植被型生态海岸对台风风暴潮灾害防护效应的数值模拟

【摘要】：中国沿海地区经常发生风暴潮灾害,直接影响着沿海城市百姓的生命财产安全。《中国海洋公报》显示在中国,近20年间由风暴潮灾害造成的直接经济损失始终位居海洋灾害之首。渤海海域是我国纬度最高的内海,由于其特殊的地理位置,渤海不仅遭受寒潮风暴潮的影响,而且还常受到北上的台风风暴潮的影响。随着计算机的进步与数值模型的发展,采用数值模拟手段进行风暴潮灾害相关研究是成本较低、模拟结果较准的一种便捷的方式。目前风暴潮方面的研究情况是二维较多,三维较少;单向耦合较多,双向耦合较少;纯风暴潮研究较多,寻找防灾措施较少。辽河口海域位于渤海的最北端,其近岸具有大片湿地,且长有多种盐碱地植被,广泛分布于滩涂的盐碱地植物在保护滩涂侵蚀、减轻极端风暴潮危害方面发挥着重要作用。因此,构建我国北方海域风暴潮数值模型研究湿地植被对风暴潮过境期间的抵御作用,对于物理海洋学及海洋防灾减灾研究均具有重要的意义。在本文的研究中,首先基于FVCOM-SWAVE三维波流耦合数值模型,采用Jelesnianski参数化风场与再分析数据集ECMWF风场数据叠加,形成的合成风场作为外界驱动力,建立了黄渤海风暴潮模型,模拟了8509号台风Mimie、9711号台风Winnie、0509号台风Matsa和1818号台风Rumbia过境期间的潮位、潮流、波高,分析上述台风在北黄海海域和渤海海域引起的风暴潮增减水及波浪的生长与消减过程。将FVCOM模型模拟结果与实测数据进行比对,研究结果表明:合成风场得到的风速最大值及出现时刻与实测数据符合较好,合成风场结果较为合理,能够为模拟波流耦合机制下海域水动力变化提供准确的风场条件;几个测站的风暴潮增水模拟结果与实测数据较为吻合,FVCOM-SWAVE耦合系统合理地再现了台风在黄渤海引发的风暴潮增水以及台风浪过程。此外,计算结果显示“温比亚”期间黄渤海海域最大有效波高分布于台风中心外围,且位于台风前进方向上,波浪最大有效波高值与台风强度有关;在台风过境期间,波流相互作用对近岸海域流速的垂向分布具有一定影响,考虑波流相互作用可有效提高台风风暴潮数值模拟精度。其次,在N-S方程和湍流方程中加入一个源项,来表达盐沼植物对水流的阻力作用。使用模型对理想植被海滩的水动力过程进行模拟,结果显示:FVCOM模型模拟结果与文献结果吻合,这表明在FVCOM模型中加入植被项来模拟植被与水流的交互是合理可靠的,该模型可以用于研究风暴潮过境期间辽河口湿地植被与水动力的相互作用机制。辽河口潮滩湿地最典型的盐沼植被为碱蓬和芦苇,本文采用决策树分类方法,根据卫星遥感图像获得辽河口区域盐沼植物的空间分布,并将植被空间位置反映至研究区域内的非结构化网格上。在研究中,通过野外实测调查确定盐沼植被高度、植被宽度、植被密度等参数。模拟结果表明,辽河口湿地的碱蓬与芦苇均可以减少植被区的流速,碱蓬、芦苇植被区流速最大衰减率分别为61.46%、82.56%,芦苇对潮流流速具有更大的衰减作用,因此在辽河口,上述两种盐沼植被能够有效地减弱风暴潮的潜在威胁。此外,辽河口潮间带的盐沼植物明显改变了涨潮和退潮的速度分布,它们会进一步影响沿海地区的泥沙侵蚀和沉积。再者,过境台风使研究区域出现潮位发生变化,其也会改变湿地植被区的流场、淹没时间和淹没深度,从而间接改变潮汐湿地植被的生长环境。上述研究结果有助于进一步了解湿地植物对渤海热带气旋产生的增减水与近海水动力的综合影响。