海平面上升对得克萨斯州风暴潮和近海岸海浪的影响 ——对景观和风暴特征的影响外文翻译资料

 2022-07-22 12:14:19

海平面上升对得克萨斯州风暴潮和近海岸海浪的影响

——对景观和风暴特征的影响

John Atkinson,Ph.D.1;Jane McKee Smith,Ph.D.,P.E.,M.ASCE2;and

Christopher Bender,Ph.D.,P.E.,M.ASCE3

摘要：海平面上升（SLR）估算的取值范围很大，但是绝大部分的估算结果都预测到了下个世纪海平面高度将会有一个显著的提升。本文运用经过验证的波浪-流体动力学耦合模型，研究SLR对风暴潮和近海岸波浪，包括沿海景观变化和风暴特征的影响。根据土地利用类型的不同，海浪模型和流体动力学模型都用于解释海水的底部摩擦，因此整个过程模型用于解释排除了更高的平均海平面高度的影响以外，与海平面上升有关的土地覆盖变化。对相同气候特征和运动轨迹但是分别登录在北岸和南岸的风暴进行模拟可以测试海岸特征是如何影响海平面上升造成的风暴潮和波浪效应。对模拟结果的分析可得出结论，风暴潮跟相对海平面上升（RSLR）的关系，受地理位置和风暴类型的复合影响。在北岸，淹没区域是随着海平面上升成线性增加的，而在相同的风暴模拟中，南岸淹没区域是跟北岸逐渐接近的。正如预想的那样，近海波浪结果表明实际相对海平面上升和扩大的风暴造成的更高水深，会造成更大的浪涌入陆地区域。针对得克萨斯的模拟结果，发现台风风速提升25%会近似造成相对海平面上升0.5m，这是根据淹没区域增加面积得到的。由于风暴强度，轨迹和当地地势对风暴潮的复杂影响，适用于所有地区的RSLR估算方法是不存在的，应该使用针对特定地区的电脑模型来评估沿海居住区所面对的风险。

CE数据库类别标题：海平面；风暴潮；洪水；得克萨斯州；飓风；近海岸环境；近岸水域；

作者关键字：海平面上升；风暴潮；波浪；洪水；土地覆盖；ADCIRC；WAM；STWVE；得克萨斯州；飓风

一、引入

历史上，沿海城市在全球海平面上升速率低的时期得以发展和兴旺，如今这些城市正面临着全球海平面上升和土地沉降造成的累积性影响。在上个世纪，验潮仪和人造卫星测量高程的结果都提出在全球范围内海平面已经逐渐上升了12-22cm，而且绝大部分研究表明上升速率孩子不断加快（Solomon 等，2007）。现如今，数百万人生活在洪水频发的区域，并且由于海平面上升，还要受到洪水增多的威胁。对于这些社区来说，最可靠，最可持续和最经济的策略就是提前做好预案并调整自身去适应这环境变化。成功的调整需要对未来潜在情形的理解和一个可靠且具有可操作性的估算未来洪水风险的工具。其中一种用于估算未来影响的工具就是计算机模拟，它将会被本文用来探究未来海平面上升可能会如何造成沿海岸洪水。海平面变化趋势在全球范围波动，因此本研究只着眼于得克萨斯州海岸。

最近发展的一个得克萨斯州沿岸水动力模型和波浪模型提供了本次调查的框架（如图1）。这些模型是在作为最近FEMA 水灾保险研究的一部分被发展和验证得到的。（FIS；Atkinson 等，2011）这些FEMA模型是用高精度地形数据，可获得的最精确的深测数据以及最新的地表覆盖数据集构建的，用来获得水文摩擦力参数。这些模型有效的模拟过数次历史上的飓风，因此其有效性是经过广泛验证的。其中两个用以验证的飓风是Ike和Gustav（2008），从这些飓风中收集的数据是空前的丰富。如此高质量的数据让水动力学模型和波浪模型可以准确的刻画近海水域和中尺度暗礁两种至关重要的因素的影响，估算飓风对得克萨斯州广阔的暗礁的影响。(Kennedy 等，2011; Dietrich 等，2011)应用这些高精确度、高分辨率且经过验证的计算机模型提供了一种有效的途径来探索海平面上升的影响。

对海平面上升的估算相当程度上依赖于过程和假设的确定（Solomon 等，2007）在本文的范畴，海平面上升包括全球海平面升降变化以及由地质运动造成的陆地或海底高程变化——将其统称为相对海平面变化（RSLR）。相对海平面变化对沿海环境的长期影响例如沼泽地区的退化和沙丘系统的恶化都会引发风暴潮和近岸浪更深入的侵入内陆，造成毁灭性的结果。根据本研究的目的，风暴潮被定义为由飓风引发的海水高度异常，是由风、浪和压力多重驱动的，但是不考虑浪的抬升和潮汐的影响。

