大堡礁珊瑚礁受热带气旋波浪破坏的空间风险评估与避难区识别

本研究针对热带气旋(TC)对大堡礁(GBR)珊瑚的波浪破坏风险，结合SWAN波浪模型与1500余条合成气旋轨迹，建立了高分辨率(20-200 m)近底波浪速度(URMS)预测体系。通过校准2.5 m/s（近岸）和3.1 m/s（远岸）的珊瑚脱落阈值，揭示了中央外陆架礁体11%的高损伤概率，并首次绘制了GBR气旋热点与避难区空间图谱，为珊瑚礁韧性管理提供了关键决策工具。

　　

珊瑚礁作为海洋生态系统的核心组成部分，长期面临气候变化与极端事件的威胁。热带气旋(TC)通过产生破坏性波浪，导致珊瑚结构的大规模破碎与脱落，形成死亡珊瑚的碎石床，进而阻碍幼虫补充与珊瑚恢复。大堡礁(GBR)近年因大规模白化、气旋和长棘海星(CoTS)爆发导致珊瑚覆盖率显著下降，其中气旋被证实是珊瑚损失的最强预测因子。尽管气候模型普遍认为未来气旋强度将增加，但气旋波浪对珊瑚破坏的空间异质性及其机制仍不明确，特别是礁体空间排列如何影响波浪能量耗散与损伤模式。

澳大利亚的研究团队在《Ecological Informatics》发表研究，首次整合SWAN(Simulating WAves Nearshore)波浪模型与1525条RCP8.5气候情景下的合成气旋轨迹，构建了GBR全域3000余个礁体的高分辨率(20-200 m)近底波浪速度(U_RMS)数据库。通过线性波浪理论计算最大波浪速度(U_max)，并利用零膨胀β-二项分布模型(ZIBB)校准损伤阈值，最终绘制了气旋破坏风险空间图谱。

关键技术包括：(1)基于HadGEM气候模型的合成气旋轨迹生成；(2)SWAN波浪模型的高分辨率网格模拟；(3)U_RMS与U_max的线性波浪理论计算；(4)结合5次历史气旋(如Hamish、Yasi)的实地观测数据校准模型；(5)基于珊瑚形态因子(CSF)的机械强度阈值评估。

3.1 模型校准与珊瑚脱落阈值
研究揭示近岸礁体(内陆架)和远岸礁体(中/外陆架)的损伤阈值分别为2.5 m/s和3.1 m/s，对应分支状和板状珊瑚的机械强度范围。标准主轴回归(SMA)显示CD3.1模型对远岸礁体预测最优(CCC=0.30)，而CD2.5模型对近岸礁体预测存在轻微高估(斜率=0.64)。

3.2 气旋强度与礁体空间设置的影响
外陆架礁体在5级气旋下的平均损伤比例达19%，显著高于1级气旋(7%)。礁体与气旋轨迹的最小距离每增加1 km，损伤降低0.3-0.5%。左侧(气旋前进方向西侧)礁体损伤比右侧高6%，且邻近礁体距离>2.2 km的孤立礁体损伤风险提升2倍。

3.3 高低风险礁体的空间识别
中央外陆架礁体表现出最高年均损伤概率(11%)，因其稀疏分布和"幼年期"地貌削弱了波浪耗散能力。排名前10%的高暴露热点(50% U_max≥2.97 m/s)主要位于中南GBR，而74%的低暴露避难区(99% U_max≤1.79 m/s)分布于近岸。值得注意的是，仅2个礁体的波浪暴露低于分支珊瑚脱落阈值(0.41 m/s)，意味着绝大多数"避难区"仍可能发生脆弱形态珊瑚的损伤。

这项研究通过创新性地耦合物理波浪模型与生态阈值，首次量化了GBR珊瑚礁对气旋波浪的差异化脆弱性。中央外陆架的高风险与小而稀疏的礁体构型直接相关，这一发现挑战了传统认知——通常认为外陆架礁体因长期暴露于高波浪能环境而更具耐受性。研究建立的预测框架不仅可优化CoTS防控等管理资源的空间配置，其合成的波浪暴露数据库更能支持珊瑚礁动态模拟与干预情景测试。未来需进一步整合礁体群落组成与地貌特征，以提升对机械强韧型珊瑚(如块状、丘状)损伤的预测精度。在气旋强度加剧的气候背景下，本研究为识别自然扰动避难区、规划珊瑚礁韧性管理提供了不可替代的科学基础。