に基づいて、対応するマニングの n 値に変換されました。 この研究の焦点は、マニングの n 値が 0.045 である新興草本湿地にあります。 高潮モデルは、メキシコ湾のマニングの n 値と風抵抗係数を使用して校正されました。 テキサス州とルイジアナ州の海岸周辺地域はほとんどが泥底であるため、砂地に適用される 0.02 ではなく、外水域には 0.012 の値が使用されました55,57。

Delft3D フロー モデルが潮汐信号を正確に捕捉できるようにするために、フロー モデルはまず、外部強制として開いた境界に沿った潮汐成分のみを使用してセットアップされました。 モデルでは、温度と塩分による水位の季節変動を考慮しながら、合計 34 の潮汐成分が使用されました (SI ファイルを参照)。 シミュレーションは、2008 年 1 月 1 日から 1 月 16 日までの期間、10 分のタイムステップで実行されました。 比較の統計は、潮位計のほとんどの位置でシミュレーションされた水位と現場の水位がよく一致していることを示しており、R 値の範囲は 0.72 ～ 0.92、RMSE 値は 0.09 m ～ 0.14 m ですが、傾きの値は回帰直線は、水位の過小評価を示唆しています（傾き0.85〜0.93）（補足図S2および表S1）。 正確にシミュレートされた高潮モデリングは、主に外部力、特に風場 (風速と風向) と気圧の低下の精度に依存します。 したがって、（全球気候モデルからの）風場および圧力データセットの再解析が、ガルベストン湾のいくつかの NOAA 潮汐観測所および沖合の波浪ブイでの観測と比較されました。 風速については、シミュレーションが観測結果とよく一致していることがわかり、RMS 誤差は 2.3 m/s 未満で、相関係数は 0.84 を超えています。 風向シミュレーションを定量化するために、複素相関係数を決定しました。 これらの係数の範囲は 0.53 ～ 0.83、角度は -7.3 ～ 3.34 度です。 再解析圧力データセットは、観測値との強い相関関係を示しています（補足図S3〜S5および表S2）。

Delft3D モデルが潮汐信号と気象観測を正確に捉えていることを確認した後、暴風と圧力場のデータセットを外部強制として含めることにより、モデルが高潮シミュレーション用にセットアップされました。 嵐のモデルは、海岸線の総水位をシミュレートするために、2008 年 8 月 20 日から 9 月 29 日まで実行されました。 図 5 は、ガルベストン湾のさまざまな潮位計の位置 (図 4c、5 の左パネルを参照) およびいくつかの USGS 水位計 (図 4b、5 の右パネルを参照) でのシミュレートされた水位と測定された水位の時系列比較を示しています。 ）。 高潮モデルのパフォーマンスを定量化するために、統計分析が実行され、表 3 にまとめられています。高潮モデルは、すべての場所での高潮のピークの大きさと形状を正確に捉えています。 RMS 誤差値の範囲は 0.18 ～ 0.39 m で、相関係数は 0.90 より高くなります (表 3)。

調査地域内のさまざまな場所の検潮所 (黒) と高潮モデル (赤) の間の平均海面 (MSL) 鉛直基準系の総水位 (WL) の比較。

検証が完了すると、モデルは次の 3 つのシナリオの高潮浸水範囲の計算に使用されました。(1) 2008 年の平均海面 (MSL) および土地被覆を使用した 2008 年のベースライン。 (2) 2008 年湿地なし 2008 年、2008 MSL あり、土地被覆はあるが湿地なし (ここでは湿地は公開水域に置き換えられています)。 (3) 2019 年の「現在のハリケーン アイク」、2019 年の MSL、2019 年の土地被覆。 シナリオ 3 は、湿地の喪失や海面上昇を含む土地被覆/土地利用の変化が高潮洪水被害に及ぼす影響を調査するために実施されました。

シナリオ (3) では、ハリケーン アイクの高潮モデルは、2019 年の土地被覆データから湿地被覆 (摩擦係数のマニングの n 値) に関して修正され、2019 年 8 月 31 日から 2019 年 9 月 18 日までの期間実行されました。では、2019年9月の平均季節変動による水位上昇量0.125mに加え、初期水位に検潮所数によるSLRの平均値（11年間で0.0582m）を加算して海面上昇を考慮しました。 これらの値は、メキシコ湾の潮位計からの 11 年間（2008 年から 2019 年）の海面の傾向に基づいて計算されました。

各シナリオについて、デルフト 3D モデルから MSL を超える総水位を考慮し、基礎となる地形の標高を差し引くことにより、ピーク洪水範囲の空間的に明示的なマップが作成されました。 浸水地域のマッピングでは、最小ピーク浸水しきい値 0.1 m が考慮されました58。

