海洋动力是否会对沿海洪水产生影响？以美国新英格兰南部大陆架边缘急流和沿海海平面为例的案例研究

《Earth's Future》：Do Ocean Dynamics Contribute to Coastal Floods? A Case Study of the Shelfbreak Jet and Coastal Sea Level Along Southern New England (U.S.)

美国东海岸新英格兰地区海岸洪水与Shelfbreak Jet（SBJ）动力学关系研究表明，SBJ流量变化解释了约30%的平均风暴潮方差，且在2018年Nor'easter暴雨中，其动力学导致洪水持续4天，贡献率超90%。研究指出，仅考虑大尺度环流（如 Gulf Stream）不足以全面解析海岸洪水机制，需纳入本地海洋动力学（如SBJ的地转平衡效应）和气象因素的综合模型。

　　海洋动力学，特别是大尺度环流如墨西哥湾流（Gulf Stream）以及较小的局部洋流，是美国东海岸沿海海平面变化的重要驱动因素。在南方新英格兰地区，一个重要的洋流是“陆架断裂急流”（Shelfbreak Jet，简称SBJ）。SBJ从拉布拉多海流向墨西哥湾流在哈特拉斯角（Cape Hatteras）附近，沿着美国东北海岸的陆架断裂带流动。SBJ与海平面变化高度相关，尤其是在1至15天的频率范围内。由于这一频率范围与气象时间尺度一致，我们探索了其对沿海洪水的影响。研究发现，SBJ输送在统计意义上平均解释了南方新英格兰地区风暴潮方差的约30%。在2018年3月初的一次“诺埃尔”风暴（Nor'easter）之后的四天内，SBJ动力学对观测到的风暴潮高度贡献超过了90%。这些结果表明，本地海洋动力学在南方新英格兰地区的风暴潮中扮演着重要角色，并且在某些情况下，能够导致风暴过后持续的洪水现象。因此，仅关注大尺度环流如墨西哥湾流或经向翻转环流（meridional overturning circulation）可能不足以全面理解对沿海影响至关重要的动力学机制。我们建议未来应在其他地区进一步研究本地海洋动力学在洪水中的作用。

沿海社区面临着与气候变化相关的各种风险，包括热带气旋、海洋热浪、极端海平面和洪水等。由于海平面上升、风暴频率和强度的变化、降雨模式的日益不规律、海岸侵蚀以及自然缓冲带（如湿地）的丧失，沿海洪水正成为日益严峻的威胁。在没有适应措施的情况下，预计到2100年，沿海洪水造成的年度损失将大幅增加，甚至可能增加2到3个数量级。为了获得可靠模型和预测，并更好地应对这些灾害，理解洪水发生的时间、强度及其驱动因素至关重要。

沿海洪水的发生涉及多种因素，包括平均海平面、天文潮汐、风暴潮以及有时河流流量和波浪。风暴潮通常被定义为静水位与平均海平面和潮汐的差值。传统的风暴潮模型多基于二维非线性浅水方程，模拟的是风和气压对海面的深度无关（barotropic）响应。然而，这些模型往往忽略了潜在重要的三维海洋效应和巴克罗因（baroclinic）动力学，例如与垂直剪切、地转平衡相关的洋流。虽然已有少数研究指出巴克罗因动力学对风暴潮和沿海洪水模拟的重要性，但其对洪水的影响仍处于探索阶段。

大多数关于沿海洪水及其与海洋环流关系的研究集中于极端风暴（如飓风）或大尺度海洋环流。极端大气条件，如飓风，可以影响海洋环流强度和沿海海平面。即使飓风过后几天，海洋调整过程仍可能维持沿海的高水位。例如，在美国东南沿海，墨西哥湾流输送的变化已被与沿海海平面变化和洪水联系起来。在2015年9月的一个晴天，迈阿密因极端高潮与减弱的墨西哥湾流输送及其他过程共同作用而出现了轻微的洪水。此外，大西洋环流热含量和表层气候变异也被与美国东南沿海的洪水天数增加联系起来。然而，这些研究主要集中在东南沿海，因此对于美国东北沿海地区，特别是与本地洋流相关的轻微洪水机制的研究仍显不足。

在美东北沿海地区，非潮汐残余（即风暴潮和与潮汐或季节性无关的年度波动）是洪水期间水位变化的重要组成部分。例如，在南方新英格兰地区，30%至85%的水位变化由非潮汐残余解释。然而，以往的研究并未明确指出这些非潮汐残余的具体成因。本文旨在填补这一知识空白，探讨本地洋流和局部风力对非潮汐残余的贡献，特别是其高频风暴潮成分，从而分析其在南方新英格兰洪水中的作用。

我们利用一种独特的本地洋流输送时间序列，量化了本地海洋动力学在南方新英格兰沿海风暴潮方差中的解释程度。研究区域的海洋特征在第2节中进行了介绍，而所使用的数据集和方法则在第3节中描述。第4节中，我们展示了在统计意义上，约三分之一的风暴潮方差可以由本地海洋动力学解释。随后，我们讨论了具体的洪水案例，其中包括一次由于海洋动力学作用，风暴潮高度超过90%的事件。第4.2节则探讨了波浪对未被解释方差的贡献，而第4.3节则分析了洪水阈值对结果的影响。

