美国海岸线上沙滩上的日出影响时间与总水位变化之间存在关联

《Coastal Engineering》：Rising impact hours on sandy beaches linked to total water level variability along U.S. coastlines

总水水平（TWL）与风暴影响等级（SIS）结合量化美国大陆沿海冲击小时数，揭示海平面上升和ENSO气候模态驱动海湾及东海岸冲击小时数显著增加，海滩地貌及较小水动力过程亦具敏感性。

　　

Gabrielle P. Quadrado | Katherine A. Serafin

美国佛罗里达大学地理系，盖恩斯维尔，佛罗里达州

摘要

海平面上升和风暴变化正在增加极端总水位（TWL）的频率，极端总水位是海岸处波浪、潮汐和非潮汐剩余水位的综合效应，这加剧了海岸洪水和侵蚀的可能性。虽然像相对海平面、风暴潮和波浪这样的个别TWL驱动因素的时间变化已有充分记录，但每个物理过程如何影响美国各地的海岸影响仍需进一步研究。在这里，我们量化了过去40年中，通过叠加静水水位和波浪爬高计算出的TWL超过与风暴影响等级相关的海滩形态阈值的小时数，以此作为美国大陆海岸线沙质海滩海岸变化的代理指标。我们评估了影响小时的线性趋势，并进行了敏感性和回归分析，以确定与海岸变化过程最相关的TWL驱动因素和气候模式。研究结果表明，沿大西洋和墨西哥湾海岸的冲刷和碰撞小时数有所增加，这可能是由于海平面上升以及年际到年代际的气候变化所致。海滩坡度显著调节了不同海岸线上的影响小时数，而较小幅度的TWL过程（如季节性和海平面异常）在驱动影响小时数变化方面的敏感性可与风暴潮相媲美。我们的工作强调了将影响小时数作为海岸灾害暴露变化代理指标的重要性，提供了关于局部和区域尺度上海岸影响主要驱动因素的见解，并采用了一种可扩展的方法来识别开放沙质海岸线上局部海岸灾害的关键预测因素。

引言

预计在未来几十年内，海平面上升和风暴变化将加剧海岸洪水和侵蚀（Hague和Talke，2024；Hames等人，2023；Leung等人，2024；Marsooli等人，2019；Vousdoukas等人，2018），给全球沿海人口和基础设施带来越来越大的压力（Neumann等人，2015）。例如，仅5-10厘米的海平面上升就可能在2030年至2050年间使许多全球海岸线的洪水频率翻倍，美国某些地区预计将出现百年一遇的极端水位事件（Tebaldi等人，2012；Vitousek等人，2017）。随着气候变化继续改变影响海岸水位的因素，理解这些变化如何影响海岸洪水和侵蚀至关重要。

由于高水位常常导致海岸灾害，因此通常使用基于历史高水位频率和幅度的极端水位事件概率来评估海岸受影响的程度，并预测这些事件在未来的气候情景下的变化（例如，Camus等人，2017；Dullaart等人，2021；Galiatsatou等人，2019；Haigh等人，2014；Marcos等人，2019；Menéndez和Woodworth，2010；Mudersbach和Jensen，2011；Vousdoukas等人，2018）。然而，大多数概率评估关注的是水位变化，而不是海岸影响的发生，因此可能无法完全捕捉极端水位如何与海滩形态相互作用以驱动洪水和侵蚀。相比之下，基于过程的模型被广泛用于分析高水位如何影响海岸影响，并预测这些影响如何随着海平面上升、潮汐变化和风暴事件而变化（例如，Bilskie等人，2016；Callaghan等人，2013；Cohn等人，2019；Passeri等人，2018；Sherwood等人，2022；Splinter等人，2018；Vousdoukas等人，2011）。尽管基于过程的模型可以提供有关海岸对水动力强迫响应的宝贵见解，但由于计算要求，它们通常仅限于特定地点和短时间尺度（即几小时、几天），这限制了它们评估广泛空间和时间尺度上风暴驱动的海岸影响长期趋势的能力。