各シナリオの洪水範囲と高さの空間的に明示的なモデル結果は、資産の種類と価値に関する公開されているデータと統合され、各シナリオの高潮被害の経済的価値が評価されました。 私たちは、モデル化された洪水高さと公的に入手可能な社会経済データを使用して、これを 5 つのステップで実行しました。(1) ピーク洪水高さを決定します。 (2) 土地利用と不動産の種類を決定する。 (3) 資産価値の総額を決定する。 (4) 人口を決定する。 (5) 洪水の高さと予想される構造的被害の範囲を関連付ける深さ－被害関数に資産価値をマッピングします59。 洪水、資産価値、資産タイプのデータセット全体で空間解像度が異なるため、すべての経済分析は、一辺が 86 m、面積が 11,320 m2 の均一なサイズの六角形で実行されました。これらの寸法は、各六角形に次の要素が含まれるように選択されました。 2 つと 4 つの洪水高さのデータ ポイント。 すべてのドル金額は 2019 年の米ドル値に換算されました。

まず、各六角形の洪水高さは、六角形の境界内の洪水高点の値の平均として推定されました。 次に、2019 年と 2008 年の浸水地域の土地利用と不動産の種類が決定されました。2019 年の土地利用データは、モデルの浸水範囲と交差するすべての地域について、ヒューストン・ガルベストン地域協議会のデータセットから取得されました。 これらのデータセットから、2019年の氾濫原内の土地利用を、住宅、商業、工業、農業、インフラ、未開発の6つのカテゴリーに分類しました（セクションSI 4、補足図S8を参照）。 これらの土地利用カテゴリーは、各六角形内の被害範囲に対する洪水の深さをマッピングするために使用されました。 各六角形には、六角形内で最大の面積を持つカテゴリに従って、土地被覆と土地利用が割り当てられました。

この地域の 2008 年の土地利用については公開されている情報がないため、2019 年と 2008 年の土地被覆データを使用して土地被覆の時間的変化を調べ、各六角形の 2008 年の土地利用カテゴリーを予測しました。 。 まず、両方の年の USGS の土地被覆データが 3 つのカテゴリに再分類されました: (1) 開発済み、(2) 農地、(3) 未開発。 2008 年から 2019 年の間で土地被覆が同じままであった場合、2008 年の土地利用は 2019 年と同じであると仮定しました。2008 年から 2019 年の間に土地被覆が変化したすべてのエリアについて、次の基準に基づいて土地利用カテゴリーを割り当てました。 2008 年の土地被覆データ (セクション SI 4 を参照)。 合計 264,995 個の六角形のうち、18,615 個の六角形 (約 7%) で、2008 年から 2019 年の間に土地被覆が変化したことがわかりました。 2008 年から 2019 年までの土地被覆のすべての変化は、無視した 14 個の六角形を除き、開発の増加 (つまり、未開発から開発へ、または農地から開発への変化) を表しています。

土地利用と不動産の種類が決定したら、次のステップは不動産の総額を取得することでした。 特定の不動産の土地区画価格と改良価格を含む不動産評価税データが各郡から収集されました。 ここでいう地価とは、空き地の価格を指します。 改良価額とは、不動産市場価格の総額と土地の価格の差として計算される、建物およびその他の付加的な構築物の価値を指します。 六角形の分析単位で集計するには、まず各区画の土地および改良の値を平方メートルあたりの値に変換します。 次に、ArcGIS Pro の「Union」関数を使用して、特定の六角形内の各区画の割合 (面積) を取得しました。 これに基づいて、各六角形の土地と改良の価値は、各六角形内のすべての土地利用分類の線形面積加重合計として推定されました（補足図S7）。 その後、各六角形の最終的な資産価値が土地利用に基づいて決定されました。 構造物のあるすべての土地利用タイプについて、資産価値の合計は改良価値と等しく設定されました。 公園などの未開発の土地にある構造物はインフラ（公共用途の建物など）、農地にある構造物は住宅（住宅）と想定されました。 165,492 個の六角形のうち、40,539 個には資産価値がありません。 研究領域内のすべての六角形の資産価値の合計は、2008 年が 287 億 4000 万ドル、2019 年が 408 億ドルです (どちらも 2019 年の米ドル)。 洪水被害が主に土地自体に影響を与える農地利用用六角形の場合、資産価値の総額は土地価値と改良価値の合計に等しく設定されました。 農地価格は、特定の郡の 2019 年の税データから得られるすべての利用可能な農地価格の中央値 (セクション SI 4 を参照) に、特定の六角形内の農地の総面積を乗じて、エーカーごとに推定されました (補足図 S9)。 。

