潮汐和潮流影响下苏北辐射沙洲海域波浪模拟分析

汤志华，郑晓琴，曹翔宇，顾云碧，肖文军，张蓓

(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098; 2.国家海洋局东海预报中心，上海200081; 3.河海大学企业管理学院，江苏常州213022 )



潮汐和潮流影响下苏北辐射沙洲海域波浪模拟分析

汤志华1，郑晓琴2，曹翔宇3，顾云碧2，肖文军2，张蓓2

(1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098; 2.国家海洋局东海预报中心，上海200081; 3.河海大学企业管理学院，江苏常州213022 )

摘要：基于第三代海浪模型SWAN，采用自嵌套的方法提供谱边界条件，对影响苏北辐射沙洲海域的一次冷空气过程和一次台风过程作用下的波浪进行了模拟。考虑到沙洲海域强潮水动力环境，分析了潮位和潮流的变化对该海域波浪的影响。结果表明，沙洲处波高和波周期受潮位影响显著，受潮流影响弱，具有潮周期起伏的特点，而波向受潮位潮流影响不显著；考虑高潮位后，以弶港为界，南北辐射沙洲波高显著增加的区域与波浪传播方向有关：波浪由北向南传播，相差不大，波浪由东向西传播，北部明显大于南部。

关键词：辐射沙洲；SWAN模型；波浪模拟；潮位；潮流

1　引言

辐射沙洲位于射阳河口至长江口北岸近岸浅水区，南北延伸200 km，东西横跨90 km，由70多条沙脊和分布其间的潮流通道组成的。各条沙脊高低不等，形态各异，沙脊之间有深槽相隔，深槽坡陡水深各沙脊大小不等，宽窄不一，地形极其复杂。辐射沙洲为江苏省发展提供了潜在的后备土地资源，适合发展大农业、旅游业、港口运输业、风电场产业和围垦造陆等[1]。波浪作为辐射沙洲区域的主要海岸动力之一，在塑造独特的辐射沙脊地形方面起着至关重要的作用[2]。在江苏沿海大开发的背景下，研究该海域的波浪特征对海洋资源的开发利用以及沿岸的经济建设具有重要的意义。

在海浪模拟中，对台风浪的模拟尤为重视，台风浪的破坏性众所周知，不少学者进行了研究[3-5]，但冷空气风浪往往被轻视。研究表明冷空气带来的大浪往往具有严重的破坏性，且台风浪的频率远不如冷空气出现的频率高[6]。冷空气浪数值模拟相对于台风浪数值模拟较少。周兆黎等[7]曾利用WW3模式对影响南海的三次冷空气过程进行过模拟，发现在冷空气活动末期以及近岸地区，模拟效果略偏差一些，但误差仍在可接受的范围内。

辐射沙洲海域的波浪模拟也有不少研究。邱桔斐[8]通过第三代浅水波浪数值模型SWAN模拟江苏沿海风浪场，并对其特征进行分析研究；陈波等[9]采用SWAN模型对江苏如东附近海域风浪场进行了数学模拟，并分析了SWAN模型在该海域风浪场模拟方面的适用性；杨耀中等[10]利用波浪折射绕射模型模拟了苏北辐射沙洲区的波浪传播变形过程；李杰等[11]利用风浪谱模型对苏北辐射沙洲海域波浪的传播过程进行数值模拟。这些研究对于了解苏北辐射沙洲区的波浪特征是很重要的，但依然有需要进一步研究的地方，主要为：苏北辐射沙洲区属于强潮海域，潮差大，潮流强，潮波属正规半日潮型，受太平洋前进潮波系统和南黄海旋转潮波系统的控制，形成以弶港为中心的辐射状潮流场，弶港附近岸边出现特大潮差[2]。辐射沙洲外部海域主要表现为旋转流特征，越往沙洲中心区域，往复性增强。各潮汐通道内涨落潮流沿着水道方向作定向往复运动，越靠近辐射沙洲顶部，往复性越明显，在强天气过程影响下，考虑潮汐潮流的影响下的波浪场模拟的研究较少。实际上，在有较强潮流存在的海岸河口水域,流场对波浪场的影响是不容忽视的[12]。肖文军等[13]考虑潮汐和流影响进行了长江口波浪场数值计算，王彪等[14]进行了长兴岛海区波流相互作用数值模拟研究，这些均表明考虑潮影响的波浪模拟效果更好；另一方面，苏北辐射沙洲区地形复杂，已有的研究缺乏精细的水深地形资料，难以准确模拟刻画该海域的波浪特征。

本文采用高精度实测地形数据，基于物理过程考虑较为全面的第三代海浪数值模式SWAN，以WRF风场为驱动场，采用自嵌套方法，对袭击苏北辐射沙洲海域的一次冷空气过程和台风过程引起的海浪进行了数值模拟研究。考虑到沙洲海域强潮水动力环境，分析了潮位和潮流对该海域波浪的影响。

