COMCOT数值模式的介绍和应用

介绍了一个成熟的海啸数值模式-COMCOT模式.COMCOT模式是一个能够模拟海啸产生、传播和增水全过程的基于浅水波方程的有限差分模型.模型采用多层网格嵌套,根据海啸在不同区域的传播特点和要求,分别选用不同的分辨率和计算设置,从而兼顾了模式的精度和计算效率.利用此模式模拟了2006年12月26日台湾南部7.2级地震产生海啸波的传播情况,结果与两个潮位站的海啸波监测数据相吻合.     

深圳海域潮汐海啸波耦合数值研究

以COMCOT海啸模式和TPXO7.1全球潮汐模式为基础,采用三层嵌套网格,建立了南海海啸与潮汐耦合计算模型,分析深圳海域海啸和潮汐相互作用。潮汐计算结果与实测数据吻合较好,高、低潮位平均误差小于15 cm,20 cm;在潮汐验证的基础上,以马尼拉海沟潜在地震海啸源为案例,进行8.0,9.0级地震海啸与潮汐耦合情景模拟计算,计算结果表明,9级地震海啸在深圳海域外海波高为140~150 cm,如先行波为正波发生在高潮时将产生异常高潮位,负波发生在低潮时将产生异常低潮位,线性叠加计算结果偏大,在25.0 cm之内,到达时间差异小于6 min。     

2016年全球地震海啸监测预警与数值模拟研究

回顾了国家海洋环境预报中心(国家海洋局海啸预警中心)2016年全球地震海啸监测预警的总体状况, 并基于震源生成模型和海啸传播数值模型的计算结果详细介绍了几次主要海啸事件及其影响特性。2016年全年国家海洋环境预报中心总共对全球6.5级(中国近海5.5级)以上海底地震响应了45次,发布海啸信息81期, 没有发生对我国有明显影响的海啸。结合精细化的数值模拟结果和浮标监测数据,重点介绍了苏门达腊7.8级地震海啸、厄瓜多尔7.8级地震海啸、新西兰7.1级和7.8级地震海啸, 以及所罗门7.8级地震海啸的波动特征和传播规律, 模拟结果与实测海啸波符合较好。针对厄瓜多尔7.8级地震海啸事件, 本文比较分析了均匀断层模型和多源有限断层模型对模拟结果的影响; 针对新西兰7.1级地震海啸, 探讨了色散效应对海啸波在大水深、远距离传播过程的影响规律。     

台湾海峡一次海啸的初步数值模拟

应用一个三维斜压陆架海模式--HAMSOM模式,首先对台湾海峡内的背景潮汐场进行了数值模拟,随后将一个参数化公式作为强迫条件,对1994年发生在海峡内的一次海啸进行模拟,结果与实测数据比较吻合.还分析了海啸波在海峡沿岸的分布情况及其对沿岸区域的影响状况,结果表明该次海啸波动对海峡沿岸区域的影响不大.     

1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸的数值模拟

建立了一个地震海啸数值模式,模式包含越洋海啸传播部分和近岸海啸变形部分,在越洋海啸传播部分中采用线性浅水方程,使用蛙跃格式求解,并且选择合适的空间步长与时间步长,使差分格式中产生的数值频散与包辛尼斯克方程中的物理频散一致,这样在不影响海啸数值计算精度的前提下,节省了计算机的机时与内存.在近岸海啸变形部分的计算中,考虑了非线性对流项与海底摩擦项.同时该模式采用了多重网格嵌套技术,提高了所关心地区的计算精度.利用这个地震海啸模式模拟了1994年发生在台湾海峡的一次地震海啸,结果与观测记录较吻合.这个模型已用于我国沿海核电站可能最大地震海啸的数值计算.     

植被斜坡岸滩海啸波消减数值模拟研究

An explicit one-dimensional model based on the shallow water equations(SWEs) was established in this work to simulate tsunami wave propagation on a vegetated beach. This model adopted the finite-volume method(FVM)for maintaining the mass balance of these equations. The resistance force caused by vegetation was taken into account as a source term in the momentum equation. The Harten–Lax–van Leer(HLL) approximate Riemann solver was applied to evaluate the interface fluxes for tracing the wet/dry transition boundary. This proposed model was used to simulate solitary wave run-up and long-periodic wave propagation on a sloping beach. The calibration process suitably compared the calculated results with the measured data. The tsunami waves were also simulated to discuss the water depth, tsunami force, as well as the current speed in absence of and in presence of forest domain. The results indicated that forest growth at the beach reduced wave energy loss caused by tsunamis. A series of sensitivity analyses were conducted with respect to variable parameters(such as vegetation densities, wave heights, wave periods, bed resistance, and beach slopes) to identify important influences on mitigating tsunami damage on coastal forest beach.     

