Delayed coastal inundations caused by ocean dynamics post-Hurricane Matthew

由于飓风马修后的海洋动力学引起的延迟性沿海淹没

摘要

飓风后异常水位（PHAWL）对沿海社区构成持续性淹没威胁，然而关于其时空影响和因果机制仍存在未解决的知识空白。利用高分辨率的沿海模型和一系列观测，我们发现PHAWL比正常水位高出多达50厘米，持续数周，并导致美国东南海岸（USSC）居民区周围的延迟淹没。数值实验表明，尽管大气驱动调节了沿海PHAWL，但由Gulf Stream主导的海洋动力学主要控制了陆架尺度PHAWL的平均分量和持续时间。由于飓风后海洋作用力的大范围空间影响，沿海危害不仅限于直接受到飓风的打击，而是可以在达到海洋过程的USSC范围内被检测到。

Introduction

洪水对沿海社区构成最具破坏性的威胁，并预计将随着与气候相关的海平面上升、更高的降水以及更强大和频繁的飓风事件而恶化。对于飓风影响的主要关注点一直是风暴潮、风浪、降水和河流排放的影响。然而，由于海洋动力学调整的影响，飓风后期也观察到了持续的异常水位，这增加了恢复风暴潮所造成的洪水损害的延迟。飓风马修（2016年）提供了飓风离开美国东南海岸后持续异常水位的明确证据。图1显示了马修的路径和强度，以及沿美国东南海岸的八个NOAA潮汐站的非潮汐残留异常（NTRAs）的时间序列。在飓风后期，每个站点的最大NTRAs范围从35到50厘米不等，正NTRAs持续了几天到几周。这种幅度和持续时间对沿海社区构成了持久的困扰洪水的威胁。然而，先前的建模和观测研究并没有彻底研究导致飓风强制后持续高海平面的海洋调整动力学。因此，提高我们对飓风期间和之后异常水位的分析和预测知识是制定更好的沿海保护和保育策略的关键步骤。

图1：飓风特征和PHAWL。
a. 飓风马修（2016年）路径和强度，以及选定的NOAA潮汐计（带有数字的黑色正方形）的位置。
b. 选定的NOAA潮汐计的NTRAs时间历史。NTRAs是相对于每个NOAA潮汐计正常期间（2016年9月1日至2016年10月2日）的平均水位的相对NTR。正方形内的数字对应于(a)中的站点编号。空心圆表示由开发的数值模型计算得出的NTRAs。

影响USSC沿岸海平面的不同海洋过程可以总结如下。Domingues等人报告称，2010年至2015年期间USSC的加速海平面上升是由于Gulf Stream（GS）上游的Florida Current（FC）的升温引起的。具体来说，他们将佛罗里达海岸的12.5厘米海平面上升归因于2010年至2015年期间的热力学贡献。Volkov等人宣称，与大西洋经向翻转环流（AMOC）相关的海洋热量组分与南大西洋弯曲（SAB）沿海的年际海平面变化有关联。此外，Volkov等人利用多年观测显示，与AMOC相关的热力学海平面上升显著影响了USSC的沿海洪水频率。此外，飓风强迫可以显著影响GS等大尺度海洋环流，进而在调节沿岸海平面中发挥关键作用。历史上，当飓风经过GS附近时，观察到了西边界洋流的显著减弱，例如，Bill飓风（2009年：Kourafalou等21人）、Joaquin飓风（2015年；Ezer和Atkinson22人）和Dorian飓风（2019年；Park等15人；Ezer等23人）。在Matthew飓风经过期间，观测和模型还显示了GS强度显著减弱，最多减少50%。与GS强度变化相关的GS减弱遵循地转平衡的背景。几项研究利用在迈阿密和巴哈马之间的佛罗里达海峡测量的FC测量提供了GS对沿岸海平面影响的证据。Dangendorf等人展示了1960年至2012年期间，沿USSC的沿岸海平面与GS路径之间的高相关性，表明水位对GS特征的快速正巴托响应。行星海洋波也在沿岸海平面中起重要作用。例如，发现沿USSC的沿岸海平面的长期（例如，多年代尺度）变化与从开阔海洋向西传播的风驱罗斯比波相关（Calafat等29人；Dangendorf等30人）。当飓风沿SAB的大陆架行进时（例如，2016年的Matthew），在飓风离开海岸后，Cape Hatteras周围（例如，USSC北部）保持着正海平面异常。海洋对异常的调整会导致沿岸困闭波（CTWs）沿着海岸逆时针传播（例如，在北大西洋西边界向南）由于地转动力学，CTWs调节沿岸海平面。尽管过去报道了CTWs由于GS而沿USSC向北传播，最近的研究使用数值模型和观测提供了沿着海岸向南传播的CTWs的证据。例如，Ezer使用NOAA潮汐计和数值模拟检测到CTWs从Hatteras角北部向南传播，尽管CTWs的特征在Hatteras角以南发生变化。使用观测，Pujiana等人还发现了沿USSC向南传播的亚季节（例如，20~100天）CTWs，振幅高达15厘米。