2　模型设置

海浪模型采用近年来广泛使用的第三代近岸海洋数值模型SWAN。在有水流影响时，波能密度不守恒但波作用量守恒，SWAN模型采用动谱平衡方程[15]作为描述海浪的控制方程，并且采用无结构网格[16]，能很好地拟合复杂的岸线地形，在潮流、地形、风场等复杂环境影响下，仍能准确地模拟出波浪场。在波浪向近岸传播的过程中，近岸波浪场复杂多变，影响因素复杂，如折射绕射、浅水变形、波浪破碎和波流相互作用等现象，SWAN模型在缓坡方程模型的基础上，采用相位平均的方法加入绕射作用，使得模式在浅水海域的计算精度得以提高。有关SWAN模型进一步详细的介绍，可参考文献[15]。

本文SWAN模型采用大小区域嵌套：大区域如图1a，计算范围为115°—134°E，16°—41°N，包括29193个计算节点，15423个三角形；小区域网格如图1b，包括了整个江苏沿海海域、部分山东沿海海域以及长江口、杭州湾附近海域，外海空间分辨率最大，在苏北辐射沙洲海域进行局部加密处理，其网格分辨率约为300—700 m，最高空间分辨率为100 m左右，三角形个数为114166，网格点数为57892个。模型采用球坐标系下的非定常模式，大区域为小区域提供波浪谱边界条件，频率从0.041—1 Hz，以对数分布划分为60个；方向的分段为72个，分辨率为5°。模式初始条件选择由计算时刻的风场和JONSWAP经验公式[17]给定的模式，时间步长为10 min。考虑底摩阻、三相波非线性相互作用、四相波非线性相互作用、波浪破碎和波浪绕射等物理过程的影响，参数的设置为默认值。风场模型采用中尺度大气模式WRF，由东海预报中心提供，时间分辨率为1 h。

天文潮模型选用FVCOM模型。FVCOM是无结构网格的、有限体积的、三维原始方程的海洋模式。模型方程包括动量方程、连续方程、温盐守恒方程以及状态方程，通过采用耦合了Mellor 和Yamada的2.5阶湍封闭模型来对方程进行封闭。水平方向上三角网格，而在垂向上采用的是σ坐标，为了节省计算机机时，其采用内外模态交替计算的方法。关于模型的详细介绍和设置详见文献[18]，本文的潮流模型结果是基于文献[18]的研究成果，由于文献[18]已经对其做过详细的验证，本文不再重新验证。

研究海域地形复杂，对该海域波浪的精确模拟离不开高精度的水深地形资料。本文模型所用水深来自“908”专项以及国家海洋公益性项目《苏北浅滩“怪潮”灾害监测预警关键技术研究及示范应用》进行的高精度测量1:5000和1:10000的水深数据，长江口临近海域采用2009年实测，外海海域采用ETOPO全球1′×1′水深数据。模型局部水深如图1c所示，从图中可看出，水深地形资料对该海域的地形刻画得比较精细。

3　海浪模拟分析

3.1冷空气过程模拟分析

该海域浅水浮标（洋口港，地理位置如图1c）从2012年夏季开始进行观测，本文选择两年来较强的一次冷空气过程进行模拟。冷空气模拟时间为2012年12月27日8时—2012年12月31日0时，农历时间为11月15日—11月19日，处于天文大潮期间。

为了分别考虑潮位和潮流对波浪的不同影响程度，将波浪模拟分为4种：不考虑潮位潮流影响、单独考虑潮位影响、单独考虑潮流影响以及综合考虑潮位潮流影响，将4种模拟与实测进行对比并分析。

图1　计算网格及研究区域

图2　洋口港浮标冷空气过程不同要素图

图2为洋口港的对比图，洋口港浮标处水深为10 m，周围地形复杂，除了东边水深较深外，其余周边都是沙脊，水深较浅，波浪传播影响因素复杂。为了减少初始状态的影响，只分析12月28 日20:00以后的结果。有效波高的模拟值与实测值变化趋势基本保持一致。此次波浪过程模拟基本反映了冷空气影响前期、中期的海浪变化，但在冷空气活动末期，模拟效果较差，这与周兆黎等[17]的研究结论是一致的，并且波浪衰减较慢。

