飓风“伊尔玛”导致了一个半封闭的亚热带河口海湾中的回水速率增快以及次级流域间的水文连通性增强

《Ocean Modelling》：Hurricane Irma induced Embayment Flushing Rate and Sub-basin Hydrologic Connectivity in a Semi-enclosed Subtropical Estuarine Bay

　　• 飓风艾尔玛在比斯坎湾引发了变化极大的风暴潮。• 风暴潮向北传播，其时间受到风力的控制。• 中央湾是次流域间水交换的主要中心。• 风力在很大程度上调节了水文连通性和冲洗效率。• 由于地理限制，北湾的滞留时间最长。

引言
南佛罗里达州涵盖迈阿密-戴德县、大沼泽地国家公园以及比斯坎湾和佛罗里达湾的河口地区，该地区城市化程度高，水文和生物多样性丰富，并拥有世界上最复杂的水资源管理系统之一（Leonard等人，2014年；OECD，2007年；NOAA，2021年）。这里有许多重要的栖息地和湿地，是生物多样性的宝库，同时也容易受到飓风、风暴潮、海水入侵和海平面上升等沿海灾害的影响。这些沿海灾害的影响超出了局部范围，导致了河流、城市和海岸洪水的叠加以及水质恶化（Huang等人，2021年；Zhao等人，2021年、2022年；Ye等人，2021年；Zhang等人，2020年；Santiago-Collaza等人，2019年；Valle-Levinson等人，2020年；Bevaccqua等人，2017年；Zscheischler等人，2018年；Shrestha等人，2026年；Bevacqua等人，2019年）。随着地球系统的变化（例如Alexander，2016年；Mori等人，2021年），这些极端事件的影响日益加剧，对沿海基础设施造成破坏（例如Khanam等人，2021年），并通过增加流域内的营养物质负荷、土地侵蚀、水质恶化和温室气体排放严重扰乱了沿海生物地球化学循环（Richey等人，1990年；Frey和Smith，2007年；Beighley等人，2008年；Zhuang等人，2011年；Liu等人，2019a、2019b和2023年）。在预计会有飓风的情况下，紧急管理人员、政府机构、自然资源管理者和当地社区及时评估潜在的淹没影响至关重要（Downton和Pielke，2005年；Yildirim和Demir，2019年；Tullos等人，2016年）。因此，深入理解这些沿海过程的机制及其在不同水体和尺度上的不确定性非常重要，以便为沿海规划提供帮助，并为紧急管理人员、政府机构、自然资源管理者和当地社区提供关于预期影响的预测性预警信息（Lindell等人，2018年；Kutela等人，2023年；Han等人，2025年）。
长期以来人们认识到，热带气旋引起的风暴潮及相关的水文变化对湿地和盐沼的生态系统和植被有重大影响（Zhao等人，2021年；Chuang和Wiseman，1983年；Siadatmousavi和Jose，2015年；Walker和Hammack，2000年），并可能由于释放的污染物而损害水质、海洋环境、海洋哺乳动物和渔业（Du等人，2020年；Weyhenmeyer等人，2004年；Cardoso等人，2008年；Wetz和Yoskowitz，2013年）。这些陆地-水体界面的冲洗、滞留时间和水文连通性在控制鱼苗传输（Pietrafesa和Janowitz，1988年；Churchill等人，1999年）、营养物质（Espino和Medina，1993年；Fan和Jin，1989年；Bergamasco和Zago，1999年；Cravo等人，2022年）以及沉积物（Oertel，1977年、1985年；Hubbard等人，1979年；Kjerfve和Magill，1989年）方面起着重要作用，最终影响沿海环境的健康（Chapra，1997年）。黄等人（2024b）之前的研究探讨了冷锋对瓦克斯湖三角洲水文连通性的影响，发现三角洲水道系统的水文连通性高度依赖于风向和强度。然而，飓风相关的风模式对次流域间水文连通性的影响以及风暴潮时间和冲洗率的时空变化尚未被研究。在以红树林为主的沿海地区，识别和量化极端天气和水文变量各自的功能作用尤为重要，因为这些地区容易受到沿海灾害的影响，并在恢复淡水和维持健康沿海环境方面起着重要作用。
飓风艾尔玛是自1851年以来登陆佛罗里达州东南部最具破坏性的飓风之一（Pena等人，2022年、2023年；Han等人，2025年；Sheng等人，2022年），导致大量人口迁移和数十亿美元的直接经济损失（Long等人，2020年；West，2023年）。它伴随着风向的剧烈变化，即从东北风变为东风，再变为东南风，同时还伴有强降雨（图1）。此外，飓风艾尔玛引发了破纪录的红树林死亡事件，并通过改变排水模式和干扰局部尺度的森林演替影响了生态系统的长期稳定性（Zhang等人，2019年；Osland等人，2020年；Lagomasino等人，2021年；McCarthy等人，2020a、b）。之前的研究模拟了飓风事件期间的风暴潮和水动力学，并考察了多种洪水驱动因素的贡献。例如，Pena等人（2022年、2023年）通过研究地下水流对飓风艾尔玛引发的复合洪水的影响，展示了地下水在洪水灾害中的重要作用。Begmohammadi等人（2024年）使用CoaSToRM模型研究了2020年飓风艾塔期间风暴潮、强降雨和河流洪水对佛罗里达州坦帕湾的影响。然而，该研究的重点是模型的水平分辨率，而不是单个洪水驱动因素对淹没深度的贡献。多变量自适应回归样条（MARS）模型采用预定义的最佳风暴数据库来确定飓风查理和威尔玛期间佛罗里达州西南部的淹没情况（Condon等人，2013年），但模型的准确性很大程度上依赖于风暴数据库。SLOSH模型常用于预测飓风引起的风暴潮（Jelesnianski等人，1992年；Taylor和Glahn，2008年），但通常无法捕捉局部水深细节。Yang等人（2020年）实施了CH3D-SSMS（Sheng等人，2006年；2010年；Paramygin等人，2017年）来模拟飓风查理、艾尔玛和迈克尔期间的沿海洪水。尽管大多数研究都考察了不同飓风事件引起的风暴潮，但风暴潮在湾内的时空变化尚未得到充分研究，湾内次流域间的冲洗率和水文连通性也尚未完全考虑。

