《Weather and Climate Extremes》：Projecting hurricane risk in Atlantic Canada under climate change
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本文聚焦气候变化对热带气旋(TC)灾害的增强效应，以大西洋加拿大沿海地区为研究对象，为解决未来风灾与洪灾风险评估难题，开展了一项系统性研究。研究人员运用基于物理的合成TC轨迹模型，构建了包含历史、近期与远期三大时期的灾害场，结合海平面上升和暴露度数据，量化了风、洪双重灾害的演变趋势。结果表明，未来极端风速将加剧，沿海淹没深度和范围将显著扩大，导致许多沿海社区面临更高的以风为代理指标的风险。该研究为工程和保险实践提供了决策依据，明确了物理驱动因子与潜在损失之间的关联。
在气候变化的大背景下，沿海地区的居民正面临着日益严峻的自然灾害威胁。其中，热带气旋（Tropical Cyclones, TCs，在大西洋盆地也称飓风）以其破坏性的狂风、暴雨和风暴潮，长期位列全球最具破坏性的自然灾害之一。大西洋加拿大地区拥有漫长的海岸线，频繁受到北上的热带气旋及其向温带气旋转化的系统影响。近年来，从2003年的“胡安”飓风到2022年的“菲奥娜”飓风，一系列极端天气事件已给该地区造成了广泛的破坏和经济损失，无情地敲响了警钟。科学界已形成共识，人为引起的气候变化正在改变热带气旋的特性，例如最强风暴的强度、降雨率可能增加，其路径也可能向极地移动。这些变化与大西洋加拿大密集分布在沿海地带的人口、关键基础设施和重要经济部门叠加，使得该地区的脆弱性尤为突出。然而，以往的许多评估往往只孤立地考察风暴潮、风速或降雨率等单一威胁要素的变化，缺乏对风、洪等多重灾害复合效应的综合分析，也鲜有将不断变化的灾害转化为综合风险评估。因此，一项专门针对大西洋加拿大的、能够同时刻画风与洪灾害非平稳特性并提供定量风险估计的分析，对于提升区域认知、支撑前瞻性适应规划至关重要。发表于《Weather and Climate Extremes》的这项研究，正是为了填补这一空白。
为了系统回答上述问题，研究团队采用了一个两阶段框架。在技术方法层面，核心是运用一个物理信息驱动的合成热带气旋轨迹生成模型，模拟了历史时期和两个未来时期的大量TC事件。该模型由生成、移动和强度三个核心模块构成，利用ERA5再分析数据和两个CMIP6全球气候模式在SSP5-8.5情景下的未来扰动数据进行驱动。其次，针对每个合成TC事件，分别构建了风灾害足迹和沿海洪水灾害足迹。风灾害建模基于梯度风平衡方程和Holland气压剖面模型，并结合地表摩擦系数计算地表风速。沿海洪水灾害则采用“浴缸”模型，将基于经验的TC最大风速-风暴潮关系估算出的风暴潮高度，与预估的海平面上升叠加，再与高分辨率数字高程模型比对，得到淹没深度图。最后，在风险量化阶段，将风灾害场与基于BlackMarble夜间灯光数据（作为人口分布代理，并结合省级人均GDP转化为经济暴露量）生成的暴露度数据，以及一个经过调整的Emanuel型脆弱性函数相结合，计算了潜在的经济损失，从而完成了从物理驱动到损失潜力的完整链条评估。
研究结果
3.2.1. 合成热带气旋气候学
