一种基于形态学上采样的方法，用于模拟澳大利亚东南部长期海岸面变化模式及其整体气候驱动因素

《Marine Geology》：A morphological upscaling approach to modelling patterns of long term shoreface change and their synoptic climate drivers in Southeast Australia

　　T.R. Mortlock | I.D. Goodwin | M. Ribó
澳大利亚新南威尔士州悉尼市麦考瑞大学自然科学学院，邮编2109

**摘要**
本研究提出了一种新方法，用于确定以波浪为主导的海岸上，近岸海面在区域气候强迫作用下的长期形态响应。该方法结合了天气尺度波浪气候分类、波浪-水动力-泥沙输运耦合建模以及基于频率的形态放大分析，以澳大利亚东部拜伦湾极为罕见的百年尺度水深数据集作为评估依据。将该方法应用于澳大利亚东南沿海的8个站点，并对两个侵蚀严重的区域进行详细分析，结果表明，在极端风暴条件下，30至35米深度区间是百年尺度显著泥沙输运的最远海向边界。这一边界对沿海基础设施的设计以及海上砂矿开采都具有重要意义。研究还表明，只有来自海岸垂直方向的风暴才能在近岸海面引发显著的泥沙输运，而来自东南方向的风暴因角度过大而无法实现长期的横向输运。研究结果还显示，与上岸面类似，近岸海面在百年时间尺度上也能因方向性波浪气候强迫而发生形态变化。

**引言**
风暴波是波浪主导的沙滩及前沙丘周期性侵蚀的主要因素[Vos等人，2023]，但其在长时期内将泥沙从近岸海面输送到上岸面的作用机制仍不甚清楚。由于风暴驱动的向岸泥沙输送量及其频率较低[Kinsela等人，2016]，这类跨海面输入通常不会被纳入沿海区域的泥沙平衡分析中[Rosati，2005]。然而，若将时间跨度扩展到数十年乃至数千年，即便较低的向岸输送率也有可能抵消因海平面上升而导致的泥沙外输和海岸线后退现象[Rosati等人，2013；Patterson和Nielsen，2016]。低频向岸泥沙输入的发生位置及其最远海向深度，对于海滩补沙工程也具有重要意义。从海上获取砂源进行海滩补沙被认为是一种经济有效的维持侵蚀海岸线宽度的方法，但海上采砂不应耗尽那些原本会在长期内向陆地移动的砂源。在大陆架环境中，泥沙输运并非持续发生，通常只在偶发的再悬浮事件中出现[Harris和Wiberg，2002]。导致泥沙输运出冲刷带的过程包括地转流、密度层叠、内部波和沿岸滞留波、表面风切变、次重力波以及重力波等。纳维-斯托克斯理论表明，在浅水区（从冲刷带外缘到波底），由重力波驱动的流速至少比其他过程产生的流速大一个数量级。由于浅水波剖面中的速度偏度和不对称性，波浪驱动的泥沙输运方向几乎总是朝向岸边[O'Donoghue和Wright，2004；Ruessink等人，2011]。因此，在有充足砂源的前提下，风暴波是深层水域向岸输送泥沙的主要机制。

然而，由于单次风暴事件引起的变化幅度极小，难以被观测到，因此关于这一长期过程的观测数据十分匮乏。目前仅有相隔数百年的重复调查能够提供近岸海面变化的记录。Goodwin等人[2013]将澳大利亚新南威尔士州最北端拜伦湾1883年的测线调查数据数字化，并与2011年的激光雷达水深测量数据进行对比，以此确定百年尺度下的海底深度变化。拜伦湾位于澳大利亚海岸的最东端，会受到从热带地区到中纬度地区的中等强度波浪影响。Goodwin等人[2013]发现，在128年间，水深10至25米的区域累计海床抬升幅度可达2.5米，而40米等深线处的抬升幅度则为1.5米。这意味着，按照当地波浪气候条件下每年平均三次风暴的频率计算，每次风暴对近岸海面的影响不到1厘米。

由于缺乏百年尺度的观测数据，对于持续的大气和波浪气候条件下的泥沙沉积响应，就需要通过建模方法进行研究。大多数长期沿海演化研究都基于地貌模型[Cowell等人，1995；Daley，2011]，这些模型描述了那些与当前海平面“不匹配”的跨海面剖面部分的向岸移动过程。其基本假设是，大陆架上因过去海平面较低而形成的砂层会产生一种不平衡应力，这种应力会随着海平面上升以滞后方式在整个大陆架剖面中重新达到平衡。尽管这些模型提供了有用的概念框架，但控制泥沙输运的主要变量仅为大陆架坡度和海平面，它们无法揭示驱动大陆架泥沙输运的物理过程。相比之下，基于过程的形态模型试图将所有主要物理过程整合到泥沙输运的模拟中。然而，当应用在更长的时间尺度上时，这类模型往往会出现计算上的困难（甚至物理上不稳定）。为解决这些问题，需要在实验设计上有所创新。

