海平面上升对东海北部寒潮期间风暴潮动态的影响：风暴潮变化性与半日潮制度的相关性

《Ocean Engineering》：Impact of sea level rise on storm surge dynamics during cold surges in the northern East China Sea: Relevance of surge variability to semidiurnal tidal regime

海平面上升通过改变潮汐与风暴潮的非线性相互作用，显著影响黄海北部冷涌事件中的风暴潮幅度、相位及频谱特性，模拟显示风暴潮峰值随SLR升高而减小，高频潮汐成分增强且与半日潮存在显著空间关联。

　　

张学成|史丽明|梁秉辰|吴国祥|王振路

中国海洋大学工程学院，中国青岛市三沙路1299号，266404

摘要

本研究探讨了海平面上升（SLR）对东北中国海北部寒冷涌浪事件期间风暴潮动态的影响。针对两个历史事件进行了数值模拟，其中一个事件表现为正涌浪，另一个事件表现为负涌浪，并考虑了多种SLR情景。分析重点关注SLR引起的涌浪幅度、时间、频谱结构以及潮汐相互作用的变化。结果表明，SLR改变了风暴潮的行为，超出了基线高度，导致了空间上异质性和非线性的响应。涌浪幅度通常随着海平面的上升而减小，尤其是正涌浪；而负涌浪则表现出较小但持续时间更长、频率更高的波动。小波分析显示，高频涌浪成分（特别是在半日潮带）在调节涌浪变异性中起主导作用。小波相干性进一步将这些变化与半日潮成分的变化联系起来。此外，研究区域内的大部分地区的最大风暴潮高度增加了，比SLR引起的升高高出多达25%，而涌浪和潮汐对总水位的相对贡献则有所下降。这些发现强调了将寒冷涌浪动态和非线性潮汐相互作用纳入海岸灾害评估的重要性，特别是在中纬度边缘海域，冬季事件可能对海岸造成的影响与热带气旋相当。

引言

海平面上升（SLR）正在导致全球范围内更频繁和更严重的海岸灾害（Hinkel等人，2014；Vitousek等人，2017；Hague和Talke，2024）。观测记录和模型预测一致表明，全球平均海平面正在以加速且历史上前所未有的速度上升，这一趋势预计将持续整个21世纪及以后（Parris等人，2012；Dangendorf等人，2023；Hamlington等人，2024）。SLR最显著的影响之一是它对极端海平面的影响，这些极端海平面与严重天气系统（如热带气旋和冬季风暴）有关（Arns等人，2015；Bilskie等人，2014；Yang等人，2025）。风暴潮和基线海平面升高的共同作用导致关键洪水阈值的频繁超越，从而加剧了沿海地区遭受风暴引发淹没的风险（Taherkhani等人，2020；Ezer，2022；Bernier等人，2024）。因此，更好地理解SLR如何改变风暴潮动态对于提高海岸洪水风险评估、基础设施韧性规划和长期海岸带管理至关重要。

SLR对极端海岸水位的影响本质上是非线性的，超出了水位基线的静态变化，还包括天文潮汐、风暴潮和海岸地貌之间的复杂相互作用（Arns等人，2017；Rahmstorf，2017；Moftakhari等人，2024）。SLR引起的总水深变化可以调节控制风暴潮动态的几个关键物理过程。水深的增加通常会减少底部摩擦，从而增强潮汐范围和涌浪幅度。同时，更深的水域会降低表面风应力的有效性，从而抑制涌浪的产生。这些竞争机制的相对重要性因地区而异，取决于当地的水深和水动力条件（Bilskie等人，2014；Idier等人，2019；Talke和Jay，2020）。此外，非线性潮汐-涌浪相互作用在调节总水位的潮汐和非潮汐成分方面起着不可忽视的作用，并且本身也受到平均海平面变化的影响（Arns等人，2020）。

先前的研究已经考察了SLR对潮汐、风暴潮及其非线性相互作用的影响，无论是全球还是区域尺度。特别是在大陆架海域，已经报告了主要潮汐成分的显著变化。例如，Pickering等人（2017）分析了高达10米的均匀SLR情景下的全球潮汐响应。他们的研究表明，全球潮汐幅度对SLR的响应在空间上是不均匀的。大多数大陆架海域的M2和S2振幅明显增加或减少，而K1和O1的变化主要局限于亚洲大陆架。在中国沿海，Feng等人（2019）发现SLR下半日潮特征发生了显著变化，包括振幅的增加和减少以及M2振幅点的离岸移动。在黄海南部，振幅变化可能超过每米SLR 10厘米。在杭州湾，Liang等人（2022）表明SLR主要放大了半日潮振幅，并导致潮汐相位减小，表明在海平面上升的情况下潮波传播加快。此外，当潮汐与上升海平面下的风暴潮相互作用时，动态变得更加非线性。Arns等人（2020）利用全球潮位计观测数据量化了潮汐-涌浪相互作用对水位极值的贡献，并表明忽略这些非线性可能导致洪水风险的过高估计。Moftakhari等人（2024）进一步发现，潮汐和非潮汐成分都对近期平均海平面的十年趋势做出了响应，全球范围内观察到多个潮汐成分的振幅增加和减少。尽管取得了进展，但关于风暴潮将如何应对未来海平面的变化仍存在很大不确定性。鉴于SLR的空间异质性和风暴潮动态的区域特性，一个地区的发现往往不能直接应用于其他地区（Kopp等人，2014；Schindelegger等人，2018；Arns等人，2020）。