尽管前述的工作已经进行，但在飓风后异常水位的时空尺度和因果机制方面仍存在知识空白。例如，Rossby波对沿岸海平面的影响无法合理解释飓风后期海洋动力学的高频率，因为Rossby波具有较长的时间尺度（长于几个月）。大尺度海洋环流的热力学贡献不应会在飓风事件后期引起水位异常增加，因为飓风有显著的冷却影响。虽然CTWs已经研究了亚季节到十年尺度，但尚未彻底研究飓风后期的高频率CTWs。此外，Ezer使用了一个模型来检验GS对水位的影响，通过在开放边界条件中强加人为变化的GS输运，而没有考虑GS与飓风本身的相互作用。因此，这些发现没有充分解释飓风后期海洋驱动因素的短期行为（例如，小时到天）。此外，Ezer和Atkinson的早期研究仅考虑了GS的特征，限制在存在观测的地点（例如，在佛罗里达海峡），因此未解决GS的空间变化特征，这导致了佛罗里达海峡测量的GS输运与USSC海岸线沿线海平面之间的弱相关性（例如，R2为0.04-0.16）。Chi等人还强调了在多个位置测量GS输运的重要性，以正确理解GS与海平面之间的关系，并显示了Hatteras角北部和南部之间不同的相关模式。然而，由于Chi等人使用了月平均测量，无法捕捉GS和海平面的高频变化，该研究仅限于解释飓风后期的海洋动力学相关的异常水位。基于潮汐计的其他研究旨在推断与GS的关系，但也可能与GS之间的相关性较差，因为潮汐计上的水位不仅受到大尺度海洋环流的影响，而且受到局部风应力、气压、表面波浪和其他海洋动力学的影响。为了重现由各种沿岸海洋动力学驱动的总水位的时空变化，数值模型仍然是独特且不可或缺的工具，尽管它自身存在挑战，例如粗糙的模型分辨率（通过全球海洋再分析）、缺乏三维斜压动力学（对于二维沿岸洪水模型）以及存在海洋混合误差。

在这项研究中，我们使用了高分辨率的三维非结构化网格、斜压沿岸海洋模型（详见方法）来模拟2016年飓风马修期间和之后整个南大西洋弯曲地区（SAB）的PHAWL的时空范围。模型结果与观测数据的比较表明，该模型具有出色的技能，能够捕捉到不仅是持续的PHAWL（如图1b所示），而且是风暴潮、GS和大尺度海洋场（如补充图2–8所示）。然后，我们继续使用模型进行一系列敏感性数值实验，以量化每个关键驱动因子在产生PHAWL中的相对作用和贡献。我们发现，虽然大气强迫控制着沿海PHAWL的波动成分，但主要由GS主导的海洋动力学确定了陆架尺度PHAWL的平均成分。

