【论文推荐】| 不同强度台风过程对北部湾海底沙波演化影响数值研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

海底沙波是发育于沙质大陆架床面上、呈波状起伏的活动性大尺度海底地貌，波长通常几十至数百米、波高可达数米，在潮流、波浪等定向动力控制的海域尤为发育，南海北部湾海南岛西南海域即广泛分布着波长约50~100 m的沙波，实测最大年迁移距离可达48.8 m。这类地貌的持续迁移会直接威胁海洋工程结构安全，常引发海上平台与风电桩基裸露、航道淤积、海底管道或电缆悬跨甚至断裂等灾害。北部湾数百千米海底管道中有多条穿越沙波发育区，例如东方1-1气田登陆管道因沙波迁移与局部冲刷出现大范围悬空，最大悬空长度达51.8 m、最大悬空高度2.4 m，每年需投入大量经费监测治理；国际海底管道设计规范DNVGL-ST-F101亦专门强调沙波移动对管道结构完整性的影响。台风是南海频发的极端天气系统，其引发的大浪与风暴潮可显著重塑海底地貌，但因台风期海况恶劣、观测成本高昂，针对真实台风动力条件下海底沙波演化的高分辨率动态数值模拟至今仍是空白。本研究旨在填补这一缺口：通过构建覆盖多强度等级的台风情景，揭示单个台风过程中沙波的瞬态演化行为及其动力机制，为海洋工程结构的设计与安全运维提供科学依据。

二、研究方法

研究采用"大气—波流—沙波"三级耦合的数值模拟技术路线。首先基于WRF（weather research & forecasting）气象模型，以NCEP/NCAR再分析数据为初始与边界条件，采用外层24 km、内层8 km的双层嵌套网格精细化重构台风的生成与移动过程；进而以WRF输出的风速、风向、气压作为海面气象强迫，驱动ROMS区域海洋模型与SWAN波浪模型的双向耦合系统，获取研究海域高精度波浪场与近底流速场；最终将流场数据作为边界条件输入海底沙波动态数值模型，模拟三维沙波的瞬态演变。沙波模型基于ROMS泥沙输运模块，同时求解悬移质（泥沙浓度对流扩散方程）与推移质（Soulsby-Damgaard经验公式，考虑波流共同作用）两部分输沙，并依据沉积物质量守恒更新海床高程。模型以2007年实测地形为初始条件模拟两年演化、与2009年实测对比验证：波流共同作用下水平迁移误差仅7%、波高增长误差仅2%，显著优于纯潮流工况，验证了模型的可靠性并证实引入波浪作用的必要性。研究选取三个均直接过境目标沙波区、强度依次递增的典型台风——热带风暴"狮子山"（2117）、强热带风暴"洛坦"（1108）和台风"圆规"（2118），设置无台风与三场台风共四组情景，并针对实测剖面建立准三维模型、基于理想正弦沙波建立全三维模型开展对比分析。

三、研究结果

（1）台风重构准确可靠：三场台风模拟中心最大风速与CMA最佳路径数据的相关系数分别达0.902、0.899、0.887。

（2）水动力响应随强度递增：台风显著抬升研究海域有效波高与海底流速，三场台风的最大有效波高依次为4.12、5.26（"洛坦"双峰5.26/5.16）和6.50 m，海底最大流速分别为1.19、1.41和1.55 m/s，而无台风时仅约1 m波高、0.96 m/s流速，二者均与台风强度呈明显正相关。

（3）沙波显著迁移与衰减：无台风时沙波3天内基本稳定；台风作用下沙波整体衰减且水平迁移增大，"狮子山""洛坦""圆规"对应的波高衰减率分别为18%、23%、32%，波谷下蚀最深约0.13 m，平均水平迁移量分别约3.20、4.81和8.0 m（"圆规"结果与同等级台风理论值8.91 m吻合），且因台风路径不同沙波迁移方向各异，"狮子山"甚至诱发沙波向西北反向迁移；波峰的水平移动与垂向衰减均强于波谷，加剧了沙波形态不对称性。

