01 研究背景

颶風艾克（現名“伊薩亞斯”）是于2008年9月13日在美國德克薩斯州加爾維斯頓登陸的4級颶風。為了研究和推測艾克颶風在通過海岸時造成的泥沙遷移和相關的海床形態動力學變化，來自華霖富的工程師和研究者們利用水動力通用仿真軟件的多模塊耦合實現了這一洋流-波浪-泥沙耦合仿真計算。

圖1 由美國國家颶風中心的HURDAT2數據集展示的颶風艾克的風暴軌跡與風帶

圖 1展示了颶風艾克的風暴軌跡和持續風帶，在登陸時颶風降級為強2級颶風，其持續風速為175km/h，最大持續風速帶約為180公里。根據觀測，颶風的峰值風速出現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

為了模擬艾克颶風經過加爾維斯頓（Galveston）海岸線的過程，研究人員把研究區域擴大至西方的貝城（Bay City）與東方的霍利海灘（Holly Beach），并向遠海延伸至離岸100km處，海床最大深度可達約90m。為了提高結果精度，保證泥沙遷移規律的準確性，研究人員建立的網格模型包括約47萬節點和93萬單元，并使近岸向遠海的精度變化為4m-7km。

圖 2 研究區域水深模型及勘測點位：潮位（粉色）潮流（橙色）波浪（綠色）洪泛（黃色）

• 地形數據

模型的地形數據一部分源自美國陸軍工程兵團（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的區域（約16.9km）；另一部分源自于GEBCO測深數據，用于擴展遠海處的模型數據。

• 潮汐數據

通過墨西哥灣的海洋模型（HYCOM+NCODA墨西哥灣1/25°再分析數據）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）的逐小時預測數據插值，然后應用于模型的邊界離岸（遠海）節點。

• 波浪數據

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

• 大氣數據

通過采集ECMWF的ERA5再分析數據集中的逐小時大氣壓值（平均海平面）和10m高風速（空間精度0.25°），把風場和壓力場的數據插值到網格模型上，從而在水動力通用仿真計算中考慮風帶來的影響。

• 河流數據

在研究區域內，存在多條流入墨西哥灣的河流，而與颶風相關的極端徑流事件已被證明會顯著地影響海灣中的流量。根據美國地質調查局的國家水資源信息系統（NWIS）所記錄的數據，如圖3所示，將其賦值到模型邊界處，實現颶風期間河流徑流的模擬。

圖 3 颶風期間模型內6條主干河流的流量

• 泥沙數據

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）、超細沙（125μm）、細砂（0.25mm）以及中砂（0.5mm）。此外，研究人員還設定諸如防波堤、碼頭和海堤結構，粘土含量超過40%的區域以及最大速度超過1.5m/s的區域為不可侵蝕區。

通過分布在不同點位的觀測和測量數據，研究者們分別對波浪、水位、流速等參數進行了校準。將預測的潮汐高度、海流與波浪結果與颶風艾克登陸期間成功采集的數據結果對比后，工程師們完成了對模型的驗證，如圖4和圖5所示，模型能夠很好得預測颶風帶來的影響。

圖 4 在TCOON點位的模型計算和實測結果的對比圖圖 5 在NDBC點位的模型計算和實測結果的對比圖

03 研究結論

如圖6所示的颶風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輸，而在通道以西，泥沙轉而從海岸向遠海處輸送。

圖 6 2008年9月13日07時颶風艾克登陸期間的輸沙速率

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

圖 7 颶風艾克期間預測的海床底部形貌變化（紅色-泥沙沉積，藍色-泥沙侵蝕）

04 小結

本文介紹的模型旨在預測泥沙遷移路徑與大小，以及因颶風艾克導致的德克薩斯州海岸線沿線的海床變化和環境影響。通過使用水動力通用仿真軟件可以有效地建立模型并計算，與各觀測點的記錄數據對比后結果均顯示出良好的一致性，證明了軟件的可靠性。

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