潮汐和潮流影響下蘇北輻射沙洲海域波浪模擬分析

湯志華，鄭曉琴，曹翔宇，顧云碧，肖文軍，張蓓

(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098; 2.國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海200081; 3.河海大學(xué)企業(yè)管理學(xué)院，江蘇常州213022 )

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潮汐和潮流影響下蘇北輻射沙洲海域波浪模擬分析

湯志華1，鄭曉琴2，曹翔宇3，顧云碧2，肖文軍2，張蓓2

(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098; 2.國家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海200081; 3.河海大學(xué)企業(yè)管理學(xué)院，江蘇常州213022 )

摘要：基于第三代海浪模型SWAN，采用自嵌套的方法提供譜邊界條件，對影響蘇北輻射沙洲海域的一次冷空氣過程和一次臺風(fēng)過程作用下的波浪進(jìn)行了模擬?？紤]到沙洲海域強(qiáng)潮水動(dòng)力環(huán)境，分析了潮位和潮流的變化對該海域波浪的影響。結(jié)果表明，沙洲處波高和波周期受潮位影響顯著，受潮流影響弱，具有潮周期起伏的特點(diǎn)，而波向受潮位潮流影響不顯著；考慮高潮位后，以弶港為界，南北輻射沙洲波高顯著增加的區(qū)域與波浪傳播方向有關(guān)：波浪由北向南傳播，相差不大，波浪由東向西傳播，北部明顯大于南部。

關(guān)鍵詞：輻射沙洲；SWAN模型；波浪模擬；潮位；潮流

1　引言

輻射沙洲位于射陽河口至長江口北岸近岸淺水區(qū)，南北延伸200 km，東西橫跨90 km，由70多條沙脊和分布其間的潮流通道組成的。各條沙脊高低不等，形態(tài)各異，沙脊之間有深槽相隔，深槽坡陡水深各沙脊大小不等，寬窄不一，地形極其復(fù)雜。輻射沙洲為江蘇省發(fā)展提供了潛在的后備土地資源，適合發(fā)展大農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)、港口運(yùn)輸業(yè)、風(fēng)電場產(chǎn)業(yè)和圍墾造陸等[1]。波浪作為輻射沙洲區(qū)域的主要海岸動(dòng)力之一，在塑造獨(dú)特的輻射沙脊地形方面起著至關(guān)重要的作用[2]。在江蘇沿海大開發(fā)的背景下，研究該海域的波浪特征對海洋資源的開發(fā)利用以及沿岸的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義。

在海浪模擬中，對臺風(fēng)浪的模擬尤為重視，臺風(fēng)浪的破壞性眾所周知，不少學(xué)者進(jìn)行了研究[3-5]，但冷空氣風(fēng)浪往往被輕視。研究表明冷空氣帶來的大浪往往具有嚴(yán)重的破壞性，且臺風(fēng)浪的頻率遠(yuǎn)不如冷空氣出現(xiàn)的頻率高[6]。冷空氣浪數(shù)值模擬相對于臺風(fēng)浪數(shù)值模擬較少。周兆黎等[7]曾利用WW3模式對影響南海的三次冷空氣過程進(jìn)行過模擬，發(fā)現(xiàn)在冷空氣活動(dòng)末期以及近岸地區(qū)，模擬效果略偏差一些，但誤差仍在可接受的范圍內(nèi)。

