在海平面上升的情况下，形态动力学因素对基于沙丘的沿海防洪设施性能的影响

《Coastal Engineering》：Morphodynamic controls on the performance of dune-based coastal flood mitigation under sea-level rise

　　扬正通|娜塔莉亚·埃兰|大卫·古铁雷斯-巴塞洛|李H. 埃里克森|肖恩·维图塞克|博尔哈G. 雷盖罗
加州大学圣克鲁兹分校海岸气候韧性中心，美国加利福尼亚州95060

**摘要**
基于沙丘的适应措施越来越多地被用作一种基于自然的解决方案，以减缓沿海洪水。然而，许多评估仅依赖于水动力方法，这些方法将海滩和沙丘的形态视为静态的，忽略了在极端事件中可能降低沙丘性能的风暴驱动侵蚀。本研究开发了一个基于过程的建模框架，将区域波浪气候的极值分析与XBeach surfbeat模拟相结合，以评估加州圣克鲁兹县两个不同地点在三个时间范围（2025年、2055年、2085年）和四个风暴重现期（5年、20年、50年和100年）内的沿海洪水、侵蚀和沙丘性能。在圣克鲁兹海滩，随着海平面上升（SLR），给定重现期的洪水范围以加速的速度增加；而在固定SLR条件下，较高重现期的风暴带来的增量增加则趋于减小。风暴尺度的形态动力学反馈通过轮廓调整和近岸沙坝的形成，使预测的洪水范围减少了多达32.4%。沙丘的有效性强烈依赖于特定的气候条件：在碰撞状态下，它可以减少高达60%的洪水；但在更强风暴和本世纪末海平面上升的情况下，其效果会迅速下降。对比静态和可侵蚀沙丘的表示方法表明，洪水估计并不总是保守的，根据风暴强度和时间范围的不同，差异可高达54.3%。在卡皮托拉海滩，有限的容纳空间和水位主导的动态过程共同限制了形态动力学的调整，使得该地点在当前条件下接近其淹没能力，并导致所有情景下的沙丘几乎完全崩溃，洪水缓解效果有限。这些发现强调了在评估海平面上升背景下基于沙丘的适应措施时，进行特定地点的制度评估、基于过程的形态动力学建模和适应性管理的重要性。

**引言**
全球的沿海地区是人口最密集、经济最繁荣且环境价值最高的地区之一，支持着关键的生态系统、基础设施以及文化和娱乐活动（Small and Nicholls, 2003; Martínez et al., 2007）。因此，沿海社区极易受到风暴驱动的洪水和侵蚀、海平面上升（SLR）以及长期海岸线后退的综合影响的威胁（Dolan and Walker, 2006）。在全球范围内，加州的海岸线是美国最发达和最具经济意义的沿海地区之一，它面临着太平洋强涌浪带来的各种灾害（Griggs and Davar, 2025）。沿着超过1300公里长的开放海岸线，许多开发的海岸线在极端风暴事件中直接遭受洪水和侵蚀，这使得加州成为研究风暴驱动的沿海灾害的一个具有代表性和社会相关性的案例（Barnard et al., 2019, Griggs, 2021）。

气候变化加剧了加州开放海岸的沿海风险。长期过程如海平面上升（SLR）、波浪气候的变化以及极端海平面的增加预计将加剧洪水和侵蚀的影响（Griggs et al., 2005, Griggs and Patsch, 2019, Barnard et al., 2021, Warrick et al., 2025）。州政府的指导指出，到本世纪中叶，加州开放海岸的平均海平面可能会上升约0.2–0.3米，而在高排放路径下，到2100年可能接近2米（California Ocean Protection Council, 2024）。最近的全州评估表明，平均海平面上升2米可能导致多达675,000名居民和大约2500亿美元的财产面临极端风暴引发的沿海洪水风险，这种损失与卡特里娜飓风级别的事件相当（Barnard et al., 2019）。预计洪水频率也将非线性增加，目前50年一遇的极端水位可能到本世纪中叶变为每年一遇，甚至到本世纪末变为每天一遇（Taherkhani et al., 2020）。这些预测的洪水频率和强度的增加激发了人们对能够随条件变化的适应性沿海保护策略的重新关注。

