波浪主導(dǎo)型海岸長(zhǎng)周期形態(tài)動(dòng)力演變的多尺度建模研究.pdf

1、對(duì)海岸及河口百至千年時(shí)間尺度的形態(tài)動(dòng)力演變的數(shù)值模擬研究至今依然是海岸研究中頗受關(guān)注但尚未解決的問題，其復(fù)雜性在于幾個(gè)方面：(1)缺乏涵蓋這一時(shí)間尺度的有效測(cè)量數(shù)據(jù)作為模型邊界輸入和驗(yàn)證；(2)大部分現(xiàn)有的基于物理過程的數(shù)值模型由于其求解的迭代過程中產(chǎn)生的截?cái)嗾`差不斷積累和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度限制而不能直接應(yīng)用于百至千年時(shí)間尺度的模擬上；(3)海岸帶百至千年尺度的形態(tài)動(dòng)力演變是一個(gè)非線性的多尺度問題，目前人們對(duì)影響海岸長(zhǎng)周期演變的不同時(shí)間和

2、空間尺度的物理過程以及這些過程之間的相互作用的認(rèn)識(shí)還處在一個(gè)較低的水平。在PRD-LTMM(Pearl River Delta-Long Term Morphodynamic Model)模型和SINCOS項(xiàng)目(Sinking Coasts-Geosphere，Ecosphere and Anthroposphere of the Holocene Southern BalticSea)所取得的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文提出了一套可用于模擬

3、波浪主導(dǎo)型海岸長(zhǎng)周期形態(tài)動(dòng)力演變的建模策略，并成功將其應(yīng)用于實(shí)際的海岸演變模擬中。此建模策略主要由兩部分組成：(1)對(duì)研究區(qū)域的水文及氣候數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和敏感性測(cè)試，以分析影響該研究區(qū)域形態(tài)演變的主要?jiǎng)恿σ蛩睾臀锢磉^程并提煉出可作為邊界條件輸入到長(zhǎng)周期數(shù)學(xué)模型計(jì)算中的代表性時(shí)間序列；(2)一個(gè)基于物理過程的多尺度高分辨率數(shù)學(xué)模型。
　　 由于缺乏涵蓋整個(gè)模擬尺度(百至千年)的實(shí)際測(cè)量的邊界條件，基于‘輸入約減'概念的代表性時(shí)間序

4、列為解決模型邊界輸入的問題提供了一個(gè)可行的方法。本文利用一系列統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)作為研究區(qū)域水體流動(dòng)主要驅(qū)動(dòng)力的50年歷史風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，提煉出具有不同分布特征的4類風(fēng)時(shí)間序列以及風(fēng)暴潮條件。模型利用代表性時(shí)間序列計(jì)算出來的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了代表性風(fēng)時(shí)間序列的有效性。代表性時(shí)間序列的生成不但解決了模型邊界輸入的問題，還縮減了模型計(jì)算(CPU)時(shí)間從而降低數(shù)值誤差。
　　 基于過程的多尺度高分辨率數(shù)學(xué)模型由9個(gè)功能

5、模塊構(gòu)成，其中2DH水流模塊，波浪模塊，底邊界層模塊，泥沙輸運(yùn)模塊，風(fēng)沙輸運(yùn)模塊、海崖侵蝕模塊以及近岸風(fēng)暴潮模塊用于計(jì)算實(shí)時(shí)物理過程；嵌入了約減技術(shù)和加速地形更新技術(shù)的地形更新模塊和長(zhǎng)周期控制函數(shù)模塊，用于將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果延展到長(zhǎng)時(shí)間尺度。
　　 整合后得到的模型結(jié)合一系列的應(yīng)用策略被用于模擬位于波羅的海南部的Darss-Zingst半島百至千年時(shí)間尺度的形態(tài)動(dòng)力演變。Darss-Zingst半島是一個(gè)典型的波浪主導(dǎo)型沙壩島，自8

6、000 cal BP的海侵開始以來由分散的幾個(gè)小島逐步演變成今天的由一個(gè)內(nèi)湖和一個(gè)外沙壩島組成的沙壩-瀉湖系統(tǒng)，其形成過程為研究波浪主導(dǎo)型海岸在長(zhǎng)周期的氣候變化影響下的形態(tài)動(dòng)力演變提供了一個(gè)理想的研究對(duì)象。模型首先應(yīng)用于后報(bào)(hindcast)Darss-Zingst半島在過去300年期間(1696-2000)的形態(tài)動(dòng)力演變過程，模擬結(jié)果和測(cè)量結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證了本文所提出的建模策略。模型結(jié)果揭示出Darss-Zingst半島在百年時(shí)間

7、尺度上的形態(tài)動(dòng)力演變是由不同時(shí)間及空間尺度的物理過程所主導(dǎo)。Darss和Hiddensee的海岸演變主要是由波浪及沿岸流的長(zhǎng)周期效應(yīng)所主導(dǎo)，而Zingst的海岸演變則是波浪及沿岸流的長(zhǎng)周期效應(yīng)以及風(fēng)暴潮的短周期效應(yīng)的共同結(jié)果。模型在基于不同的氣候演變情景下對(duì)Darss-Zingst半島未來300年的演變作了模擬，模型結(jié)果對(duì)加速的海平面上升和風(fēng)暴潮頻率的變化對(duì)半島演變的影響作了量化，從而揭示出不同氣候變化的假定下各種物理過程對(duì)海岸形態(tài)動(dòng)力

8、演變的影響程度。
　　 在對(duì)建模策略成功驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，作者所在的研究小組對(duì)Darss-Zingst半島在8000cal BP的古地形進(jìn)行了重建，并且對(duì)8000 cal BP至今的氣候變化進(jìn)行了模擬從而歸納出各個(gè)不同時(shí)期的代表性氣候變化時(shí)間序列。利用古地形作為初始地形和代表性氣候變化時(shí)間序列，模型應(yīng)用于模擬Darss-Zingst半島8000 cal BP至今的形成及形態(tài)動(dòng)力演變過程，得到一系列令人振奮的結(jié)果。模擬結(jié)果表明，Dar