温州近岸围堤对风暴潮漫滩影响的数值研究

利用-套基于非结构网格且能计算海水漫堤溢流的超高分辨率风暴潮漫滩数值模式模拟由9417号台风特大风暴潮引起的漫滩,结果与实测吻合良好。此外,选取超强台风强度并以9417台风路径为南路径,往北每间隔30 km为中路径和北路径设计了3条台风路径,进行了-系列数值模拟得出:近岸围堤加大了风暴潮、漫滩淹没对温州的威胁,而且由南路径引起的漫滩深度和中路径引起的漫滩面积影响最大。究其原因,近岸围堤对外海风暴潮在温州近海及瓯江口传播的阻隔和分流作用,两者综合变相加大了风暴潮往瓯江口北侧海域、瓯江北口、瓯江中上游的输送量。     

基于无结构网格有限体积法的风暴潮数值预报模式

基于无结构三角单元网格和有限体积法,建立了一个高精度高分辨率的风暴潮二维数值预报模式。该模式采用对岸线有较强拟合能力的无结构网格对求解区域进行离散,采用藤田公式和宫崎正卫风场模式模拟气压场和风场。由于台风暴潮在近岸地区受底部地形的影响,可能引起非线性较强的波动,从而产生陡度大的波面,因此模式中利用Roe的通量函数给出守恒方程的无粘性通量。针对复杂的海底地形,对模式专门进行了通量梯度项与源项的平衡。应用此模型模拟和预报珠江口地区的风暴潮增水,取得了较满意的结果。     

Neural network prediction of a storm surge

The occurrence of storm surge does not only destroy the resident's lives, but also cause the severe flooding in coastal areas. Therefore, accurate prediction of storm surge is an important task during the coming typhoon. Conventional numerical methods and experienced methods for storm surge prediction have been developed in the past, but it is still a complex ocean engineering problem which many factors, including the central pressure of typhoon, the speed of the typhoon, the heavy rainfall, coastal topography and local features influence the variation of storm surge. In fact, this problem is still a complex nonlinear relationship that can not solved efficiently by these two methods. Therefore, this paper presents an application of the neural network for forecasting the storm surge. The original data of Jiangjyun station in Taiwan will be used to test the performance of the present model. The results indicate that the neural network can be efficiently forecasted storm surge using the four input factors, including the wind velocity, wind direction, pressure and harmonic analysis tidal level.     

覆盖中国沿海地区的精细化台风风暴潮模型的研究及适用

精细化风暴潮预报是目前风暴潮预报重点发展方向之一,本文首次建立起了一个覆盖整个中国沿海地区的精细化台风风暴潮数值模型,克服了以往分区域数值模型的不足,该模型在中国沿海地区的分辨率达到300m左右。模型采用了并行计算,并对2012年和2013年灾害性台风风暴潮过程进行了数值检验,计算精度和计算所用时间都能够满足业务化运行的要求。本文同时还根据中国气象局、美国国家气象局等5家主要台风预报机构给出的24h台风预报,对2013年度灾害性台风风暴潮过程进行了24h数值预报检验,检验结果表明:根据中国气象局台风登陆前24h预报可以得到更准确的风暴潮预报结果,其预报结果优于其他各家预报结果。该结论可以为今后的台风风暴潮预报中台风路径的选取提供重要的参考。     

浙江沿海超强台风作用下风暴潮增水数值分析

基于河口海岸水动力二维数值模型,建立风暴潮与天文潮耦合作用的数值模式,通过三次强台风和二次超强台风引起的风暴潮增水模拟和分析,证实该模式可用于浙江沿海增水预测.以1949年以来登陆我国大陆沿海最强的"5612"号台风作为典型的超强台风,利用本模式计算分析了超强台风在浙北至浙南5个不同地点登陆遭遇大潮时可能出现的风暴潮增水过程和最大增水,该结果对于海岸工程的防护具有实际的意义.     

