基于海气耦合模型的渤海两种类型风暴潮数值模拟与对比分析

渤海一年四季都易受到由温带风暴和热带气旋所致风暴潮的影响。为了缓解风暴潮灾害对海岸地区人员生命财产的影响，十分有必要了解大型风暴潮的发生过程和机制。目前大部分研究主要局限于单一的温带风暴潮或台风风暴潮。本文利用所构建的海气耦合数值模型研究了发生于渤海的两种类型的风暴潮，对发生在渤海的2次典型强风暴潮过程进行了模拟。由WRF模型模拟得到的风场强度和最低海平面气压与实测数据吻合较好，由ROMS模型模拟得到的风暴潮期间水位变化过程与潮位站观测结果也吻合较好。对两种类型风暴潮期间的风场结钩、海面风应力、海洋表面平均流场以及水位分布进行了分析对比，并将耦合模型结果与非耦合模型结果进行了对比。研究表明，渤海两种类型风暴潮期间的风场结钩、海面风应力、海洋表面平均流场以及水位分布等均存在巨大差异。渤海风暴潮的强度主要由海洋表面的驱动力所决定，但同时也受海岸地形地貌的影响。     

Studies on storm surges and tides

Studies on storm surges and tides by the author can be classified into following four categories of works; (1) observational results on storm surges; (2) dynamics of storm surges including their numerical simulations; (3) methods of tidal analysis; and (4) long-period variations of sea level.As for the first subject, distributions of tidal deviations were investigated for some representative typhoons. Peak surges exceeding a definite value were also extracted from tidal records of Kôbe, Ôsaka and other ports. They were used to estimate return periods of storm surges, and to clarify the relations between storm surges and meteorological conditions.Dynamic studies on storm surges were concentrated especially to those produced by progressive meteorological disturbances. Numerical simulations by the primitive method started soon after the damage of Ise Bay Typhoon in 1959. Computations were made also for Ise Bay, Tôkyô Bay, Ôsaka Bay and other basins along the Japanese coast. Numerical simulations were also made for storm surges produced by Hurricane Carla striking the Coast of the Gulf of Mexico in 1961.Tidal analysis were also made by the author, and they included a new method based on the harmonic analysis of consecutive data for 355 days.Seasonal and long-term variations of sea level were also studied.     

台湾海峡台风暴潮非线性数值计算

台湾海峡平均水深不大于50米,台风侵袭频繁.由于台湾岛的“墙壁效应”和台湾海峡的“狭管效应”的影响,台湾海峡的台风暴潮显得较为独特.以前,我们及其他兄弟单位对福建沿海台风暴潮的研究,大多数仅局限于单站的气-水动力相互作用的研究,很少涉及整个海峡.虽说我们也曾作过福建沿岸台风暴潮现场调查,但进行次数有限,了解的也仅是海峡西岸局部地区的情况,它仅能反映台湾海峡台风暴潮的一个侧面,而无法了解整个海峡地区的风暴潮全貌.     

日照地区风暴潮增水重现值计算

为给政府、规划、设计部门决策提供参考,采用组合分布法对日照地区风暴潮增水的重现值进行了计算。提出了以台风发生强烈的季节和月份进行统计抽样统计的替代方法,简化了工程设计初期的数据处理工作量;并给出了适用于日照地区风暴潮增水的分布模式。与传统的年极值法和过阈法相比,该方法考虑了风暴潮增水的季节变化,物理意义更趋明确。     

A numerical study on the impact of tidal waves on the storm surge in the north of Liaodong Bay

