耦合气候与城市化效应的上海风暴潮洪水风险评估框架及未来情景预测

推荐：本研究针对沿海城市风暴潮洪水风险，耦合Delft3D、GeoSOS-FLUS和SFINCS模型，量化了SSPs245和SSPs585情景下气候变迁与土地利用变化对上海千年一遇热带气旋(TC)洪水的影响。结果显示，忽略未来城市扩张将低估淹没面积4.91-34.00%，崇明岛等低洼区域风险显著增加，为全球热带气旋易发区防洪政策制定提供科学框架。

　　

在全球气候变化与快速城市化的双重压力下，沿海城市正面临日益严峻的风暴潮洪水威胁。作为中国最大的经济中心和人口密集区，上海地处长江三角洲低洼地带，平均海拔仅4米，历史上每年遭受2-3次热带气旋(TC)侵袭。尽管现有海堤系统提供了一定保护，但类似1997年"温妮"台风导致的创纪录风暴潮水位（960 hPa中心气压，40 m/s风速）仍可能造成灾难性后果。更令人担忧的是，现有洪水风险评估往往将气候变迁与城市扩张割裂分析，忽略了二者协同作用可能带来的"风险放大效应"——这正是Qinke Sun团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表的研究着力解决的核心科学问题。

研究团队创新性地构建了"气候-城市-洪水"耦合模型框架：首先通过STORM模型生成基于EC-Earth3P-HR气候模式的千年一遇TC事件；利用Delft3D Flow & Wave嵌套模型（0.1°→0.01°→100 m三级网格）模拟风暴潮水位；结合GeoSOS-FLUS模型预测SSPs245/585情景下2100年土地利用变化；最后采用SFINCS超快速洪水模型（Local Inertial Equations算法）量化不同情景的淹没范围与深度。所有模型均通过历史事件验证，Nash效率系数(NSE)达94.17%以上。

4.1 未来土地利用变化

模拟显示2100年上海建设用地将增长24.30-34.47%，主要侵占耕地（减少13.21-19.06%）。SSPs585情景呈现中心城区蔓延式扩张，而SSPs245情景在崇明岛形成新发展极，这种空间异质性为后续洪水分析埋下伏笔。

4.2 气候变化对TC洪水的影响

千年一遇TC在SSPs585情景下造成1135.63 km²淹没，较SSPs245增加13.5%。值得注意的是，>2 m的极深积水区比例从16.43%跃升至22.37%，且崇明岛东北部、长兴岛沿岸及浦东新区沿海成为新脆弱区。尽管中心城区因高标准堤防保持相对安全，但模型揭示现有防护体系在极端气候下仍存在缺口。

4.3 土地利用变化的影响

对比当前(CL)与未来(FL)土地利用情景发现：SSPs585下考虑城市扩张使最大淹没面积从524.67 km²(CL585)增至541.65 km²(FL585)，低估幅度最高达34%。机理分析表明，建设用地增加导致曼宁系数(Manning's n)从林地0.85降至0.14，加速洪水传播并延长消退时间，这在崇明岛新开发区表现尤为突出。

这项研究的重要价值在于首次量化了土地利用变化对沿海洪水风险的"修正系数"。传统风险评估若忽略SSPs585情景下的城市扩张，可能严重低估22%以上的淹没范围。从应用角度看，崇明岛等新兴发展区需要重新评估"以空间换安全"的传统思路，建议采用蓝绿基础设施等基于自然的解决方案(NbS)来平衡发展与韧性。方法论上，Delft3D-SFINCS-GeoSOS耦合框架为全球TC敏感区提供了可移植的技术模板，特别是嵌套建模策略（从气候尺度到街区尺度）实现了多过程的高效耦合。未来研究可进一步纳入降雨-风暴潮复合洪水机制，以及城市热岛效应对TC强化的反馈作用，以完善对沿海城市气候适应能力的系统认知。