01 研究背景

飓风艾克（现名“伊萨亚斯”）是于2008年9月13日在美国德克萨斯州加尔维斯顿登陆的4级飓风。为了研究和推测艾克飓风在通过海岸时造成的泥沙迁移和相关的海床形态动力学变化，来自华霖富的工程师和研究者们利用水动力通用仿真软件的多模块耦合实现了这一洋流-波浪-泥沙耦合仿真计算。

图1 由美国国家飓风中心的HURDAT2数据集展示的飓风艾克的风暴轨迹与风带

图 1展示了飓风艾克的风暴轨迹和持续风带，在登陆时飓风降级为强2级飓风，其持续风速为175km/h，最大持续风速带约为180公里。根据观测，飓风的峰值风速出现在在加尔维斯顿以东，并向东一直延伸至路易斯安那州。

02 案例展示

为了模拟艾克飓风经过加尔维斯顿（Galveston）海岸线的过程，研究人员把研究区域扩大至西方的贝城（Bay City）与东方的霍利海滩（Holly Beach），并向远海延伸至离岸100km处，海床最大深度可达约90m。为了提高结果精度，保证泥沙迁移规律的准确性，研究人员建立的网格模型包括约47万节点和93万单元，并使近岸向远海的精度变化为4m-7km。

图 2 研究区域水深模型及勘测点位：潮位（粉色）潮流（橙色）波浪（绿色）洪泛（黄色）

• 地形数据

模型的地形数据一部分源自美国陆军工程兵团（USACE）的模型，涵盖了德克萨斯州面向海湾的海滩和汇入口沿岸，大致包括了离岸至水深10m的区域（约16.9km）；另一部分源自于GEBCO测深数据，用于扩展远海处的模型数据。

• 潮汐数据

通过墨西哥湾的海洋模型（HYCOM+NCODA墨西哥湾1/25°再分析数据）中提取潮汐的高度和洋流，并利用二维线性插值法将海面高程、速度矢量分量（u,v）的逐小时预测数据插值，然后应用于模型的边界离岸（远海）节点。

• 波浪数据

使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5波浪再分析数据集提供的跨0.5°（约30公里）逐小时波谱数据，将其作为边界输入波谱配置到TOMAWAC（水动力通用仿真软件的波浪模块）中。

• 大气数据

通过采集ECMWF的ERA5再分析数据集中的逐小时大气压值（平均海平面）和10m高风速（空间精度0.25°），把风场和压力场的数据插值到网格模型上，从而在水动力通用仿真计算中考虑风带来的影响。

• 河流数据

在研究区域内，存在多条流入墨西哥湾的河流，而与飓风相关的极端径流事件已被证明会显著地影响海湾中的流量。根据美国地质调查局的国家水资源信息系统（NWIS）所记录的数据，如图3所示，将其赋值到模型边界处，实现飓风期间河流径流的模拟。

图 3 飓风期间模型内6条主干河流的流量

• 泥沙数据

模型采用了空间变化的粒径分布和床层摩擦，海床由5种不同的泥沙类别组成：中等粉砂（30μm）、粗淤泥（70μm）、超细沙（125μm）、细砂（0.25mm）以及中砂（0.5mm）。此外，研究人员还设定诸如防波堤、码头和海堤结构，粘土含量超过40%的区域以及最大速度超过1.5m/s的区域为不可侵蚀区。

通过分布在不同点位的观测和测量数据，研究者们分别对波浪、水位、流速等参数进行了校准。将预测的潮汐高度、海流与波浪结果与飓风艾克登陆期间成功采集的数据结果对比后，工程师们完成了对模型的验证，如图4和图5所示，模型能够很好得预测飓风带来的影响。

图 4 在TCOON点位的模型计算和实测结果的对比图图 5 在NDBC点位的模型计算和实测结果的对比图

03 研究结论

如图6所示的飓风艾克登陆期间的输沙率云图，这期间泥沙主要往加尔维斯顿湾（Galveston Bay）入口通道以东的陆上运输，而在通道以西，泥沙转而从海岸向远海处输送。

图 6 2008年9月13日07时飓风艾克登陆期间的输沙速率

如下图所展示的飓风期间海床泥沙的侵蚀与沉积，在飓风登陆期间，受到影响的多是东部的岸线，而西部岸线影响较小。由于飓风穿过加尔维斯顿海湾入口，在区域东面产生了陆上风，而在入口西面（图中左侧）则是近海风，这些离岸风降低了风暴潮的高度，并且抑制了加尔维斯顿以西的海浪传播，所以对西面海床的整体影响较少。

图 7 飓风艾克期间预测的海床底部形貌变化（红色-泥沙沉积，蓝色-泥沙侵蚀）

04 小结

本文介绍的模型旨在预测泥沙迁移路径与大小，以及因飓风艾克导致的德克萨斯州海岸线沿线的海床变化和环境影响。通过使用水动力通用仿真软件可以有效地建立模型并计算，与各观测点的记录数据对比后结果均显示出良好的一致性，证明了软件的可靠性。

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