研究区域的洪水显示出明显的季节性特征：所有潮汐站记录的区域性洪水通常发生在冬季（1月至3月），而个别潮汐站的局部洪水则多发生在10月至4月之间。仅有少数站点（如波士顿、金斯波特、桑迪霍克和大西洋城）在夏季（6月至8月）也记录了洪水。这种季节性与Li等人（2022年）的研究结果一致，他们指出美国东北部的洪水大多发生在秋季，并且通常由潮汐和非潮汐残余共同驱动。观察到的季节性表明，洪水的成因并非单一事件，而是不同时间尺度上的多种过程共同作用的结果，这一点也曾在极端事件研究中被提及，但在轻微洪水研究中则较少考虑。

在2018年3月的一次“诺埃尔”风暴中，四个冬季风暴袭击了美国东北沿海，导致整个海岸线广泛出现洪水。这些风暴以强烈的东北风为特征，通常带来强风、强降雨和降雪。图4展示了第一次风暴期间，各潮汐站每日最大水位的变化情况。在3月3日风暴达到高峰时，平均静水位比轻微洪水阈值高出约25厘米，某些地点甚至达到了中度洪水水平（如波士顿）。在风暴之后的几天里，潮汐站仍然记录到水位高于洪水阈值。值得注意的是，对于这四天，风暴潮的贡献是使水位超过洪水阈值的关键因素。换句话说，没有风暴潮的影响，洪水就不会发生。

有趣的是，尽管风暴期间存在明显的低压中心和强风（图5a和图5d），但风暴潮的主要贡献来自SBJ输送（图4右侧）。在3月6日，大多数站点以及部分3月5日的站点，如果没有SBJ的影响，水位将不会超过轻微洪水阈值。我们看到，在这次风暴中，SBJ输送特别强，达到其平均输送的十倍。因此，SBJ动力学在延长风暴引发的洪水事件中起到了决定性作用。此外，对于3月3日和4日，残差项也对风暴潮高度产生了重要影响，增加了约20厘米。这反映了未被我们分析所包含的其他过程，如与局部风力无关的波浪过程（将在第4.2节中进一步讨论）。

在2021年2月，另一场“诺埃尔”风暴袭击了南方新英格兰，其最大风力与2018年3月的风暴相似（图5b和图5d）。然而，与3月的案例不同，此次洪水的主要贡献来自横向风应力（zonal wind stress）。横向风应力平均增加了20厘米的风暴潮高度。残差项也是次重要的贡献因素。SBJ输送的动力学在此事件中几乎没有影响，甚至在某些地点起到了降低风暴潮的作用。在此次事件中，SBJ输送并未特别强烈（图5e），因此其对风暴潮高度的影响较小。

2022年1月的案例则有所不同，因为洪水是由潮汐而非风暴驱动的。此次事件中，没有明显的低气压中心（图5c），且风应力和SBJ输送在整个期间都较弱（图5d和图5e），导致风暴潮的贡献较小。然而，所有站点都记录到了极高的潮汐。潮汐与逆压效应（inverse barometer effect）以及平均海平面异常的正向贡献相结合，导致了所有站点的轻微洪水。对于这一天，风暴潮的贡献为负值，但幅度非常小，仅略微降低了潮汐站的水位。

研究还发现，SBJ动力学对洪水频率的影响相对有限，尤其是在考虑不同的洪水阈值时。例如，当洪水阈值降低时，预期的洪水天数会显著增加，这表明阈值的定义对洪水统计结果具有高度敏感性。对于大多数站点，如果洪水阈值比当前的NOS轻微洪水阈值低0.10至0.15米，那么预期的洪水天数将增加三倍。此外，我们还发现，当SBJ效应从风暴潮中被去除时，洪水天数会略有减少，这反映了SBJ在解释洪水持续时间方面的重要性。相反，如果完全去除风暴潮效应，那么所有站点的洪水天数都会显著减少，这表明风暴潮是洪水发生的重要驱动因素。

综上所述，本研究强调了本地海洋动力学，特别是SBJ输送，在南方新英格兰沿海洪水中的重要性。SBJ与海平面之间的关系由地转平衡决定，即SBJ输送的变化会导致与海岸相关的海平面波动。我们发现，SBJ输送和横向风应力是解释风暴潮方差的主要因素，分别贡献了约38%和28%。相比之下，纵向风应力的贡献较小，平均仅占3%。然而，在波士顿和纳塔克特等站点，纵向风应力对风暴潮方差的解释能力分别达到了约9%和16%。这表明，SBJ输送和风应力在不同站点上的影响存在差异。