二、先前的工作

由于美国的飓风气候和相对来说较浅平的海岸，海湾的沿岸非常容易受到风暴潮的危害。再加上气候变化（海平面上升和风暴加剧）和地面沉降，这种危害更加严重。Smith 等（2010）曾使用数值风暴潮模型ADCIRC和近海岸光谱波浪模型STWAVE估算路易斯安那州南部相对海平面上升对飓风波浪和波浪高度的影响。这些模型被应用于假想的0.0、0.5和1.0m飓风及相对海平面上升.在波浪最大的区域，相对海平面高度对水位的影响大致上呈线性相关（与相对海平面上升相同）。但是在有中等峰值波动的湿地和湿地前滩（2-3m），波动程度增加了1-3m（排除了相对海平面上升的影响之后）。由于相对海平面上升和波浪共同造成水深增加，波浪高度在浅滩区域显著增加。本研究显示波浪在平地、浅滩和湿地区域的传播效果对相对海平面上升的高度非常敏感。经证实在海湾沿岸(Wamsley 等， 2009)和北美洲的大西洋海岸波(Ratcliff and Smith 2011)浪等级和波浪高度对RSLR有同样的敏感度。

Mousavi等（2011）研究得克萨斯州中部海岸（靠近Corpus Christi）由气候变化引起的RSLR和飓风加剧，同样应用ADCIRC风暴潮模型，但是忽略了波浪和波浪增水。该研究发现60%-70%的洪水高程升高归结于RSLR，30%-40%可以归结于飓风加强。对于开阔海岸来说，波段受RSLR的影响是线性的（不高于相对海平面上升2cm）。在Corpus Christi海湾，这种对RSLR的响应减少和增加同时存在，但是差异依然很小。作者标注这种相关性归因于飓风增强引发的洪水可能比宽阔大陆架形成的区域特征更有说服力。

通过使用经验证的耦合波（STWAVE）和流体动力学（ADCIRC）模型，本研究调查了德克萨斯海岸风暴潮和近岸波浪的RSLR影响，包括沿海景观类型和风暴特征的变化。耦合的STWAVE / ADCIRC模型的应用允许对具有不同密度的风暴的波浪和风暴潮的数值模拟。 得克萨斯海岸在沿海特征方面有显着差异，路易斯安那州边界附近有一个宽阔浅浅的沿海架和低地形沿海地区。加尔维斯敦和玻利瓦尔半岛附近的这个地区与德克萨斯州/墨西哥边界附近地区的窄架和相对高海拔的沙丘形成鲜明对比。 这两个地区包括障碍岛屿，沿海入口和海湾。

这项研究对海平面上升进行了三个预测。为每个estinot;RSLR增加交配,景观特征进行修改,以近似RSLR对海岸植被的影响。波浪和流体动力学模型都是基于土地利用类型的底部摩擦，因此建模过程近似于SLR相关的土地覆被变化忽略了波浪和浪涌。另外，模型分别以0.0,0.25,0.5,1.0 m的RSLR作为基本条件和三个未来情景。对具有类似气象特征的风暴的模拟，以及在东北和西南沿海地区登陆的风暴，为研究沿海特征如何影响风暴的冲击和对增加的海平面上升的波动提供了一个基础。这种分析的独特之处在于：（1）将RSLR影响与狭窄和宽幅框架进行对比，（2）将所有浪涌产生过程（风，压力和波浪）与RSLR，飓风集约化和景观演变相结合 （粗糙度变化）。

三、模型系统

波浪模型

本研究采用ADCIRC非结构化沿海海洋循环模型来开发水面高程和水流。 该有限元模型通过二阶准确的高程和速度解决方案解决了深度综合浅水方程(Luettich and Westerink 2010; Westerink 等2008) 。在像ADCIRC这样的有限元模型中，三角形元素的顶点称为节点，所有空间可变参数都定义在节点位置。 在许多强制条件和位置上，ADCIRC模型的测试和验证已经证明了当应用于广泛的运动尺度时的准确和鲁棒的解决方案。 非结构化网格允许在特定兴趣区域的高网格分辨率，在模型域的其他区域具有较小的分辨率(Blain等. 1995)。对于进行的模拟，ADCIRC产生的水位在6天内，2天的模型旋转，2天的风和压力强迫，2天的风，压力和波浪强迫。在过去的两天中，在登陆之前和之后，在陆地上出现了波浪和海浪导致的水位变化。建模系统首先在没有波动的情况下开发了这种激增。波形模型则应用ADCIRC的水位和风量来模拟波浪变换和产生。在最后一步中，第二个ADCIRC模型模拟应用波浪模型中的波浪应力包括波浪引起的水位对浪涌的影响。该研究对德克萨斯北部和南部的登陆地点进行了四次风暴强度的模拟，其中四次施加了平均水位（0,0.25,0.5和1.0m的RSLR）。 在模拟中忽略了潮汐，以分离气象强制和RSLR的影响。 虽然潮汐被包括在历史事件的验证模拟中，但它们与本研究中的假设未来情景无关。