由于在大时空尺度上模拟形态变化具有挑战性，因此通常使用代表海滩形态如何响应水动力过程的代理指标来推断海岸影响（例如，Aucelli等人，2018；Leaman等人，2021；Ruggiero等人，2003；Sallenger，2000；Stockdon等人，2023，2007）。Sallenger（2000）的风暴影响等级就是这样一种代理指标，它通过分类总水位（TWL，即潮汐、非潮汐剩余水位和波浪引起的水位的综合效应）超过不同海滩特征（如沙丘顶部）时的形态变化类型来表征海岸响应。这种分类定义了四种影响等级，每种等级对应不同的海岸响应：冲刷（海滩面变化）、碰撞（沙丘侵蚀或底部侵蚀）、溢流/淹没（沙丘侵蚀和向陆地输送沉积物并具有洪水潜力）和淹没（整个海滩系统的洪水）。Sallenger的缩放模型已经得到验证，并被用作评估全球各种开放海岸风暴驱动海岸影响的框架（例如，Castelle等人，2015；Long等人，2014；Roelvink等人，2009；Sherwood等人，2022；Stockdon等人，2007）。例如，美国地质调查局（USGS）使用风暴影响等级来确定美国海岸线的灾害脆弱性，并将其纳入一个操作模型中，该模型提供美国墨西哥湾和大西洋海岸的实时TWL和海岸影响预报（Birchler等人，2014；Stockdon等人，2012，2013，2023）。

虽然驱动TWL的各个过程（如波浪、相对海平面和风暴潮）的趋势已有充分记录（例如，Calafat等人，2022；Haigh等人，2016；Marcos等人，2019；Menéndez和Woodworth，2010；Morim等人，2025；Park等人，2010；Takbash和Young，2020；Talke等人，2018；Wahl等人，2014；Wahl和Chambers，2015），但很少有研究评估海岸影响随时间发生的频率。这部分是由于实时海岸变化测量的空间和时间限制，尽管数十年来实时动态全球定位系统（RTK-GPS）和光探测与测距（LiDAR）调查（例如，Doran等人，2020；Gibbs等人，2001；Nicolae Lerma等人，2022；Turner等人，2016）、卫星图像（例如，Vos等人，2020，2019a，2019b）以及海岸视频监测计划（例如，Holman等人，2003；Holman和Stanley，2007；Palmsten和Brodie，2022）的观测进展使得这些测量成为可能。量化每年TWL超过特定等级阈值的小时数（即影响小时数）可以成为评估海岸洪水和侵蚀灾害历史变化的有用代理指标。例如，最近的一项研究表明，过去几十年全球范围内溢流小时数增加了近50%，并且未来这一增长速度可能超过全球海平面上升的速度（Almar等人，2021）。虽然先前的研究提供了关于特定影响等级变化的见解，但在过去不同海岸影响如何响应TWL驱动过程的长期变化方面仍存在空白。

大规模气候变率模式（如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）通过改变波浪、风暴潮和海平面异常来调节TWL，因此有可能影响海岸影响的发生。在美国太平洋海岸，ENSO的厄尔尼诺阶段与高能量波浪、波浪方向的变化和正海平面异常有关，从而导致海岸侵蚀加剧（Barnard等人，2015，2017；Vos等人，2023）。厄尔尼诺阶段还与墨西哥湾和大西洋海岸更频繁的温带气旋驱动风暴潮有关（Sweet和Zervas，2011），从而增加了这些海岸线的灾害暴露风险。例如，在强烈的2009/2010年厄尔尼诺期间，美国大西洋海岸的风暴潮事件发生率几乎是1960-2010年长期平均水平的三倍（Sweet和Zervas，2011）。然而，气候驱动的变率对海岸影响的影响不仅取决于其对个别TWL驱动过程的影响，还取决于当地海滩形态，后者最终决定了高TWL是否超过影响阈值。