（4）悬沙浓度激增：海床附近悬沙质量浓度由常规天气下不足0.2 kg/m³骤升至台风作用下的最高5.4 kg/m³，增幅达20倍以上。

四、研究结论

以北部湾海域台风作用下的海底沙波为研究对象，通过先后建立大气数值模型、波流耦合数值模型和三维海底沙波动态数值模型，深入分析其运移演变规律与作用机理，主要结论如下：

1）研究选取3场不同强度的台风过程作为分析对象［热带风暴“狮子山”（2117）、强热带风暴“洛坦”（1108）和台风“圆规”（2118）］，基于WRF气象模式，对其生成与移动过程开展精细化模拟，并通过中心最大平均风速与CMA台风数据集的数据进行对比，验证了模拟结果的准确性。

2）采用台风场模拟结果作为大气强迫项，对北部湾海域进行潮流与波浪的耦合模拟发现，台风作用能显著抬升研究海域的有效波高与海底流速。随台风强度增加，3场台风过程中有效波高依次为4.12、5.26和6.50 m，海底最大流速分别为1.19、1.41和1.55 m/s。有效波高和床面最大底流速均随台风强度增强而增大，呈现出明显的正相关关系。

3）在3场不同强度台风的作用下，海底沙波的运移演化特征差异显著：沙波水平移动量依次增加，分别为3.20、4.81和8.91 m；对应的波高衰减率分别为18%、23%和32%。相比之下，无台风条件模拟中，沙波未发生可观测的演变。总体上，台风强度越强，沙波水平移动距离越大，波高衰减也越显著。同时，沙波波峰的变化程度强于波谷，从而加剧了沙波的不对称性。

4）台风作用显著改变海床附近泥沙质量浓度，无台风情况下泥沙质量浓度最大值仅0.2 kg/m³，而台风作用下最大值可升至5.4 kg/m³，增幅达20倍以上。针对海底沙波演变的动力因素，研究进一步分析了推移质与悬移质输沙的影响：仅推移质输沙时，海底沙波呈生长状态；仅悬移质输沙时，海底沙波则呈衰减状态。实际海洋环境中，海底沙波的演变是推移质与悬移质输沙共同作用的结果。在台风作用背景下，由于泥沙输移以悬移质为主，海底沙波总体呈现衰减趋势，但这一过程仍会受到台风强度、移动路径等因素的影响。

相关图表

本文引用格式：臧志鹏, 白雪纯, 田瑞, 等. 不同强度台风过程对北部湾海底沙波演化影响数值研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 146-157.  (ZANG Zhipeng, BAI Xuechun, TIAN Rui, et al. Numerical investigation of submarine sand wave evolution during typhoons of different intensity in the Beibu Gulf[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 146-157.  (in Chinese)）

作者简介：   

臧志鹏，现任天津大学建筑工程学院港口工程系特聘研究员（英才副教授）、博导，拥有大连理工大学港口海岸及近海工程博士学位，曾作为公派访问学者赴西澳大利亚大学深造，后续在该校完成博士后研究，归国后先后任职于中国科学院力学研究所、天津大学建筑工程学院，长期深耕海岸和海洋工程结构水动力、海岸泥沙输运及地形演变、波浪能利用、海洋结构物局部冲刷等方向的研究，主持参与多项国家级、省部级科研课题，联合出版海洋学相关专业著作，作为核心师资参与天津市一流本科建设课程《海岸与海洋灾害》的教学建设，在智慧树平台共同主讲海洋工程类在线课程，始终以科技创新引领行业发展，聚焦关键核心技术攻关，深化产学研用融合，以科技赋能交通强国、智慧港口与绿色海岸建设，在服务国家海洋战略、推动行业技术进步中展现出突出的专业担当。

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