輻射沙洲海域的波浪模擬也有不少研究。邱桔斐[8]通過第三代淺水波浪數(shù)值模型SWAN模擬江蘇沿海風(fēng)浪場，并對其特征進(jìn)行分析研究；陳波等[9]采用SWAN模型對江蘇如東附近海域風(fēng)浪場進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬，并分析了SWAN模型在該海域風(fēng)浪場模擬方面的適用性；楊耀中等[10]利用波浪折射繞射模型模擬了蘇北輻射沙洲區(qū)的波浪傳播變形過程；李杰等[11]利用風(fēng)浪譜模型對蘇北輻射沙洲海域波浪的傳播過程進(jìn)行數(shù)值模擬。這些研究對于了解蘇北輻射沙洲區(qū)的波浪特征是很重要的，但依然有需要進(jìn)一步研究的地方，主要為：蘇北輻射沙洲區(qū)屬于強(qiáng)潮海域，潮差大，潮流強(qiáng)，潮波屬正規(guī)半日潮型，受太平洋前進(jìn)潮波系統(tǒng)和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的控制，形成以弶港為中心的輻射狀潮流場，弶港附近岸邊出現(xiàn)特大潮差[2]。輻射沙洲外部海域主要表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)流特征，越往沙洲中心區(qū)域，往復(fù)性增強(qiáng)。各潮汐通道內(nèi)漲落潮流沿著水道方向作定向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，越靠近輻射沙洲頂部，往復(fù)性越明顯，在強(qiáng)天氣過程影響下，考慮潮汐潮流的影響下的波浪場模擬的研究較少。實(shí)際上，在有較強(qiáng)潮流存在的海岸河口水域,流場對波浪場的影響是不容忽視的[12]。肖文軍等[13]考慮潮汐和流影響進(jìn)行了長江口波浪場數(shù)值計(jì)算，王彪等[14]進(jìn)行了長興島海區(qū)波流相互作用數(shù)值模擬研究，這些均表明考慮潮影響的波浪模擬效果更好；另一方面，蘇北輻射沙洲區(qū)地形復(fù)雜，已有的研究缺乏精細(xì)的水深地形資料，難以準(zhǔn)確模擬刻畫該海域的波浪特征。

本文采用高精度實(shí)測地形數(shù)據(jù)，基于物理過程考慮較為全面的第三代海浪數(shù)值模式SWAN，以WRF風(fēng)場為驅(qū)動(dòng)場，采用自嵌套方法，對襲擊蘇北輻射沙洲海域的一次冷空氣過程和臺風(fēng)過程引起的海浪進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？紤]到沙洲海域強(qiáng)潮水動(dòng)力環(huán)境，分析了潮位和潮流對該海域波浪的影響。

2　模型設(shè)置

海浪模型采用近年來廣泛使用的第三代近岸海洋數(shù)值模型SWAN。在有水流影響時(shí)，波能密度不守恒但波作用量守恒，SWAN模型采用動(dòng)譜平衡方程[15]作為描述海浪的控制方程，并且采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[16]，能很好地?cái)M合復(fù)雜的岸線地形，在潮流、地形、風(fēng)場等復(fù)雜環(huán)境影響下，仍能準(zhǔn)確地模擬出波浪場。在波浪向近岸傳播的過程中，近岸波浪場復(fù)雜多變，影響因素復(fù)雜，如折射繞射、淺水變形、波浪破碎和波流相互作用等現(xiàn)象，SWAN模型在緩坡方程模型的基礎(chǔ)上，采用相位平均的方法加入繞射作用，使得模式在淺水海域的計(jì)算精度得以提高。有關(guān)SWAN模型進(jìn)一步詳細(xì)的介紹，可參考文獻(xiàn)[15]。

本文SWAN模型采用大小區(qū)域嵌套：大區(qū)域如圖1a，計(jì)算范圍為115°—134°E，16°—41°N，包括29193個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，15423個(gè)三角形；小區(qū)域網(wǎng)格如圖1b，包括了整個(gè)江蘇沿海海域、部分山東沿海海域以及長江口、杭州灣附近海域，外?？臻g分辨率最大，在蘇北輻射沙洲海域進(jìn)行局部加密處理，其網(wǎng)格分辨率約為300—700 m，最高空間分辨率為100 m左右，三角形個(gè)數(shù)為114166，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為57892個(gè)。模型采用球坐標(biāo)系下的非定常模式，大區(qū)域?yàn)樾^(qū)域提供波浪譜邊界條件，頻率從0.041—1 Hz，以對數(shù)分布劃分為60個(gè)；方向的分段為72個(gè)，分辨率為5°。模式初始條件選擇由計(jì)算時(shí)刻的風(fēng)場和JONSWAP經(jīng)驗(yàn)公式[17]給定的模式，時(shí)間步長為10 min?？紤]底摩阻、三相波非線性相互作用、四相波非線性相互作用、波浪破碎和波浪繞射等物理過程的影響，參數(shù)的設(shè)置為默認(rèn)值。風(fēng)場模型采用中尺度大氣模式WRF，由東海預(yù)報(bào)中心提供，時(shí)間分辨率為1 h。