比斯坎湾是一个位于佛罗里达州东南部的半封闭亚热带河口，其特征是复杂的水动力过程和高度变化的盐度状况，这主要是由于与开阔海洋的连接有限以及迈阿密-戴德县密集的淡水管理操作造成的干扰。它是维持水质和环境健康所需的多种生态系统的重要栖息地（Yan和Alamdari，2025年；Chin，2025年）。比斯坎湾面临着由快速城市化、基础设施老化、人为活动频繁以及极端天气事件增多带来的复杂且不断升级的水质管理挑战，拥有世界上最复杂的水资源管理系统之一（Sukop等人，2018年；Pe?a等人，2023年）。比斯坎湾的水质和生态受到多种因素的影响，包括运河排放的淡水输入、多个入海口带来的潮汐交换、降雨以及与热带气旋等严重天气系统相关的风。早期的研究主要集中在盐水入侵上，建立了对比斯坎湾污染物的基本了解，以及湾与其支流之间的淡水-盐水相互作用（Vernan，1966年）。Wang等人（2003年）表明，水流和盐度模式可以用来确定具有重大生态意义的幼虫传输过程。为比斯坎湾开发的复杂二维水动力和盐度模型为理解水和盐度的运动或传输提供了必要的工具（Brown等人，2003年），并发现模型在极端事件期间的性能因空间分辨率而异（Nwogwu等人，2025年）。然而，这些研究均未探讨与热带气旋事件相关的不同风条件下次流域水的滞留时间、连通性和命运的变化。

