围填海工程对渤海寒潮风暴潮能量场的影响

本文基于三维有限体积FVCOM海洋动力模型,通过潮汐和风场共同驱动,建立了渤海精细尺度寒潮风暴潮模型。利用2000年和2010年的渤海岸线,对2003年10月的渤海寒潮风暴潮过程进行数值模拟,研究了围填海工程前后,渤海寒潮风暴潮能量场的变化。研究结果表明,岸线变化后,渤海海域风暴潮能量场变化明显,曹妃甸港和黄骅港等站位的风暴潮水位相对有少量增加,对应的势能能量密度有增加的趋势,相反各站位风暴潮流速有所减弱,因此对应的动能能量密度有相对减少的趋势。在黄骅港站位,由于势能能量密度大于动能能量密度,总能量密度受势能能量密度的影响较大,总能量密度相对有增加的趋势;在曹妃甸港站位,风暴潮总能量密度受动能能量密度的影响较大,总能量密度相对有减少的趋势。     

江苏近海风暴潮增水数值模拟研究

为研究江苏近海海域风暴潮的特性以及为该海域风暴潮增水变化机理及后报做铺垫,本文基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)海洋模式和Jelesnianski圆形台风风场模型,建立了江苏近海风暴潮数值模型,并对江苏近海的天文潮以及1109号台风和1210号台风引起的风暴潮进行模拟。结合验潮站水位观测,研究了连云港站和吕泗站的天文潮和风暴潮增水过程。我们将风暴潮与天文潮非线性作用下的风暴潮增水和纯风暴潮增水过程进行对比,讨论了天文潮与1109号和1210号台风风暴潮之间的非线性作用引起的增水特征。结果均表明,在天文潮高潮时,天文潮和风暴潮之间的非线性作用可以抑制增水,在天文潮低潮时,天文潮和风暴潮之间的非线性作用有利于增水。除了气象因子以及天文潮和风暴潮之间的非线性作用外,该海区的地理环境也对台风风暴潮增水产生影响。因此对江苏近海的海岸线变化和浅滩地形变化进行敏感性试验,结果表明,本文所设计的海岸线变化对该海域的风暴潮增水影响较小,江苏沿海岸线的向外推移使得江苏海域风暴潮的增水略微上涨,而本文所设计的地形的变化对风暴潮增水影响较大。     

一个高分辨率的长江口台风风暴潮数值预报模式及其应用

利用河口海岸海洋模式(ECOM-Si)建立了一个适用于长江口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自然正交水平坐标系统和能分辨较复杂海底地形的垂直σ坐标系统.模式考虑了长江口径流量对风暴潮的影响,部分地考虑了天文潮和风暴潮非线性相互作用对风暴增水的影响.风暴潮预报的大气强迫场用模型气压场和模型风场.利用所建立的模式对长江口区台风风暴潮进行了8个个例模拟,模拟增水与实测增水的峰值相比较,平均绝对误差不足10cm.利用本研究建立的模式,就气象因子对风暴潮位的敏感性进行了数值试验.试验结果表明,台风中心气压降低(升高)20hPa可导致约100cm的风暴潮位升高(或降低).台风最大风速半径误差对台风增水的变化影响也较显著.试验还表明,长江径流量增加1倍(减半),可以造成风暴潮的平均增加25cm(减小13cm).天文潮位相变化对风暴增水的影响数值试验表明,当台风暴潮与天文潮在不同位相相互作用,可使风暴潮位最大增加达70cm或减小90cm.     

