识别并应对极端物理海洋学事件的各个组成部分，以提升沿海系统的风险管理能力

《Frontiers in Marine Science》：Identifying and addressing the components of extreme physical-oceanographical events for improved risk management in coastal systems

极端海洋和河流事件因气候变化频率、强度和持续时间增加，对生态和社会经济造成重大影响。现有研究缺乏对极端事件系统性驱动及其对河口、海岸生态系统的连锁影响的理解。ElbeXtreme项目通过整合利益相关者参与、数据挖掘、实验与实地观测，构建新型风险评估与监测方法，以提升德国厄尔贝河口至北海区域的适应能力。项目分三阶段：第一年（2024-2026）建立知识库；第二阶段（2027-2029）整合数据与模型开发预警系统；第三阶段（2030-2031）实施监测和适应策略，并推广至其他河口和沿海系统。

　　极端的物理海洋事件，如海洋热浪、河流洪水、干旱和风暴潮，对当地社区、经济部门和生态系统产生了重大影响。随着气候变化的加剧，这些极端事件的发生频率、强度和持续时间都在增加。然而，目前我们对这些极端事件的系统性驱动因素及其对河口和沿海生态系统的连锁影响仍缺乏深入理解。这种知识的缺失限制了我们对生态系统服务未来变化的评估，以及对当地社区和生态系统风险的科学应对。因此，德国海洋研究联盟（DAM）资助的“ElbeXtreme”项目聚焦于采用综合方法，结合利益相关者参与、数据挖掘、实验和实地观测，以开发新的观测和建模手段，评估和监测河口地区的风险。该项目旨在通过建立系统性风险认知，支持当地社区和生态系统的适应性规划，并推动国家和国际间的合作，共同应对海洋和沿海风险这一紧迫议题。

气候变化带来的影响已经超越了单纯的环境变化，而是引发了更广泛的连锁反应。例如，全球平均气温预计将在本世纪末上升至少2°C，这一趋势已经导致极端天气事件的频率和强度显著上升。研究表明，热浪、洪水、干旱和风暴潮等事件的出现率自20世纪70年代以来持续增加，其影响不仅限于环境层面，还涉及生态和社会经济层面的复杂反馈。在德国，2002年、2013年、2021年以及2024年的极端洪水事件，造成了超过100亿欧元的经济损失，严重影响了公共健康、基础设施和文化遗产。此外，近年来的干旱事件也对农业、工业和水力发电等关键经济部门产生了深远影响，例如2018年德国夏季干旱导致内陆航运损失约27亿欧元，并对邻国如荷兰的工业部门造成连锁反应。全球范围内的研究也指出，到2050年，气候变化将导致全球收入损失高达19%，相当于38万亿美元，远高于控制全球变暖在2°C以内的成本。

极端事件对生态系统的影响同样深远。以河流洪水为例，这种事件会导致沿海水域的盐度结构发生剧烈变化，淡水径流会显著改变海洋生态系统的化学环境。例如，洪水期间，营养物质、碳和污染物的快速输送会绕过正常的沉降和生物地球化学降解过程，从而增加对沿海水域的化学负荷，并可能导致底水缺氧现象的加剧。此外，洪水还会对生态系统中的生物多样性产生重大影响，导致生态系统工程师（如珊瑚礁形成贝类和沉积物扰动生物）的消失，进而影响整个生态系统的结构和功能。而干旱事件则可能与海洋热浪同时发生，造成河流水流量减少，海水滞留时间延长，从而改变河口生态系统的化学环境和生物组成。同时，干旱还会降低污染物的稀释能力，导致其在河流和河口区域的浓度上升，进一步加剧生态压力。

这些极端事件不仅影响单一的环境参数，还可能通过复杂的相互作用，改变整个生态系统的结构和功能。例如，极端降水事件可能引发河流洪水，随后与风暴潮结合，对河口和沿海生态系统造成破坏，导致栖息地退化、生物群落重组以及生物地球化学循环的改变。这些变化不仅影响生态系统的健康，还可能对渔业、航运等关键经济活动产生连锁效应。然而，目前我们对这些复杂相互作用的理解仍然有限，许多关于极端事件对生态系统和生态系统服务影响的评估仍存在较大的不确定性。因此，建立系统性的风险认知，识别极端事件的触发因素和连锁效应，是提高适应性和风险管理能力的关键。