图2a显示该点潮位对波高的演化过程影响很大，而潮流的影响较小。在潮位影响下，波高具有明显的潮周期性起伏，高潮位下波浪增大，低潮位下波浪减小。由于该点周围水深较浅，波浪的发展严重地受到水深的限制，水深的增加减少了底摩擦耗散，可以产生更大的波浪。在实测波高峰值处，该时刻潮位较高，考虑潮位后，模拟值与实测值吻合得更好，与不考虑潮位比较，波高可增加达0.3 m。在波高峰值处，潮位和潮流对波高的影响程度不同，虽然高潮位（见图2d）使波高增大，但潮流的作用使波高减少，即潮位和潮流对波高的影响是相反的，互相抵消的；但由于潮流较小（见图2d），其影响更弱，相对来说潮位的影响更大，潮位和潮流对波高的效应不能完全抵消，潮位和潮流总的影响使波高增大。冷空气消亡阶段，潮位和潮流对波高的影响更为明显，考虑潮位和潮流的模拟波高与实测波高的变化趋势非常一致，低潮位时，波高减少最多达0.3 m。图2b显示考虑潮位潮流后周期的变化规律与波高的变化规律是一致的，也是潮位占主导作用，也具有潮周期性起伏，考虑潮位潮流后周期的模拟更为合理，模拟趋势与实测趋势更为一致,最大差异可达0.9 s。从图2c可以看出，考虑潮位潮流后波向（此处波向为笛卡尔坐标系中的去向，东为零度，逆时针为正，北为90°）变化不大，最大差异约为10°，其中潮流的作用比潮位大，但没有波高和波周期的类似潮周期变化规律。

图3　冷空气过程波要素空间分布图（单位：m）

从图2a中可看出，12月30日2时左右波浪波高最大，该时刻潮位也较高，潮位潮流影响最大，图3a显示该时刻波浪由北向南传播，此时不同影响下波高空间差异分布如图3b、图3c和图3d所示。从图中可以看出，潮流和潮位对波浪的影响在不同区域存在差异性。各潮汐通道存在弱的负作用区域，波高稍微减少，一般减少0.1 m，最大减少达0.2 m，而由于潮位增高波高略有增加，潮汐通道虽然水深较深，但波浪传播还受到周围沙洲的影响，潮位高时，沙洲处波高增加，潮汐通道波高也会增加。除了北部一些潮汐通道特别是西洋通道外，潮位及潮流对波高的总的效应是增加的，最大增加不超过0.3 m。浅滩沙脊处，潮流的影响很小，波高差异不超过0.1 m，潮位的影响是显著的，高潮位时波高可增大0.4—0.8 m。而在沙洲外部海域，潮位影响不大，波高增大不超过0.1 m，相对而言潮流的影响稍大，一般波高增加不超过0.3 m。

3.2台风过程模拟分析

台风案例选取1210号台风“达维”，1210号台风在江苏连云港登陆，台风路径如图4，移动路径为西北向，最强级别为台风级别。模拟时间为2012 年7月31日8时—2012年8月4日8时，农历时间为6月13日—6月17日，处于天文潮中大潮期。

此次台风过程中，8月2日中午离洋口港浮标最近。从图5a中可以看出，台风来临前，波高慢慢增大，台风靠近，波高减小，台风远离后，波高又增加，较好地模拟了此次台风过程中波高的变化趋势，但由于此次台风中心风速低估了，严重地低估了最靠近台风期间的波浪。由于达维为登陆型台风，其登陆后强度慢慢减小，对研究海域的影响时间长，从图5a和图5b中可以更加明显地看出波高和周期受潮的影响，具有典型的潮周期性，相对于潮流来说，仍然是潮位的影响更大，这与之前冷空气得出的结论是一致的。高潮位时，波高最大增加0. 3 m，周期最大增加1.3 s。图5c显示潮位和潮流对波向的影响仍然是不大，最大差异约为20°，还是潮流占主导作用。

图4　1210号台风“达维”路径图

图5　洋口港浮标台风过程不同要素图

如图5a所示，8月3日0时潮位潮流影响大，该时刻潮位高、潮流小（见图5d），台风临近登陆，图6a显示波浪由东向西传播。为了节省篇幅这里仅讨论潮位影响下的波浪场。从图6b可以看出，以弶港为界，北部沙洲海域海浪受潮位影响显著的区域明显大于南部沙洲海域，而在冷空气情况下南北差异并不明显（见图3c），这是辐射沙洲特殊的地形导致的。沙洲具有明显的南北不对称性，北部沙洲规模大，分布密集且较为连续，沙脊向东和东南方向延伸，延伸距离长，而南部沙洲规模小，分布较分散，沙脊向东和东南方向延伸，延伸距离较短[1]。此次台风期间，波浪从外海传播（见图6a），由于地形原因导致北部波浪耗散多，而南部波浪耗散少，故考虑高潮位，北部沙洲海域波高显著增加的区域比南部沙洲海域大。但在冷空气期间，风向为偏北风，波浪由北向南传播（见图3a），南部沙洲海域波浪受到北部沙洲海域地形阻挡，波浪发展受到限制，考虑高潮位后，两者差别不明显。

