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海岸森林在长期海平面上升和风暴潮威胁下的退化机制研究。基于1984-2020年Landsat NDVI数据的中大西洋海岸带分析表明，风暴引发的洪水对森林健康影响有限，植被变化主要由干旱和温度等气候因素主导。研究挑战了"风暴触发森林突然死亡"的传统观点，揭示气候波动才是驱动海岸森林韧性变化的核心因素。
何克奇|马修·L·柯万
弗吉尼亚海洋科学研究所，威廉与玛丽学院，美国弗吉尼亚州格洛斯特角
摘要
沿海森林日益受到长期海平面上升（SLR）和偶发风暴的威胁，森林死亡导致形成了被沼泽环绕的“幽灵森林”。虽然海平面上升被广泛认为是一种逐渐导致森林迁移的慢性压力因素，但有人假设风暴是触发森林突然退缩的急性干扰因素。为了评估风暴在沿海森林动态中的作用，我们分析了1984年至2020年共37年的Landsat卫星数据生成的归一化植被指数（NDVI）数据集，以此作为美国中大西洋沿岸森林健康的代理指标。该地区以快速的海平面上升、频繁的风暴引发的洪水和广泛的幽灵森林扩张为特征。研究发现，风暴引发的高水位事件对中大西洋沿海森林的影响有限，NDVI的变化主要受干旱和温度等气候因素的影响。这些发现挑战了风暴是沿海森林突然丧失的主要原因这一普遍观点，并强调了气候变异性在塑造沿海森林韧性方面的核心作用。
引言
风暴，特别是像飓风/台风和东北风暴这样的极端天气事件，对人类社会和自然生态系统都造成了毁灭性影响，沿海地区往往承受着这些灾害的冲击（Young和Hsiang，2024）。这些地区由于靠近海洋，因此更容易受到风暴潮、洪水和强风的影响（Kunze和Strobl，2024）。风暴可能导致严重的财产损失、人员伤亡和环境退化（Zhu等人，2024）。例如，2024年10月登陆佛罗里达州的飓风Milton引发了高达3.4米的风暴潮，造成了343亿美元的损失和32人死亡（NOAA，2025）。同样，2024年9月的超级台风Yagi在东南亚和中国南部造成了844人死亡和147亿美元的损失（香港天文台，2025）。除了这些直接的人力和经济成本外，风暴还会对湿地、红树林和沿海森林等沿海生态系统造成重大破坏，而这些生态系统对抵御风暴潮和洪水起着重要作用（Temmerman等人，2023）。这些生态系统的破坏不仅削弱了沿海景观对未来风暴的韧性，还增加了人类社会的物质和经济负担。随着全球变暖预计将增加极端天气事件的频率和强度（IPCC，2022），了解风暴在塑造沿海环境中的作用对于制定增强抵御这些自然灾害多方面影响的策略至关重要。
在面临风险的沿海生态系统中，北美洲大西洋和墨西哥湾沿岸的森林同时受到偶发风暴和长期海平面上升的双重压力。与20世纪初至中期相比，该地区的相对海平面上升率和风暴引发的洪水频率在过去几十年有所增加，并预计在未来将继续上升（Sweet等人，2017，2022）。海平面上升直接导致了风暴期间高水位事件的概率增加。这些事件全年都可能发生，既包括由温暖海水潜热驱动的热带气旋（飓风和台风，通常发生在夏季到秋季），也包括由强大气温度梯度驱动的温带气旋（东北风暴，可以在任何季节形成，但在冬季更为频繁和持久）（Booth等人，2016）。随着时间的推移，这些环境压力的累积效应体现在“幽灵森林”的扩张上——这些由死亡树木组成的林地标志着森林向盐沼过渡的过程，这是沿海森林丧失的明显迹象（He等人，2023；Kirwan和Gedan，2019；White等人，2022）。沿海森林的丧失不仅减少了沿海社区对风暴潮的自然防护，还减少了碳封存和栖息地提供等关键生态系统服务（Barbier，2015；Smith和Kirwan，2021）。值得注意的是，中大西洋地区的沿海森林退缩速度随着时间的推移而加快，现代的侧向退缩速度是工业化前的2到14倍（Schieder和Kirwan，2019）。然而，尽管退缩速度很快，但森林损失的速度仍然慢于中大西洋地区的海平面上升速度（Chen和Kirwan，2024；Schieder和Kirwan，2019），这引发了关于驱动沿海森林退缩的潜在机制的问题。
对于沿海森林在海平面上升情况下出人意料的韧性，一个主要解释是风暴是触发成熟树木死亡的关键因素，否则这些树木可能会在海平面上升的情况下继续存活（Fernandes等人，2018；Langston等人，2017；Williams等人，1999）。例如，“生态棘轮”假说认为，海平面上升逐渐将森林再生边界向内陆推移，而偶发的风暴事件则导致成熟树木的突然死亡（Fagherazzi等人，2019；Kearney等人，2019；Williams等人，1999）。尽管与风暴相关的强风和长时间洪水与多种沿海森林的广泛树冠损失和树木生长减缓有关（Fernandes等人，2018；Halstead等人，2025；Liang等人，2025；Miller等人，2021），但风暴直接导致森林突然死亡的程度仍不清楚。
在这里，我们分析了1984年至2020年共37年的Landsat数据集，使用归一化植被指数（NDVI）作为北美洲中大西洋沿岸森林健康的代理指标，以量化偶发风暴对沿海森林动态的影响（图1）。该地区是海平面上升的热点区域，经常受到风暴潮的侵袭，并且森林死亡现象普遍（Chen和Kirwan，2022a，2024）。我们的案例研究和区域范围分析结果表明，与更广泛的气候影响相比，风暴引发的高水位对中大西洋沿海森林的影响有限。
区域背景和分析方法
我们研究了美国中大西洋沿岸沿海森林对风暴引发的高水位的响应，覆盖了弗吉尼亚州、马里兰州、特拉华州、新泽西州和华盛顿特区的约12,000平方公里区域。该地区包括北美洲最大的沿海平原河口切萨皮克湾以及相邻的特拉华湾。我们将沿海森林定义为海拔0-5米范围内的森林区域，这些区域会遭受风暴潮的淹没（图1）。
主要风暴对沿海森林的影响
来自Beech Ground Swamp案例研究地点附近的潮汐测量站记录显示，该地区记录的最高水位发生在2003年的飓风Isabel期间（图1和表S1）。Isabel在巅峰时为5级飓风，持续了12天，并于2003年9月18日在北卡罗来纳州Cape Hatteras附近以2级飓风的强度登陆。其飓风级别的风速可达135公里/小时，影响范围从卡罗来纳州延伸到美国东北部。
讨论
在这项研究中，通过综合案例研究和区域规模分析，深入评估了风暴在中大西洋沿海森林退缩中的作用。在Beech Ground Swamp案例研究中，如果偶发风暴是沿海森林退缩的主要驱动因素，那么在1984年至2020年间最严重的飓风Isabel之后，我们应该观察到NDVI的显著下降，以及可能与沼泽迁移相关的缓慢恢复过程。
结论
我们对北美洲中大西洋沿岸森林的分析表明，与更广泛的气候因素相比，风暴引发的高水位对沿海森林的影响相对较小。Beech Ground Swamp的案例研究表明，即使是像2003年飓风Isabel这样的极端风暴潮，也没有导致NDVI的显著下降，这表明仅靠偶发风暴不足以引发沿海森林的退缩。
数据可用性声明
CRediT作者贡献声明
何克奇：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。马修·L·柯万：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念化。
