《Water Resources Research》：A Physics-Based Approach to Project the Impact of Climate Change on Occurrence of Compound Floods in a Large River Delta
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气候变化正在加剧沿海地区的复合洪水，该类洪水由 Coastal Flood（海岸洪水）与 Fluvial Flood（河流洪水）共同作用形成。这一趋势使超出历史先例的灾害发生概率增加，对人口稠密的三角洲地区构成日益严重的威胁。然而，现有研究尚无法充分刻画气候变
气候变化正在加剧沿海地区的复合洪水，该类洪水由 Coastal Flood（海岸洪水）与 Fluvial Flood（河流洪水）共同作用形成。这一趋势使超出历史先例的灾害发生概率增加，对人口稠密的三角洲地区构成日益严重的威胁。然而，现有研究尚无法充分刻画气候变暖如何影响多重洪水驱动因子及其相互作用，这可能导致对未来复合极端事件预估的偏差。本研究中，研究人员发展了一种基于物理机制的方法，该方法动态整合了气候变化对热带气旋（TC）活动及降雨径流过程的影响。该方法被应用于预估珠江三角洲（PRD）的海岸-河流复合洪水风险。研究生成了包含100,000个风暴事件的集合，以刻画历史期（1974–2014年）和未来期（2060–2100年；SSP5-8.5情景）下的可能复合极端事件。在具有代表性的河口位置，预估结果显示海岸与河流极端事件的发生概率显著增加，其重现期由55.5年缩短至15.5年。这些预估表明，历史记录中前所未有的复合洪水事件在未来更有可能发生。研究结果强调，有必要采取适应性的海岸灾害管理策略，以应对气候变化背景下不断加剧的复合洪水风险。
**研究背景与问题**
低洼沿海地区长期面临多重洪水驱动因子的威胁，包括 Storm Surge（风暴增水）、Peak River Flow（洪峰流量）及 Heavy Precipitation（强降水）。当两种或以上洪水驱动因子同时作用时，其协同效应即 Compound Flood（复合洪水），往往导致比单一驱动因子引发的洪水更为严重的淹没程度和经济损失。在许多情况下，严重的复合洪水与热带气旋密切相关，热带气旋可产生极端增水和强降水。在气候变暖背景下，与热带气旋相关的海岸洪水强度和频率预计均将增加，使历史洪水事件在未来更频繁发生，或使历史期前所未有的极端事件在未来更可能发生。因此，可靠量化气候变化对复合洪水的影响，是制定有效海岸适应策略的必要前提。
传统复合洪水危险性评估方法依赖于从历史记录或重建数据集中挖掘多重洪水驱动因子间的统计依赖关系，通过经验构建 Storm Tidal Level（风暴潮位）和 River Flow Rate（河流流量）等贡献变量的联合分布来评估前所未有的复合洪水概率。然而，在数据受限地区，准确刻画分布函数尾部行为仍具挑战性。近期研究采用情景分析描述未来可能事件，包括直接修改历史事件关键参数或应用 Pseudo Global Warming（PGW，伪全球增温）技术模拟暖气候条件下的历史事件，但这些方法受限于历史事件数量有限，可能无法充分代表未来复合洪水的完整情景范围。
将基于物理机制的热带气旋模型与全球气候模式（GCM）耦合，是表征未来复合洪水的有前景途径，可模拟未来气候条件下的多重洪水过程。然而，风暴增水遭遇洪峰流量的概率及其后果研究仍显不足。登陆热带气旋与极端区域降水的潜在季节偏移可能增加风暴增水与洪峰流量的遭遇概率，给海岸韧性带来前所未有的挑战。
**研究开展与核心结论**
为填补上述研究空白，研究人员发展了一种基于物理机制的方法，动态整合气候变化对热带气旋活动和降雨径流过程的影响。该方法基于大规模合成事件集合，依次模拟风暴增水和河流过程，以量化极端复合洪水的发生概率。研究选取珠江三角洲作为应用区域，该三角洲为人口密集、经济发达的城市群，面临严峻的复合洪水风险。研究从 Coupled Model Intercomparison Project Phase 6（CMIP6，耦合模式比较计划第六阶段）中选取10个全球气候模式，在 SSP5-8.5（共享社会经济路径5-8.5）排放情景下投影海岸与河流洪水过程。生成了100,000个热带气旋的集合，以稳健评估历史期（1974–2014年）和未来期（2060–2100年）气候下的复合洪水事件风险。
模拟结果揭示了海岸-河流复合洪水频率的惊人增长。定义复合洪水为风暴潮位和河流流量均超历史90%分位数的事件，其重现期由55.5年（1974–2014年）缩短至15.5年（2060–2100年）。尤为重要的是，该物理方法通过考量从流域降雨径流到海岸风暴增水发展的完整洪水过程，推进了复合洪水评估的方法论，为脆弱沿海地区的下一代洪水风险管理策略发展指明方向。
该研究成果发表于国际水文学顶级期刊《Water Resources Research》。
