Characterizing compound hydro-meteorological hazards: integrated multi-regional analysis of atmospheric forcing

This thesis examines the dynamics of compound hydro-meteorological hazards through a multi-regional comparative analysis that integrates ERA5 reanalysis datasets with EM-DAT disaster records. The study examines the coupled behavior of atmospheric forcing (10 m zonal and meridional wind components, total precipitation) and hydrological response variables (surface runoff, subsurface runoff, and volumetric soil water content) across ten major disaster events from 2020 to 2024. The spatial severity classification of ERA5-derived variables shows that flood intensity is not only affected by the amount of rain that falls but also by how the rain accumulates, how saturated the soil is before the rain, how efficiently the runoff is converted, the slope of the terrain, and how long the low-level wind is blowing. In multiple case studies, runoff coefficients exceeded 0.75–0.86, which indicates that near-total infiltration capacity was exceeded and that precipitation rapidly transformed into overland flow. Landslide initiation was strongly correlated with volumetric soil water content thresholds approaching 0.46–0.50 m³ m⁻³, consistent with pore-pressure-induced reduction in effective stress and shear strength failure. Wind field analysis shows that increased low-level convergence and horizontal wind shear greatly improved the movement of moisture and the efficiency of precipitation, especially in compound storm-flood systems. The spatial concordance between ERA5 hazard intensity classes and documented EM-DAT impacts confirms the robustness of reanalysis-based hazard characterization for forensic disaster assessment. The results show that when meteorological and hydrological factors work together, they have a bigger effect on society and the economy than when only one hazard happens. This research advances integrated multi hazard assessment methodologies and supports the incorporation of runoff efficiency and soil saturation thresholds into operational early warning and risk reduction frameworks under intensifying hydro-climatic extremes.

Questa tesi esamina la dinamica dei rischi idrometeorologici composti attraverso un'analisi comparativa multiregionale che integra i dataset di rianalisi ERA5 con i registri dei disastri EM-DAT. Lo studio esamina il comportamento accoppiato della forza atmosferica (componenti zonali e meridionali del vento a 10 m, precipitazioni totali) e delle variabili di risposta idrologica (deflusso superficiale, deflusso sotterraneo e contenuto volumetrico d'acqua nel suolo) in dieci grandi disastri dal 2020 al 2024. La classificazione della gravità spaziale delle variabili derivate da ERA5 mostra che l'intensità delle inondazioni non è influenzata solo dalla quantità di pioggia che cade, ma anche da come si accumula, da quanto è saturo il suolo prima della pioggia, da quanto efficiente viene convertito il deflusso di decollo, dalla pendenza del terreno, e da quanto tempo soffia il vento a bassa quota. In diversi casi di studio, i coefficienti di deflusso superavano 0,75–0,86, il che indica che la capacità di infiltrazione quasi totale era stata superata e che le precipitazioni si trasformavano rapidamente in flusso superficiale. L'inizio della frana è stato fortemente correlato con soglie volumetriche di contenuto idrico nel suolo che si avvicinano a 0,46 0,50 m³ m⁻³, compatibili con una riduzione della tensione effettiva e del cedimento della resistenza al taglio indotta dalla pressione dei pori. L'analisi del campo del vento mostra che una maggiore convergenza a bassa quota e il taglio orizzontale del vento migliorano notevolmente il movimento dell'umidità e l'efficienza delle precipitazioni, specialmente nei sistemi di diluvio e diluvio composti. La concordanza spaziale tra le classi di intensità di rischio ERA5 e gli impatti documentati EM-DAT conferma la robustezza della caratterizzazione dei rischi basata su rianalisi per la valutazione forense dei disastri. I risultati mostrano che quando fattori meteorologici e idrologici collaborano, hanno un impatto maggiore sulla società e sull'economia rispetto a quando si verifica un solo pericolo. Questa ricerca promuove metodologie integrate di valutazione multi-rischio e supporta l'incorporazione delle soglie di efficienza del deflusso e saturazione del suolo nei quadri operativi di allerta precoce e riduzione del rischio in condizioni di intensificarsi di estremi idroclimatici.