风暴潮模拟中潮位对风拖曳力系数的影响研究

近年来,应用数值模型模拟台风引起的风暴潮运动越来越普遍,模型中对于风拖曳力系数的确定,一般都从相对风速出发,可引用的公式也较多,但这些公式很少考虑潮位变化对此系数的影响.在强潮河口、海岸海域,潮位变幅大,最高潮位甚至可达风速参考高度(10m)的近一半,如长江口和杭州湾.在数值模拟中不考虑风暴潮和天文潮共同引起的潮位变化,会造成风应力高潮时被低估、低潮时被高估的现象,从而影响风暴潮模拟的精度.为此本文对现有的风拖曳力系数加以改进,提出了考虑潮位影响的风拖曳力系数表达式,并应用于长江口、杭州湾9711号台风风暴潮的模拟中,增水模拟结果得到了明显改善,可进一步推广应用于强潮河口、海岸的风暴潮增水模拟中.     

雷州市沿海风暴潮淹没危险性评估*

文章基于近岸海洋数值模式ADCIRC (a parallel advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters)和近海波浪数值模式SWAN (simulating waves nearshore), 建立雷州市高分辨率的风暴潮-海浪耦合漫滩数值模型, 并反演了对雷州市影响较为严重的1415号台风“海鸥”的风暴潮过程。经过对比分析得出, 波浪对雷州市沿海海域的风暴潮产生重要影响。然后以8007号台风路径为基础, 构造了7个不同等级共35组台风风暴潮案例, 计算分析出不同等级台风强度下雷州市风暴潮淹没范围及水深。900hPa等级下, 雷州市淹没面积达到463.2km²。文章还构造了60组可能最大风暴潮事件集, 计算得到雷州市可能最大台风风暴潮淹没范围及水深分布。在可能最大台风影响下, 大量海水将漫过海堤, 造成极其严重的淹没灾害, 雷州市总的淹没面积可达602.0km², 其中465.8km²的淹没面积达到了危险性等级 Ⅰ 级, 淹没水深大于3m。雷州市东岸的淹没灾害大于西岸。     

黄河口区风暴潮及其影响与预防对策的研究

黄河口三角洲位于渤海西南岸,介于渤海湾和菜州湾之间,是我国沿海三大三角洲之一。从其发育史考证,黄河经利津县有效行水时间约千年。自1855年至今,黄河口三角洲平均每年以25k㎡的速度淤积造陆,使其面积增加了2500k㎡以上(书书享,1985；郭永盛,1980)。由陆地等高程图(图1)可知,三角洲等高线大体与海岸平行,但两侧低,中间高,高程1-8m,平行坡降1%-1.5%,是沿海坡度最小的地区。这种地形给洪水内侵创造了有利条件,历史上发生的大量潮灾记载(刘凤树,1984；翟乾祥,1983)充分证明了这一论断。 近几年来,国内不少学者(刘凤树,1984;陈彰容,1983；刘凤岳,1982; Zhang Yanting etc,1982；孙文心等,1979； 北海分局青岛中心站,1978；海洋局预报总台海况组,1978)对渤海风暴潮特性和潮灾作了较深入的研究,进行了数值模拟和统计分析,并获得了一些成果。本文根据从1952-1980年间的历史资料中选择的、对黄河口区影响较显著的90次寒潮和18次台风过程的风暴增水作了概略分析，并对黄河口区沿岸各测站(塘沽堤口、东风港、富国、羊角沟)多年年极值水位作了统计分析,为黄河口三角洲的开发以及港口和防潮堤的建筑提供了安全保证和设计依据。     