为加快中期建模速度（数月到数年），人们采用了多种形态演化技术[Cowell等人，1995；Roelvink，2006；Ranasinghe等人，2011]，其目的是在每个时间步中断开波浪、水流与形态之间的反馈循环。“MORFAC”（形态加速因子）方法是通过在泥沙连续性方程中引入缩放因子来增加模拟的海床变化幅度，从而加快模拟的时间尺度[Li，2010]。不过，对于长期应用（数十年到数千年），仅仅对时间序列数据进行缩放仍可能导致计算时间过长。此外，对于某些应用而言，这意味着一些对最终结果没有显著影响的時間步长仍会被包含在建模过程中。

若要使用基于过程的模型来模拟真正的长期（即百年尺度）泥沙输运，一种更有效的方法可能是详细捕捉各种偶发性输运事件，然后根据发生概率的数值对形态响应进行放大。其基本假设是，浅水区的所有变化最终都会趋于与常态（非风暴）波浪气候相一致的长期平衡状态，而冲刷带之外的形态变化则是长期风暴波事件的累积结果。基于这一前提，只需将高能量风暴波气候作为导致罕见、偶发性近岸海面输运事件的主要因素，而所有中间的非风暴（常态）波浪条件则仅与浅水区上岸面的变化相关。通过这种方式，基于过程的模型即可用于研究在方向性明显的大气和波浪气候强迫作用下的百年尺度近岸海面泥沙输运现象。

在南半球，南非、澳大利亚和南美洲的东海岸面临着相似的波浪气候，这些地区的风暴波多由热带气旋退散后的残余系统、亚热带气旋以及温带气旋所引发，这类风暴被称为东海岸低压系统（ECLs）[Browning和Goodwin，2013]。ECLs是南半球温带海域的常见现象，例如在巴西[Cuchiara等人，2009]和南非[Taljaard，1995]，它们通常形成于澳大利亚的晚秋至冬季。由于这些风暴多集中在塔斯曼海，澳大利亚东海岸尤其容易受到ECLs风暴波气候的影响。不过，ECLs对泥沙输运的影响还需考虑波浪方向（风暴路径）以及波高的作用，2016年6月发生在澳大利亚东南沿海的那次破坏力惊人的ECL就体现了这一点[Mortlock等人，2017]。

Browning和Goodwin[2013]根据气旋生成机制和路径，将澳大利亚东南大陆架（SEAS）上的风暴分为三类：第一类是珊瑚海中向极地移动的热带气旋或热带低压，它们会在大陆架上产生东北至东风方向的storm wave条件；第二类是塔斯曼海中形成的亚热带和温带起源的ECLs，它们会产生东至东南东风方向的storm waves；第三类则是南塔斯曼海和南大洋中与环极槽分离的温带低压系统，它们会产生东南至南风方向的storm waves（见图1）。

在本文中，我们提出了一种方法，通过结合天气尺度波浪气候分类、形态放大分析以及基于物理的建模，将不同的近岸海面泥沙输运模式与波浪气候驱动因素联系起来。我们采用了Browning和Goodwin[2013]以及Mortlock和Goodwin[2015]提出的风暴波类型分类方法，结合沿海形态模型，分析了SEAS上每种风暴类型对应的近岸海面输运模式。随后，我们利用波浪浮标记录中观测到的这些风暴类型的出现频率，对每种风暴类型的海床变化模式进行放大处理，从而估算SEAS各区域的累计近岸海面响应。形态放大后的气候关联型近岸海面变化模式这一概念最早由Goodwin等人[2020]提出，本文则是首次对该概念进行应用与评估。虽然本文的重点是澳大利亚东南部地区，但这些方法、结果和结论同样适用于那些具有缓坡大陆架的被动边缘海岸，例如南纬25°至45°之间的南非、澳大利亚和南美洲东海岸，这些地区存在向赤道方向的区域性沿岸泥沙输运系统。对于那些以波浪为主导、河流向滨海带输送的泥沙量极少的微潮至中潮海岸来说，这些结果尤为重要——在这些区域，全新世以来河口和河口的净泥沙输运方向均为向陆地。

