美国海岸线总水位驱动过程对海岸变化潜力的影响研究

《Cambridge Prisms: Coastal Futures》：Total water level driving processes influence the potential for coastal change along United States coastlines

本研究针对海岸带灾害风险评估中总水位(TWL)组成与海岸形态变化关联机制不明确的问题，开展了美国大陆海岸线风暴影响机制的系统研究。通过结合41年水文观测与激光雷达地形数据，揭示了波浪爬高(R2%)在所有影响机制中的主导作用，发现风暴潮贡献随灾害强度增强而显著提升。研究成果为区域差异化海岸防护策略制定提供了科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，海岸带正面临着日益严峻的侵蚀和洪水威胁。数据显示，全球近四分之一的沙质海岸正以每年超过0.5米的速度遭受侵蚀，而美国每年因海岸侵蚀造成的财产损失高达5亿美元。更令人担忧的是，单次飓风引发的海岸洪水事件就可能造成数十亿美元的经济损失。这种严峻形势迫使科学家们深入探究海岸灾害的形成机制，特别是不同水文过程如何相互作用导致海岸线变化。

传统上，研究人员使用Sallenger风暴影响等级来评估海岸潜在变化，该模型通过比较总水位(TWL)与海岸形态特征（如沙丘趾、沙丘顶）的高程关系，将海岸影响划分为四个等级：冲溅（swash）、碰撞（collision）、越顶（overtopping）和淹没（inundation）。然而，尽管该模型被广泛应用，我们仍不清楚在不同海岸区域和不同影响等级下，总水位的具体组成成分如何变化，以及这些变化如何影响海岸灾害的发生频率和强度。

为解答这一科学问题，Gabrielle P. Quadrado和Katherine A. Serafin在《Cambridge Prisms: Coastal Futures》上发表了一项开创性研究，系统分析了美国大陆海岸线总水位驱动过程的时空变化规律。研究团队选取了26个具有代表性水文观测站点的沙质海岸，覆盖太平洋、大西洋和墨西哥湾三大海岸区域，时间跨度从1980年至2021年共计41年。

研究方法上，研究团队整合了多源数据，包括国家海洋和大气管理局(NOAA)的水位观测数据、全球海洋波浪版本2.0(GOW2.0)的波浪后报数据，以及美国地质调查局(USGS)的激光雷达(LiDAR)地形数据。通过计算总水位(TWL)作为静水位(SWL)与波浪爬高(R_2%)之和，并将静水位进一步分解为相对海平面(η_RSL)、天文潮(η_A)和非潮汐残差(η_NTR)等组分。利用Stockdon等人(2006)的经验公式估算波浪爬高，并结合静态海岸形态阈值，对每小时总水位进行分类，确定其所属的风暴影响等级。

总水位量级变异性分析

研究结果显示，总水位量级在不同影响等级和区域间存在显著差异。从冲溅等级到越顶等级，总水位、静水位和波浪爬高的平均值和标准差均逐渐增加。太平洋西北部(PNW)和加利福尼亚(CA)地区表现出最高的总水位量和最宽的分布范围，而墨西哥湾地区虽然总水位量较低且分布较窄，但从冲溅到碰撞再到越顶等级的绝对增幅与太平洋海岸相当。波浪爬高在所有区域都表现出最大的平均增幅，从冲溅到碰撞平均增加约1.1米，从碰撞到越顶平均增加约1.0米。

风暴影响机制下的总水位组成

研究发现，尽管波浪爬高是所有影响机制中总水位的主要驱动因素，但其相对贡献随着影响强度增加而逐渐被其他过程抵消。在冲溅机制中，波浪爬高平均贡献70%，天文潮贡献20%，相对海平面贡献6%。随着影响机制从冲溅增强到碰撞再到越顶，风暴潮贡献平均增加6%和3%，而潮汐贡献减少3%和4%。波浪爬高在碰撞和越顶机制中平均贡献约67%的总水位，但在淹没机制中，波浪贡献降至38%，而风暴潮贡献升至26%，潮汐贡献为20%。

潜在影响概率评估

通过将总水位百分位数与形态阈值高程相关联，研究发现美国不同海岸区域经历海岸影响的概率存在显著差异。冲溅机制是最频繁发生的等级，在太平洋和墨西哥湾海岸平均出现在总水位的第34百分位数，而在大西洋海岸约为第54百分位数。碰撞机制的发生频率较低，在太平洋海岸平均出现在第92.0百分位数，大西洋海岸为第97.5百分位数，而墨西哥湾海岸为第99.2百分位数。越顶和淹没机制是最不频繁的等级，全美海岸线平均出现在总水位的第99.5百分位数和动态静水位的第99.8百分位数。

研究结论强调，总水位量级和组成在不同影响机制和区域间存在显著变异，受当地气候和形态特征共同影响。波浪爬高是总水位的主要驱动因素，但其贡献随着影响机制增强而被风暴潮（大西洋和墨西哥湾海岸）或潮汐（太平洋海岸）所抵消。海平面异常和季节性的贡献也随机制增强而增加，表明即使是较小的总水位组分也能放大海岸变化潜力。

该研究的创新之处在于首次系统量化了美国海岸线不同风暴影响机制下总水位组成的区域差异，揭示了尽管影响机制通过统一的形态阈值超越来定义，但驱动这些机制的水文过程组合具有显著的区域特异性。这一认识对海岸风险管理具有重要启示，意味着未来海岸适应策略需要更加注重当地特定的水文和形态特征，而非采用"一刀切"的解决方案。研究结果为预测海平面上升、波浪气候和风暴活动变化背景下的海岸灾害提供了科学基础，对沿海社区制定针对性的适应策略具有重要指导意义。