海浪和潮汐风暴潮耦合过程的数值研究(英文)

海浪和风暴潮是重要的海洋灾害。对它们的精确预测和预报对沿岸海洋灾害的风险评估及海洋工程的设计具有极其重要的社会和经济价值。过去人们大多对波浪和风暴潮单独进行预报。实际上,风既产生浪又产生风暴潮,因此它们的产生必然存在相互作用。本研究的目的就是要建立一个渤海高分辨率的双向耦合的海浪和潮汐风暴潮数值模式,研究各耦合机制的影响,以期为黄河三角洲沿岸风暴潮海浪漫堤、漫滩风险评估提供更为准确的海浪风暴潮预测预报结果。作者在研究中基于国际上先进的第三代海浪数值模式和潮汐风暴潮模式,建立了渤海2′×2′的海浪和潮汐风暴潮耦合数值模式。耦合模式充分考虑了三个主要耦合物理机制:依赖海浪状态的表面风应力,波-流相互作用底应力和辐射应力。波浪模式主要基于国际上第三代WAM模式,并对其进行了浅水效应的改进,以包括浅水深度破碎引起的能量耗散;潮汐风暴潮模式计算中开边界考虑了10个主要分潮K1,O1,P1,Q1,M2,S2,N2,K2,Sa,Ssa。依赖海浪状态的表面风应力取自Donelan等(1993)的结果,波-流相互作用底应力取自Signell等(1990)对GrantandMadsen(1979)简化的结果,辐射应力以海浪谱表示。耦合计算中,两个模式通过三个耦合机制双向传递所需参量。运用胜利油田中心一号观测的2个同步浪、潮、流资料对所建的耦合模式进行了检验,并通过耦合和非耦合模式结果的对比对各耦合机制的影响效应进行分析研究。研究结果表明,不同物理机制对波高的影响主要由能量方程中以辐射应力表示的波流相互作用所决定;在波-潮耦合作用中,依赖波令的表面风应力和辐射应力对水位是正效应,而波流相互作用底应力对水位是负效应。三个物理机制的综合净效应是正,可增加水位达25cm。比较显示,耦合模式的结果无论对波高还是水位都比非耦合模式的结果好,特别在峰值处。本研究显示耦合模式的结果将改进海浪和风暴潮的模拟精度。所建立的耦合模式将对渤海海浪和风暴潮预报精度的提高,以及为黄河三角洲近岸海浪和风暴潮灾害的风险评估,提供更可靠的参数,具有重要的价值。     

海浪和潮汐风暴潮耦合过程的数值研究

海浪和风暴潮是重要的海洋灾害。对它们的精确预测和预报对沿岸海洋灾害的风险评估及海洋工程的设计具有极其重要的社会和经济价值。过去人们本多对波浪和风暴潮单独进行预报。实际上，风既产生浪又产生风暴潮，因此它们的产生必然存在相互作用。本研究的目的就是要建立一个渤海高分辨率的双向耦合的海浪和潮汐风暴潮数值模式，研究各耦合机制的影响，以期为黄河三角洲沿岸风暴潮海浪漫堤、漫滩风险评估提供更为准确的海浪风暴潮预测预报结果。 作者在研究中基于国际上先进的第三代海浪数值模式和潮汐风暴潮模式，建立了渤海2''×2''的海浪和潮汐风暴潮耦合数值模式。耦合模式充分考虑了三个主要耦合物理机制：依赖海浪状态的表面风应力，波-流相互作用底应力和辐射应力。波浪模式主要基于国际上第三代WAM模式，并对其进行了浅水效应的改进，以包括浅水深度破碎引起的能量耗散；潮汐风暴潮模式计算中开边界考虑了10个主要分潮K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2，K2，Sa，Ssa。依赖海浪状态的表面风应力取自Donelan等(1993)的结果,波-流相互作用底应力取自Signell等(1990)对 Grant and Madsen(1979)简化的结果，辐射应力以海浪谱表示。耦合计算中，两个模式通过三个耦合机制双向传递所需参量。 运用胜利油田中心一号观测的2个同步浪、潮、流资料对所建的耦合模式进行了检验，并通过耦合和非耦合模式结果的对比对各耦合机制的影响效应进行分析研究。研究结果表明，不同物理机制对波高的影响主要由能量方程中以辐射应力表示的波流相互作用所决定；在波-潮耦合作用中，依赖波令的表面风应力和辐射应力对水位是正效应，而波流相互作用底应力对水位是负效应。三个物理机制的综合净效应是正，可增加水位达25cm。比较显示，耦合模式的结果无论对波高还是水位都比非耦合模式的结果好，特别在峰值处。 本研究显示耦合模式的结果将改进海浪和风暴潮的模拟精度。所建立的耦合模式将对渤海海浪和风暴潮预报精度的提高，以及为黄河三角洲近岸海浪和风暴潮灾害的风险评估，提供更可靠的参数，具有重要的价值。     