A storm surge is an abnormal sharp rise or fall in the seawater level produced by the strong wind and low pressure field of an approaching storm system.A storm tide is a water level rise or fall caused by the combined effect of the storm surge and an astronomical tide.The storm surge depends on many factors,such as the tracks of typhoon movement,the intensity of typhoon,the topography of sea area,the amplitude of tidal wave,the period during which the storm surge couples with the tidal wave.When coupling with different parts of a tidal wave,the storm surges caused by a typhoon vary widely.The variation of the storm surges is studied.An once-in-a-century storm surge was caused by Typhoon 7203 at Huludao Port in the north of the Liaodong Bay from July 26th to 27th,1972.The maximum storm surge is about 1.90 m.The wind field and pressure field used in numerical simulations in the research were derived from the historical data of the Typhoon 7203 from July 23rd to 28th,1972.DHI Mike21 is used as the software tools.The whole Bohai Sea is defined as the computational domain.The numerical simulation models are forced with sea levels at water boundaries,that is the tide along the Bohai Straits from July 18th to 29th（2012）.The tide wave and the storm tides caused by the wind field and pressure field mentioned above are calculated in the numerical simulations.The coupling processes of storm surges and tidal waves are simulated in the following way.The first simulation start date and time are 00：00 July 18th,2012; the second simulation start date and time are 03：00 July 18th,2012.There is a three-hour lag between the start date and time of the simulation and that of the former one,the last simulation start date and time are 00：00 July 25th,2012.All the simulations have a same duration of 5 days,which is same as the time length of typhoon data.With the first day and the second day simulation output,which is affected by the initial field,being ignored,only the 3rd to 5th day simulation results are used to study the rules of the storm surges in the north of the Liaodong Bay.In total,57 cases are calculated and analyzed,including the coupling effects between the storm surge and a tidal wave during different tidal durations and on different tidal levels.Based on the results of the 57 numerical examples,the following conclusions are obtained：For the same location,the maximum storm surges are determined by the primary vibration（the storm tide keeps rising quickly） duration and tidal duration.If the primary vibration duration is a part of the flood tidal duration,the maximum storm surge is lower（1.01,1.05 and 1.37 m at the Huludao Port,the Daling Estuary and the Liaohe Estuary respectively）.If the primary vibration duration is a part of the ebb tidal duration,the maximum storm surge is higher（1.92,2.05 and 2.80 m at the Huludao Port,the Daling Estuary and the Liaohe Estuary respectively）.In the mean time,the sea level restrains the growth of storm surges.The hour of the highest storm tide has a margin of error of plus or minus 80 min,comparing the high water hour of the astronomical tide,in the north of the Liaodong Bay.     

江苏省长江干流沿程洪潮设计水位数值模拟研究

长江干流江苏段地处长江下游河口地区,全线位于感潮河段,沿程水位既受上游长江径流、外海潮位、台风的影响,也受到工情变化、支流入汇等影响。长江江苏段现行洪潮设计水位是按《长江流域综合利用规划简要报告》(1990年)中确定的无台风影响水位实施。近年来,由于上游水、沙、工情条件变化,开展上游大通径流、风暴潮、区间入汇等对沿程洪潮水位的影响研究十分必要。建立大通至长江口二维水沙数学模型与外海风暴潮模型,研究不同影响因素作用下长江干流江苏段沿程洪潮设计水位变化。研究成果表明:南京河段水位主要受上游径流影响;江阴以下主要受外海潮汐及风暴潮的影响;南京至江阴段则受上游径流、外海潮汐、风暴潮三者的共同作用影响。外海天文大潮、风暴潮"两碰头"和上游大径流、外海天文大潮与风暴潮"三碰头"引起的沿程增水值呈驼峰分布,最大值分别发生在江阴和天生港附近,最大增幅1.65 m。研究结果已为长江江苏段堤防防洪能力提升工程建设提供技术支撑。     

台风暴潮某些特性的分析

台风暴潮的机制和预报,国内已有不少的研究,国外虽然亦进行了许多的研究,但就理论而言,大都局限于全流观点进行分析,从而得出较理想化的结果[1,2]。本文试图直接从线性化了的流体力学运动方程出发,导出适用于浅海中移行风暴所导致的风暴潮的理论模式,以研究其某些特性。     

山东沿岸历史风暴潮探讨

作者根据地方史志资料进行分析与统计,提出山东沿岸风暴潮的特点:存在风潮和台风暴潮两种型式。在风潮中,春季风潮占绝对优势,秋季风潮是次要的。三者的关系是:台风暴潮:春季风潮:秋季风潮=50％:37％:13％。此外,还分析了在风暴潮记载中的有关气象记录问题以及历代王朝有关风暴潮记录的特点。提出历史风暴潮灾情的个例,举出1985年山东沿岸发生的风暴潮灾情,以说明风暴潮灾害的严重性。     