Results

Spatiotemporal impacts of the PHAWL

由于水位的高频测量（例如，从NOAA潮汐计中进行的6分钟采样）局限于海岸线，我们利用高分辨率的沿岸海洋模型（详见方法）进一步分析了SAB中PHAWL的时空模式。图2a中的Hovmöller图显示了作为时间函数（x轴）和距离函数（y轴）的沿USSC的模拟NTRAs，从佛罗里达（FL）海岸到北卡罗来纳（NC）海岸。图2a中带有数字的黑色方块代表了图1b中每个NOAA潮汐计所示的NTRAs的峰值时刻。Hovmöller图清楚地显示了2016年10月7日至2016年10月9日期间从FL到NC海岸的风暴潮进展，这与飓风马修的直接影响相关。随着飓风于2016年10月10日离开NC海岸后，高达20厘米至54厘米的PHAWL在整个SAB海岸线持续到2016年10月14日。此后，沿岸PHAWL的大小随时间波动。在NC海岸，PHAWL降低了10厘米，而在FL海岸，高达45厘米的PHAWL持续到2016年10月22日。在图2b中，飓风后期最大NTRAs的二维地图显示了峰值PHAWL的空间变化幅度。从大陆架断层（200米等深线）到海岸线，具有20-58厘米幅度的显着峰值表明了近岸和陆架动力学之间的紧密耦合。横向尺度上的紧密耦合机制在接下来的章节中进一步讨论。高峰值PHAWL值（例如，50厘米以上）主要分布在SAB大陆架的南部，主要在佐治亚州（GA）和佛罗里达（FL）海岸。结果显示，持续的PHAWL影响了整个SAB海岸线，水位比正常条件高出最多58厘米。特别是，USSC的南部地区在飓风后期异常水位方面面临着最高的脆弱性。

图2：a. 沿着USSC模拟的NTRAs（厘米）的Hovmöller图。图中带有数字的黑色方块对应于在图1a中呈现的每个NOAA站点的风暴潮峰值时间。
b. 飓风事件后（2016年10月11日至2016年10月22日）模拟的最大NTRAs（厘米）。实线表示200、600、800和1000米等深线。在（a）和（b）中的NTRAs是相对于正常期间（2016年9月1日至2016年10月2日）每个网格点的平均水位的非潮汐残差。a和b共享相同的颜色条。

我们进一步利用开发的模型研究PHAWL对社区地区的沿海洪水的影响。我们在佐治亚州南部沿海实施了一个城市格网尺度模型（详见方法），以模拟城市和周围沿海平原的沿海淹没。选择佐治亚州南部沿海是因为该地区具有复杂的湿地形态，并且在USSC沿岸线上表现出最高的PHAWL之一，如图1b（NOAA站点3）和图2所示。图3中模型的淹没图显示了PHAWL对沿海区域内陆部分的显着影响。PHAWL将湿地和居民区的淹没深度提高了最多30厘米。高分辨率模型结果强调了持续的异常水位即使在飓风事件之后也具有显著影响，这可能会阻碍风暴后的恢复努力，并以洪水或晴天洪水的形式对沿海社区构成额外威胁。

图3：PHAWL对淹没深度的影响：2016年9月1日至2016年10月2日期间（正常期间）和2016年10月10日至2016年10月22日期间（飓风后期），南佐治亚州沿海地区最大淹没深度（厘米）的差异。淹没深度表示每个时段地面上方的总水位。