天文潮模型選用FVCOM模型。FVCOM是無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的、有限體積的、三維原始方程的海洋模式。模型方程包括動(dòng)量方程、連續(xù)方程、溫鹽守恒方程以及狀態(tài)方程，通過采用耦合了Mellor 和Yamada的2.5階湍封閉模型來對方程進(jìn)行封閉。水平方向上三角網(wǎng)格，而在垂向上采用的是σ坐標(biāo)，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)，其采用內(nèi)外模態(tài)交替計(jì)算的方法。關(guān)于模型的詳細(xì)介紹和設(shè)置詳見文獻(xiàn)[18]，本文的潮流模型結(jié)果是基于文獻(xiàn)[18]的研究成果，由于文獻(xiàn)[18]已經(jīng)對其做過詳細(xì)的驗(yàn)證，本文不再重新驗(yàn)證。

研究海域地形復(fù)雜，對該海域波浪的精確模擬離不開高精度的水深地形資料。本文模型所用水深來自“908”專項(xiàng)以及國家海洋公益性項(xiàng)目《蘇北淺灘“怪潮”災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究及示范應(yīng)用》進(jìn)行的高精度測量1:5000和1:10000的水深數(shù)據(jù)，長江口臨近海域采用2009年實(shí)測，外海海域采用ETOPO全球1′×1′水深數(shù)據(jù)。模型局部水深如圖1c所示，從圖中可看出，水深地形資料對該海域的地形刻畫得比較精細(xì)。

3　海浪模擬分析

3.1冷空氣過程模擬分析

該海域淺水浮標(biāo)（洋口港，地理位置如圖1c）從2012年夏季開始進(jìn)行觀測，本文選擇兩年來較強(qiáng)的一次冷空氣過程進(jìn)行模擬。冷空氣模擬時(shí)間為2012年12月27日8時(shí)—2012年12月31日0時(shí)，農(nóng)歷時(shí)間為11月15日—11月19日，處于天文大潮期間。

為了分別考慮潮位和潮流對波浪的不同影響程度，將波浪模擬分為4種：不考慮潮位潮流影響、單獨(dú)考慮潮位影響、單獨(dú)考慮潮流影響以及綜合考慮潮位潮流影響，將4種模擬與實(shí)測進(jìn)行對比并分析。

圖1　計(jì)算網(wǎng)格及研究區(qū)域

圖2　洋口港浮標(biāo)冷空氣過程不同要素圖

圖2為洋口港的對比圖，洋口港浮標(biāo)處水深為10 m，周圍地形復(fù)雜，除了東邊水深較深外，其余周邊都是沙脊，水深較淺，波浪傳播影響因素復(fù)雜。為了減少初始狀態(tài)的影響，只分析12月28 日20:00以后的結(jié)果。有效波高的模擬值與實(shí)測值變化趨勢基本保持一致。此次波浪過程模擬基本反映了冷空氣影響前期、中期的海浪變化，但在冷空氣活動(dòng)末期，模擬效果較差，這與周兆黎等[17]的研究結(jié)論是一致的，并且波浪衰減較慢。

圖2a顯示該點(diǎn)潮位對波高的演化過程影響很大，而潮流的影響較小。在潮位影響下，波高具有明顯的潮周期性起伏，高潮位下波浪增大，低潮位下波浪減小。由于該點(diǎn)周圍水深較淺，波浪的發(fā)展嚴(yán)重地受到水深的限制，水深的增加減少了底摩擦耗散，可以產(chǎn)生更大的波浪。在實(shí)測波高峰值處，該時(shí)刻潮位較高，考慮潮位后，模擬值與實(shí)測值吻合得更好，與不考慮潮位比較，波高可增加達(dá)0.3 m。在波高峰值處，潮位和潮流對波高的影響程度不同，雖然高潮位（見圖2d）使波高增大，但潮流的作用使波高減少，即潮位和潮流對波高的影響是相反的，互相抵消的；但由于潮流較?。ㄒ妶D2d），其影響更弱，相對來說潮位的影響更大，潮位和潮流對波高的效應(yīng)不能完全抵消，潮位和潮流總的影響使波高增大。冷空氣消亡階段，潮位和潮流對波高的影響更為明顯，考慮潮位和潮流的模擬波高與實(shí)測波高的變化趨勢非常一致，低潮位時(shí)，波高減少最多達(dá)0.3 m。圖2b顯示考慮潮位潮流后周期的變化規(guī)律與波高的變化規(guī)律是一致的，也是潮位占主導(dǎo)作用，也具有潮周期性起伏，考慮潮位潮流后周期的模擬更為合理，模擬趨勢與實(shí)測趨勢更為一致,最大差異可達(dá)0.9 s。從圖2c可以看出，考慮潮位潮流后波向（此處波向?yàn)榈芽栕鴺?biāo)系中的去向，東為零度，逆時(shí)針為正，北為90°）變化不大，最大差異約為10°，其中潮流的作用比潮位大，但沒有波高和波周期的類似潮周期變化規(guī)律。

