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

1、對海岸及河口百至千年時間尺度的形態(tài)動力演變的數(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)雜性在于幾個方面：(1)缺乏涵蓋這一時間尺度的有效測量數(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)生的截斷誤差不斷積累和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度限制而不能直接應(yīng)用于百至千年時間尺度的模擬上；(3)海岸帶百至千年尺度的形態(tài)動力演變是一個非線性的多尺度問題，目前人們對影響海岸長周期演變的不同時間和

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)識還處在一個較低的水平。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)型海岸長周期形態(tài)動力演變的建模策略，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)分析和敏感性測試，以分析影響該研究區(qū)域形態(tài)演變的主要動力因素和物理過程并提煉出可作為邊界條件輸入到長周期數(shù)學(xué)模型計(jì)算中的代表性時間序列；(2)一個基于物理過程的多尺度高分辨率數(shù)學(xué)模型。
　　 由于缺乏涵蓋整個模擬尺度(百至千年)的實(shí)際測量的邊界條件，基于‘輸入約減'概念的代表性時間序

4、列為解決模型邊界輸入的問題提供了一個可行的方法。本文利用一系列統(tǒng)計(jì)分析方法對作為研究區(qū)域水體流動主要驅(qū)動力的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)時間序列以及風(fēng)暴潮條件。模型利用代表性時間序列計(jì)算出來的結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果相吻合，從而驗(yàn)證了代表性風(fēng)時間序列的有效性。代表性時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周期控制函數(shù)模塊，用于將實(shí)時計(jì)算結(jié)果延展到長時間尺度。
　　 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半島百至千年時間尺度的形態(tài)動力演變。Darss-Zingst半島是一個典型的波浪主導(dǎo)型沙壩島，自8

6、000 cal BP的海侵開始以來由分散的幾個小島逐步演變成今天的由一個內(nèi)湖和一個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)型海岸在長周期的氣候變化影響下的形態(tài)動力演變提供了一個理想的研究對象。模型首先應(yīng)用于后報(hindcast)Darss-Zingst半島在過去300年期間(1696-2000)的形態(tài)動力演變過程，模擬結(jié)果和測量結(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半島在百年時間

7、尺度上的形態(tài)動力演變是由不同時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Darss-Zingst半島未來300年的演變作了模擬，模型結(jié)果對加速的海平面上升和風(fēng)暴潮頻率的變化對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海岸形態(tài)動力

8、演變的影響程度。
　　 在對建模策略成功驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，作者所在的研究小組對Darss-Zingst半島在8000cal BP的古地形進(jìn)行了重建，并且對8000 cal BP至今的氣候變化進(jìn)行了模擬從而歸納出各個不同時期的代表性氣候變化時間序列。利用古地形作為初始地形和代表性氣候變化時間序列，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