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2017年9月8日，Thomas Wahl在伦敦盖特威克机场登上了一架几乎没什么乘客的航班前往佛罗里达州的奥兰多。作为中佛罗里达大学的一名海岸工程师，Wahl知道已经横扫加勒比海大部分地区的5级飓风厄玛正朝着他的家乡移动。即使是这样，他还是上了飞机。他说：“飞机上只有飞行员、一些不在乎天气的迪士尼游客和我。”
类似今年一月袭击美国东北部的“炸弹旋风”的罕见事件越来越频繁。 来源：Scott Eisen/Getty 厄玛的暴雨和强风在佛罗里达州造成数十人身亡。Wahl在他家的一居室公寓里渡过了这场风暴，对他来说，这是一个罕见的机会，他见证了他长期以来担心的现象——风暴潮、高潮位和海浪结合时导致的极端海平面。 极端的海平面事件使洪水冲破海岸屏障，淹没人们的家园和关键的基础设施。这些事情都已发生，例如，路易斯安那州的新奥尔良及周边地区仍未从2005年飓风卡特里娜造成的超过1000亿美元的损失中恢复过来；在佛罗里达州的杰克逊维尔，厄玛将部分城市淹没在2米深的水中，困住了居民，并导致桥梁和国际机场关闭。 在全球范围内，因为冰川和冰盖融化及海水升温导致的膨胀，平均海平面每年上升超过3毫米。研究人员通常侧重于研究其上升的原因和速度。但海水膨胀也会导致极端海平面，并造成灾难性危害。在未来的几十年里，百年一遇的洪水可能每一两年就会发生。到2100年，整个欧洲沿海洪灾造成的损失将增加20倍以上。在一些地区，百年一遇的洪水的强度也将继续增加。 Wahl和几个同事们说，更多的科学家需要注意到这些灾难性事件正在转变的本质，以及它们将如何影响那些生活在海岸边的人们。他说：“这样的洪水将是人类未来面临的最大威胁之一。当我们讨论洪水风险时，在某种程度上我们必须做出极端分析。我们担心的正是那些高影响、低概率的事件。” 通过梳理历史记录和使用模型来评估风险，Wahl和其他人在预测这些事件的风险上取得了大幅进展。结论随地点而异。一些沿海地区面临极端海平面事件的危险增加，另一些地区则可能更容易出现“烦人的”洪水泛滥——淹没街道、使居民生活困难，但整体上没有太大危害。 纽约ICF国际咨询公司的气候变化专家Maya Buchanan说，社区需要这些知识来帮助他们做好准备。官员们可以通过改善排水和其他基础设施来解决烦人的洪水。但为了应对极端事件，还需要更多措施：建筑堤坝或加厚加高海堤。总共有3亿名沿海居民面临极端气候的风险。Buchanan说：“这对决策者和全社会都极其重要。” 梳理记录 1978年2月6日，一场历史上罕见的暴雪降临新英格兰。暴雪困住了司机。巨大的浪潮与风暴潮把沿海的房屋像是玩偶屋一样轻易抛起。总共有54人丧生，数以千计的建筑物被毁。 波士顿港的官方潮汐记录显示，除去潮汐，当天水位在12小时内上升了大约一米，这是该地区有记录以来最高的水位线之一。它只是世界各地众多记录了每日潮汐的涨落和风暴驱动潮的水位采集记录中的一个例子。 2009年，英国利物浦国家海洋学中心的Philip Woodworth的团队，决定尽可能多地收集这些记录，以形成一个定制的全球数据库。该小组将重点放在那些每小时至少进行一次测量的数据，因为这能够准确地捕捉到在快速变化的风暴中的高水位。 该数据库被称为全球极端海平面分析（GESLA）项目，现已成为分析极端海平面如何随时间变化的数据首选来源。该数据库显示：自1970年以来，世界各地极端海平面的上升幅度和频率都在增加。例如，在某些地方，50年一遇洪水的高度每十年增加超过10厘米。 主要原因是平均海平面的上升。随着海水相对海岸线越来越高，来袭的风暴潮就更容易泛滥至高水位。据估计，在2012年飓风桑迪对纽约市造成的近120亿美元的损失中，海平面上升造成的损失超过20亿美元。 