《Science Bulletin》：Climate change influences coastal protection value of global wetlands
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红树林和盐沼作为天然防风潮屏障，其消浪能力受气候变化和人类活动双重影响。研究显示全球7.6%的滨海湿地消浪能力下降，预计2034年将增至18.1%。恢复湿地宽度至120米可抵消三分之二负面影响，凸显湿地修复重要性。
Kunhui Huang | Mark Schuerch | Sergio Fagherazzi | Zezheng Liu | Zhan Hu
中山大学海洋科学学院，以及南方海洋科学与工程广东实验室（珠海），珠海519082，中国
摘要
红树林和盐沼是抵御风暴波浪的有效屏障，越来越多地被视为基于自然的沿海保护措施。然而，由气候变化引起的近岸极端水动力条件（即极端波浪气候和风暴潮水平）的变化，加上人类活动（如沿海开发）带来的限制，可能会削弱这些保护功能。全球范围内的潜在变化及其影响仍不确定。本文利用全球再分析数据，研究了1979年至2019年间红树林和盐沼对波浪的衰减作用。研究发现，波浪衰减和剩余波高都存在较大变化（±20%），主要原因是入射波高和风暴潮水平的变化。此外，全球7.6%的沿海湿地经历了剩余波高的增加和波浪衰减能力的下降，表明其保护效果显著减弱。预计到2034年，这一比例将上升至18.1%（95%置信区间：17.9%-8.3%）。然而，如果湿地宽度增加20%（例如从100米增加到120米），可以抵消大约三分之二的这种增长趋势，这突显了湿地恢复的重要性。这项全球分析提供了基于自然的沿海保护的现状概述，并确定了优先恢复的重点区域，以适应气候变化带来的水动力变化。
引言
全球约40%的人口居住在距离海岸线100公里以内的地区[1]，[2]，但政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）警告称，到2030年，将有超过2亿沿海居民面临较高的气候脆弱性[3]，[4]。基于自然的沿海保护方法被广泛认为是全球范围内有效的防洪措施[5]，[6]，[7]。这些保护措施利用红树林和盐沼等沿海湿地来减弱风暴波浪。由于这种自然保护作用，内陆的沿海基础设施（如海堤、堤坝或局部防洪屏障）受到的波浪冲击较小，因此可以建造在较低的高度，从而降低成本[8]。在那些无法承担昂贵“硬性”防护措施的低开发地区，这种保护尤为重要。
根据Temmerman等人的研究[19]，基于自然的沿海保护的有效性包括两个组成部分：衰减能力（波浪衰减能力）和持久性（在极端水动力条件下的生存能力）[9]。本研究重点关注衰减能力，这与极端条件下的水动力条件密切相关。先前的研究表明，波高、波周期和水深（风暴潮水平）是影响波浪衰减能力的关键水动力因素[9]，[10]，[11]。这些因素会随着全球气候变化而显著变化[12]，[13]，可能会削弱或增强湿地的波浪衰减能力。以往的研究主要集中在特定现场几个潮汐周期内的瞬态波浪衰减过程[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。关于气候变化对沿海湿地风暴波浪保护作用的长期和全球影响，仍存在知识空白。随着波浪、风暴潮和湿地分布再分析数据的最新进展[19]，[20]，[21]，[22]，对湿地保护能力的全球评估已成为可能。这样的评估将有助于了解当前沿海湿地的保护水平，并为洪水风险缓解提供依据。
在本研究中，我们分析了1979年至2019年间，两种主要类型的沿海湿地——红树林和盐沼——对风暴波浪保护能力的变化。我们使用了两个互补指标来评估沿海湿地的波浪保护效果：（1）波浪衰减能力，即波浪通过湿地时入射波高的减少程度；（2）剩余显著波高，即波浪衰减后的残余波荷载。这两个指标共同全面评估了沿海湿地减轻风暴波浪危害的能力。全球共分析了56,775个红树林和27,342个盐沼样带，以及波浪高度、波周期和风暴潮水平的再分析数据。我们采用SHAP解释的机器学习模型[23]来揭示波浪保护能力变化的驱动因素。为了单独评估极端水动力变化对波浪衰减的具体影响，我们以当前红树林和盐沼的分布作为固定基准。这种选择使我们能够量化仅由气候变化引起的波浪和风暴潮变化所导致的安全效率变化，而不受湿地范围或位置同时变化的影响。然后，我们通过湿地宽度的敏感性分析，探讨了水动力变化与未来湿地覆盖变化之间的关键相互作用。通过这项分析，我们可以识别出保护能力下降的高风险区域，从而优先开展应对全球气候变化的恢复工作，支持基于自然的沿海保护策略。
部分内容摘录
沿海湿地样带和植被参数
红树林和盐沼的空间分布基于当代的静态数据集[20]，[21]。为了隔离水动力变化的信号，我们在分析期间（1979-2019年）保持湿地位置不变。这种方法可以避免长期湿地迁移或丧失带来的混淆效应，从而清晰地展示气候变化对波浪衰减趋势的影响。随后，我们引入了湿地宽度的变化因素
全球沿海湿地波浪保护能力的变化
我们首先评估了2019年全球红树林和盐沼在风暴波浪条件下的波浪衰减能力。研究发现，波浪衰减能力存在明显的空间差异（图1a）。具体而言，74.0%的红树林湿地能够减少超过80%的入射波高（图1b），而只有37.4%的盐沼实现了40%-60%的衰减，其余盐沼的衰减效果更弱（图1c）。全球范围内，32.5%的盐沼具有衰减作用
讨论与结论
本研究表明，在当前的风暴波浪气候条件下，红树林和盐沼在全球范围内都提供了重要的波浪保护作用，这与之前的研究结果一致[5]，[8]，[9]，[51]。特别是，与盐沼相比，红树林湿地在气候变化条件下表现出更强的波浪衰减能力和更高的保护稳定性。这可能是因为红树林在风暴事件中仍能保持露出水面的状态，提供较大的阻力表面积[8]，而盐沼则不然
致谢
本研究得到了广东省科学技术厅（2024B1515020066和2019ZT08G090）、国家自然科学基金（42176202、12411530096和42306187）、南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）创新团队项目（311024004）以及皇家学会国际交流合作项目（NSFC）IEC\NSFC\233338的支持。S.F.还部分获得了美国国家科学基金会（NSF）对弗吉尼亚海岸的资助（DEB-1832221）。
