01 研究背景

颶風(fēng)艾克（現(xiàn)名“伊薩亞斯”）是于2008年9月13日在美國(guó)德克薩斯州加爾維斯頓登陸的4級(jí)颶風(fēng)。為了研究和推測(cè)艾克颶風(fēng)在通過海岸時(shí)造成的泥沙遷移和相關(guān)的海床形態(tài)動(dòng)力學(xué)變化，來自華霖富的工程師和研究者們利用水動(dòng)力通用仿真軟件的多模塊耦合實(shí)現(xiàn)了這一洋流-波浪-泥沙耦合仿真計(jì)算。

圖 1展示了颶風(fēng)艾克的風(fēng)暴軌跡和持續(xù)風(fēng)帶，在登陸時(shí)颶風(fēng)降級(jí)為強(qiáng)2級(jí)颶風(fēng)，其持續(xù)風(fēng)速為175km/h，最大持續(xù)風(fēng)速帶約為180公里。根據(jù)觀測(cè)，颶風(fēng)的峰值風(fēng)速出現(xiàn)在在加爾維斯頓以東，并向東一直延伸至路易斯安那州。

02 案例展示

為了模擬艾克颶風(fēng)經(jīng)過加爾維斯頓（Galveston）海岸線的過程，研究人員把研究區(qū)域擴(kuò)大至西方的貝城（Bay City）與東方的霍利海灘（Holly Beach），并向遠(yuǎn)海延伸至離岸100km處，海床最大深度可達(dá)約90m。為了提高結(jié)果精度，保證泥沙遷移規(guī)律的準(zhǔn)確性，研究人員建立的網(wǎng)格模型包括約47萬節(jié)點(diǎn)和93萬單元，并使近岸向遠(yuǎn)海的精度變化為4m-7km。

• 地形數(shù)據(jù)

模型的地形數(shù)據(jù)一部分源自美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（USACE）的模型，涵蓋了德克薩斯州面向海灣的海灘和匯入口沿岸，大致包括了離岸至水深10m的區(qū)域（約16.9km）；另一部分源自于GEBCO測(cè)深數(shù)據(jù)，用于擴(kuò)展遠(yuǎn)海處的模型數(shù)據(jù)。

• 潮汐數(shù)據(jù)

通過墨西哥灣的海洋模型（HYCOM+NCODA墨西哥灣1/25°再分析數(shù)據(jù)）中提取潮汐的高度和洋流，并利用二維線性插值法將海面高程、速度矢量分量（u,v）的逐小時(shí)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)插值，然后應(yīng)用于模型的邊界離岸（遠(yuǎn)海）節(jié)點(diǎn)。

• 波浪數(shù)據(jù)

使用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5波浪再分析數(shù)據(jù)集提供的跨0.5°（約30公里）逐小時(shí)波譜數(shù)據(jù)，將其作為邊界輸入波譜配置到TOMAWAC（水動(dòng)力通用仿真軟件的波浪模塊）中。

• 大氣數(shù)據(jù)

通過采集ECMWF的ERA5再分析數(shù)據(jù)集中的逐小時(shí)大氣壓值（平均海平面）和10m高風(fēng)速（空間精度0.25°），把風(fēng)場(chǎng)和壓力場(chǎng)的數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格模型上，從而在水動(dòng)力通用仿真計(jì)算中考慮風(fēng)帶來的影響。

• 河流數(shù)據(jù)

在研究區(qū)域內(nèi)，存在多條流入墨西哥灣的河流，而與颶風(fēng)相關(guān)的極端徑流事件已被證明會(huì)顯著地影響海灣中的流量。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的國(guó)家水資源信息系統(tǒng)（NWIS）所記錄的數(shù)據(jù)，如圖3所示，將其賦值到模型邊界處，實(shí)現(xiàn)颶風(fēng)期間河流徑流的模擬。

• 泥沙數(shù)據(jù)

模型采用了空間變化的粒徑分布和床層摩擦，海床由5種不同的泥沙類別組成：中等粉砂（30μm）、粗淤泥（70μm）、超細(xì)沙（125μm）、細(xì)砂（0.25mm）以及中砂（0.5mm）。此外，研究人員還設(shè)定諸如防波堤、碼頭和海堤結(jié)構(gòu)，粘土含量超過40%的區(qū)域以及最大速度超過1.5m/s的區(qū)域?yàn)椴豢汕治g區(qū)。

通過分布在不同點(diǎn)位的觀測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)，研究者們分別對(duì)波浪、水位、流速等參數(shù)進(jìn)行了校準(zhǔn)。將預(yù)測(cè)的潮汐高度、海流與波浪結(jié)果與颶風(fēng)艾克登陸期間成功采集的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比后，工程師們完成了對(duì)模型的驗(yàn)證，如圖4和圖5所示，模型能夠很好得預(yù)測(cè)颶風(fēng)帶來的影響。

03 研究結(jié)論

如圖6所示的颶風(fēng)艾克登陸期間的輸沙率云圖，這期間泥沙主要往加爾維斯頓灣（Galveston Bay）入口通道以東的陸上運(yùn)輸，而在通道以西，泥沙轉(zhuǎn)而從海岸向遠(yuǎn)海處輸送。

如下圖所展示的颶風(fēng)期間海床泥沙的侵蝕與沉積，在颶風(fēng)登陸期間，受到影響的多是東部的岸線，而西部岸線影響較小。由于颶風(fēng)穿過加爾維斯頓海灣入口，在區(qū)域東面產(chǎn)生了陸上風(fēng)，而在入口西面（圖中左側(cè)）則是近海風(fēng)，這些離岸風(fēng)降低了風(fēng)暴潮的高度，并且抑制了加爾維斯頓以西的海浪傳播，所以對(duì)西面海床的整體影響較少。

04 小結(jié)

本文介紹的模型旨在預(yù)測(cè)泥沙遷移路徑與大小，以及因颶風(fēng)艾克導(dǎo)致的德克薩斯州海岸線沿線的海床變化和環(huán)境影響。通過使用水動(dòng)力通用仿真軟件可以有效地建立模型并計(jì)算，與各觀測(cè)點(diǎn)的記錄數(shù)據(jù)對(duì)比后結(jié)果均顯示出良好的一致性，證明了軟件的可靠性。

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