东北中国海（ECS）对SLR的敏感性较高，观测到的上升速率超过了全球平均水平（Pelling等人，2013；Cheng等人，2016）。该地区也极易受到风暴潮灾害的影响，这些灾害通常由冬季和春季的寒冷涌浪事件引起（Zhang等人，2026）。寒冷涌浪是大规模天气事件，其特征是温度下降和西伯利亚高压的加强，经常影响东亚（Zhang等人，1997）。这些事件通常与锋面过境或温带气旋有关，其特征是锋面边界处的强风汇聚，可以引起明显的海洋响应，包括波浪高度的增加和海岸涌浪（Shi等人，2019；Mo等人，2023；Zhang等人，2024）。尽管寒冷涌浪引起的风暴潮普遍存在且可能非常严重，但在与边缘海域相关的区域尺度上，科学关注相对有限，因为当地地形和非线性相互作用强烈影响涌浪行为。在SLR的背景下，仍然存在一些关键问题：在未来的SLR情景下，寒冷涌浪引起的风暴潮将如何演变，以及哪些机制控制这些变化？

因此，本研究探讨了SLR对东北中国海北部寒冷涌浪相关风暴潮动态的影响。在一系列预测的SLR情景下，模拟了两次连续的寒冷涌浪事件，其中一个事件表现为正涌浪峰值，另一个事件表现为负峰值。分析深入研究了不同SLR情景下风暴潮峰值的时间和幅度变化。采用时频分析来描述涌浪能量的频谱分布及其对SLR的敏感性，特别关注主要风暴相关频率带的变化与主导潮汐成分变化的相关性。本文的其余部分组织如下：第2节描述数据和建模方法。第3节展示了时间和频率域中的风暴潮变化结果。第4节讨论了局限性和未来展望。第5节总结了主要发现。

研究区域和模型配置

东北中国海主要包括黄海和渤海，形成了西北太平洋的一个浅层边缘大陆架系统（图1）。渤海是一个半封闭的盆地，平均深度约为18米，而南部的黄海范围更广，平均深度约为44米（Liu等人，2014；Wang等人，2019）。缓坡的水深和受限的几何形状有助于强烈的潮汐放大和对风驱动的显著敏感性

由于SLR导致的最大风暴潮时间和幅度的变化

为了评估风暴潮特征对SLR的响应，将模拟的风暴潮时间序列在不同SLR情景下进行了比较。图3展示了正涌浪事件（CS1）的模拟风暴潮剖面，以及定义为每个SLR情景与PSL基线之间差异的涌浪异常值。分析显示，在所有站点，最大涌浪高度附近都出现了持续的减少，且在较高SLR情景下减少更为明显。

讨论

本研究考察了SLR如何调节东北中国海两次代表性寒冷涌浪事件期间的风暴潮特征，重点关注不同SLR情景下涌浪幅度、时间、频谱组成和潮汐相互作用的变化。与在海岸灾害研究中受到更多关注的热带气旋驱动事件不同（Huang等人，2021），寒冷涌浪是该地区季节性频繁但未被充分认识的极端海平面驱动因素

总结与结论

本研究探讨了SLR对东北中国海寒冷涌浪事件相关风暴潮动态的影响。通过数值模拟，我们研究了两次代表性历史寒冷涌浪期间的水位响应，其中一个事件表现为正涌浪异常，另一个事件表现为负涌浪异常。模型与现场观测结果吻合良好。我们的分析重点关注了涌浪幅度、时间、频谱的变化

CRediT作者贡献声明

张学成：撰写——原始草稿，验证，方法论。史丽明：撰写——原始草稿，方法论。梁秉辰：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿。吴国祥：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿。王振路：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，方法论。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：W2411039和5220134）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022QE126）的共同支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢Copernicus气候变化服务（C3S）通过气候数据存储提供的ERA5再分析数据。我们还要感谢GEBCO编纂组（2023）提供的全球水深数据，以及TPXO潮汐模型开发者使潮汐谐波成分公开可用。我们感谢中国海洋大学的海岸与海洋工程国家重点实验室的支持。本研究得到了国家自然科学基金