基于GPU技术的风暴潮集合预报

台风预报的准确性在风暴潮预报中起着重要作用。台风强度和路径的不确定性意味着使用集合模式来预报风暴潮。本文利用中央气象台的最优路径台风参数驱动国家海洋环境预报中心业务化的水动力学模型,开展华南沿海的风暴潮模拟,模式模拟结果与实测吻合较好。为了改进计算效率,采用CUDA Fortran 语言对模型进行了改造,改造后的模型在计算结果与原模型基本一致的基础上,计算时间缩短了99%以上。通过融合欧洲中期天气预报中心（ECWMF）的50条路径与3种可能台风强度构造出了150个台风事件,并用150个台风事件驱动改进的风暴潮数值模型,计算结果可以提供集合预报产品和概率预报产品。通过“山竹”台风风暴潮过程可以发现集合平均预报结果和概率预报结果与实测吻合较好。改进的数值模型可以运行普通工作站上,非常适合风暴潮集合预报,并且可以提供更好的决策产品。     

台风作用下长江口北槽挟沙能力研究

台风作用下水体的挟沙能力研究对深入认识台风暴潮作用下泥沙运动规律、滩槽演变特征以及提升数学模型和物理模型技术等方面具有重要意义。文中从台风波能对泥沙的悬浮作用入手,建立了台风浪作用下的挟沙能力公式;依据能量叠加原理,完善了传统的河口海岸挟沙能力公式（窦国仁挟沙能力公式）,使公式能够同时概括潮流、波浪和台风浪作用下的泥沙运动特征,并应用近年来长江口北槽实测的台风期近底水沙资料对公式进行了率定验证,在此基础上分析了台风期北槽近底含沙量变化特征。     

基于浪潮组合的台风暴潮强度等级划分

为准确定位风暴的强弱及灾害的大小,文中提出了泊松-二维对数正态分布,并将其用于海岸地区台风暴潮致灾强度的长期预测。选取青岛地区建国以来所出现的主要台风暴潮作为观测资料,以水位和显著波高系列组成样本,进行了台风暴潮重现期的统计推算。提出了判别台风暴潮致灾强度的新标准。实例显示,新标准概念清楚,简单易行,适用于青岛地区台风暴潮的强度确定。基于新模式的风暴潮强度随机分析方法对我国其它海岸地区的防潮减灾具有参考意义。     

不同路径台风作用下长江下游沿线风暴增水分布研究

长江口受台风影响严重,台风风暴潮、上游洪峰及天文大潮相遇将致使长江下游至长江口水位暴涨,对沿岸至河口的防汛安全构成严重威胁。基于ADCIRC模型构建东中国海至长江口风暴潮数学模型,模拟9711号台风和0012号台风两场典型台风水位过程。以典型台风为基础构成多种台风路径,分析不同登陆位置和走向对长江沿线风暴增水影响。研究大洪水、不同路径台风、天文大潮共同影响下长江下游沿线风暴增水分布规律。结果表明:登陆位置处于长江口南侧情况下长江河道沿线增水大于正面登陆长江口和北侧登陆型台风;平行于长江河道方向移动的台风造成沿线增水大于斜向穿越长江口的台风,不同台风走向对于风暴增水影响程度小于登陆位置;台风风暴潮、上游洪峰及天文大潮“三碰头”情形下长江沿线增水分布呈单峰型,从大通至江阴不断增大,江阴至中浚维持高位,中浚至口外迅速减小。     

珠江口台风增水对热带气旋参数改变的反响

通过计算，研究热带风暴中心气压下降示度、最大风速半径、热带气旋登陆地点、热带气旋登陆时的入射角、热带气旋移动速度等参数改变条件下，珠江口５个测站风暴潮的变化。结果表明，各站的反响很不一致，在风暴潮预报中对地形的特点、热带气旋移动速度及热带气旋登陆地点等应给予足够的重视。     