分析显示，在两种气候模式（EC-Earth3P-HR和CMCC-CM2-SR5）的驱动下，未来时期（2024-2059年和2060-2095年）大西洋加拿大选定地点的热带气旋遭遇频率（定义为经过该地点250公里半径内的风暴数量）相对于历史基线（1979-2014年）呈现出一致的、显著的下降趋势。下降幅度因地点和气候模式而异，在EC-Earth3P-HR模式下通常减少11%至18%，而在CMCC-CM2-SR5模式下减少幅度更大，通常在18%至27%之间。例如，在CMCC-CM2-SR5模式下，哈利法克斯的风暴频率在近期未来预计下降22%，在远期未来下降25%。
3.2.2. 灾害分析
3.2.2.1. 风灾害
概率性风灾害分析表明，从历史时期到近期未来、再到远期未来，所有重现期（如50年、100年、300年、700年）的地表10米最大持续风速均呈现出一致的增加趋势。这种增强在远期未来（2060-2095年）最为明显。空间上，新斯科舍省沿海地区在所有时期都经历着最高的风速。具体量化来看，对于100年一遇的风速，EC-Earth3P-HR模式的预测尤为显著，显示在远期未来情景下风速可能增加高达26%，其中纽芬兰、新不伦瑞克和新斯科舍省海岸的变化最为剧烈。而CMCC-CM2-SR5模式则呈现更复杂的空间格局，在新斯科舍省部分地区风速减少高达-7%，同时在新不伦瑞克省局部地区风速增加高达22%。
3.2.2.2. 沿海洪水灾害
沿海洪水灾害的变化更为惊人。由于海平面上升的直接贡献，未来各重现期（如100年一遇）的淹没深度和范围均大幅增加。在近期未来（考虑约0.5米海平面上升）和远期未来（考虑约1米海平面上升）情景下，许多低洼沿海地区的100年一遇淹没深度增加了0.5至1.5米。更关键的是，原先在历史时期可能完全不被淹没的内陆区域，在未来由于基线海平面的抬高，即使遭遇强度相似的风暴，也可能成为新的淹没区。空间上，风险增加最显著的地区集中在人口密集、地势低平的沿海城市走廊和河口区域，例如芬迪湾沿岸、爱德华王子岛南部和新斯科舍省东部海岸。这些地区在未来面临更频繁、更严重的洪水威胁。
3.2.3. 风险分析（以风为代理）
尽管风暴频率总体呈下降趋势，但由于单个风暴强度的增强，以风灾害为代理指标的总体验风风险在许多沿海社区呈现增加态势。风险的空间分布呈现异质性升级，风险热点集中在暴露的海岸线和城市走廊。这意味着，未来即使遭遇风暴的次数可能减少，但每一次强风暴可能造成的潜在经济损失却更高。研究通过损失超越概率曲线量化了这种变化，表明许多地区的经济风险在远期未来显著提升。
研究结论与意义
本项研究通过一个综合性的两阶段框架，定量评估了气候变化下大西洋加拿大的热带气旋风险演变。研究得出结论：首先，尽管该区域未来遭遇热带气旋的频率可能下降，但极端风速强度预计将加剧。其次，结合预估的海平面上升，沿海洪水灾害的深度和范围将出现远超风灾害变化的、大幅度的放大。最终，这种灾害强度的增强转化为许多沿海社区更高的“风代理”风险，风险的空间分布呈现不均匀的升级，集中在暴露的海岸线和城市走廊地带。
这项研究的重要意义在于多个方面。它首次为大西洋加拿大地区提供了同时涵盖风与洪双重灾害演变及其综合风险（以风为代理）的定量、前瞻性评估。所采用的方法框架清晰地阐明了物理驱动因子（如气候变化下的环境场、海平面上升）如何通过影响热带气旋特性，最终转化为潜在损失，确保了与工程和保险实践中常用的以风为中心的工作流程兼容。研究生成的灾害图和风险图为识别未来的风险热点区域提供了“决策就绪”的证据，明确指出哪些地区以及损失可能增长多少。这对于地方政府、应急管理机构、保险公司和基础设施建设者进行适应规划、投资决策和制定韧性提升策略具有直接的参考价值。最终，这项研究为大西洋加拿大应对气候变化下日益严峻的热带气旋威胁，提供了坚实的科学基础和行动路线图。