侵蚀对沿海稳定性构成了同样严重的威胁。加州大约85%的海岸线正在不断后退，威胁到关键的交通走廊、铁路和住宅区（Heberger et al., 2009, Revell et al., 2011）。悬崖后退和海滩宽度减少降低了海岸线的自然缓冲能力，同时削弱了对该州“蓝色经济”至关重要的生态和娱乐服务（Vitousek et al., 2017a, Swirad and Young, 2022）。在许多开发区域，滨海带向内陆的迁移受到城市基础设施的阻碍，通常称为“海岸挤压”，增加了生态系统损失的风险（Barnard et al., 2021）。海滩变窄和沉积物流失直接削弱了基于沙丘的保护所依赖的自然缓冲能力，使得海岸线在面临洪水时几乎没有空间进行基于自然的适应。

除了长期趋势外，偶发的极端事件继续对加州的海岸线造成重大影响，这凸显了管理当前风险的紧迫性。与大气河流、厄尔尼诺现象和炸弹气旋相关的大型波浪事件多次导致开放海岸的洪水和侵蚀，以及对基础设施的破坏（Storlazzi and Griggs, 2000, Barnard et al., 2011, Barnard et al., 2017）。最近，2023年1月和2024年12月的炸弹气旋事件导致了严重的侵蚀和洪水，对沿海基础设施造成了重大损害，包括圣克鲁兹和卡皮托拉码头（Griggs and Davar, 2025）。除了它们的直接影响外，这些事件还提供了关于气候变化如何改变关键波浪特征（如波浪方向和周期）的见解，这些特征强烈控制着沿海区域的响应（Reguero et al., 2019, Meucci et al., 2023）。

为了应对日益严重的沿海灾害，人们越来越关注基于自然的解决方案（NbS），以在维持生态系统服务和公共海滩使用权的同时提供洪水和侵蚀防护（Council, 2025, California Coastal Commission, 2025）。人们越来越寻求通过动态沉积物交换来减弱波浪能量和减少波浪爬高的海滩和沙丘补给措施（Myers et al., 2023, Grimes et al., 2025）。然而，尽管这些措施得到了广泛应用和政策支持，但对于在极端风暴和海平面上升（SLR）下基于沙丘的适应措施的长期有效性和韧性仍存在相当大的科学不确定性（Houser et al., 2015, Barnard et al., 2021, Griggs, 2024）。

沙丘本质上是动态的，其保护功能取决于波浪作用、水位、沉积物运输和形态演变（Nordstrom, 2021, Li et al., 2026）。风暴的影响涵盖了多个响应阶段——冲刷、碰撞、漫滩和淹没——这些阶段的转换由总水位和沙丘几何形状之间的关系决定（Sallenger, 2000）。预计在海平面上升（SLR）的情况下，这些关系将发生非线性变化，改变近岸水动力学和阶段转换的频率。因此，了解这些变化如何影响洪水和侵蚀对于评估基于沙丘的适应措施的有效性至关重要。

然而，大多数基于自然解决方案的性能评估依赖于静态地形或仅考虑水动力学的方法，这些方法将海滩和沙丘的形态视为风暴事件期间的固定状态（Passeri et al., 2015, Leijnse et al., 2021, Barnard et al., 2019）。这些方法忽略了风暴驱动的侵蚀、轮廓调整和沉积物重新分布，这些因素同时调节了波浪的消散并降低了沙丘的完整性，可能会偏倚对洪水风险和适应措施有效性的估计。基于过程的形态动力学模型（如XBeach）直接解决了这些动态问题，并已通过飓风和外热带条件下的炸弹气旋演示了侵蚀、漫滩和决口的形成（Roelvink et al., 2009, Vousdoukas et al., 2011, Splinter and Palmsten, 2012, Van Wiechen et al., 2023）。然而，现有的应用大多限于单一事件、单一地点或横向剖面（Jamous and Marsooli, 2025），相对较少的研究考察了在多个风暴重现期、不同地貌环境和未来气候情景下的基于沙丘的适应措施性能。