2008 年の経済価値の計算には、2008 年から 2019 年までの不動産価値中央値の変化も考慮されています。2008 年には公的に入手可能な不動産評価税データが不足していたため、2008 年から 2019 年までの開発の変化を使用して、2008 年の不動産を見積もるための開発率を決定しました。値（セクションＳ１４；図Ｓ１１）。 2008 年から 2019 年までのすべての六角形について開発の変化を調べました。すべての六角形について、特定の六角形の開発に変化があった場合、2019 年の改善値を開発変化の比率で調整して 2008 年の改善値を取得しました。 すべての農業用六角形について、2019 年のエーカー当たり農地価格の中央値が、各六角形の農地総面積に適用されました。 次に、2008 年から 2019 年の不動産価値の変化を把握するために、2008 年から 2019 年までの地域の住宅価格と地方の土地の価格の比率を 2008 年のすべての改良工事と土地の価格に適用しました。

各六角形の人口は、国勢調査ブロックの地理レベル (米国国勢調査) での 2010 年国勢調査および 2020 年国勢調査再地区データセットのデータを使用して決定されました。 資産価値データと同様に、人口データは平方メートルごとに計算され、各六角形と再結合されて六角形ごとの人口が得られます。 2008 ～ 2010 年と 2019 ～ 2020 年の短期間では、土地被覆と人口は変化しないと仮定しました。

次に、ピーク洪水の高さとすべての六角形の資産価値の合計を統合することによって、資産に対する高潮被害が推定されました。 各六角形に対して、平均洪水高さ、支配的な不動産タイプ、およびその六角形に関連する合計資産価値に基づいて洪水被害の割合を推定する深度被害関数を適用しました。 Huizinga et al.59 で説明されている深さ被害関数を回帰フィッティング分析とともに使用して、Huizinga et al.59 のビン化された深さ被害データを任意の洪水深に適用できる連続関数に変換しました（補足図 S12）。 さらに、各六角形内で浸水した人の数を、平均浸水深が 0.1 m を超える六角形内の人口としてカウントしました。 したがって、すべての高潮シナリオのピーク浸水深からの被害に基づいて、経済的被害と浸水した人々の空間的に明示的な値が得られました。 すべてのドル額は 2019 年のドルに換算されました。

最後に、被害推定値から、2008 年の基準値と 2008 年の非湿地被害の差として湿地の利益を計算しました。 都市開発の 10 年単位の影響、つまり土地利用の種類と価値の変化、および湿地の変化を組み合わせたものは、2019 年の「現在ハリケーン アイク」シナリオと 2008 年のベースライン シナリオの差として計算されました。 10 年単位の分析では、2 つの損害額を推定しました。1 つは 2008 年から 2019 年までの不動産価値の中央値の増加を考慮したもので、もう 1 つはこの変化を考慮せずに計算されました。 両年の不動産価格の中央値は、住宅価格と地方の土地価格の中央値に関する公的データから得られました60。

モデル シミュレーションの入力データを準備し、結果を分析するための MATLAB スクリプトは、GitHub (https://github.com/Zaidrahman85/Storm_Surge_Analysis_Code) および Zenodo (https://zenodo.org/record/7631246#) でオンラインで入手できます。 .ZBM5o3bMK3A）。

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著者らは、この原稿を強化するのに大いに役立った徹底的かつ建設的なコメントをくれた匿名の査読者と編集者に感謝しています。 この研究への資金は、米国商務省米国海洋大気局からテキサス海助成プログラム (2018SP-R-Figlus-CNH1) への賞 #NA18OAR4170088 に基づいて、主任研究者のジェンス・フィグルス博士とシッダールス・ナラヤン博士に提供されました。 声明、調査結果、結論、および推奨事項は著者のものであり、テキサス海助成プログラム、米国海洋大気庁、または商務省および ECU 統合沿岸プログラムの見解を必ずしも反映しているわけではありません。

イーストカロライナ大学、統合沿岸プログラム、沿岸研究学部、グリーンビル、ノースカロライナ州、米国

ザイド・アル・アタビ & シッダース・ナラヤン

バスラ大学海洋科学センター海洋科学部（バスラ、イラク）

ザイド・アル・アタビ

統合沿岸科学博士課程、イーストカロライナ大学、グリーンビル、ノースカロライナ州、米国

イーチェン・シュー & ジョーゼット・ツォ

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ZA は研究目的、モデルシミュレーション、洪水被害関数の設定と実施を提案し、洪水モデルの結果を分析した。 YX は、洪水マッピングと土地被覆および土地利用の変化と洪水被害の空間分析を実施しました。 GT は研究目標の枠組み作りと原稿の執筆に貢献しました。 SN は研究を設計し、研究の目的を提案し、モデルの設定とシミュレーション、洪水被害関数の開発と空間解析を監督し、結果の分析に貢献しました。 著者全員が原稿の執筆に協力しました。

シッダース・ナラヤン氏への手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Al-Attabi、Z.、Xu、Y.、Tso、G. 他。 潮による湿地の消失と海岸開発が高潮による人や財産への被害に及ぼす影響: ハリケーン アイクのケーススタディ。 Sci Rep 13、4620 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31409-x

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受信日: 2022 年 8 月 18 日

受理日: 2023 年 3 月 11 日

公開日: 2023 年 3 月 21 日

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

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