渤海波浪和潮汐风暴潮相互作用对波浪影响的数值研究

基于依赖波浪成长状态波令的表面风应力，提出了一个波浪和风暴潮潮汐运动相互作用的联合数值模式，实现了第三代波浪模式和三维风暴潮潮汐模式联合作用的数值研究，并结合渤海典型天气个例的研究，给出了渤海波浪和风暴潮潮汐相互作用对波浪影响的机制和大小量级的定量估计。研究表明，对不同天气过程，波浪和风暴潮潮汐相互作用对波浪影响的性质和大小不同；对强寒潮过程，对波浪影响主要由风暴潮所支配波高调制可达1m，在黄河口区一般达0．5m；对弱天气过程，对波浪影响主要由潮所控制，波高调制约在0．2m，联合作用模式给出的结果与实测更吻合。     

浪流耦合数值模式在苏北辐射沙洲海域的应用研究

采用三角形网格海洋模式ADCIRC-2DDI和海浪模式SWAN双向耦合模式,建立了苏北辐射沙洲海域高精度水动力模型,用以研究该海域天文潮-风暴潮-海浪相互作用。以2012年15号台风"布拉万"为例,分别采用WRF气象模型后报风场和台风模型风场进行台风期间水位和波浪场的数值模拟,与实测资料的对比结果显示模型较准确地模拟出了"布拉万"台风期间的风暴增水与海浪过程,但模拟的极值增水和二次增水时间较实测资料提前了3 h左右。对"布拉万"台风期间模拟结果的分析表明:在浅滩及浅滩前沿水域,水位和海流对海浪模拟结果具有显著影响,是否耦合计算的有效波高差异可达1 m以上;波浪对水位的影响具有空间差异,在水深大于15 m的区域,波浪引起的水位变化小于5 cm,在浅滩区域,波浪引起的水位变化在4～10 cm,是否考虑波浪耦合对漫滩区域的模拟结果影响较大,进行浅滩及浅滩前沿的水动力计算,有必要考虑浪流耦合过程。     

水动力时空变化对近岸风浪演化的影响——以渤海湾西南岸为例

采用SWAN模型和ADCIRC模型建立了风浪、潮汐和水流联合作用的耦合数值模式,并通过渤海湾西南岸实测资料对该模式进行了验证。利用该模式分析了近岸区水位和流场时空变化对风浪模拟结果的影响,计算结果表明水位变化对近岸区风浪模拟结果有显著影响,特别是中等大风过程高潮位时波高受水位影响的变化幅值可达0.5m以上,且水深越浅影响越大。但在岸滩平缓的近岸海域由于流速、流向的时空变化不太剧烈,流场作用和波浪辐射应力作用对波浪场的影响都基本可以忽略。在模拟近岸风浪过程时,应选用耦合模式。     