在这项研究中，我们使用跨尺度的高分辨率3D水动力模型进行了严格的水位和盐度数值模拟，首次整合了NASA的IMERG降雨数据并改进了盐度模拟。通过使用验证良好的模型结果，我们全面研究了飓风艾尔玛引起的时空变化的风暴潮。通过对模型结果应用拉格朗日粒子追踪，我们追踪了比斯坎湾三个主要次流域中的粒子，量化了次流域间的水文连通性以及风对连通性的影响。此外，我们还基于粒子追踪计算了滞留时间，并评估了它们的时空变化，从而揭示了风在控制湾的冲洗率中的作用。

研究区域
比斯坎湾位于佛罗里达州东南部，周围是人口密集的迈阿密-戴德县，这里有密集的水资源管理活动、大沼泽地、佛罗里达湾以及以红树林为主的流域。这个多入海口的半封闭河口受到环境和人为压力的影响复杂，超出了常规监测和水动力建模的范围。因此，比斯坎湾是研究湾内冲洗和湾-海洋交换的理想试验场。

数据和模型设置
新一代的从溪流到海洋的3D斜压模型——Semi-implicit Cross-scale Hydroscience Integrated System模型（SCHISM，Zhang等人，2016年、2023年）是NOAA运行预报系统Global Surge and Tide Operational Forecast System 2-D（STOFS-2D-Global）和Atlantic Basin的3-D Surge and Tide Operational Forecast System（STOFS-3D-Atlantic）的核心模型，展示了其在单一网格上无缝模拟区域和全球海洋的能力（Zhang等人，...

模型验证
北湾的10个站点（如图3b所示）以及中央湾和南湾的42个站点的水位得到了验证（见图S1）。总体平均绝对误差（MAE）为0.07米，R2值为0.88，表明在模拟水位变化和捕捉风暴潮方面表现出色。通过模型与观测数据的比较，我们发现例如S27T、S28T、S25BT和G93T等位于运河系统的站点，潮汐范围被高估了...

结论
本研究使用高分辨率跨尺度3D水动力模型结合拉格朗日粒子追踪，量化了飓风艾尔玛在比斯坎湾引起的风暴潮动态、次流域连通性和湾内冲洗情况。该模型很好地再现了观测到的水位和盐度，为研究极端事件期间的传输过程提供了坚实的基础。52个观测站的MAE和R2分别为6厘米和0.88。

作者贡献
Wei Huang：概念化、方法论、软件、正式分析、调查、可视化、初稿撰写、审稿与编辑、监督。
Jayantha Obeysekera：概念化、审稿与编辑、监督。
Haiyan Jiang：数据管理、调查、审稿与编辑。
Daniel Gann：资源协调、数据管理、审稿与编辑。
Tahsina Zarin：调查、可视化、审稿与编辑。
Michael Ross：概念化、撰写...

数据来源声明
SCHISM模型可以从Git仓库获取，网址为https://github.com/schism-dev/schism.git，检出分支以38fac1c开始。
用于水平网格的海底地形和地形数据来自NOAA的美国海岸地形模型（CRM；https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/coastal/model.html）、NOAA的海岸数字高程模型（CDEM；https://www.ngdc.noaa.gov/thredds/catalog/regional/catalog.html）和持续更新的数字高程模型（CUDEM；CIRES，2014年）。

未引用的参考文献
Chin，2026年；Chuang和Swenson，1981年；McCarthy等人，2020b年；Shen等人，2006年

作者贡献声明
W. Huang：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
J. Obeysekera：撰写——审稿与编辑、资金获取。
H. Jiang：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据管理。
D. Gann：撰写——审稿与编辑、数据管理。
T. Zarin：撰写——审稿与编辑、数据管理。
M. Ross：撰写——审稿与编辑、资源协调。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。