圖3　冷空氣過程波要素空間分布圖（單位：m）

從圖2a中可看出，12月30日2時(shí)左右波浪波高最大，該時(shí)刻潮位也較高，潮位潮流影響最大，圖3a顯示該時(shí)刻波浪由北向南傳播，此時(shí)不同影響下波高空間差異分布如圖3b、圖3c和圖3d所示。從圖中可以看出，潮流和潮位對波浪的影響在不同區(qū)域存在差異性。各潮汐通道存在弱的負(fù)作用區(qū)域，波高稍微減少，一般減少0.1 m，最大減少達(dá)0.2 m，而由于潮位增高波高略有增加，潮汐通道雖然水深較深，但波浪傳播還受到周圍沙洲的影響，潮位高時(shí)，沙洲處波高增加，潮汐通道波高也會(huì)增加。除了北部一些潮汐通道特別是西洋通道外，潮位及潮流對波高的總的效應(yīng)是增加的，最大增加不超過0.3 m。淺灘沙脊處，潮流的影響很小，波高差異不超過0.1 m，潮位的影響是顯著的，高潮位時(shí)波高可增大0.4—0.8 m。而在沙洲外部海域，潮位影響不大，波高增大不超過0.1 m，相對而言潮流的影響稍大，一般波高增加不超過0.3 m。

3.2臺風(fēng)過程模擬分析

臺風(fēng)案例選取1210號臺風(fēng)“達(dá)維”，1210號臺風(fēng)在江蘇連云港登陸，臺風(fēng)路徑如圖4，移動(dòng)路徑為西北向，最強(qiáng)級別為臺風(fēng)級別。模擬時(shí)間為2012 年7月31日8時(shí)—2012年8月4日8時(shí)，農(nóng)歷時(shí)間為6月13日—6月17日，處于天文潮中大潮期。

此次臺風(fēng)過程中，8月2日中午離洋口港浮標(biāo)最近。從圖5a中可以看出，臺風(fēng)來臨前，波高慢慢增大，臺風(fēng)靠近，波高減小，臺風(fēng)遠(yuǎn)離后，波高又增加，較好地模擬了此次臺風(fēng)過程中波高的變化趨勢，但由于此次臺風(fēng)中心風(fēng)速低估了，嚴(yán)重地低估了最靠近臺風(fēng)期間的波浪。由于達(dá)維為登陸型臺風(fēng)，其登陸后強(qiáng)度慢慢減小，對研究海域的影響時(shí)間長，從圖5a和圖5b中可以更加明顯地看出波高和周期受潮的影響，具有典型的潮周期性，相對于潮流來說，仍然是潮位的影響更大，這與之前冷空氣得出的結(jié)論是一致的。高潮位時(shí)，波高最大增加0. 3 m，周期最大增加1.3 s。圖5c顯示潮位和潮流對波向的影響仍然是不大，最大差異約為20°，還是潮流占主導(dǎo)作用。