TWL幅度的增加并不一定会导致海岸影响频率和强度的成比例增加，因为后滨特征的高度可以决定海滩对高TWL事件的抵抗力（Almar等人，2021；Ruggiero，2013；Serafin等人，2019）。例如，在美国太平洋西北部，一项TWL建模研究表明，0.1-0.2米的海平面上升可能会使海岸影响小时数相对于2000年增加20-140%，而后滨海滩形态的高度与这些影响小时数增加的幅度呈负相关（Ruggiero，2013）。同样，在美国太平洋西北部，即使TWL的微小空间变化（即<10%），也由于大陆架地形和海滩形态的差异，可能导致年度影响小时数的显著差异，这取决于极端TWL超过沙丘趾部高度的频率（Serafin等人，2019）。TWL的相对组成对于确定海岸响应也至关重要。例如，碰撞事件可能导致沙丘侵蚀或堆积，这取决于波浪或静水水位在TWL形成中的主导作用（Cohn等人，2019）。因为海岸影响最终是由TWL超过某些形态阈值决定的，因此将TWL驱动过程与海滩形态的空间变化联系起来对于理解相对海平面和风暴变化如何影响不同海岸影响的频率至关重要。这对于影响较小的事件尤为重要，例如冲刷等级中的事件，这些事件比重大风暴事件更常见，并且会影响沙质海滩在风暴之间的恢复能力。

在这里，我们评估了1980年至2021年间美国大陆（CONUS）海岸线26个沙质海滩上与风暴影响等级相关的影响小时数。通过结合水位站的测量静水水位、使用回溯波浪数据估计的波浪爬高以及当地形态数据，我们生成了每小时TWL，根据从LiDAR衍生的形态数据提取的形态阈值对影响等级进行分类，并进行了敏感性和回归分析，以评估TWL驱动过程、海滩形态和大规模气候变率（即厄尔尼诺-南方涛动、太平洋十年涛动、大西洋多年涛动）对不同等级影响小时的相对影响。总体而言，我们的工作揭示了影响小时数趋势的时空模式，并加深了对海岸影响对水动力过程、形态变率和气候模式敏感性的理解。本工作中应用的方法为量化海岸灾害暴露的变化提供了一种可扩展的方法，并确定了全球各种开放沙质海岸线上确定海岸洪水和侵蚀发生的最重要过程。

方法

为了评估美国大陆海岸线沙质海滩的影响小时数，我们考虑了总水位（TWL），即静水水位（SWL）和波浪爬高（R）的线性组合。

SWL数据来自美国太平洋、墨西哥湾和大西洋海岸线的26个国家海洋和大气管理局（NOAA）水位站（图1）。我们仅选择了那些至少有30年可用数据的站点，其中1980年以来的每小时数据至少有80%。

不同等级下总水位影响小时数的变化

图3分别展示了美国太平洋、墨西哥湾和大西洋海岸线的年度冲刷、碰撞和溢流等级的影响小时数。由于淹没等级的年度影响小时数通常少于2小时，因此该等级未包含在图3中；淹没影响小时数的结果显示在支持信息的图S1中。从1980年到2021年，太平洋、墨西哥湾和大西洋海岸线的平均冲刷影响小时数分别为437、2,108和1,054小时。

美国墨西哥湾和大西洋海岸影响小时数的增加

从1980年到2021年，墨西哥湾和大西洋海岸的沙质海滩的冲刷和碰撞影响小时数有所增加（图4），其中墨西哥湾地区的冲刷影响小时数增加最为显著。这与墨西哥湾和大西洋海岸是美国海平面上升率最高的地区一致（Sweet等人，2017，2022），年度冲刷和碰撞影响小时数与相对海平面高度显著相关（图5，图6）。

结论

本研究显示，美国沙质海岸的海岸影响小时数正在增加，存在明显的区域和等级特异性变化。从1980年到2021年，墨西哥湾和大西洋海岸的冲刷和碰撞影响小时数显著增加，这可能是由于海平面上升，因为这些地区是美国海平面上升率最高的地区，而且相对海平面高度与影响小时数高度相关。回归分析表明，平均

CRediT作者贡献声明

Gabrielle P. Quadrado：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Katherine A. Serafin：撰写——审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，方法论，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢美国地质调查局的Li Erikson和Kara Doran提供了统一的LiDAR衍生的海滩形态数据集，并感谢Melisa Menéndez（IHCantabria）提供的GOW2波浪回溯数据。我们还要感谢两位匿名审稿人的评论，他们的意见提高了我们手稿的质量。这项研究没有获得公共、商业或非营利机构的资助。Gabrielle P. Quadrado得到了佛罗里达大学研究生院的支持。