**关键技术方法**
研究采用三项核心技术构建复合洪水预估体系：大气模块基于CMIP6的10个全球气候模式，运用热带气旋降尺度模型生成10公里分辨率的精细风场和气压场，每个模式历史时期和未来各生成5000个合成热带气旋；海洋模块采用ADCIRC（ADvanced CIRCulation）模型计算天文潮和风暴增水的时空变化，风应力强迫由增强型大气波边界层模型（e-AWBLM）提供，计算域空间分辨率从外海的20公里细化至珠江口附近的200米；河流模块采用Variable Infiltration Capacity（VIC，可变下渗容量）分布式陆面模型产生地表径流，再通过Catchment-based Macro-scale Floodplain（CaMa-Flood）水文动力学模型在河网中进行汇流演算，降水数据经CN05.1观测数据集进行偏差校正。
**研究结果**
**模型验证**：热带气旋降尺度模型经ERA5再分析数据验证，登陆强度分布与观测吻合良好，多模式集合平均结果与ERA5相比具有高稳健性。海洋模块验证显示天文潮模拟Skill值达0.97，三个历史台风事件的风暴增水模拟均方根误差仅0.15米、Skill值0.95。河流模块在六个水文站的模拟平均Skill值为0.97。
**热带气旋活动对风暴潮位的影响**：多模式集合结果显示，SSP5-8.5情景下热带气旋显著增强，超强台风（最大持续风速大于53米/秒）重现期由6.3年缩短至3.5年，高强度台风登陆珠江三角洲的概率大幅增加。风暴潮位风险呈上升趋势，河口顶端尤为显著——tidal station d和e的10年一遇风暴潮位分别预估达3.15米（增加0.44米）和3.47米（增加0.53米）。沿356个虚拟岸段的空间分析表明，5、10、50、100年重现期平均风暴潮位分别增加0.16米、0.24米、0.25米、0.23米，V形河口凹湾处增幅近0.5米，而突出半岛（如香港）变化有限。
**区域降水格局对河流流量的影响**：历史时期峰值季风期较台风登陆盛期提前约2个月，53%的台风于后季风期（7月后）抵达。气候变暖下，峰值季风期由夏季延伸至秋季，台风登陆时西江河口流量较历史基线增加35%，显著提升了高河流流量与极端风暴潮位的遭遇概率。
**极端风暴潮位与高河流流量的遭遇**：西江流量与风暴潮位的联合分布显示，观测事件与合成事件的Kendall相关系数均接近零（观测为-0.04，历史/未来合成事件分别为0.03/0.02），表明同一热带气旋事件引发的极端风暴潮位与河口洪峰通常并不同期，因流域降水形成河口高流量所需时间远长于风暴增水衰退时间尺度。然而，气候变化导致的台风事件增多和季风期延长仍使复合洪水遭遇概率显著增加。以历史90%分位数为阈值，复合洪水重现期由55.5年骤降至15.5年，即21世纪末复合洪水发生概率增加约3.6倍。该阈值对应的河流流量由20,751立方米/秒增至27,858立方米/秒，风暴潮位由2.26米增至2.65米。
**讨论与结论总结**
**海岸复合洪水机制**：热带气旋同时引发风暴增水和强降水，但在珠江三角洲，由于流域汇流时间远长于风暴增水衰退时间，同一热带气旋直接驱动的复合洪水概率极低。历史期季风高峰与台风盛期的季节错配使复合洪水风险常被忽视。气候变化下，季风峰值期延迟与强台风期提前的共同作用显著放大了极端海岸与河流洪水的遭遇概率。
**海平面上升贡献**：根据IPCC AR6，SSP5-8.5情景下珠江三角洲2060–2100年平均海平面上升0.52米。研究证实风暴潮与海平面上升的非线性相互作用在该区域可忽略，可直接叠加处理。鉴于海平面上升预估存在显著不确定性，本研究仅聚焦于气象强迫（热带气旋和季风变异）的影响。
**方法局限与未来方向**：热带气旋降尺度模型未考虑热带气旋对环境的反馈，无法投影变暖气候下的热带气旋生成频率和季节分布变化，本研究采用登陆频率和季节不变的保守假设。此外，100,000事件集合的淹没模拟需巨大计算成本，高效淹没模型开发是未来工作；方法在珠江三角洲的验证仅为初始步骤，其他三角洲区域的适用性仍需检验。
**研究结论翻译**：
研究人员发展了一种包含大气、海洋和河流模块的基于物理机制的方法，用以描述大型河口三角洲中由风暴增水遭遇高河流流量形成的复合洪水。该模型明确量化了气候变化对热带气旋活动和区域降雨径流的影响。经过细致验证后，模型被应用于预估高排放情景SSP5-8.5下珠江三角洲的海岸-河流复合洪水风险。采用CMIP6的10个全球气候模式分别驱动基线气候（1974–2014年）和未来气候（2060–2100年）模拟。
数值结果显示，热带气旋引起的平均风暴潮位在5、10、50、100年重现期分别上升至1.84米（增加0.16米）、2.23米（增加0.24米）、2.92米（增加0.25米）、3.14米（增加0.23米），且增水空间分布高度不均，V形河口城市如广州、东莞和中山的风暴潮位显著高于其他地区。另一方面，模拟结果表明珠江三角洲台风登陆季节河流流量增加35%，因峰值季风期预计由夏季延伸至秋季。结果导致，极端风暴潮位与高河流流量（均超历史90%分位数）的遭遇概率在21世纪末增加3.6倍，重现期由55.5年（1974–2014年）降至15.5年（2060–2100年）。这意味着历史期前所未有的极端复合洪水事件在未来更可能发生。负责海岸灾害管理的公共部门应主动提高防洪保护标准。