其他因素也影响着极端海平面，长期的大气环流模式就是其中之一；例如，强烈的厄尔尼诺现象增加了美国西海岸高海平面的概率，同时降低了热带西太平洋高海平面的概率。陆地和海洋相对高度的变化也很重要，自从上一个冰河时代末期巨大的冰川消失后，斯堪的纳维亚的大部分海岸都在缓慢上升。在亚洲南部，恒河-雅鲁藏布江三角洲却正在沉没，因为其沉积物逐渐压缩。 GESLA在2016年进行了更新，现在包含了来自世界各观测站点的1355项记录，总计超过39000站年（站的数量乘以记录的时长）的数据。大部分数据来自二十世纪的下半叶。但对于那些想改进长期统计数据的研究人员来说，这还不够长。根据经验，通过回溯观测记录，可以推测出未来（最远到已有历史的四倍时间）事件发生的频率。几十年的数据不足以预测未来10000年里的洪水事件，但这对一些社区和核电站等敏感基础设施来说却是必需的。 在俄勒冈的波特兰州立大学的海洋学家Stefan Talke一直专注于扩展美国水位的历史记录。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）在全国大部分地区都设有检潮仪。它的记录涵盖二十世纪的大部分时间，但最早可以追溯到十九世纪。Talke与其同事和学生前往全国各地，寻找那些NOAA还没有系统地进行数字化的潮汐模型和风暴潮的信息。“我们对未来会怎样都很感兴趣。”Talke说，“但如果我们不能尽可能地了解过去，又怎么能去预测未来呢？” Talke和他的同事们已经研读了大量的手写数据表和描述测量是如何进行的附注。这些附注对评估数据的质量至关重要；它们记录了时钟故障、冰堵仪表和醉酒观察者进行可疑测量的情况。总之，研究人员回收了大约300000份文件，多于6500个站年里丢失或被遗忘的测量数据的量。 例如，在波士顿，他们找到了1921年（现代NOAA记录开始的年份）以前50年的记录并将之数字化。从这些数据甚至是更早期的数据中，他们计算发现：19世纪20年代至今，波士顿海平面相对陆平面上升了28厘米。伴随着这种上升幅度，极端事件越发常见：在19世纪20年代里百年一遇的事件，在如今更像是一个八年一遇的事件（见“逼近的洪水”）。
来源: T. Wahl et al. Nature Commun. http://dx.doi.org/10.1038/ncomms16075 (2017). 回到过去 研究人员还发现极端事件有助于人们正确地解读近期的洪水。例如，他们发现1909年的一场风暴造成了与1978年暴风雪相似的洪水。“档案的研究表明，1978年的事件其实并不是很反常。”Talke说。 但这两个高水位在一月波士顿的“炸弹旋风”中被超越。这个“炸弹旋风”从上升的海平面中获得力量，打破海堤，将冰冷的海水灌入居民区。上周，仅在破纪录的两个月后，又一次强劲的冬季风暴导致波士顿地区再次遭遇了接近新纪录的洪水。 Talke与其他科学家及机构官员（如负责联邦海岸工程的美国陆军工程兵团）分享了他的发现。他希望，人们通过了解长期趋势，为未来的高水位做更好的准备。 一旦有了过去极端事件的数据，研究人员就可用几种方法来预测极端事件的发生频率。最简单的方法是使用耿贝尔分布进行分析。最近一次的政府间气候变化专门委员会对海平面上升的报告中就使用了这种方法，来计算在各种温室气体排放情况下，洪水发生的频率。但这种方法过于简单，并不适用于极端事件，Wahl说。例如，一个典型的耿贝尔分析也许可以预测指定地点的年最高水位。但这意味着，当一年发生多次大风暴时，只有最高的洪水被预测到。 Buchanan和她的同事最近采用了一种不同的方法，即广义帕累托分布，考虑所有超过第99个百分位的每小时水位观测值。这意味着获得更多的数据点，因此能更准确地描绘水位随时间变化的情况。