**研究地点**
在SEAS沿线建立了两个区域沿海模型：一个覆盖悉尼及新南威尔士州中部海岸和大陆架，另一个覆盖新南威尔士州北部海岸和大陆架。在这两个区域范围内，有3个站点被高精度建模：1）柯拉罗伊-纳拉宾，位于悉尼北滩的一个岬湾海滩；2）特里加尔-万伯拉尔，也是新南威尔士州中部海岸的一个岬湾海滩；3）拜伦湾，位于新南威尔士州北部海岸的一个开放型沿岸输运海岸。这些站点均具备相应的观测条件。

**仪器波浪数据**
在波浪能量较为适中的SEAS地区，自20世纪70年代中期起，新南威尔士州政府就开始开展波浪监测工作，至今已积累了大量波浪数据。目前已有7个中大陆架位置的波浪数据，这些位置从南到北依次为伊登、巴特曼斯湾、波特肯布拉、悉尼、克劳迪黑德、科夫斯港和拜伦湾。这些数据涵盖了塔斯曼海西侧约1000公里长的中大陆架区域（水深60–100米）的波浪观测情况。在本研究中，这些波浪数据被用于分析相关现象。

**概念性过程**
为探究近岸海面响应的模式，我们首先将主要驱动因素（极端波浪和风力）分解为各个组成部分，然后选取一系列有利于偶发性泥沙输运的风暴条件。接着，将这些风力和波浪情景在大陆架上进行了扩散模拟，以此估算近岸海面的形态响应，最后通过形态放大因子将结果转化为百年尺度的输运模式。这些风暴波情景是基于特定的气象条件设定的。

**所用模型描述**
本研究采用了由丹麦水利研究所（DHI）开发的MIKE 21系列模型。该模型包括一个波浪模型（MIKE 21 Spectral Wave SW）、一个流动模型（MIKE 21 Flow Model HD）以及一个泥沙输运模型（MIKE 21 ST），这三种模型被动态耦合在一起，用于模拟风力和波浪驱动的水流、泥沙输运以及形态变化。在每个网格单元和每个时间步长上，都会进行波浪、水流与形态之间的“在线”动态耦合。MIKE 21 SW模型用于模拟波浪的生成、衰减及形态转变过程。

**形态放大**
在单次风暴事件中，陆上海滩和冲刷带的海床高度变化可能在数十厘米到数米之间[例如Bracs等人，2016]。然而，从近岸海面向上传输的泥沙量及其速率则要小得多，其变化尺度相当于一个沙粒的厚度[Kinsela等人，2016]。虽然在事件尺度上这种传输量对海滩系统而言可以忽略不计，但在更长的时间尺度上，它可能成为重要的泥沙输运途径。

**结果与讨论**
上述所描述的天气尺度分类/形态放大方法随后被应用于SEAS沿线的其他沿海区域。由于百年尺度水深变化的观测数据极为稀缺，因此除拜伦湾外，其他站点的模型性能无法得到直接验证。因此，本研究的假设是拜伦湾的模型性能与其他地点相当。基于此，下文仅讨论这些地点的大尺度模型特征。

结论
本研究提出了一种新方法，通过综合运用天气波气候分类、波浪-水动力-沉积物输运耦合建模以及基于频率的形态学放大技术，构建因果网络以分析区域气候变化对海岸面长期形态变化的影响。研究结果表明，在所有研究地点以及所模拟的最极端风暴波条件下，30–35米深度区域似乎是海岸侵蚀的最终边界。

CRediT作者贡献说明
T.R. Mortlock：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件，方法论，研究，数据整理，概念构建。I.D. Goodwin：写作——审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，研究，资金获取，概念构建。M. Ribó：写作——审稿与编辑，形式分析，数据整理，概念构建。

未引用的参考文献
Compo等人，2011年；Dowdy等人，2013年；Hemer等人，2013年；Holthuijsen，2007年；Holtznagel和Ingleton，2016年；Ji等人，2015年；Roelvink和Walstra，2004年；Warner等人，2008年；Warner等人，2010年；Wishaw等人，2021年。

利益冲突声明
作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Thomas Mortlock表示获得了新南威尔士州环境与遗产局的财政支持。其他作者则声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了新南威尔士州环境与遗产局向CI Goodwin提供的资助，该资助属于OEH/悉尼海洋科学研究所（SIMS）的“海岸过程与响应研究计划”（项目编号1A：新南威尔士州海岸带沙源量化）的一部分。我们感谢OEH的同事们在研究各阶段给予的指导，以及DHI Water & Environment提供的技术支持。