加州近期的极端洪涝灾害让许多驾车者措手不及，并造成人员伤亡。
一位水文学家参与开发了一种新的机器学习方法，以更好地预测洪水将在何处、何时来袭。
该方法能够构建本地洪水灾害模型，利用实时风暴预报，逐街区精准定位各类状况。
他表示，随着气候危机加剧降雨强度，洪水风险将不断上升，洪水预报的必要性也将更加凸显。
今年前几周，加州各地发生的极端洪涝和泥石流让许多驾车者措手不及。地面塌陷吞没了汽车，高速公路变成了水流湍急的河道，整片社区被迫疏散。至少20人死亡在此次风暴中，其中多人因被困于湍急水流中的汽车内而丧生。
2023年1月初的几周暴雨期间，我在手机天气应用上反复查看预报时不禁思考：身处暴雨之中的人们，在决定是否离家以及选择何种路线最安全时，是否也在使用类似的技术？他们是否觉得这些信息已经足够？
我是一名时常在偏远地区工作的水文学家，因此解读天气数据和预报不确定性始终是我工作规划的一部分。我曾因在不该涉水的地方穿越一条洪水泛滥的河流而险些溺亡，因此我也深切意识到，人们若无法确切知晓洪水将在何处、何时来袭，将面临极大的脆弱性。
在美国，约三分之二的洪水相关死亡事件被归类为“驾车”和“涉水”。如果人们能够通过手机应用或网站实时得知这些地点的洪水可能性，其中部分死亡事件或许本可避免。
然而，即便是应急管理人员，目前掌握的关于洪水可能于何时何地发生的信息也少得惊人。他们知道洪水可能在何处发生，尤其是沿着 河流。但每次洪水都各不相同，而关键问题，例如哪些道路可以安全通行、哪些人群面临风险，仍然需要通过实地观测来回答。
我一直与同事合作开发一种方法，以突破当前此类预报所面临的障碍。该方法采用“概率学习”（一种机器学习类型），能够构建本地洪水灾害模型，利用实时风暴预报，逐街区精准定位各类状况。
洪水预报的挑战
能够预测降雨落地后走向的计算程序，是实时精准预测洪水何时何地来袭的终极工具。
然而，此类洪水模型需要海量的计算能力。目前尚无办法能够在任何地点快速实时预测洪水。与人类决策相关的细节层级——包括建筑物、疏散路线或基础设施资产的呈现——仍难以企及。
第二个挑战在于高度不确定性，存在于降水预报以及洪水模型的诸多其他输入数据之中。
过去几十年的研究探索了运用“蛮力”方法破解这些艰巨挑战的可能性，即更快的计算机和更多的计算机。归根结底，这表明我们需要重新思考如何进行洪水预报。
设计有效的本地洪水预报
我们开发的方法通过以下方式应对这些挑战：利用复杂的洪水模型来开发和训练更简单的模型，这些模型随后便能在本地环境中模拟洪水行为，其精度几乎与其功能更强大的“教师模型”相当。重要的是，我们已在研究中证明，即使是一台个人计算机也能利用这些更简单的模型实时预测洪水，甚至一部手机也可以做到。
要预测洪水，就需要预测洪水如何在城市社区中形成和演变，并且要具备高度的细节精度，同时理解预测背后的不确定性范围。
我们的方法建立在许多城市已经掌握的关键信息之上：社区及周边流域的地形详细数据、土地利用方式、建筑物和道路布局，以及雨水排水口和管道的特性，例如其可承载的水量。尤其是路面和老旧的雨水基础设施，会影响城市环境中水流的走向以及哪些区域会发生内涝。
随后，我们采用现有最先进、最复杂的洪水模型来训练更简单的模型。
这些更简单的模型运行速度更快，所需计算能力也少得多，因为它们采用极为简洁的函数，并且每个模型专注于特定地点和时间下的单一变量，例如淹没水位或水流速度。当加入实时天气预报信息后，数以千计的此类模型便能相当准确地描绘出可能的洪水情况。
关键在于，这些更简单的模型是在“非高峰时段”开发的，即远在风暴来临之前。这些分析可以使用美国能源部开发的一套免费工具包来完成。免费提供的工具包进行。
这种方法以利用预先训练好的、针对本地社区的简单模型，取代了实时计算那几乎无法承受的负担，使任务变得更加轻松。
我们在一项研究中展示了该方法，研究对象为2017年飓风哈维引发的休斯顿洪涝。结果表明，原本在普通计算机上需要数年才能完成的计算任务，现在仅需几秒钟即可完成，且精度相当。
展望未来
随着全球变暖加剧降雨强度以及人口增长，洪水风险将会上升。另一个日益受到关注的问题在于，社区管理雨水的标准是基于过去的气候制定的。现有的雨水排水口和管道根本无法应对额外的水量，从而增加了洪涝损失的成本。
尽管仍需开展进一步工作才能将其广泛应用，但我们相信，该方法为提升洪水预报的相关性、细致程度和准确性开辟了新途径。它还提供了评估现有雨水基础设施是否充足的手段，并且可以加以调整，用于评估其他难以量化的自然灾害（例如山体滑坡和火灾）的影响。
房价较高的城市可能会看到更多来自私营部门的洪水预报服务。然而，政府机构可以运用这种新型建模方法拓展其预报职能，为所有人提供服务。可以设想，具备相应技能和资源的县级单位可以提供本地洪水预报。如果不是当地社区，还有谁最关心有效的洪水应对管理与减灾工作呢？
世界经济论坛在自然气候解决方案方面开展了哪些工作？
世界正面临相互交织的环境危机：自然遭受的破坏正在加速，同时气候变化也在加剧。
自然气候解决方案（NCS）——即投资于保护和土地管理项目，以增加碳储存并减少碳排放——是应对这两场危机的重要途径，同时还能带来额外的环境和社会效益。
为论坛的“自然与净零”报告所开展的研究证实了相关估计：到2030年，NCS可提供实现1.5°和2°路径所需气候减缓量的三分之一，且成本低于其他形式的二氧化碳去除方式。该报告以“扩大自愿碳市场工作组”提出的建议为基础，并确定了扩大自愿碳市场工作组，以及六项行动，旨在通过企业领袖、政策制定者和民间社会的共同努力，加快高质量NCS的规模化推广，并打开市场。
为促进合作，论坛与世界可持续发展工商理事会于2019年共同设立了自然气候解决方案联盟，旨在召集公共和私营部门利益相关方，明确NCS投资的机遇与障碍。
NCS联盟成员组织提供了专家意见，共同编制了《企业自然气候解决方案指南》，这是一份关于企业可信使用NCS碳信用额度的高层指南。
联系我们，共同推动释放自然的力量。
