气候变化对珊瑚岸礁波浪爬坡影响的数值模拟研究

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近年来,国内外学者对珊瑚岸礁区域的台风浪和海啸波等波浪灾害及其致灾机制进行了深入研究。然而,在全球气候变暖的背景下,海平面上升、海水温度上升、极端天气多发等可预见的气候变化问题将直接改变珊瑚礁的水动力环境,进而增加了波浪灾害的不确定性。本文基于经过物理模型试验数据验证后的Boussinesq数值模型Funwave-TVD系统研究了气候变化对珊瑚岸礁波浪爬坡的影响,所得结果可为珊瑚岸礁面对不同气候变化问题时波浪灾害的预防、工程设计、改进和维护等提供一定的借鉴。本文主要研究的内容及结果如下:
  1.开展珊瑚岸礁孤立波和不规则波传播与爬坡的物理模型试验,所得实验数据用于验证本研究数值模型的可靠性,并为后续数值实验确定网格精度。结果显示,选取合适的网格尺寸,本文模型可合理地模拟珊瑚岸礁地形上孤立波和不规则波传播和爬坡过程。相比岸礁上孤立波传播预测,网格尺寸对孤立波爬坡预测的准确性更为敏感。对于相对淹没率小的不规则波工况,本文模型能更好地模拟低频次重力波的演化。
  2.开展海啸孤立波数值模拟,研究了气候变化引起的海平面上升、珊瑚礁白化对孤立波爬坡高度和爬坡区域内最大动量通量分布的影响。结果显示,海平面上升会通过影响岸礁上孤立波传播过程以及增加礁坪静水深显著增大孤立波爬坡高度,且礁坪初始水深越浅、入射孤立波波高越小,其影响程度越大。珊瑚礁白化同样会增大孤立波爬坡高度,但其影响不如海平面上升显著。随着海平面上升,整个海啸孤立波爬坡区域内的破坏都会增强,且越靠近初始岸线的位置,破坏增强越显著。珊瑚礁白化会使整个海啸孤立波爬坡区域内的破坏有所增强,但爬坡区域内不同位置的破坏增幅差异不明显。即使考虑了气候变化的影响,本研究中岸礁地形孤立波爬坡区域内无量纲最大动量通量的空间分布仍可得到一条三次拟合曲线。
  3.开展不规则波数值模拟,研究了气候变化引起的海平面上升、珊瑚礁白化、入射波高增大对不规则波爬坡高度的影响。结果显示,海平面上升会抑制岸礁地形上次重力波的生成并抬升平均水位,但仍会通过增加礁坪静水深加剧不规则波爬坡灾害。珊瑚礁白化对于礁坪上平均水位无甚影响,主要通过增加低频次重力波波高加剧不规则波爬坡灾害,且入射波越大,其影响程度越大。入射波高增大可通过增大低频次重力波和平均水位显著加剧不规则波爬坡灾害,且礁坪水深越深,其影响程度越大。
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