2006年夏季福建近海台风风暴潮特征分析

根据2006年夏季福建沿岸4个海洋观测站和福建近海5个潜标水位观测站的水位观测资料,分析了在4个热带气旋影响下的福建近海风暴潮特征．结果表明：福建沿岸海域的台风风暴潮大小不完全取决于台风强弱,与大风半径关系密切．若台风大风区覆盖整个台湾海峡,福建沿岸海域增水都较大,比如0604号强热带风暴“碧利斯”的大风区较大,由其引起厦门海洋观测站的最大增水高度达114em．0608号超强台风“桑美”和0609号强热带风暴“宝霞”双台风的大风区都比较小,由其引起的各测站增水相对也较小,增水高度最大的厦门海洋观测站只有52em．比较福建近海潜标水位观测站及其附近的海洋观测站采用11点（11h）滑动平均后的最大增水可知,福建近海潜标观测站台风增水高度（22～46cm）比沿岸海洋观测站的台风增水高度（62—73em）小40％左右．这表明台风增水有个向岸堆积的过程,即测站离岸越远,台风增水高度就越小．位于热带气旋（0605号台风“格关”）行进路径右侧的测站增水较大（平潭海洋观测站极值增水高度为49em,崇武海洋观测站极值增水高度为55em）,位于热带风暴行进路径左侧的测站增水较小（东山海洋观测站极值增水高度为45cm）．通过对0604号强热带风暴“碧利斯”引起的各测站增水滤除高频振荡后,福建沿岸海洋观测站最大增水高度从大到小依次为崇武站（74orfl）、平潭站（73em）、厦门站（68om）、东山站（62cm）,可见距离热带风暴中心越近（距离热带风暴中心从近到远依次为平潭、崇武、厦门、东山海洋观测站）,增水高度越大,反之,增水高度越小．台湾海峡地形和福建沿岸海域地形容易出现双（多）增水峰现象．通过对各测站台风增水时间序列进行最大熵谱分析可知,热带气旋容易引起福建沿岸和近海各测站台风增水出现周期为12．0h的振荡．     

黄河河口三角洲风暴潮灾害特点及其预防对策

黄河河口三角洲地区是风暴潮灾害的多发地区,研究该地区风暴潮的成因及其特点,是有效预防风暴潮灾害的基础。在对风暴潮成因分析的基础上,重点研究了各类风暴潮的特点,并提出预防风暴潮灾害的对策措施。     

北部湾风暴潮的数值模拟──三维流速分解模型的一个应用

从三维浅海非线性流体动力学模型方程出发，使用进一步发展了的流速分解法，以７１０９号和８００７号台风为例，对北部湾的潮汐与风暴潮的耦合水位及流速进行了数值模拟．计算结果与实测资料基本相符．此外，还对北部湾风暴潮及天文潮的非线性效应进行了数值探讨．提出了有益的结论。     

环渤海的历史风暴潮探讨

根据地方史志及近现代关于风暴潮的资料,提出在环渤海海域的风暴潮的时空分布,进行了分析与统计,提出环渤海沿岸风暴潮的特点,指出存在发生在夏季的台风潮和发生在春秋两季的风潮两种型式。在风潮的两种型式中,春季风潮占绝对优势,秋季风潮是次要的。三者关系是:台风潮:春季风潮:秋季风潮=60％:30％:10％。此外,还列出了在环渤海沿岸发生的重大历史风暴潮灾表。     

海口港风暴潮分析与预报

本文根据海口港１９７１～１９８９年的实测潮位资料和有关文献,利用差值法分离出台风增减水的过程曲线,对海口港风暴潮的特性和引起增减水的物理机制进行了初步分析。采用经验方法确定了导致本站增水的主导风向及最大的区域,建立了增水极值与本站风力、气压的相互关系,并通过逐步回归分析,给出了海口港风暴潮过程预报方程。最后利用１９９０、１９９１两年的实测资料对预报方程进行了后报检验,结果表明,预报与实测值的吻合程度较好。     

台风“圣帕”登陆福建前后的风暴潮特征分析

通过普查台风影响和登陆前后的气象和水文资料,分析总结了2007年登陆福建的第9号台风"圣帕"风暴增水特征及其与气象要素的相互关系."圣帕"引起的福建沿海风暴增水明显 ( 50 cm 以上 ) 且持续时间长 (52 h );风暴增水最大峰值出现在台风位于台湾海峡时,次峰值分别出现在台风登陆台湾岛前 1～2 h 和台风登陆福建沿海前 4 h."圣帕"风暴增水幅度与各验潮站的海平面气压关系密切,6h变压值对于风暴增水幅度的预报有一定的提前预报价值.     