Main drivers of the PHAWL

利用经过验证的数值模型与观测数据（见补充图2-8），我们进行数值实验，以研究主要驱动因子在产生PHAWL中的相对作用和贡献。在数值实验中，控制运行（CTRL）包括所有力量（例如，降水、风、气压、热通量和海洋强迫），代表原始的PHAWL。主要驱动因子被分类为大气强迫（ATF）和海洋调整（OCADJ），通过数值实验明确识别（详见方法）。由于主要力量对PHAWL的贡献不同，确定主导驱动因子揭示了PHAWL潜在机制的关键信息。图4a显示了沿SAB海岸线不同主要驱动因子引起的水位。由ATF引起的水位（图4a中的蓝线）具有随时间变化的幅度，取决于风和气压条件。由ATF引起的最高水位观察到于2016年10月13日，幅度为25厘米，占PHAWL的42％。在达到峰值后，ATF引起的水位波动在-1至+15厘米之间。OCADJ引起的水位在飓风后期的早期阶段（2016年10月11日）迅速上升到最高水平（45厘米），占PHAWL的90％以上。CTW在此期间的峰值水位中发挥着关键作用，将在下一节中更详细地讨论。在CTW事件之后，OCADJ保持高水位，持续十天的幅度为33-38厘米，因此决定了PHAWL的平均成分。在图4b中，我们进一步分析了SAB大陆架上PHAWL的时空演变。从空间角度来看，我们发现PHAWL的特征信号包括沿海和来自大陆架断层的信号，这在图4b的T1（10月13日）、T2（10月16日）和T3（10月19日）中清楚地看到。图4b中的第二行显示，在T1和T2处，ATF增加了沿海海平面，使其在T1处达到35厘米，在T2处达到28厘米。值得注意的是，ATF的影响仅限于海岸附近，因为风应力对浅水的影响更加显著。因此，ATF对大陆架断层附近的近海水位的影响相对较小。当T3处的ATF较弱时（图4b中的第三列），PHAWL显示出沿岸和横向的水位梯度，即由于OCADJ引起的近海水位较高和沿岸水位较低。图4b的第三行显示，OCADJ控制着通过大陆架断层进入的近海信号，这些信号逐渐增长并传播到海岸。沿着大陆架断层的近海水位随时间增加，最高达到52厘米。随着近海信号的增强，OCADJ引起的沿岸海平面增加到25～43厘米，取决于FL海岸的水位增加最高。在量化不同时空尺度上主要驱动因子的相对作用和贡献时，我们认为ATF控制沿海PHAWL的波动组分（例如图2a中SAB海岸线上PHAWL的波动），而OCADJ是决定大陆架尺度PHAWL幅度和持续时间的关键组成部分。

图4：a. SAB沿岸的平均水位（厘米）时间历史。线的颜色表示主要驱动因子，例如所有强迫（CTRL；黑色）、大气强迫（ATF；蓝色）和海洋调整（OCADJ；红色）。
b. SAB大陆架上的水位瞬时场（厘米），分别在T1（10月13日00:00:00，第一列）、T2（10月16日02:00:00，第二列）和T3（10月19日22:00:00，第三列）的时间点，如（a）所示。大陆架是水深低于200米的区域。

Characteristics of post-hurricane OCADJ

理解OCADJ的真实性质对于识别大陆架尺度PHAWL的机制至关重要。我们在飓风后期观察到了两种明显的海洋过程。首先，在Hurricane Matthew离开后，我们观察到了沿岸快速信号的形式，以CTWs的形式出现。在2016年10月10日，Matthew离开了Cape Hatteras（SAB的北部）后，阳性的海表高度异常（SSHAs）仍然存在于该地区，如图5a所示。由于SSHAs引起的压力梯度被科氏力（例如，地转动动力学）平衡，高海平面沿着SAB海岸线从北向南环绕传播。图5b中的快照清楚地显示了OCADJ诱导的SSHAs在飓风后期早期的快速传播（约12 m/s；相当于浅水波的速度）。尽管NOAA潮汐计每6分钟采样一次可以捕捉CTWs的高频信号，但很难从测量中分离CTWs，因为不同频率的信号（例如风驱动、气压驱动和潮汐驱动信号）嵌入其中。然而，图5中CTWs的快速传播与先前利用数值模拟的研究发现相当。CTW的特征也类似于在SAB海岸线上流动的观测和理论的亚季节性（20 ~ 100天）波。Pujiana等人将亚季节性CTWs基于水位观测和卫星的每日测量，将其分为大陆架波和Kelvin波。他们报告称，在佛罗里达海峡的CTWs可以表示为Kelvin波，速度为7.7 m/s，而大陆架波观察到位于NC（北卡罗来纳州的Duck Pier）和SC（南卡罗来纳州的Charleston）海岸之间，速度为9 m/s。因此，我们将确定OCADJ诱导水位初始峰值的主要来源归因于CTWs，如图4a所示。

