渤海风暴潮数值预报的个例研究

本文叙述利用风暴潮模式和斜压大气模式耦合进行温带风暴潮预报.应用边界层阻尼定律预报风暴潮模式所需的海面风应力.本文进行了渤海风暴潮的个例研究.预报结果清楚地显示了温带风暴潮的特性.一些个例研究指出,风暴潮模式和计算风应力方案是令人满意的,而风暴潮预报精度非常依赖于气象预报.     

GRAPES模式对“0703”强风暴潮的数值模拟分析

本文对2007年3月4～5日凌晨发生在渤海及山东北部沿岸的一次强风暴潮过程成因进行了分析和探讨,并利用我国新一代数值预报模式GRAPES(Global/Regional Assimilauon and Prediction Enhanced System)对该过程进行了气压场和风场数值模拟.结果表明:由温带气旋产生的强而持久的向岸大风是引发此次强风暴潮发生的主要强迫动力;风应力增水作用与天文大潮相叠加直接导致风暴潮的发生;GRAPES模式较好的模拟出了本次风暴潮过程的气压场和风场特征.其中,气压场中,较好的模拟出了温带气旋的发生发展、移动路径、强度变化等特征;风场中,较好的模拟出了风增大和减弱的趋势以及造成风暴增水的向岸大风的风场分布特征等.     

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%.     

渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程（包括台风、寒潮和温带气旋）,模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。     

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。     

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%.     

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.     

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。     

洋山港海域一次冷锋型温带风暴潮特征及各影响因子贡献的对比分析

本文研究了由2020年12月29日至31日强冷锋引起的影响洋山港海域的温带风暴潮过程。通过气象观测数据分析了其天气过程, 并利用FVCOM-SWAVE波浪-风暴潮耦合模式对该过程进行了高分辨率的数值模拟, 同时结合潮位站及浮标站观测数据对模拟结果进行了验证, 分析模拟了波浪、潮流、风暴增减水特征。结果发现, 该次冷锋型温带风暴潮过程主要表现为先短时风暴增水后出现长时间风暴减水的特征, 最大风暴减水可达65~70cm, 其主要诱因包括研究海域气压的快速升高并维持、长时间持续的偏北大风及波流相互作用。相关敏感试验研究了3种因子对风暴增减水位的贡献大小, 发现风暴增水峰值期间风场贡献占比约为90%, 海平面气压场约为5%; 风暴减水峰值期间, 海平面气压场的贡献度约占55%, 风场约占40%, 而波浪的贡献均不足10%。洋山港航道内风暴期间潮流流速最大可达到2.6~2.8m•s^-1, 落潮时为东南向离岸潮流, 涨潮时为西至西北方向的外海潮波传入潮流; 洋山港航道潮流始终是东南或西北向, 此处流速辐合, 是洋山海域流速最高的区域。     

风暴潮三维数值计算模式的研究及在渤海湾的应用

以实验室二维温带风暴潮数值模型为基础,综合考虑海洋潮波动力与风应力联合作用,建立温带风暴潮三维数值计算模型.模型从推导三维风暴潮基本控制方程出发,并应用交替方向隐格式(ADI)方法对方程进行离散求解.对于浅水动边界,模型采取局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法.利用拟三维数值计算方法,并提出了非平面水深等分模式和平面等水深分布模式,应用这两种计算模式分别对渤海湾2009年5月8～10日发生的风暴潮过程进行了数值模拟.将风暴潮位计算结果和增水位计算结果与塘沽验潮站的实际观测数值进行对比验证,结果显示受风应力与潮波联合作用的风暴潮位和增水位与实测数据吻合良好;通过比较得到了平面等水深分布模式的计算成果要比非平面水深等分模式的计算成果更接近观测资料的结论,为风暴潮预报提供了理论依据.     

渤海"9216"特大风暴潮过程的数值模拟

本文论述了我国渤海地区风暴潮的特点,指出渤海地区一年四季均有风暴潮发生,而且发生在这里的温带风暴潮较台风风暴潮既频繁又严重。建立了一个球坐标系下的温带风暴潮数值模式,并利用该模式对发生在渤海地区的9216号特大风暴潮进行了数值模拟,成功地再现了这次过程,这表明：只要计算的风场准确,温带风暴潮的数值预报是可行的．     

影响连云港的几次显著温带风暴潮过程分析和及其数值模拟

本文建立一个温带风暴潮模式，包括海上边界层风场模式和风暴潮数值模式。利用建立的温带风暴潮模式，模拟了影响连云港的几次显著温带风暴潮过程，结果表明，本模式所采用的海上边界层风场模式和风暴潮数值模式是匹配的，能够满足海洋工程中的风暴潮数值计算的需要，甚至可以成为日常温带风暴潮数值预报的有用手段。     