Delft3D在天文潮与风暴潮耦合数值模拟中的应用

本文应用Delft-3D水动力学计算软件,以长江口地区为例建立的台风风暴潮、天文潮耦合数值预报模型,对台风风暴潮、天文潮两潮耦合预报模式进行探研和分析。该模式不同于以往的单纯台风增水模型与天文潮叠加的风暴潮模式,而是在计算中直接对天文潮和台风风暴潮进行两潮耦合,有效地消除了近岸地区潮波与增水之间叠加的非线性影响。通过模拟台风8114和7708过境对长江口的影响,并与实测数据比较,预报结果和实测水位过程的对比说明,台风风暴潮耦合数值预报模式对增水和高潮的过程预报是准确的,两者在高水位时同步且相差甚微。     

长江口及其邻近海区无结构网格风暴潮预报系统的研制与分析

利用基于有限元方法的ADCIRC模式,并耦合SWAN波浪模式,建立了一个适用于长江口及其邻近海区风暴潮的数值预报模式。该模式采用对岸线有较好拟合能力的无结构网格,综合考虑了波浪、天文潮、风暴潮、径流相互作用。利用该模型对长江口及其邻近海区一系列台风风暴潮进行后报检验,计算结果与实测资料有较好的一致性。最后,利用建立的模式,针对影响长江口地区的两类典型路径台风——近转向型台风和登陆型台风,讨论了气压、风应力、台风路径等因素对增水的贡献;并对台风移动路径与外高桥实测增水强度进行统计分析,给出了台风移动路径、气压梯度和增水强度的定量关系。     

波浪对风暴潮影响的数值研究

联合第三代浅水海浪模式SWAN和三维海流模式POM,建立考虑海浪影响的三维风暴潮模式,利用该模式,在渤黄海区域,对温带气旋830315诱发的风暴潮进行数值模拟,从海表风应力、辐射应力、底应力三方面入手,对海浪对风暴潮的影响进行了数值研究.研究表明:海浪通过风应力对风暴潮水位的影响最为显著,而波致辐射应力与依赖波流相互作用的底应力的影响只在渤海和北黄海相对明显;考虑海浪影响的风暴潮水住过程曲线模拟结果,比不考虑海浪影响的纯风暴潮模拟结果与实测水位曲线吻合的更好,尤其是在减水极值处,其相对误差不超过5.57%.     

波浪对风暴潮影响的数值研究

联合第三代浅水海浪模式SWAN和三维海流模式POM,建立考虑海浪影响的三维风暴潮模式,利用该模式,在渤黄海区域,对温带气旋830315诱发的风暴潮进行数值模拟,从海表风应力、辐射应力、底应力三方面入手,对海浪对风暴潮的影响进行了数值研究.研究表明海浪通过风应力对风暴潮水位的影响最为显著,而波致辐射应力与依赖波流相互作用的底应力的影响只在渤海和北黄海相对明显;考虑海浪影响的风暴潮水住过程曲线模拟结果,比不考虑海浪影响的纯风暴潮模拟结果与实测水位曲线吻合的更好,尤其是在减水极值处,其相对误差不超过5.57%.     

南中国海北部对台风的响应

南海北部近岸海域的风暴潮爆发频率高、危害大,其中广东近岸海域每年由于台风遭受的经济损失高居全国之首,因此更好地评估和预测南海近岸对台风的响应过程有着重要意义。本文基于实测数据,利用潮汐风暴潮近似解公式分析了潮汐与风暴潮相互作用在风暴增水中的作用比例和特征。基于FVCOM-SWAVE模型,分析在台风登陆过程中,南海北部区域对不同路径台风的响应,并设计风场气压驱动实验和波流耦合模型实验,探究了南海北部近岸对不同台风的响应过程的成因,分析了波流相互作用对近岸增水过程的影响。结果显示:潮汐风暴潮相互作用会对风暴增水有着重要的调制作用。首先,其会使余水位有着近似潮汐的震荡,振幅约为0.1m-0.2m。其次,在风暴潮模拟中,加入波流相互作用的分析能够明显改善南海西北部近岸风暴增水过程的模拟精度,误差能够提高0.1m左右。最后发现,南海北部区域存在着由台风激发、向西传播的陆架波,路径有两条:一条沿着我国南海沿岸并穿过琼州海峡进行传播,另一条沿着海南岛东侧路径进行传播,其速度大约在2-5m/s左右,并造成水位响应的西边界强化现象。同时,在台风到来时,琼州海峡东西两侧产生较大的水位梯度,西向流通量显著增加,造成大量的海水进入北部湾。     

