渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程(包括台风、寒潮和温带气旋),模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。

黄河三角洲互花米草整治对潮滩湿地防灾功效和沉积动力的影响

互花米草作为黄河三角洲外来入侵物种,2010年开始爆发式蔓延,2020年面积最大时可超6000 hm2,对潮间带生物多样性造成了严重影响。自2020年起,黄河三角洲自然保护区开始大规模的互花米草整治与盐地碱蓬生态修复工作。互花米草具有较强的消浪、缓流、促淤、固滩能力,短期内、大范围的植被去除,可能导致波流和沉积动力环境的突变。基于现场观测数据和考虑植被作用的浪、流、沙耦合数值模型,研究分析了互花米草整治和盐地碱蓬修复对黄河三角洲湿地动力过程的影响,重点关注风暴作用下黄河三角洲潮滩湿地的防灾减灾能力和沉积效应变化。研究结果表明,互花米草可有效抵御极端风暴潮,最大风暴潮位衰减率可达15 cm/km。互花米草整治将导致湿地防灾减灾能力显著下降,堤前风暴潮峰值可抬升10~30 cm,同时潮间带的泥沙捕集能力大幅下降。受限于植被密度、高度,盐地碱蓬完全修复后湿地衰减风暴潮、捕集泥沙的能力显著低于原互花米草湿地。研究建议,互花米草整治工程应考虑短期内植被去除导致的近岸风暴潮抬升、侵蚀加剧等潜在风险。

近岸较大区域波浪数值模型的比较

将适用于近岸较大区域波浪传播变形的三种模型,即基于抛物型缓坡方程的不规则波模型、引入浅水波浪谱TMA谱的SWAN(simulating waves nearshore)模型以及采用默认JONSWAP谱的SWAN模型应用于特拉华大学(University of Delaware)圆形浅滩实验进行比较。结果显示,抛物型缓坡方程和SWAN的模拟结果与实验所测数据符合都比较好;SWAN在非线性作用较强的浅滩中心及靠后部效果更佳,而抛物型缓坡方程由于没有考虑非线性作用,模拟得到的最大波高较实测值偏高,且波高变化较为剧烈。

垂向变化的波浪辐射应力影响下流场数值研究

采用浪流沙耦合模型COHEREN-SED模型进行黄河三角洲的海流三维运动数值模拟。文中将垂向平均的波浪辐射应力与垂向变化的波浪辐射应力引入至COHERENS-SED,通过该模型进行波浪辐射应力影响下的海流场演变数值研究。研究结果显示波浪辐射应力的存在显著改变了水深小于5m的流场。垂向变化的辐射应力则使得其表层波生沿岸流速大于传统的垂向均匀辐射应力引起的波生沿岸流速,底层则刚好相反。当波浪强度很大时,流场中的波生沿岸流对水深较浅的海岸区海流场影响较大。

基于长期观测资料的黄海天文潮-风暴潮非线性相互作用研究

为了分析黄海沿岸历史风暴潮的特征规律,本文基于黄海沿岸9个长期潮位观测站的历史水位资料,提取风暴潮事件,将原始水位序列分离出天文潮成分和非潮余水位成分,对非潮余水位进行统计分析,发现其能量在半日、全日频率区间较为集中;统计每个风暴潮事件中,最大非潮余水位出现的潮汐相位,发现出现在涨、落潮期间的概率显著高于高、低潮位期间的概率;进一步将最大非潮余水位和偏斜增水进行对比,发现二者之间离散程度较高。以上这些现象均表明,从长期尺度上,所分析的黄海沿岸各站位均存在显著的天文潮-风暴潮非线性相互作用,尤其是在水深较浅、潮差较大的区域。