海平面上升对澳大利亚东南部菲利普港湾潮汐、极端水位及波浪影响的非线性动力学研究

本研究针对气候变化引发的海平面上升(SLR)如何通过非线性相互作用加剧沿海洪水风险这一关键问题，采用SCHISM-WWMIII双向耦合水动力-波浪模型，模拟了澳大利亚菲利普港湾(PPB)在0.2-1.4 m SLR情景下的极端水位(AEP)与波浪特征。发现SLR会使极端水位额外增加10%，波浪能量提升5-20%，为海岸带适应策略提供科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，海平面上升(SLR)正以3.7 mm yr^-1
的速度持续加剧，预计到2100年可能达到0.44-1.01米。这种变化不仅直接威胁沿海低洼地区，更会通过复杂的非线性动力学过程放大极端海洋事件的危害。澳大利亚东南部的菲利普港湾(PPB)作为墨尔本的重要经济生态区域，其半封闭地形使得潮汐、风暴潮和波浪的相互作用尤为显著。然而，传统风险评估采用SLR与极端水位的简单线性叠加方法，忽视了SLR对水动力系统的深层影响——包括改变海湾共振特性、减少底部摩擦、以及调制波浪-流相互作用等机制。这些科学认知的空白，使得准确预测未来海岸灾害面临巨大挑战。

为解决这一问题，CSIRO等机构的研究团队在《Ocean Modelling》发表了突破性研究。他们构建了高分辨率的SCHISM-WWMIII双向耦合模型，该模型采用非结构化混合网格，能精确模拟SLR对潮汐传播、风暴潮增强和波浪能量分布的综合影响。研究团队利用1980-2014年基准期数据，对比分析了三种SLR情景(0.2/0.8/1.4 m)下PPB的35年水动力变化。

关键技术方法
研究采用SCHISM-WWMIII耦合系统，其中水动力模块基于Navier-Stokes方程，波浪模块采用第三代风浪模型WWMIII。大气强迫场使用CCAM-ERAi降尺度至5 km分辨率的10 m风速数据，经ERA5再分析和BOM观测站验证。通过非结构化网格实现PPB入口处50 m和海湾内部100-500 m的分辨率，采用GOTU4.10全球潮汐模型提供边界条件。极端值分析采用Peaks-Over-Threshold方法计算年超越概率(AEP)。

研究结果

1. 极端水位与波浪空间分异
   基准模拟显示PPB西部因盛行风向和距"Heads"入口距离较远，仅呈现高AEP水位(无显著波浪)，而东部同时存在高AEP水位和波浪。1% AEP水位在东北部达1.8 m，显著高于西南部的1.2 m。

2. SLR的放大效应
   0.8 m SLR情景下，极端水位平均增幅达0.88 m（超出SLR值10%），这种非线性增强源于底部摩擦减少导致的潮波放大效应。风暴潮高度虽受SLR抑制（因风应力在更深水柱中效率降低），但潮汐主导的总体水位仍显著上升。

3. 波浪能量响应
   1.4 m SLR使1% AEP有效波高(H_s
   )在大部分区域增加5-10%，入口附近增幅达15-20%。波浪周期延长表明SLR通过降低浅水变形效应，使更多波浪能量传入湾内。

4. 地形调制作用
   入口处Great Sands沙洲在SLR下的水力阻力降低，导致潮汐范围扩大。模型显示0.2 m SLR已使潮差增加2-5 cm，验证了Black等(1990)关于地形-潮汐反馈的假说。

结论与意义
该研究首次量化了SLR通过非线性动力学对PPB极端海洋事件的复合影响。发现SLR不仅直接抬升基线水位，更通过改变系统共振特性、波浪传播路径和能量耗散机制，产生额外的10%增幅效应。这一发现颠覆了传统风险评估中"SLR线性叠加"的假设，为制定科学的适应策略提供了关键参数。特别是东部海岸同时面临水位和波浪的双重威胁，需优先加强防护工程。研究建立的耦合模型框架可推广至全球类似半封闭海湾，其数据已通过CSIRO门户开放共享（DOI:10.25919/51k0-w291），为IPCC第六次评估报告中的海岸灾害预测提供了区域尺度验证案例。