渤海湾西岸年代际尺度海岸演化机制与动力-统计方法建模

Coastal evolution both due to natural and human-induced causes or factors can be variable over a wide range of different temporal and spatial scales. There are significant differences among evolution processes, influencing factors and dynamic mechanisms, as well as the different fundamental theories and technologies corresponding to the related scales. It is becoming a focus and the most challenging topic in the international field of coastal evolution research to scientifically understand coastal evolution processes and dynamic mechanisms at the macro and mega-time scale. On the basis of profoundly understanding of long term changes of discharge and suspended load from the Yellow River to the Bohai Sea, and the deeply comprehending sediment budget in each coastal littoral cell of the western Bohai Bay and regional wave climate characteristics at different evolution phases in the recently 60 years, theories and methods of geomorphology, coastal morphodynamics and numerical modeling are comprehensively used in this project to study the decadal time scale coastal evolution processes of the western Bohai Bay dominated by morphodynamic factors such as sediment budget, suspended sediment transport under the tide-induced and wind-driven residual circulations, wave climate change, sediment winnowing caused by wave etc. The objective of this project is to explore the dynamical-statistical modeling for the decadal time scale coastal evolution with integration of statistically up-scaling and morphodynamic reduction and develop a decadal time-scale coastal evolution process model for the western Bohai Bay with integration of sediment budget and sediment winnowing caused by wave. Diagnostic experiments on coastal evolutions at different spatial and temporal time scales, discharge and suspended load flux and wave climate scenarios will be conducted to explore the responses of coastal evolution to sediment budget and coastal morphodynamics. Dynamic mechanisms and impacts of sediment budget, suspended sediment transport under the tide-induced and wind-driven residual circulations, sediment winnowing caused by wave and wave climate change on the decadal time-scale coastal evolution of the western Bohai Bay will be diagnostic analyzed. It would promote the innovative development on theoretical system and prediction approaches of coastal evolution morphodynamic mechanisms in the field of the macro and mega-time scale coastal evolution research.

综合运用地貌学、海岸动力学、泥沙收支原理以及数值模拟技术等理论方法，以黄河入海水沙通量长期变化为背景，理清渤海湾西岸近60年来不同演变阶段的海岸系统泥沙收支关系及其区域波气候变化特征。以泥沙收支、环流输送、波浪掀沙以及波气候变化等要素作为年代际尺度海岸演化的主要驱动因子，研究建立基于"驱动力概化"与"统计升尺度"有机衔接的年代际尺度海岸演化模型"动力-统计"建模方法。以沙量收支平衡原理构建基于海岸系统泥沙收支与近岸波浪掀沙相结合的渤海湾西岸年代际尺度海岸演化机理模型。通过海岸演变过程的控制模拟实验，研究比较各演变阶段，不同时空尺度、水沙通量以及波气候变化情景下的各种海岸演化对泥沙收支及动力作用的响应关系，诊断分析泥沙收支、环流输送、波浪掀沙以及波气候变化等因素对渤海湾西岸年代际尺度现代海岸演化的驱动机制和影响。在中长时间尺度海岸演化研究领域，推动海岸演化动力学理论体系和预测方法的创新发展。

所有海岸演化过程都面临着不同时空尺度下具有不同演化机制以及模型适用性的问题，发展中长时间尺度的海岸演化预测方法与机理模型，是海岸演化研究领域迫切需要解决的关键科学问题之一。.本项目以渤海湾西岸为研究对象，以黄河入海水沙通量长期变化为背景，在理清近60年来不同演变阶段的海岸系统泥沙收支关系及其区域波候变化特征基础上，以泥沙收支、环流输送、波浪掀沙以及波气候变化等要素概化作为渤海湾西岸年代际尺度海岸演化的主要驱动因子，研究建立了基于驱动力概化与统计升尺度有机衔接的年代际尺度海岸演化模型的动力—统计建模方法，构建了基于海岸系统泥沙收支与近岸波浪掀沙相结合的渤海湾西岸年代际尺度海岸演化机理模型。.通过对渤海湾西岸海岸演化各个影响因素进行不确定性分析与敏感性分析，渤海海岸演化过程既与黄河入海泥沙在渤海海域的大尺度输送有关，又与黄河入海泥沙通量多寡的长期变化密切关联，而渤海长期波候变化是导致入海泥沙输运的最直接动力。周期性分析表明，入海径流量和输沙量存在13.33a显著的年代际周期，有效波高存在16.7年的显著周期。.根据统计—动力建模方法的思路，本项目在约束和反演海岸演化动力模型形式及参数的同时，将主要适用于风浪作用周期的模型控制方程升尺度到年代际乃至更长时间尺度，以刻画出泥沙收支及波流作用对中长时间尺度现代海岸演化的影响。结合黄河入海水沙与波侯的年代际周期所划分的“动力-统计”模型的时间尺度，利用基础模型ECOMSED模型模拟年代际尺度下的泥沙运移，通过对模型输入参数的约减概化、时间步长的延长实现小尺度模型升尺度的目的。具体方法包括：将海岸演化机理模型中控制方程的时间计算步长，以年(或多年)时间平均作为计算步长的方法进行时间步长升尺度；以各个年代际变化周期阶段的多年月平均径流量和泥沙量，代表各个年代际尺度阶段入海水沙通量的平均水平；以不同年代际变化周期阶段的波气候变化状态参量的统计平均值为代表，实现波浪掀沙作用的时间尺度从风浪周期向年代际尺度跨越。基于泥沙收支平衡原理，耦合近岸波浪动力条件下的沿岸输沙与横向输沙，实现海岸演化过程从小尺度向中长时间尺度的延伸，完成“动力-统计”模型的构建。.在完成上述年代际尺度海岸演化模型统计—动力建模工作基础上，分析了年代际时间尺度下渤海湾西岸的泥沙收支模式，模拟了年代际时间尺度下渤海湾西岸的未来海岸演化趋势。