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英国海岸常受极端海平面引发的洪水威胁，为探究潮汐与风暴潮的相互作用，研究人员分析了偏斜涌浪（skew surge）、非潮汐残差等与潮汐的关系。结果表明两者存在显著非线性作用，且模型数据存在局限性。这对准确预估极端海平面概率意义重大。
在地球的海洋世界里，英国那漫长的海岸线一直面临着来自大海的严峻挑战。极端海平面引发的沿海洪水，如同隐藏在海洋深处的 “恶魔”，时不时地给英国带来巨大的灾难。回顾历史，1953 年 1 月 31 日至 2 月 1 日那场 “大洪水”，无情地夺走了英格兰和苏格兰东海岸 330 人的生命，还造成了约 12 亿英镑的经济损失；2013/14 年冬季，更是风暴频发，平均每 2.5 天就有一场强烈的温带气旋袭击英国，导致了大量的海平面、风暴潮和海浪阈值超标事件。这些惨痛的经历让人们深刻认识到，准确理解潮汐和风暴潮的相互作用，是有效抵御沿海洪水的关键。
然而，此前人们对这一复杂的相互作用了解并不充分。虽然知道天文潮汐、风暴潮、海浪和相对平均海平面等因素共同导致了极端海平面的出现，但它们之间的非线性相互作用却难以捉摸。而且，传统的计算极端海平面概率的方法，在考虑潮汐和非潮汐残差的关系时也存在不足。为了填补这些知识空白，来自国外的研究人员开展了一项深入的研究，相关成果发表在《Estuarine, Coastal and Shelf Science》杂志上。
研究人员采用了多种技术方法来深入探究这一复杂的现象。首先是时间序列分析，他们收集了英国国家潮汐测量仪网络（UK National Tide Gauge Network，UKNTGN）的测量数据，这些数据如同时间的 “记录仪”，详细记录了潮汐水平、相位、非潮汐残差和偏斜涌浪（skew surge，即一个潮汐周期内测量的最高海平面与预测的潮汐高潮位之间的绝对差值，与发生时间无关）的变化。同时，研究人员还使用了近 500 年的模型数据进行对比分析。此外，研究人员运用流体动力学建模，通过调整气象强迫的时间，模拟风暴在不同潮汐阶段到达时的情况，以此来评估潮汐 - 风暴潮的相互作用。
研究结果主要分为时间序列数据分析和流体动力学建模两部分。
- 时间序列数据分析：在测试潮汐 - 风暴潮相互作用对不同阈值和去聚类窗口长度的敏感性时，研究发现，虽然某些参数和站点会因阈值和窗口长度的变化而有所差异，但总体差异较小。例如，在不同阈值和风暴窗口下，部分站点的概率密度函数（pdf）会有变化，但分布形状和相互作用特征基本不变。在比较观测记录和近 500 年模型运行中的潮汐 - 风暴潮相互作用水平时，发现测量数据中的相互作用通常比模型数据更大。其中，偏斜涌浪与潮汐高潮位之间的相互作用最小；而非潮汐残差与天文潮汐之间的相互作用较大，尤其是潮汐相位方面。在测量数据中，极端非潮汐残差往往在潮汐高潮前 1 - 5 小时相对更频繁地出现，且多发生在平均潮汐水平或以下；在模型数据中，虽然也有类似趋势，但相互作用强度较低。通过卡方检验（χ2）和 Cramer’s V 分析进一步量化相互作用水平，结果显示，潮汐相位在极端非潮汐残差时的相互作用最为显著，不同地区的站点相互作用水平存在差异，部分地区如布里斯托尔海峡的相互作用较强。
- 流体动力学建模：通过对 2013 - 2014 年数据进行时间调整后的模拟，研究评估了风暴到达时间变化对潮汐 - 风暴潮相互作用和事件规模的影响。结果表明，不同参数对风暴到达时间变化的响应不同。例如，偏斜涌浪的相互作用受影响较小，而潮汐相位和潮汐水平的相互作用在不同地区有不同的变化模式。在爱尔兰海，潮汐相位和潮汐水平的相互作用在时间调整后变化较为明显，而在其他地区则变化较小且缺乏一致性。
综合研究结论和讨论部分，研究人员发现英国海岸线周围的非潮汐残差和天文潮汐之间存在显著的非线性相互作用。极端非潮汐残差通常在潮汐高潮前相对更频繁地出现，且多发生在较低的潮汐水平。相比之下，偏斜涌浪与潮汐高潮位之间的相互作用较弱，几乎可以认为两者是独立的。然而，模型数据在反映这些相互作用时存在局限性，可能导致对沿海极端海平面的预测不够准确。此外，风暴到达时间的变化会影响潮汐 - 风暴潮的相互作用，但这种影响在不同地区有所不同，且在分析不同时间段的数据时差异更为明显。
这项研究的重要意义在于，它为深入理解英国海岸的非线性潮汐 - 风暴潮相互作用提供了关键信息。准确把握这些相互作用，对于精确估算极端海平面概率至关重要，进而有助于制定更有效的沿海防洪策略，保护沿海地区的生命和财产安全。同时，研究也指出了模型存在的不足，为后续改进沿海风暴潮模型提供了方向，推动了相关领域的进一步研究。