图5：CTWs after Hurricane Matthew.
a. 模拟的海表高度异常（厘米）的快照，来自飓风Matthew离开北卡罗来纳州海岸后的CTRL实验（例如，2016年10月10日）。
b. OCADJ诱导的SSHAs（厘米）的时间序列地图。

另一个重要的海洋过程是从大陆架断层进入的横向信号，这对于持续时间长、大陆架尺度的PHAWL贡献显著。由于高水位传播的大陆架断层靠近GS，一个问题是水位动力学是否受大尺度海洋环流驱动。为了解释GS与海上信号之间的关系，我们利用图6a中的相关图，显示了2016年9月22日至2016年10月22日期间GS强度与CTRL水位之间的点相关性。图6a展示了在GS西侧的大陆架上强烈的负相关性。特别是在大陆架断层周围观察到从-0.88到-0.7的高相关性，这意味着图4b中的海上信号在GS中发挥着关键作用。大陆架上的负关系意味着GS较弱导致大陆架上的水位较高，在地转动平衡的背景下是有效的。这解释了飓风Matthew期间GS变化导致PHAWL的原因。图6b展示了GS路径（灰线）沿线的平均流速和大陆架断层上的平均水位的时间历史。CTRL生成的水位的低通滤波变化（粗黑线）反映了OCADJ对水位（红线）的影响，因为在图6b中这两个信号具有类似的时间演变和大小。由于飓风混合和与GS方向相反的风力的组合，GS速度减小了最多50％，而沿着大陆架断层的海上水位随着GS减弱而增加。在佛罗里达海峡的潜水电缆测量验证了海洋环流的强度减小（附图5）。该结果证实了GS在产生跨越大陆架的海上信号方面的重要作用。值得注意的是，由于佛罗里达海岸靠近大陆架断层，与SAB其他海岸相比，佛罗里达海岸周围发现了更高的相关性（-0.85到-0.47），这意味着佛罗里达海岸对GS变化更加脆弱。地理特征（即接近大陆架断层）在佛罗里达海岸的持续升高的PHAWL中起着重要作用，正如图2所强调的。总之，在飓风后期海洋调整过程中，CTW和GS被确定为驱动大陆架尺度PHAWL的两个关键过程。CTW导致了沿岸海平面的快速调制，时间尺度为1~3天，而GS在整个大陆架上以超过10天的时间尺度导致了持续的横向信号。

图6：The GS-generated offshore signals.
a. 2016年9月22日至2016年10月22日期间每个网格点的GS速度与水位之间的相关性。 GS速度是沿着GS路径的平均海洋流速（粗灰线）。 白线表示的是200、600、800和1000米的等深线； 大陆架断层是200米的等深线。
b. 来自CTRL的GS速度的时间历史（灰线；m s-1）以及CTRL（黑线；cm）和OCADJ（红线；cm）的大陆架断层处的平均海上水位。 厚线表示低通滤波信号。 Rs是低通滤波信号和不带低通滤波的信号之间的平均GS速度与水位之间的相关系数。

Discussion

利用3D、高分辨率、巴氏梯度海岸海洋模型结合NOAA潮汐测站的观测，我们研究了飓风马修过后持续存在的异常水位，被称为“PHAWL”。正如在城市尺度数值模型结果中所示，由于PHAWL，住宅区周围的淹没深度可高达30厘米。这凸显了需要综合考虑沿海应急响应计划的必要性，不仅在飓风直接袭击时（例如，风暴潮和大雨），而且在飓风过后迫切需要恢复时。通过数值实验，我们确定了持续存在的大陆架尺度PHAWL的主要机制是CTW和GS信号作为海洋调整的一部分。在初始调整阶段，由CTWs引起的快速沿岸信号（时间尺度为1-3天）在美国东南沿海引起水位的波动，而在后期阶段，GS产生的跨岸信号（时间尺度超过10天）确定了整个大陆架上PHAWL的平均分量。由于这种大规模的影响，沿海危害不仅限于飓风登陆地点，而且可以在任何海洋过程到达的地方检测到。