厦门风暴潮淹没风险预警系统研究

为提高厦门防御台风风暴潮灾害风险的能力,辅助政府部门开展海洋防灾减灾工作,文章基于风暴潮数值模型开发厦门风暴潮淹没风险预警系统,并以1521号台风为例模拟其淹没风险。研究结果表明：风暴潮数值模型能较好地刻画影响厦门的台风风暴潮过程,满足风暴潮淹没风险分析需求;厦门风暴潮淹没风险预警系统采用按警戒潮位预警和按高程预警2种方法分析风暴潮淹没风险,可对影响程度不同的岸段采取不同的预警和防御措施;基于数值模型的风暴潮淹没范围与实地调查区域的淹没范围基本一致,可对未开展实地调查区域的淹没范围进行补充;今后须进一步完善厦门风暴潮淹没风险预警系统,同时建立厦门风暴潮风险评价体系。     

Development and application of an operational tide and storm surge prediction model for the seas around Taiwan

Storm surges are abnormal rises in sea level along coastal areas and are mainly formed by strong wind and atmospheric depressions.When storm surges coincide with high tide,coastal flooding can occur.Creating storm surge prediction systems has been an important and operational task worldwide.This study developed a coupled tide and storm surge numerical model of the seas around Taiwan for operational purposes at the Central Weather Bureau.The model was calibrated and verified by using tidal records from seas around Taiwan.Model skill was assessed based on measured records,and the results are presented in details.At 3-minute resolution,tides were generally well predicted,with the root mean-square errors of less than 0.11 m and an overall correlation of more than 0.9.Storms(winds and depressions) were introduced into the model forcing by using the parameter typhoon model.Five typical typhoons that threatened Taiwan were simulated for assessment.The surges were well predicted compared with the records.     

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。     

胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模拟

基于海表气压项改进的FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式,研发胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模式(JS-FVCOM).利用 JS-FVCOM 模式通过对天文潮、台风强度和径流3要素的不同组合,共设计了5个试验,分别进行风暴潮漫滩模拟实验.分析各试验结果得到如下结论:(1)随着台风最大风速的增加,风暴潮增水迅速增加,当综合水位超过防潮堤高程后增水速度明显减慢.海水淹没范围和淹没深度受综合水位超防潮堤高程时间影响明显.(2)在入海河流的河口区,当洪水位与高潮位相遇时,由于高潮位的顶托作用,洪水下泄不畅,造成综合水位上升明显,极易发生海水漫溢现象.JS-FVCOM 的模拟结果清楚地再现了海水漫堤的淹没过程,可为紧急情况下的人员疏散提供科学的基础数据.     

台风风暴潮异模式集合数值预报技术研究及应用

台风风暴潮数值预报的准确性在很大程度上取决于台风路径预报和强度预报的精度以及风暴潮预报模型的计算精度。目前,国际上24/48 h台风路径预报平均误差分别约为120/210 km左右[1],对于走向异常的台风误差更大;更有,根据单一的台风路径和单族的风暴潮数值预报模式并不能保证获得可靠的风暴潮预报结果。考虑多重网格法原理具有在疏密不同的网格层上进行迭代以达到平滑不同频率的误差分量,使得计算快速收敛,精度提高的特性。在前期研究基础上基于业务化高分辨率(结构网格/有限差分算法)和精细化(非结构网格/有限元算法)台风风暴潮集合数值预报模型构建多模型台风风暴潮集合数值预报系统。采用"非同族"模型进行集合预报很大程度上降低了误差相似遗传的可能性。应用该方法对典型台风风暴潮过程进行了试应用,试报结果表明:该方法对风暴潮增、减水预报效果高于单一集合预报,具有一定的应用前景。     

长江口自适应网格的构造与水流和泥沙冲淤的数值模拟的初步研究

随着沿海经济带的开发利用,河口海岸动力学问题,如航道淤积、河口演变、港湾建设及污染物的排放和扩散等,日益引起人们的重视.数值模拟方法是研究这些海岸环境问题的理想工具之一,但由于河口区域的海岸线和河岸线的形状非常复杂,加上众多的岛屿,给模式网格的划分造成很大的困难.为此,我们将自适应网格的生成方法应用于河口港湾的数值模拟研究,以长江口和杭州湾的水动力学模拟为例,该法较好地克服了均匀网格拟合边界的困难,得到了较合理的计算结果.     

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。