波浪模型

该研究应用了深水光谱波模型WAM（Komen等 1994）来研究墨西哥湾的波浪生成和传播。该模型解决了时间依赖的波动平衡方程，包括大气输入的源 - 汇项，非线性波浪相互作用，白皮书，底部摩擦和深度受限的波浪破坏。WAM模型应用于覆盖整个墨西哥湾的0.05°纬度网格，其频率为28（指数分布，其中fn 1 = 1.1times;fn和f0 = 0.031384）和24个方向箱（15°分辨率）。

为了估算近岸和内陆波浪，本研究以大约30m深的WAM波谱应用于STWAVE近岸光谱波生成和转换模型（Smith等 2001; Massey等2011）。 STWAVE模型解决了向后跟踪波光线的光谱作用平衡的稳态守恒。 STWAVE源术语包括风力输入，非线性波浪相互作用，白皮书，底部摩擦和冲浪区破坏。 该研究应用三个重叠的半平面STWAVE模型覆盖整个德克萨斯州沿岸（图2）。半平面模型允许波浪向海岸传播，这是开阔海岸附近最大涌流区域波浪方向的主要方向。两个嵌套的全平面STWAVE网格覆盖了Galveston和Corpus Christi Bays，以允许在这些主要海湾的海上导向的波浪。 所有STWAVE模型都应用了200m的空间分辨率， 光谱表示应用来自WAM的相同28个频率的5°方向分辨率。 从ADCIRC网格的插值允许开发STWAVE模型测深和底部摩擦系数，除了在STWAVE中应用的最小Manning n系数，等于0.03。 文章还比较了STWAVE模型结果与德克萨斯州沿海飓风Ike（肯尼迪等人2011年）收集的波浪数据和Biloxi沼泽对飓风古斯塔夫数据的验证（Dietrich等，2011）的STWAVE模型结果。Bender等 （2013）提供了不同底部摩擦设置的STWAVE模型结果与德克萨斯州海岸线附近飓风Ike的测量数据的比较（Kennedy et al。2011）的详细比较。

在暴风雨登陆期间约2天，以30分钟的时间增量应用STWAVE，结果的所有波高都是显着的波高。 对于每个RSLR场景，都应用了STWAVE，但在WAM模拟中忽略了RSLR。(在STWAVE界限,最大深度差异归因于RSLR将是3%,和峰值波长差异1%。)WAM和STWAVE都为模型源项应用了默认的公式。

模型的不确定性

许多模型参数和强制机制在RSLR建模结果中创造了不确定性。 不确定性的来源包括模型本身和输入参数的错误或不确定性，包括风，水深，摩擦系数和边界条件。 飓风卡特里娜和丽塔的ADCIRC RMS误差最大，分别为0.3和0.2 m（Bunya等，2010）。卡特里娜和丽塔沿岸唯一近海测量台的STWAVE RMS波高度误差分别为0.4和0.1m。 IPET（2007）调查了ADCIRC和STWAVE对卡特里娜飓风模型输入的敏感性。风速的增加和减少5％导致近岸波浪的最大变化为0.3〜0.6m，近岸波的变化为0.2〜0.3m。 卡特里娜飓风期间发生的钱德勒群岛的侵蚀（代表了不确定性），使近海地区的海浪激增了0.1-0.2m，但近岸海浪没有显着变化。 从卡特里娜前至卡特里娜后期（代表湿地损失）的底部摩擦系数的修正使近岸海浪升高高达0.3-0.5m，近岸波高达0.2m。 卡特里娜是比这个分析的模拟更为严重的风暴，所以误差和灵敏度分析为预期的不确定性提供了一个上限。 此外，本文的重点不是绝对浪潮和波幅，而是基数与RSLR情景之间的相对差异。

四、沿海特征，水位和风暴因素

选址

德克萨斯州海岸沿海，近岸和大陆架的特征有很大变化。 加尔维斯敦附近的东北海岸拥有一个宽阔的海上大陆架，附近有一个温和的近岸边坡，相对较小的沙丘，以及一个宽阔的沿海平原，其特征是大面积低海拔。 在德克萨斯州/路易斯安那州边界附近，宽大陆架上的600m深的轮廓在海上约275公里处发生。 得克萨斯州南部的海岸带有一个狭窄的大陆架，一个温和的海上斜坡，沿海的大部分沙丘都是重要的沙丘。 靠近德克萨斯州/墨西哥边界，600m深的轮廓距离近90公里。 海岸线两条横断面如图1所示。 图3并说明了德克萨斯北部和南部之间地势的差异。 北部横断面在加尔维斯敦附近，南部横断面在布朗斯维尔附近。

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