东南沿海台风风暴潮增水过程中非线性机制和地形的作用研究:以1509号台风"灿鸿"为例

本文基于FVCOM（Finite Volume Community Ocean Model）构建了一个覆盖中国渤海、黄海和东海的数值模型，采用NCEP-CFSR风场数据对1509号台风“灿鸿”产生的风暴潮进行模拟，与实测水位数据的对比表明该模型可靠、模拟结果合理。基于此模型，本文对非线性作用和地形在风暴潮增水过程中的作用进行了研究。首先，重点分析了增水过程中潮汐与风暴潮的非线性作用，结果表明：高潮时非线性作用使增水值降低；低潮时非线性作用使增水值升高。另外，开边界处分别只添加M₂、S₂和K₁分潮，分析天文潮的潮高和周期对非线性作用的影响，结果表明：潮高越高，非线性作用越明显；半日潮的非线性作用较全日潮更明显；并且，增水极值附近出现的半日周期的波动也与非线性作用有关。其次，除了非线性作用，地形对风暴潮的增水也有一定影响，本文改变地形的实验结果表明：坡度越大，增水极值越小。琉球群岛的存在使得东南沿海出现风暴潮增水的面积减小，但使得风暴潮增水的高值区域扩大。     

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。     

葫芦岛核电站可能最大风暴潮(PMSS)数值模拟研究

核电厂厂址的可能最大风暴潮(Possible Maximum Storm Surege,PMSS)是滨海核电厂厂址重要的设计基准之一。基于ADCIRC风暴潮模式计算葫芦岛地区的风暴潮,同时对网格进行精细化处理,网格分辨率精度较高。首先为检验数值模式的准确性,分别模拟了辽东湾地区发生的6005号、7203号和7303号典型台风风暴潮过程,计算葫芦岛站风暴潮最大增水值并与实测资料进行对比,计算表明本文模拟结果与实测结果吻合良好,验证了本文数值计算模型的准确性,为可能最大风暴潮(PMSS)的计算提供了依据。以渤海典型台风7303号台风为基础,建立多条影响核电站厂址的台风路径,计算得到201条派生路径下核电站厂址的最大风暴增水情况,为核电站厂址选址提供了重要依据。     

渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟

为探究渤海岸线及水深变化对水动力的影响,基于Delft3D水动力学模型,选用2003年和2015年作为围 填海前后的典型年份,建立了围填海前后岸线及水深条件下的渤海三维水动力模型,并对水动力场进行了模拟。通过对围填海前后潮波和潮余流的分析,得到了岸线及水深变化对渤海水动力场的影响。结果表明:填海后,岸线及水深变化会对渤海主导分潮M₂分潮产生较大影响,秦皇岛附近无潮点向西北方向偏移,渤海海域M₂ 分潮振幅总体减小;潮致余流场受岸线及水深变化影响较大,其中渤海湾曹妃甸港南部形成复杂的涡流,沿岸海域余流增大;滨海新区附近形成多个小范围环流,且天津港到黄骅港北部沿岸海域2015年余流比2003年增加3~5 cm/s;黄骅港南部形成一个逆时针环流,并且该处余流减小2~5 cm/s。辽东湾辽河口附近由于水深增加导致余流减小2~7 cm/s。莱州湾黄河口附近的逆时针环流向东南方向移动,黄河口北部余流略有减小,东南部余流明显增大,增加量最多能达到9 cm/s。刁龙嘴南侧顺时针环流减小,北侧顺时针环流增大4~9 cm/s。     

黄、东海天气系统对渤海风暴潮影响

渤海沿岸是风暴潮多发区域。研究者多关心渤海局地风引起风暴潮变化,而忽略黄、东海天气系统对渤海风暴潮的影响。为研究外围天气系统对局地风暴潮的影响,本文采用实测资料对比和设计理想数值试验等方法,对黄、东海天气系统影响的渤海风暴潮进行了研究。结果表明:1、TY1814"摩羯"和TY1818"温比亚"台风风暴潮的实测资料呈现当黄、东海风力较大,而渤海风力较小时,渤海沿岸也会出现较大风暴潮现象; 2、从FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)模拟的理想数值试验中发现,黄、东海风向是东南风时,引起渤海沿岸风暴增水极值最大;3、以入海气旋和登陆北上台风两种类型天气系统风向变化设计理想数值试验,发现黄、东海的东南风持续时间对渤海沿岸风暴潮极值大小和出现时间影响较大。理想试验获得的结论不仅能为渤海风暴潮预测和防灾减灾提供理论依据,还能够有效减少预警应急中漏报的现象,降低沿海经济损失。     