我们的研究结果表明，未来用于解决洪涝动态的沿海建模框架应该不仅考虑大气驱动因素，还应考虑海洋调整过程，以提供对总水位和淹没情况的稳健预测。鉴于在气候变化下预测更频繁且更强大的飓风，包括与飓风驱动相关的海洋响应（包括大尺度海洋环流）尤为重要，这将有助于更好地理解沿海洪涝的基本机制。

需要进一步研究不同飓风特征，以阐明和量化海洋调整对PHAWL的影响。考虑到GS在确定PHAWL中的重要作用，PHAWL的大小和持续时间可能严重依赖于飓风路径和强度，这对大尺度海洋环流产生很大影响。例如，在本研究中研究的飓风马修在经过时靠近GS（例如，与岸平行的路径），并在通过期间显著削弱了GS，这将导致显著的PHAWL。问题是，其他具有不同路径和强度的飓风是否像马修一样对GS产生类似影响，并导致PHAWL。因此，未来的研究应利用具有历史或合成飓风的集合实验来评估与飓风相关的海洋动力学的统计特性。

附图

附图1：(a) 区域尺度模型域，带有水深图和用于验证模型结果的NOAA潜水电缆（橙色线）、潮汐计（蓝色圆圈）和Argos（黄色圆圈）的位置。(b) 位于南佐治亚州沿海的城市尺度网格系统，带有USGS高水位标记的位置（红色圆圈）。

附图2：相对于MSL的总水位的时间历史比较，红线表示NOAA潮汐计，黑线表示SCHISM模型，沿美国东南海岸。每个面板中的站点编号对应于补充图1中带有数字的蓝色圆圈。每个图中的R、ME和RMSE分别代表相关系数、平均误差和均方根误差。

附图3：NOAA潮汐计和模型的非潮汐残差异常的时间历史比较。观测到的非潮汐残差（红线）是低通滤波的总水位。模拟的水位包括低通滤波的总水位（带潮汐；黑线）和动态计算的非潮汐残差（不带潮汐；蓝线）。每个面板中的站点编号对应于补充图1中带有数字的蓝色圆圈。

图4：USGS高水位标记和模型最大水位结果的散点图。图中的数字表示补充图1中所示高水位标记的位置。每个图中的ME和RMSE表示平均误差和均方根误差。

附图5：从NOAA潜水电缆（红线）、SCHISM（黑线）、CMEMS（绿线）和HYCOM（蓝线）测量的体积输运的比较。潜水电缆的位置在附录图1中表示为橙线。每个图中的R、ME和RMSE表示相关系数、平均误差和均方根误差。值得注意的是，CMEMS和HYCOM是具有数据同化的全球再分析，而SCHISM模型不使用数据同化。

附图6：来自SCHISM模型（第一行）和JPL-GHRSST（第二行）的平均海表温度的快照。第一列和第二列分别显示了2016年9月1日至2016年10月2日（飓风马修之前）和2016年10月11日至2016年10月22日（飓风马修之后）期间的平均海表温度，而第三列是两者之间的差异。

附图7：来自SCHISM模型（第一行）和AVISO（第二行）的平均海表高度的快照。第一列和第二列分别显示了2016年9月1日至2016年10月2日（飓风马修之前）和2016年10月11日至2016年10月22日（飓风马修之后）期间的平均海表高度，而第三列是两者之间的差异。

附图8：散点图显示了SCHISM模型结果与Argo观测数据的比较。左右两个面板分别显示了温度和盐度的比较。每个图中的ME和RMSE表示平均误差和均方根误差。