圖4　1210號臺風(fēng)“達(dá)維”路徑圖

圖5　洋口港浮標(biāo)臺風(fēng)過程不同要素圖

如圖5a所示，8月3日0時(shí)潮位潮流影響大，該時(shí)刻潮位高、潮流小（見圖5d），臺風(fēng)臨近登陸，圖6a顯示波浪由東向西傳播。為了節(jié)省篇幅這里僅討論潮位影響下的波浪場。從圖6b可以看出，以弶港為界，北部沙洲海域海浪受潮位影響顯著的區(qū)域明顯大于南部沙洲海域，而在冷空氣情況下南北差異并不明顯（見圖3c），這是輻射沙洲特殊的地形導(dǎo)致的。沙洲具有明顯的南北不對稱性，北部沙洲規(guī)模大，分布密集且較為連續(xù)，沙脊向東和東南方向延伸，延伸距離長，而南部沙洲規(guī)模小，分布較分散，沙脊向東和東南方向延伸，延伸距離較短[1]。此次臺風(fēng)期間，波浪從外海傳播（見圖6a），由于地形原因?qū)е卤辈坎ɡ撕纳⒍?，而南部波浪耗散少，故考慮高潮位，北部沙洲海域波高顯著增加的區(qū)域比南部沙洲海域大。但在冷空氣期間，風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，波浪由北向南傳播（見圖3a），南部沙洲海域波浪受到北部沙洲海域地形阻擋，波浪發(fā)展受到限制，考慮高潮位后，兩者差別不明顯。

圖6　臺風(fēng)過程波要素空間分布圖

4　結(jié)論

本文采用高精度實(shí)測地形數(shù)據(jù)，基于第三代近岸海浪模型SWAN，以WRF風(fēng)場為驅(qū)動(dòng)場，采用自嵌套的方法提供譜邊界條件，對蘇北輻射沙洲海域在一次冷空氣過程和臺風(fēng)過程作用下的波浪進(jìn)行了模擬。考慮到蘇北輻射沙洲海域潮動(dòng)力強(qiáng)，潮流模型選用已經(jīng)驗(yàn)證過的適用該海域的FVCOM模型，分析了潮位和潮流對該海域波浪的影響。本文所得出主要結(jié)論如下：

（1）在輻射沙洲這樣的強(qiáng)潮海域，為了得到更為準(zhǔn)確合理的波浪模擬結(jié)果，要考慮潮位和潮流的影響；

（2）沙洲處波高和波周期受潮位影響顯著，受潮流影響弱，具有潮周期起伏的特點(diǎn)，而波向受潮位潮流影響不顯著，其中潮流的作用比潮位大；

（3）對波高而言，潮汐通道處，潮流和潮位均有影響，西洋通道潮流影響大，而在沙洲外海，潮位影響很弱，相對來說潮流影響更大；

（4）考慮高潮位后，以弶港為界，南北輻射沙洲波高顯著增加的區(qū)域與波浪傳播方向有關(guān)：當(dāng)波浪由北向南傳播時(shí)，如在冷空氣影響下，南北差異不大；當(dāng)波浪由東向西傳播時(shí)，如在臺風(fēng)影響下，北部明顯大于南部。

致謝：感謝東海預(yù)報(bào)中心提供的計(jì)算資源和觀測數(shù)據(jù)。

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Numerical simulation and analysis of waves with tide and currents in the radial sandbanks

TANG Zhi-hua1, ZHENG Xiao-qin2, CAO Xiang-yu3, GU Yun-bi2, XIAO Wen-jun2, ZHANG Bei2
(1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098 China; 2. Forecast Centers of East China Sea, SOA, Shanghai 200081 China; 3. School of Business Administration, Hohai University, Changzhou 213022 China)

Abstract：Based on the third generation numerical wave model SWAN, using self-nested method to provide the spectral-type boundary, the process of wave caused by a cold air and typhoon in the radial sandbanks is simulated. Considering the strong hydrodynamic environment, the characteristics of wave influenced by changes of tide and current is analyzed in this area. The results show that, in the sandbanks, wave height and period are affected significantly by tide, and weakly by current, which have a tidal cycle. But wave direction is affected weakly both by tide and current. Considering the high tide level, demarcated by Jiang Port, the area of the south and north radial sandbanks, where wave height increases significantly, is related to wave direction. The difference of wave height is little when wave spreads from north to south. While wave spreads from east to west, the wave height in north area is significantly higher than that in south area.

Key words：radial sandbanks ; SWAN model; wave simulation; tide; current

通訊作者：鄭曉琴（1982-），女，工程師，碩士研究生，主要從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)研究。E-mail：christian1001@163.com

作者簡介：湯志華（1990-），男，碩士研究生，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：tangzhhu@163.com

基金項(xiàng)目：國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201405022-3）；上海市科委項(xiàng)目（14DZ1205204）

收稿日期：2014-09-11

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.004

中圖分類號：P731.22

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）02-0024-07