波流耦合作用下渤海及北黄海风暴潮增水及海浪过程的数值模拟

本文基于三维波流耦合FVCOM-SWAVE数值模式,采用Jelesnianski参数化风场与再分析数据集ECMWF风场数据叠加而成的合成风场作为外力驱动力,模拟了1818号"温比亚"台风引起北黄海及渤海海域风暴潮增减水及波浪的生长与消减过程,进而分析该海域在"温比亚"台风作用下波浪对流速垂向分布的影响。研究结果表明:合成风场得到的风速最大值及出现时刻与实测数据符合较好,合成风场较为合理,能够为模拟波流耦合机制下海域水动力变化提供准确的风场条件;几个测站的风暴潮增水模拟结果与实测数据较为吻合,FVCOM-SWAVE耦合系统合理地再现了"温比亚"台风在黄渤海引发的风暴潮增水以及台风浪过程。此外,计算结果显示"温比亚"期间黄渤海海域最大有效波高分布于台风中心外围,且位于台风前进方向上,波浪最大有效波高值与台风强度有关;在台风过境期间,波流相互作用对近岸海域流速的垂向分布具有一定影响,考虑波流相互作用可有效提高台风风暴潮数值模拟精度。研究结果对台风灾害预报、防灾减灾及港口建筑选址具有一定的参考意义。     

台风“利奇马”对渤海风暴潮影响研究

利用实测资料对比和FVCOM数值模拟等方法,研究了"利奇马"台风风暴潮在渤海的演变规律。研究表明:渤海沿岸的风暴潮过程是由局地风"直接作用"及外部天气系统"间接影响"共同作用引起的,且它们引起的风暴潮时空分布明显不同。在"利奇马"台风风暴潮中,"直接作用"引起的风暴增水在渤海湾和莱州湾沿岸分别约占总风暴增水的2/3和1/2。     

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“凡亚比”在台湾海峡所引起风暴潮的数值模拟

基于FVCOM海洋模式,利用台风模型构造的风场作为大气强迫,模拟了台风凡亚比经过台湾海峡时引起的风暴潮过程。分析了水位、流场等要素对台风的响应。结果显示:模拟的风暴潮水位与实测水位吻合较好,误差较小,从侧面验证了近岸水位变化主要是局地风场造成;台风凡亚比造成台湾海峡大部分区域出现显著增水,大陆沿岸作为迎风区,增水最为明显,增水最大值达到2m以上,增水主要受到风场和地形的影响;表层风生流场与Ekman风生漂流特征一致;大陆沿岸风暴潮的先兆波振幅在20~30cm,余振阶段并不明显。台风造成的表层平均流方向在近岸平行于岸线,流速加强,在海峡中间形成非闭合逆时针流动,流向与跨越海峡过程中台风最强时的风场方向一致。     

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。     

天津近岸台风暴潮漫滩数值模式研究

基于对POM(Princeton Ocean Model)模式的改进,采用Flather-Heaps干湿网格法和两重网格嵌套的数值计算格式,针对天津近岸海域的地形和易受风暴潮漫滩灾害侵袭的特点,建立了天津近岸海域三维动边界风暴潮漫滩模型,对天津近岸区域台风影响下的风暴潮漫滩进行了数值模拟研究。选取7203,8509,9216,9711号典型台风过程,计算了风暴潮漫滩水位变化,通过与塘沽站点实测数据的比较,计算的增水曲线过程与实测结果吻合较好,基本能够真实反映天津近岸的风暴潮水位变化情况及漫滩范围。研究结果验证了改进POM模式为动边界数值模型并应用于浅海区域是可行性的。     

090415渤海黄海北部灾害性海浪风暴潮过程灾情成因分析及灾后反思

2009年4月15日,受强冷空气和低压槽共同的影响,渤海、黄海北部形成4～5m的巨浪区,龙口外海的康菲海上石油平台实测最大有效波高4.8 m;渤海湾塘沽潮位站实测最大风暴增水173 cm,黄骅潮位站实测最大风暴增水176 cm.河北省、山东省、天津市沿海发生了较严重的温带风暴潮和海浪灾害,遭受到不同程度的经济损失和人员伤亡.此次过程是自2007年3月3日发生渤海黄海特大温带风暴潮海浪灾害以来较为严重的一次海洋灾害.本文简要分析了风暴潮与海浪灾害的天气形势及海浪风暴潮特点,讨论了海洋灾害的成因,并就其灾后反思及预防对策进行了探讨.     