本研究还探讨了波浪在解释未被模型解释的方差中的作用。波浪对沿海洪水的影响不可忽视，因为洪水的严重程度可能会因未考虑波浪而被低估。然而，波浪的影响取决于其能量和方向、海底地形和坡度、局部和远海风、以及沿海洋流等因素。由于波浪速度和方向可能在短时间内迅速变化，因此在潮汐站附近的波浪浮标数据对于得出有意义的结论至关重要。然而，在我们的研究区域，实地波浪浮标数据在空间和时间上都较为稀疏，特别是波浪方向数据。虽然显著波浪高度的时间序列相对完整，但波浪方向的观测往往缺失，导致时间序列的有效长度减少。因此，我们决定不在回归模型中将波浪高度作为预测变量。此外，本地生成的波浪通常与局部风应力密切相关，因此可能已经包含在主要分析中。

初步分析显示，回归模型的残差与洪水期间的显著波浪高度之间存在统计显著的相关性（平均皮尔逊相关系数约为0.4），而在整个记录期间的相关性则较弱（约为0.2）。这种关系在面向开阔海域的潮汐站（如波士顿）更为明显，因为波浪能量可以更直接地影响海平面。相比之下，受保护的站点（如伍兹霍尔）在洪水期间没有显著的相关性。这些发现表明，波浪在该地区沿海洪水中的作用不容忽视，并激励了未来利用方向性波浪数据或波浪模型输出，以更详细地研究波浪对沿海洪水的贡献。

洪水阈值的定义对洪水统计结果具有显著影响。我们使用的是美国国家海洋服务局（NOS）定义的轻微洪水阈值，该阈值基于潮汐站的平均高高潮水位（MHHW）之上约0.5米。然而，用于评估沿海影响的阈值可能存在不确定性，因此我们需要探讨不同阈值如何影响洪水频率和SBJ动力学的贡献。例如，当阈值降低时，预期的洪水天数会显著增加，这表明轻微的阈值调整（或等效的海平面上升）可以显著改变洪水频率的估计。对于大多数站点，如果阈值比NOS轻微洪水阈值低0.10至0.15米，那么预期的洪水天数将增加三倍。此外，洪水阈值的定义对洪水天数的估计也有很大影响。例如，在纳塔克特，如果采用国家气象局（NWS）的阈值定义，那么洪水天数将翻倍。然而，无论采用哪种定义，随着海平面上升，所有阈值都会在未来被超过的频率高于当前水平。

本研究的结果强调了海洋动力学，尤其是SBJ输送，对于南方新英格兰沿海洪水的重要性。这些海洋驱动的贡献不仅解释了洪水的发生，还解释了其在风暴风力减弱后仍能持续的现象。尽管我们的研究聚焦于一个特定的地区，但类似的动态可能在其他边界洋流与海岸相互作用的区域中也存在。因此，仅关注大尺度环流如墨西哥湾流或经向翻转环流可能不足以全面理解对沿海影响至关重要的动力学机制。将陆架洋流的变化和巴克罗因过程纳入沿海洪水和风暴潮模型中，对于准确捕捉轻微、持续时间较长或复合型洪水事件尤为重要。

研究还指出，当前的风暴潮模型大多为深度无关（barotropic）模型，忽略了垂直结构（baroclinic）的影响。然而，已有研究表明，巴克罗因模型在模拟极端事件方面优于纯深度无关模型。此外，SBJ的波动涉及深度无关和巴克罗因动力学，因此仅使用深度无关模型可能无法完全捕捉SBJ对沿海海平面变化的作用。我们的研究结果表明，SBJ可能解释了风暴潮方差的约30%，而传统模型可能未能充分反映这一点。因此，未来的研究可以探索区域洋流的变化是否与高频沿海海平面变化相关，并评估洋流行为是否可以作为洪水风险的指标或预测因子，尤其是在长期或复合型洪水事件中。

在气候变暖的背景下，海平面的快速上升可能会影响SBJ与洪水之间的关系。当前的气候模型预测，到本世纪末，美国东北沿海的海平面将因大西洋经向翻转环流（AMOC）的减弱而迅速上升。在这些变化下，预计风暴潮和洪水事件的数量将增加。假设SBJ本身没有显著变化，那么由于海平面基线的上升，SBJ对沿海洪水的贡献可能会增加。然而，我们并不清楚SBJ在未来会如何变化，因为当前模型的空间分辨率不足以准确捕捉这一特征。为了诊断SBJ、海平面和洪水之间的未来关系，需要更高分辨率的模型。

本研究揭示了SBJ与南方新英格兰沿海洪水之间的复杂联系，并表明这一关系可能会在未来因气候变化而发生变化。SBJ的波动不仅是当前洪水的重要驱动因素，还可能在未来的海平面上升背景下对洪水产生更大的影响。因此，将SBJ输送的变化纳入风暴潮和沿海洪水模型中，对于提高模型的准确性以及更好地预测未来洪水风险至关重要。未来的研究应进一步探索区域洋流的变化与高频沿海海平面变化之间的关系，并评估洋流行为是否可以作为洪水风险的预测工具。