潮汐射流对低湾海滩波流相互作用的数值模拟研究及其形态动力学意义

本研究通过Delft3D FM数值模型，揭示了苏格兰Montrose湾非对称潮汐射流(ebb-tidal jet)与斜向波浪的复杂相互作用机制。研究发现潮汐射流受波浪诱导沿岸流(deflection rip currents)影响发生向海/向陆偏转，同时引起波高(HS)降低和波向改变，为理解类似湾滩系统侵蚀-淤积过程及疏浚工程提供了新见解。

　　

在苏格兰东海岸的Montrose湾，一个长达9公里的沙质海滩正面临持续侵蚀与淤积的难题。这个被两个岩石岬角包围的低湾海滩(low embayment beach)，其南部区域的水动力过程受到三重因素的复杂影响：高度不对称的退潮射流(ebb-tidal jet)、沿岸潮汐流以及斜向入射的波浪。这种独特的海岸地貌组合使得该区域的波流相互作用(Wave-Current Interaction, WCI)呈现出显著的空间变异性，但相关机制至今缺乏系统研究。更关键的是，这种水动力过程直接关系到当地海岸侵蚀治理、港口疏浚工程等实际需求，亟需通过高精度数值模拟揭示其内在规律。

为破解这一科学难题，来自英国的研究团队在《Estuarine, Coastal and Shelf Science》发表了创新性研究成果。该研究采用Delft3D Flexible Mesh软件构建了二维耦合模型，通过基线模型验证(对比2015年ADCP实测数据)和理想化情景模拟相结合的方法，首次系统阐明了潮汐射流在低湾海滩WCI中的调控作用。技术路线包含：基于ERA5数据的波浪气候特征分析；采用嵌套网格的流场-波浪双向耦合模型；利用Soulsby参数化方法处理波流联合剪切应力；通过理想化情景(4种波高×4个入射方向)解析关键过程；结合残差流场和τ_cw指数评估动力影响。

研究结果揭示了一系列创新发现。在"潮汐射流对波浪的变异性影响"方面，模拟显示当NE向高波(H_S=4m)入射时，波浪诱导的南向沿岸流会使潮汐射流延长并显著向海偏转；而SE向波浪则通过北向沿岸流导致射流向陆偏转。这种偏转直接改变了"波浪折射特征"：射流背流侧的波高降低5-20%，波向南偏约5°。在"湾内WCI特征"分析中，研究发现岬角与潮汐射流的共同作用会形成独特的"偏转型裂流系统"(deflection rip currents)，在NE波浪条件下，射流与裂流的耦合可能形成通向深水区的泥沙输运通道。通过τ_cw指数分析进一步表明，在小潮期间波浪主导区(τ_wci/τ_tide>10)可延伸至25m水深，显著影响沉积物再悬浮过程。

这项研究的重要价值体现在理论和实践两个维度。理论上，首次阐明了低湾海滩系统中潮汐射流与波浪的独特互馈机制，补充了传统认为射流-波浪主要呈对冲构型的认知局限。实践方面，研究提出的τ_cw指数为疏浚工程时机选择提供了量化工具——建议避免在NE大风浪频发的季节进行疏浚物排放，以免物质快速返回航道。特别值得注意的是，该研究框架可推广至全球类似的沙坝型潮汐河口-湾滩系统(如新西兰Whitianga inlet)，为理解这类海岸的长期演变规律提供了新范式。未来研究可进一步耦合三维流场和密度效应，以更精确模拟射流羽状体的动力过程。