台风模型风场建立及其模式验证

对0814号台风进行了增水模拟,以及建立一个适合0814号台风类型的模型风场,用于将来的风暴潮模拟。文章使用香港天文台数据进行增水模拟验证,在模式未考虑气压、远程天气、径流等因素对增水作用下,模式将误差控制在20%以内,据已有研究结果表明,模式具有一定的准确性。在建立风场模型中,首先,通过对比已有圆对称风场模型,确认Dual模型更为合理;其次利用藤田公式对参数化流入角进行修正,对风场的流向与温度、强度建立联系,并讨论流入角度变化对增水影响;再次,通过叠加移动风场,获得右侧风速偏大的风场,以及讨论其对增水的影响;最后,尝试添加背景风场,并对比添加前后增水变化,发现最大增水点附近增水降低,而台风中心附近和外围区域增水增加。本文认为公式叠加背景风场更加合理,选取背景风场数据最好不包含台风信息。此风场的建立主要为研究南海风暴潮变化机理及后报做铺垫。     

浪流耦合对汕尾港台风风暴潮模拟的影响

利用浪流耦合的无结构网格嵌套海洋模式,选取对汕尾沿岸海域影响较大的两次台风风暴潮过程进行模拟,分析浪流耦合作用对汕尾风暴潮增水的影响。结果表明:考虑浪流耦合的影响不仅能够将汕尾港风暴潮主振阶段的增水模拟误差减小5～10 cm,而且可以更好地刻画出港内增水的双峰结构,使得模拟结果的增水峰值时刻准确度提高近1 h。进一步的分析发现,汕尾港内浪致增水过程先于大风、低压引起的增水过程。同时,流场结果的对比表明:在风暴潮主振过程期间,浪流耦合作用对红海湾内的流场影响较为稳定,而对汕尾港入海口的流场影响较大。研究结果对防灾减灾和应急搜救工作有一定的参考意义。     

围填海对连云港海区天文潮及风暴潮的影响分析

本文研究了围填海对连云港海区海洋动力环境的影响,通过分析连云港海洋站的实测数据,给出了连云港近海的水动力特征;基于ADCIRC建立了渤黄海的潮汐和风暴潮模型,利用海洋站的潮位资料和增减水资料验证了模型的适用性,模拟了填海前和填海后的潮位,分析了不同情况下潮汐的变化;并利用该模型研究了围填海对可能最大风暴潮的影响。研究结果表明：围填海引起了分潮振幅的变大,尤其是M₂分潮,最大增幅能达到5.5 cm;围填海对风暴潮增减水有一定影响,距离填海区越近影响越大,徐圩港区周边可能最大增水极值变化范围为-27～18 cm。     

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。     

基于Delft3D模型的风暴潮增减水模拟研究——以“9711”号台风为例

为了精确模拟"9711"号台风期间风暴潮增减水过程,考虑耦合作用下的非线性,利用Delft3D建立三维天文潮和风暴潮耦合模型,利用实测数据进行了验证,探究了台风经过日照港时风暴潮增减水过程。结果表明:(1)"9711"号台风引起的风暴潮增减水位呈现周期性变化,其变化周期与天文潮周期相近;(2)风暴潮期间,日照港西南侧海域增减水幅度较大,增水时,NE流向与SW流向的潮流在该区域相遇叠加,使增水幅度加重,减水时,该区域潮流由SW向NE流动,使减水幅度加重;(3)非线性引起的水位变化在风暴潮的水位变化过程中起负相关作用。