图6　台风过程波要素空间分布图

4　结论

本文采用高精度实测地形数据，基于第三代近岸海浪模型SWAN，以WRF风场为驱动场，采用自嵌套的方法提供谱边界条件，对苏北辐射沙洲海域在一次冷空气过程和台风过程作用下的波浪进行了模拟。考虑到苏北辐射沙洲海域潮动力强，潮流模型选用已经验证过的适用该海域的FVCOM模型，分析了潮位和潮流对该海域波浪的影响。本文所得出主要结论如下：

（1）在辐射沙洲这样的强潮海域，为了得到更为准确合理的波浪模拟结果，要考虑潮位和潮流的影响；

（2）沙洲处波高和波周期受潮位影响显著，受潮流影响弱，具有潮周期起伏的特点，而波向受潮位潮流影响不显著，其中潮流的作用比潮位大；

（3）对波高而言，潮汐通道处，潮流和潮位均有影响，西洋通道潮流影响大，而在沙洲外海，潮位影响很弱，相对来说潮流影响更大；

（4）考虑高潮位后，以弶港为界，南北辐射沙洲波高显著增加的区域与波浪传播方向有关：当波浪由北向南传播时，如在冷空气影响下，南北差异不大；当波浪由东向西传播时，如在台风影响下，北部明显大于南部。

致谢：感谢东海预报中心提供的计算资源和观测数据。

参考文献：

[1]李孟国.辐射沙洲研究开发的进展[J].水道港口, 2011, 32(4): 229-243.

[2]张东生,张君伦,张长宽,等.潮流塑造-风暴破坏-潮流恢复-试释黄海海底辐射沙脊群形成演变的动力机制[J].中国科学(D 辑), 1998, 28(5): 394-402.

[3]胡克林,丁平兴,朱首贤,等.长江口附近海域台风浪的数值模拟——以鹿沙台风和森拉克台风为例[J].海洋学报,2004,26(5):23-33.

[4] Ou S-H, Liau J-M, Hsu T-W, et al. Simulating typhoon waves by SWAN wave model in coastal waters of Taiwan [J]. Ocean Engineering, 2002, 29(8): 947-971.

[5]徐福敏,黄云峰,宋志尧.东中国海至长江口海域台风浪特性的数值模拟研究[J].水动力学研究与进展, 2010, 23(6): 604-607.

[6] Zheng C W, Zhuang H, Li X, et al. Wind energy and wave energy resources assessment in the East China Sea and South China Sea [J]. Science China Technological Sciences, 2012, 55(1): 163-173.

[7]周兆黎,杨显宇. WWATCHⅢ模式模拟南海冷空气过程海浪场的有效性检验[J].热带海洋学报, 2008, 27(2): 1-6.

[8]杨耀中,冯卫兵.南黄海辐射沙脊群波浪场数值模拟[J].河海大学学报(自然科学版), 2010, 38(4): 457-461.

[9]邱桔斐.江苏沿海风、浪特征研究[D].南京:河海大学, 2005.

[10]陈波,蒋昌波,陈汉宝.江苏如东附近海域风浪场的数值模拟[J].水运工程, 2007(1): 20-24.

[11]李杰,袁建忠.风浪谱模型在苏北辐射沙洲海域的应用研究[J].水利经济, 2012, 30(4): 53-56.

[12]徐福敏,张长宽,茅丽华,等.一种浅水波浪数值模型的应用研究[J].水动力学研究与进展, 2000, 15(4): 429-434.

[13]肖文军,丁平兴,胡克林.潮汐和流影响下长江口波浪场数值计算[J].海洋工程, 2008, 26(4): 45-52.

[14]王彪,沈永明,王亮.长兴岛海区波流相互作用数值模拟研究[J].海洋工程, 2012, 30(3): 87-96.

[15] Booij N, Ris R C, Hojthuijsen L H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. Model description and validation[J]. Journal of Geophysical Research, 1999, 104(C4): 7649-7666.

[16] Zijlema M. Computation of wind-wave spectra in coastal waters with SWAN on unstructured grids[J]. Coastal Engineering, 2010, 57(3): 267-277.

[17] Hasselmann K, Barnett T P, Bouws E, et al. Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP) [J]. Deutches Hydrographisches Zeitschrift, 1973, 8(12): 1-95.

[18]张蓓.苏北辐射沙洲海域潮波及风暴增水特征研究[D].南京:河海大学, 2012.

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

通讯作者：郑晓琴（1982-），女，工程师，硕士研究生，主要从事海洋环境预报研究。E-mail：christian1001@163.com

作者简介：汤志华（1990-），男，硕士研究生，主要从事河口海岸动力学研究。E-mail：tangzhhu@163.com

基金项目：国家海洋局海洋公益性行业科研专项（201405022-3）；上海市科委项目（14DZ1205204）

收稿日期：2014-09-11

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.02.004

中图分类号：P731.22

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）02-0024-07