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。     

Effects of winds,tides and storm surges on ocean surface waves in the Sea of Japan

Ocean surface waves are strongly forced by high wind conditions associated with winter storms in the Sea of Japan. They are also modulated by tides and storm surges. The effects of the variability in surface wind forcing, tides and storm surges on the waves are investigated using a wave model, a high-resolution atmospheric mesoscale model and a hydrodynamic ocean circulation model. Five month-long wave model simulations are inducted to examine the sensitivity of ocean waves to various wind forcing fields, tides and storm surges during January 1997. Compared with observed mean wave parameters, results indicate that the high frequency variability in the surface wind filed has very great effect on wave simulation. Tides and storm surges have a significant impact on the waves in nearshores of the Tsushima-kaihyō, but not for other regions in the Sea of Japan. High spatial and temporal resolution and good quality surface wind products will be crucial for the prediction of surface waves in the JES and other marginal seas, especially near the coastal regions.     

渤海典型温带风暴潮数值模拟及改进实验

分析了2010年渤海两次典型温带风暴潮过程及规律,发现沿岸的最大增水基本由北沿渤海西岸向南传播且各站出现最大增水时间有较稳定的滞后,利用一套基于非结构网格的高分辨率风暴潮模式(ADCirc)和NMEFC温带风暴潮模式(CES)分别对“20101212”强温带风暴潮过程进行数值模拟,对比分析其结果的优劣后提出基于测站风场...     

连云港温带风暴潮及可能最大温带风暴潮的计算

用46a资料首次对连云港温带风暴潮进行了统计分析,计算了不同重现期的温带风暴潮(增、减水)值,并划分引起温带风暴潮的天气类型;进而首次构造引起连云港可能最大温带风暴潮(增、减水)的天气系统;最后,采用经过典型温带风暴潮过程数值模拟检验的风暴潮数学模型,计算了连云港可能最大温带风暴潮,计算结果已被江苏田湾(连云港)核电站厂址设计部门采用.     

天津沿岸冷锋型温带风暴潮的客观分型研究

选取1956?2016年共126例天津沿岸风暴潮个例,基于统计资料研究其发生规律,并按照天气形势将之分类。冷锋型温带风暴潮个例占据全部风暴潮个例的60%以上,其平均每年发生1.28次,2013?2016年有明显增多的趋势。利用Lamb-Jenkinson(L-J)客观分型方法,对2003?2016年的冷锋型温带风暴潮个例进行客观分型,并计算5个环流指数。分型结果表明:除有1例无法归类外,其余均可进行客观分类。在全部分型的27类环流类型中,冷锋型温带风暴潮个例的环流主要集中在12类之中。其中反气旋混合偏东气流型、反气旋混合东北气流型、偏东气流型均发生较多次数,共占据了总数的58.8%。此3类出现次数多,产生的增水大,可认为冷锋型温带风暴潮个例依据客观分型再次细分为此3种主要类型。3种主要的客观环流类型80%集中出现在秋、冬季节。利用典型过程的海平面气压场进行对比分析,其客观分型结果可以对影响渤海的冷锋走向和冷高压中心位置进行区分。环流指数的强弱粗略的表示了风暴潮过程的强弱。客观环流类型和环流指数,可以为风暴潮个例对比分析提供客观依据。     

Long-term variation of storm surge-associated waves in the Bohai Sea

When investigating the long-term variation of wave characteristics as associated with storm surges in the Bohai Sea,the Simulating Waves Nearshore(SWAN)model and Advanced CIRCulation(ADCIRC)model were coupled to simulate 32 storm surges between 1985 and 2014.This simulation was validated by reproducing three actual wave processes,showing that the simulated significant wave height(SWH)and mean wave period agreed well with the actual measurements.In addition,the long-term variations in SWH,pattems in SWH extremes along the Bohai Sea coast,the 100-year retum period SWH extreme distribution,and waves conditional probability distribution were calculated and analyzed.We find that the trend of SWH extremes in most of the coastal stations was negative,among which the largest trend was-0.03 m/a in the western part of Liaodong Bay.From the 100-year return period of the SWH distribution calculated in the Gumbel method,we find that the SWH extremes associated with storm surges decreased gradually from the center of the Bohai Sea to the coast.In addition,the joint probability of wave and surge for the entire Bohai Sea in 100-year return period was determined by the Gumbel logistic method.We therefore,assuming a minimum surge of one meter across the entire Bohai Sea,obtained the spatial SWH distribution.The conclusions of this study are significant for offshore and coastal engineering design.