未来极端降水与城市洪涝风险评估：基于非平稳气候-水动力耦合模型框架的创新研究

本研究针对气候变化背景下短历时极端降水事件加剧导致的城市洪涝风险，创新性地结合非平稳统计模型TENAX和公里尺度对流解析区域气候模式(CPM)，构建了气候-水动力耦合模型框架(CHMC)。通过德国全境1小时降水极值分析和巴伐利亚两个典型城镇的洪水模拟，发现+3°C增温情景下最高风险等级建筑物数量将增加60%，为城市防洪设施设计提供了关键科学依据。

　　

随着全球变暖加剧，短历时强降水事件正以超Clausius-Clapeyron(C-C)定律的速率增长，这对城市防洪系统构成严峻挑战。传统基于历史气候数据的工程设计方法(如100年一遇洪水标准)已难以应对气候非平稳性带来的风险。特别是在德国等欧洲国家，近年来频发的极端降水事件(如2016年巴伐利亚130mm/2h的暴雨)造成数十亿欧元损失，凸显更新降水设计值(IDF曲线)的紧迫性。然而，现有观测网络稀疏、雷达数据低估极端值、传统区域气候模式(RCM)分辨率不足等问题，严重制约着精准洪水风险评估。

德国卡尔斯鲁厄理工学院等机构的研究团队在《Journal of Hydrology》发表重要成果，首次将温度依赖型非渐近极值模型(TENAX)与公里尺度对流解析区域气候模式(CPM)耦合，构建了创新的气候-水动力建模框架(CHMC)。研究采用德国气象局雷达降水产品(RADKLIM)和网格化温度数据(HYRAS)，结合NUKLEUS计划的CPM多模型集合(+2°C/+3°C增温情景)，通过四步法：1)基于TENAX模型的当前气候极值分析；2)未来气候信号提取；3)基于KOSTRA-DWD的极值偏差校正；4)巴伐利亚两个城镇(Garmisch-Partenkirchen和Weilheim)的高分辨率水动力模拟。研究首次获得了德国全境1小时降水设计值的未来预估，发现+3°C情景下最高风险等级(水深>1m)建筑物数量将激增60%，证明现行防洪标准存在严重低估。

关键技术包括：1)温度条件极值模型TENAX，整合日气温作为协变量；2)NUKLEUS CPM多模型集合(3km分辨率)；3)双向耦合的HydroAS-Hystem-Extran水动力模型；4)基于SCS径流曲线数的损失模型；5)深度依赖的粗糙度算法。研究区域选取德国降水极值高值区——巴伐利亚阿尔卑斯前缘的两个典型城镇，分别代表陡峭地形(Garmisch-Partenkirchen)和平缓城区(Weilheim)。

在极端降水特征方面，TENAX模型成功再现了雷达观测的降水极值空间格局，但与站点插值产品KOSTRA-DWD存在约15.4mm/h的系统偏差。NUKLEUS CPM集合显示，+3°C情景下德国南部小时降水极值局部增幅达20mm/h，平均增加3.7mm/h。温度变化对极值的影响远超降水频次变化，符合Super C-C缩放规律。

洪水模拟结果触目惊心：在陡峭地形的Garmisch-Partenkirchen，+3°C情景使极高风险(水深>1m)建筑物增加24.6%，水流强度显著提升；而平缓的Weilheim在+3°C时极高风险建筑物更骤增60%，但+2°C时变化不明显，显示气候响应的非线性特征。两地风险增幅差异揭示了地形对洪水响应的调制作用——陡峭区域主要表现为水流强度增加，平缓区域则更易发生积水内涝。

讨论部分强调，这是首个将CPM、非平稳统计与水动力模型全链条耦合的德国全国尺度研究。虽然存在CPM模拟期短、雷达数据系统性偏差等限制，但采用的RL偏差校正法有效整合了观测与模式优势。研究成果为修订IDF曲线提供了物理依据，所开发的1小时降水设计值数据集可供工程实践直接使用。方法论框架可推广至欧洲其他具有类似数据基础的国家，对实现《巴黎协定》气候适应目标具有重要意义。

该研究警示：按当前标准设计的防洪设施可能在未来几十年内失效，特别是在德国南部等降水敏感区。建议将气候非平稳性纳入工程设计规范，并优先对高风险区域实施适应措施。未来需扩展CPM模拟时长、优化雷达数据校正算法，以进一步降低不确定性。这项开创性工作为气候韧性城市建设提供了科学标杆。