为了深入研究这些问题，ElbeXtreme项目选择了易北河-北海系统作为“活实验室”，利用多种定性和定量方法，探索该区域极端事件的风险和影响。该项目采用跨学科的研究方法，结合概念性风险模型、Living Lab（生命实验室）方法、自然对人类贡献（NCP）评估、数值模拟、采样实验以及生物地球化学变化等关键元素，构建了一个完整的风险理解框架。这一框架不仅有助于识别极端事件的直接和间接影响，还能够为地方社区和生态系统提供适应性策略的支持。例如，项目团队将与地方利益相关者（如航运管理部门、环境监管机构等）合作，共同设计早期预警系统和适应性措施，以应对极端事件带来的挑战。

在数据获取方面，ElbeXtreme项目将整合来自本地和国家层面的数据集，同时利用现有的长期观测数据和实时监测基础设施。例如，COSYNA和MOSES两个监测平台，分别位于德国北海区域和易北河口，能够提供高分辨率的连续测量数据。此外，项目还部署了便携式浮桥平台，以便在极端事件发生时快速部署到关键区域。这些观测设备将采集包括营养物质、重金属、微塑料及其渗出物、二氧化碳、甲烷、溶解氧、生物群落组成、生态系统健康指标和生态系统服务（如碳封存）在内的多种变量。通过这些数据，项目团队将能够评估极端事件对生态系统结构和功能的直接影响，并进一步探索其对生态系统服务和人类社会的间接影响。

在生态系统影响评估方面，ElbeXtreme项目特别关注极端事件对关键生态物种的影响。例如，蓝贻贝（*Mytilus edulis*）作为温带海洋生态系统中的重要物种，其滤食能力和碳封存功能对于维持生态系统平衡至关重要。此外，三刺鱼（*Gasterosteus aculeatus*）作为河口生态系统中的重要中等捕食者，其免疫系统的反应能够反映极端环境条件对生物体健康的影响。项目团队将通过分析这些物种的免疫反应，评估极端事件对其生存能力和种群动态的影响，并结合基因组学和生态学方法，探索极端条件对生态系统服务的长期影响。同时，项目还将研究其他生态系统类型，如海草床、盐沼和冲积森林，以更好地理解整个易北河-北海系统的生态功能和其对极端事件的响应机制。

为了提高对极端事件的预测和应对能力，ElbeXtreme项目还开发了数值建模系统，用于模拟和预测极端事件对生态系统和人类社会的影响。这些模型将结合详细的水文和地形数据，以及实时气象和河流流量信息，以模拟极端事件发生时的物理和生物地球化学过程。通过这些模型，项目团队可以识别极端事件与生态系统功能之间的机制关系，并评估未来气候变化情景下极端事件对生态系统服务和人类活动的潜在影响。此外，模型输出还将用于优化现有的观测系统和早期预警机制，以提高对极端事件的响应速度和准确性。

除了科学研究，ElbeXtreme项目还致力于将研究成果转化为实际应用工具，以支持政策制定和社区管理。例如，项目团队正在开发一个数字工具箱，整合数据分析代码、软件和网络应用程序，以提高海洋数据的可访问性和可用性。同时，项目还与德国联邦水文气象局（THW）合作，将研究成果纳入其虚拟现实培训软件“Dike Runner”中，用于训练防洪和堤防保护措施。此外，项目还将为教育机构提供基于研究成果的教材和课程，以提高年轻一代对极端事件及其生态和社会影响的认识，培养未来的环境管理者和科学家。

ElbeXtreme项目分为三个阶段，逐步推进其研究目标。第一阶段（2024-2026）的重点是建立一个全面的知识库，以理解当前和未来极端事件在水文和景观层面的风险。第二阶段（2027-2029）将整合定性和定量数据与模型，优化现有的观测和早期预警系统，并共同制定短期和长期的风险管理路径。第三阶段（2030-2031）则将实施这些观测和预警系统，并评估其在实际应用中的效果。此外，项目还将开展可行性研究，探索其方法论和研究成果是否可以推广到其他德国河口和沿海系统，如威悉河和奥得河等。通过与这些系统的利益相关者合作，ElbeXtreme项目希望将其在极端事件研究和管理方面的经验转化为更广泛的政策和实践应用。

总体而言，ElbeXtreme项目不仅关注极端事件的科学机制，还强调其对生态系统服务和人类社会的综合影响。通过跨学科的研究方法和多利益相关者的参与，该项目正在构建一个全面的风险理解框架，以支持未来的适应性策略和风险管理措施。这种综合性的研究方法有助于提高对极端事件的预测能力，增强社区和生态系统的韧性，并推动全球范围内对海洋和沿海风险的科学应对。