渤海局部海域风暴潮漫滩的数值模拟

在Johns变边界模型的基础上,提出了一种嵌套式变边界数值模型,应用于渤海风暴潮的数值计算。分别模拟得到了1964年和1969年两次渤海风暴潮黄河三角洲一带的最大淹水范围和水位过程曲线。模拟过程中考虑了天文潮与风暴潮的非线性耦合效应。模拟结果分别与实测值和固定边界模型的结果进行了比较,从而证实了变边界模型不仅能计算出最大淹水范围,而且得到的风暴潮水位值也更加符合实际。     

人类活动和自然演变共同驱动下黄河三角洲海域潮波及物质输运变化

在海堤建设等人类活动和三角洲蚀淤等自然演变的共同作用下,黄河三角洲岸线水深近年来发生了剧烈变化,同时也将引起邻近海域潮波系统及物质输运路径的重要变化。本文基于FVCOM数值模式,建立了黄河三角洲及邻近海域三维高分辨率潮汐、潮流及拉格朗日粒子追踪数值模型。通过与环渤海长期验潮站的潮汐调和常数、黄河三角洲临时潮位站和测流站的实测资料对比,模型结果验证良好,能较好反映黄河三角洲及邻近海域潮汐、潮流运动特征,并获得了2019年M₂分潮无潮点位置。通过设置1980年、2019年黄河三角洲岸线自然演变、海堤建设及相应水深地形变化的5个数值实验,结果表明:在人类活动与自然演变共同驱动下,黄河三角洲海域的M₂分潮无潮点向东南方向移动,主要影响因素为水深。黄河口向海延伸和海堤丁坝建设导致的岸线变化,对无潮点位置影响较小,但在该凸出岸段两侧形成余流流涡,使得黄河入海物质在莱州湾内停留时间变长,向渤海输运扩散的时间推迟。     

浪、潮、风暴潮联合作用下的底应力效应

运用建立的二维非线性浪,潮和风暴耦全模式分析了波流相互作用下的底应力及其对耦合波浪场和流场的影响。由渤海的两次强寒潮过程的数值实验表明,在波流相互作用下,底应力明显增大,增大的底应力对波浪场影响甚微,但将明显改变水位和流速的大小,这种影响在近岸浅水区更加显著。     

渤海海域冰水共存期的波能流密度推算

为给寒区海域的波浪能估算提供科学依据,提出一种合理推算冰水共存海域波浪条件及波能流密度的方法,该方法将海冰模型与水动力学模型耦合模拟得到的冰浓度以线性修正函数的方式纳入波浪模型的海面摩阻风速方程中,并基于MCT (model coupling toolkit)耦合器将海冰模型、水动力学模型与波浪模型进行实时耦合。基于该方法模拟了渤海冬季寒潮大风期间的海冰以及波能流密度的演化。模拟结果表明,在2012年2月5~8日寒潮大风期间,结冰区域占到渤海总面积的1/3,约有76%的渤海海域的平均波能流密度受海冰影响减小,其中辽东湾近岸的波能流密度平均受冰影响最多减小了100%,而渤海湾和莱州湾近岸受冰影响最多分别减小了60%和50%。即使是无冰覆盖的老铁山水道,其波能流密度的最大值也受冰影响减少了14%。耦合模拟可以更为准确地对渤海冬季的波能流密度分布进行评估,为波浪能发电厂选址提供依据。     