本研究通过高分辨率的基于过程的模拟解决了这些空白，将区域波浪气候的极值分析与XBeach surfbeat模拟相结合（Roelvink et al., 2009），应用于加州圣克鲁兹县的三个时间范围（2025年、2055年、2085年）和四个风暴重现期（5年、20年、50年和100年），以及两种不同的地貌环境——该地区以强大的太平洋涌浪、近期严重的风暴影响和活跃的沙丘恢复规划为特征。选择的时间范围代表了与当地沿海管理者相关的近期、中期和本世纪末的规划周期，而四个重现期涵盖了海岸风险评估和工程设计中常用的灾害强度（of Engineers, 2008）。分析围绕三个问题展开：（i）在不同地貌条件下，洪水范围和侵蚀如何非线性地响应风暴强度和海平面上升；（ii）风暴尺度的形态动力学反馈如何改变洪水范围，相对于静态评估；（iii）在什么条件下，基于沙丘的适应措施能够提供有意义的洪水缓解，其有效性在预测的海平面上升下如何演变？

**研究地点**
研究地点位于加州中部海岸，位于蒙特雷湾的北缘（图1a）。圣克鲁兹海岸在强烈的涌浪作用下经常发生波浪驱动的洪水和侵蚀，并且经过了大量开发，有广泛的海岸防护措施（护岸、海堤、防波堤和丁坝）。岩石岬角、沙滩和河口环境（图1b）形成了强烈的地貌对比，非常适合评估洪水、侵蚀和适应措施的性能。

**结果**
在图1b所示的研究区域内计算了洪水区域（黄色框），并在图6和图7中分别总结了圣克鲁兹海滩和卡皮托拉海滩的所有48种情景。热图遵循图5中介绍的相同四组结构。首先使用无适应措施的模拟（组A和B）研究了当前和未来条件下的洪水演变情况，然后通过比较水动力学和形态动力学模拟来隔离形态动力学反馈效应。

**海平面上升下形态动力学对洪水风险评估的相关性**
传统的沿海洪水风险评估通常将沿海形态视为静态的，假设洪水范围主要受水位和波浪作用的影响（Leijnse et al., 2021, Barnard et al., 2019）。比较水动力学和无形态动力学的无适应措施模拟（组A和B）表明，忽略形态动力学过程可能导致对沿海洪水的系统性高估，特别是在未来海平面上升（SLR）下的低至中等强度事件（RP5–RP20）。

**结论**
本研究开发了一个高分辨率的基于过程的建模框架，将区域波浪气候的极值分析与XBeach surfbeat模拟相结合，以量化加州圣克鲁兹县两个不同地点在当前和未来条件下的风暴驱动的沿海洪水、侵蚀和基于沙丘的适应措施性能。在没有适应措施的情况下，沿海洪水对风暴强度和海平面上升的响应是非线性的，且取决于具体地点。在圣克鲁兹海滩……

**作者贡献声明**
扬正通：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、概念化。
娜塔莉亚·埃兰：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论、概念化。
大卫·古铁雷斯-巴塞洛：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
李H. 埃里克森：撰写——审阅与编辑、方法论、数据管理、概念化。
肖恩·维图塞克：撰写——审阅与编辑、方法论、利益冲突声明。

**致谢**
本研究使用了圣地亚哥超级计算中心（SDSC）的Expanse超级计算系统，通过高级网络基础设施协调生态系统：服务与支持（ACCESS）计划分配的CIV250014号资源，该计划得到了美国国家科学基金会（NASA）的资助（#2138259、#2138286、#2138307、#2137603和#2138296）。作者还感谢加州第五次气候变化评估和加州大学海岸气候韧性中心的支持。