该小组研究了至少30年以来的所有NOAA潮汐记录，然后将这些数据与海平面上升分析相结合，来预测洪水在不同地点发生的频率，以及洪水会有多大。 有一点毋庸置疑，“洪水将更加频繁地发生。”Buchanan说。但分析也显示，美国沿海不同地区的情况会有很大不同。在像纽约市和南卡罗来纳州的查尔斯顿这样的东部城市，“烦人”洪水泛滥将更加频发。相比之下，像华盛顿州的西雅图和加利福尼亚州的圣地亚哥这样的西部城市，预计会经历更多来自极端事件的洪水泛滥。西部有陡峭的海岸斜坡，这些斜坡通常可以保护居民。但是，海平面的上升可以帮助洪水打破这道曾经的保护屏障。 地区之间的差异是明显的。例如，如果查尔斯顿海平面上升了半米，目前被认为是百年一遇的洪水发生的频率可能会增加16倍。在西雅图，该频率上升至335倍，使极端事件更像4个月一遇的事件。 在芝加哥大学的海洋学家Sean Vitousek也一直致力于了解洪水风险，他使用了一种称为广义极值分布的统计技术。在《科学报告》去年发表的一篇论文中，他和他的同事们将全球海浪、潮汐和风暴潮模型和海平面预测结合在一起，来计算未来几十年里沿海洪水增发的可能性。他们发现，最迟到2050年，全球平均海平面将上升10至20厘米，这将使热带极端海平面事件的频率增加一倍以上。 受灾最重的将是地势低洼的太平洋岛国，这里，常见洪水的变化原因中海平面上升占很大比例。像基里巴斯、马绍尔群岛和马尔代夫这样的地方不仅面临永久沉没的危险，而且还面临着洪水泛滥的危险，这些洪水会破坏供水，并使土地无法耕种。 Vitousek是最早一批在极端事件研究中将海浪的变化与潮汐和风暴潮结合起来的研究者。目前，他希望进一步改进统计方法，以便更好地预测此类事件可能发生的频率。“我们在什么时候会看到每年的洪水水位都超过50年一遇的水位？”他提出，“我们需要知道我们还有多少时间来解决问题。” 极端洪水的预测被温室气体排放量上升的速度的不确定性所干扰。在去年历史上首次对极端海平面会如何影响欧洲海岸的预测中，研究人员计算出，到2100年，百年一遇洪水的高度会增加57到81厘米。但这是整个欧洲的平均水平。在北海地区，若温室气体排放量较大，极端海平面可能上升近一米。而葡萄牙海岸和加的斯湾的极端海平面概率或许降低，部分原因是由极端风造成的风暴潮和海浪减弱。 意大利的欧洲联合研究中心的海洋学家Michalis Vousdoukas带领团队进行了上述分析后，现在已经将注意力转向了计算经济影响。去年十二月，Vousdoukas在新奥尔良举行的美国地球物理学联合会议上报道：到2100年，河流洪水灾害造成的损失将从欧洲的国内生产总值的0.04%上升至0.1%。沿海洪灾造成的损失目前为0.01%，但将上升至0.29%到0.86%之间。他说：“沿海洪灾将成为未来最严重的自然灾害之一。” Vousdoukas和其他这一新兴领域里的研究者都希望把他们的发现告知沿海地区的决策者。例如，在奥兰多，Wahl就参与了一个汇集了工程师、海洋学家、经济学家、社会科学家和其他专家的新项目。在新成立的国家海岸综合研究中心（总部设在中佛罗里达大学），他们希望为决策者提供必要信息，以确定在未来几十年里修建堤坝、海堤等防御工事的高度。 知道情况会有多糟糕，极端海平面可能会有多极端，将是这一工作的主要组成部分，Wahl说，“我认为我们已经可以根据我们所知道的情况来提供建议。” 从现在开始就采取措施至关重要，因为适应可能需要一段时间，Wahl说。以伦敦附近的泰晤士河防洪屏障为例，它的确帮助防止了洪水泛滥，但整个工程花费了几十年； 1953年的一场灾难性洪水后，人们就提出建防洪屏障的构想，但它直到1982年才开始运作。人们不能等那么长时间才开始为极端海平面的后果做准备，Wahl说：“我们现在就需要行动。” Nature|doi:10.1038/d41586-018-02745-0 |