黄河三角洲滨海湿地损失和退化的自然因素

黄河三角洲滨海湿地的损失和功能退化是对环境变化的响应,主要受自然因素控制.黄河入海水沙是形成滨海湿地的物质基础.自20世纪70年代以来黄河水沙减少,新生湿地的形成速率变小;波浪、潮汐、风暴潮、地面下沉和海平面上升等因素导致了滨海湿地的损失,湿地的面积呈减小趋势.由于淡水资源的短缺导致滨海湿地土壤严重的盐碱化和干旱灾害,...     

渤海风暴减水特征及其对深水航路影响的数值模拟

利用环渤海9个沿岸站近10a潮位资料分析渤海海域的风暴减水特征,结果表明:渤海年均出现50cm和100cm风暴减水分别超过30d和6d,每年的9月至翌年4月份风暴减水最为频繁;建立了一套精细化天文潮-风暴潮耦合模型用于渤海深水航路的潮位预报,各站天文潮模拟验证的平均均方根误差为18.5cm,由此计算得到航路代表点的潮汐特征值并作潮汐预报;后报模拟了近10a重大风暴减水过程,模拟与实测吻合较好,说明该耦合模型可为该航路的潮位预报提供有益参考。     

东海风暴潮与天文潮的非线性相互作用

中国东海的风暴潮具有明显的周期性波动。凤暴潮除了决定于风应力和长波效应外,还受到天文潮与风暴潮相互作用的影响。本文利用一个二维数值模式对天文潮与风暴潮相互作用的水位进行了模拟。我们选取了8114号台风加以计算。计算结果与实测资料基本相符,由此说明水位曲线中的潮周期波动主要是由于天文潮与风暴潮之间的非线性相互作用所致。数值实验还表明,如果考虑到天文潮与风暴潮的相互作用可以显著改善水位的预报精度。     

黄河三角洲沿岸及邻近海区细粒沉积物中的碳酸盐

本文用X-射线衍射法直接计算了来自黄河三角洲沿岸及邻近海区80个沉积样的细粒组分(<2μm)中的碳酸盐含量。计算结果与全样的容量法分析结果基本一致。研究结果表明,本区细粒沉积物中碳酸盐含量变化受沉积物来源、海区水动力作用、海底地貌特征和碳酸盐的地球化学行为等因素所影响。     

黄河三角洲沿岸海浪风暴潮耦合作用漫堤风险评估研究

海浪、风暴潮是重要的海洋灾害因子,过去人们主要对这些灾害因子本身进行研究,而对它们作用的承灾体研究甚少。实际上,只有它们作用的承灾体遭到破坏,才产生海洋灾害。本研究的目的就是要针对海浪风暴潮漫堤灾害,提出漫堤灾害的风险评估标准及风险评估方法和程式,为沿海防灾减灾提供科学依据。针对黄河三角洲示范区,根据漫堤程度,提出了漫堤灾害风险等级标准,并基于建立的海浪和风暴潮潮汐数值模式及长期预测结果,提出了风险评估方法和程式步骤。对黄河三角洲近岸海域主要堤段进行了多年一遇和典型台风过程漫堤灾害的风险评估。得到的结果是:该区沿岸海堤在风暴潮水位下一般都不能发生水位漫堤现象,只有加上波浪作用时,才会出现海水漫堤;当发生五十年一遇的风暴潮、浪时,多数的海堤的风暴潮、浪漫堤灾害风险在3—4级,即有效波高的浪已爬上或接近爬到堤顶;9216和9711号台风所产生的风暴潮、浪灾害约为150—200年一遇的情况。从实际情况看,本研究中提出的漫堤风险评估标准、评估方法是可行的,评估结果为有效防减海浪风暴潮漫堤灾害造成的损失提供了参考。