Numerical computations of the storm surges in tosa bay

The storm surges which occurred in Tosa Bay in August 21, 1970 were numerically simulated. First of all NOAA's model SPLASH (Special Program to List Amplitudes of Surges from Hurricanes) was used and the effects of the typhoon's parameters, the bottom topography, the coastal configuration and the coordinate systems of storm surges were examined. SPLASH was then modified to suit computations of storm surges in the open sea and open boundary conditions were studied. Finally a two layer model was developed and the effects of the two layer system on surges were investigated.     

福建沿海风暴潮特征的分析

通过普查1960-2001年正面登陆我国东南沿海的台风,分析了福建沿海风暴潮的特征及其可能原因。台湾海峡特殊地形对福建沿海风暴潮的时空分布有明显影响,登陆岸段不同,台湾海峡对风暴潮的影响作用也不同,导致福建沿海风暴潮出现明显不同的分布和变化特征。当台风位于台湾海峡时,其大风区位置利范围不同,会影响福建沿海各地风暴增水的幅度。台风横穿台湾海峡时,易使福建沿海台风大风区中心岸段出现双增水峰现象,第一个增水峰出现在台风离开台湾岛进入台湾海峡后,第二个增水峰出现在台风登陆福建沿海前后。台风横穿台湾海峡有时会引起台湾海峡北部出现奇异增水现象,风暴潮与天文潮之间的相互作用可能是其重要原因。奇异增水峰往往出现在天文潮低潮附近,此时实际潮位并不高。     

广西沿海台风暴潮动力分析

本文在建立广西沿海台风暴潮数值模式的基础上,选取4个不同路径的台风暴潮过程,讨论了各水文、气象、地理因子对广西沿海台风暴潮的贡献,并将风应力效应增水与气压效应增水进行了对比分析。     

我国东海和南海沿岸的历史风暴潮探讨

根据我国丰富的地方史志资料分析,证实在我国频临东海,南海沿岸的历史风暴潮是由台风引起的,这与冬半年出现在我国北方沿岸的风暴潮不同。列出了历朝风暴潮按月的统计和重大历史风暴潮灾害表。对史志的记载进行了探讨,指出时间记载的可靠性,古地名的变迁:随同风暴潮记载的海象、气象、天象和物象的记述;以及由风暴潮引起的次生灾害。     

渤海风暴潮概况及温带风暴潮数值模拟

分析研究表明,天津沿海是世界上风暴潮最频发区和最严重的区域之一,风暴潮灾一年四季均有发生,除夏季有台风风暴潮灾害发生外,春、秋、冬季均有灾害性温带风暴潮发生.采用球坐标系下的二维风暴潮模式,对1969年4月23日引起渤海最大温带风暴增水过程进行了数值模拟.对风场和增水过程的计算结果验证表明,该模式可用于温带风暴潮的工程计算,并且只要依据文中方法计算出预报气压场和风场,该模式也具有预报能力.     

“威马逊”台风暴潮增水及水动力响应数值模拟

基于河口海岸水动力三维数值计算模型,建立浙江沿海天文潮与风暴潮耦合预报模式。利用该模式,对经过浙江沿海海域的台风"威马逊"进行数值计算,风暴潮增水计算结果与实测值符合较好,误差基本在±20 cm以内。计算增水值与传统的调和分析法所得的增水结果相比,也较为一致。进一步对局部水动力响应的研究发现,风暴潮期间,局部地区从底到表各层水流流速均急剧增大或减小,其值达到了与天文潮流同等的数量级。当水流流向与风向相同或相近时,流速增大,相反时,则流速减小。且台风期间,各层水流流向也随风向发生改变,流态变得更加复杂。