一个基于GPU并行加速的海啸数值模型

地震海啸通常发生在大洋板块向陆地板块俯冲的区域,距离震源最近的国家和地区往往在震后5～20 min之内就会遭受到海啸袭击。因此,及时的海啸预警和准确的海啸预报结果对于民众和决策者都至关重要。为了提升海啸预警效率,缩短海啸预报时间,本研究对COMCOT海啸数值模型进行了基于图形计算单元GPU的二次并行开发。将原模型中海啸传播计算模块通过CUDA＿C语言编写内核函数整体移植到GPU上并行加速,CPU负责模型其他代码的执行。为了减少CPU和GPU之间的数据通信,将吸收边界和变量更新函数一并改写。仅在需要输出的时间节点,GPU向CPU传递结果,其他时间步长,CPU和GPU之间只有指令和少量参数传输,基本可视为零耗时。基于GPU并行加速的COMCOT较串行版本效率提升超过67倍,加速性能显著优于基于CPU共享内存的OpenMP并行版本。交叉使用常水深和真实地形,采用均匀滑移海啸源和有限元海啸源对模型的计算结果进行了较为全面的分析检验,相对误差最大不超过1%,为大范围的越洋海啸实时计算提供了有力工具。     

河北省海啸灾害风险评估和区划研究

基于康奈尔多电网耦合海啸模型（COMCOT）数值模式建立研究区海啸数值模型,利用模型对6个地震海啸源情景场进行模拟计算,通过对各海啸源下数值模拟结果的综合分析,确定研究区海啸灾害危险性分布;根据土地利用类型数据资料确定研究区承灾体脆弱性分布;通过危险性、脆弱性评估成果,综合确定研究区海啸灾害风险性评估和区划成果。结果表明：河北省遭受海啸灾害风险最高等级为Ⅱ级,主要分布在唐山市和秦皇岛市沿海区域;沧州市沿海区域海啸灾害风险等级较小,为Ⅲ级和Ⅳ级。     

海啸波对近岸岛礁影响的数值模拟研究

基于Okada有限断层模型和非线性浅水波方程,结合高精度嵌套网格建立了越洋（中国近海）-局部-近岸岛礁的海啸生成与传播的数值模型。以三亚凤凰岛为例,首先针对2011日本地震海啸,模拟分析了海啸波沿中国沿海大陆架的传播特征及对凤凰岛的影响规律。在取得验证结果的基础上,进一步讨论了中国近海的马尼拉海沟和琉球海沟的潜在海啸源,以及环太平洋的21个潜在特大越洋海啸对凤凰岛的影响特征。依据海啸波在抵达凤凰岛的波浪特征,结合傅里叶频谱分析方法,探索了近岸岛礁对海啸波的放大效应。结果表明,中国近海一般震级的海啸和特大越洋海啸对凤凰岛存在一定影响,最大波幅接近1 m,传播时间从3 h到27 h不等。受三亚东南半岛的影响,琉球海沟激发的海啸和越洋海啸在凤凰岛的放大效应相对于马尼拉海沟较小,其频率集中在0.8×10-4~2×10-4 Hz。马尼拉海沟产生的海啸波在凤凰岛产生了较为显著的放大效应,对于凤凰岛是值得关注的高风险海啸源。     

海啸波数值模拟的研究现状

介绍海啸特点及主要分布状况,对比现在常用的海啸模拟数学模型,并分析数值模拟海啸的研究中存在的问题及研究进展,最后提出对未来进行精确的海啸数值模拟研究的一些展望。     

海啸波传播的线性和非线性特征及近海陆架效应影响的数值研究

浅水方程被广泛应用于海啸预警报业务及研究,而针对线性浅水方程与非线性浅水方程在不同海区水深地形条件下的适用范围、计算效率问题是海啸研究人员急需了解的。本文应用基于浅水方程的海啸数值预报模型就海啸波在南海、东海传播的线性、非线性特征以及陆架对其传播之影响进行了数值分析研究。海啸波在深水的传播表征为强线性特征,此时线性系统对海啸波幅的模拟计算具有较高的精度和效率,而弱的非线性特征及弱的色散特征对海啸波幅的预报影响甚微,可以忽略不计。海啸波传播至浅水大陆架后受海底坡度变化、海底粗糙度等因素影响,波动的非线性效应迅速传播、积累,与线性浅水方程计算的海啸波相比表现出较大差异,主要表现为:在南海区,水深小于100m时,海啸波首波以后的系列波动非线性特征比较明显,两者波幅差别较大,但首波波幅的区别不大,因此对于该区域在不考虑海啸爬高的情况下,应用线性系统计算得到的海啸波幅也可满足海啸预警报的要求;在东海区由于陆架影响,海啸波非线性特征明显增强,水深小于100m区域,首波及其后系列波波幅均差异较大,故在该区域必须考虑海啸波非线性作用。本文就底摩擦项对海啸波首波波幅的影响进行了数值对比分析,结果表明:底摩擦作用对海啸波首波波幅影响仅作用于小于100m水深。最后,该文通过敏感性试验,初步分析了陆架宽度及陆架边缘深度对海啸波波幅的影响,得出海啸波经陆架传播共振、变形后,海啸波幅的放大或减小与陆架的宽度及陆架边缘水深有关。     

东海海啸反问题预报模式研究——以日本“3·11”海啸为例

采用COMCOT数值模式,将日本东海岸划分为18个单位震源,建立了日本东海岸海啸数据库并用非负约束的最小二乘法建立反问题预报模式。将本模式应用于日本"3·11"海啸,计算所得的海啸初始水位有10 m的抬高与3 m的降低,与前人研究结果基本一致,预报的浮标水位与实测资料符合良好。对比浙江省近岸潮位站实测海啸波高,预报值与实测值偏差较大。若采用反问题反演的震源,通过COMCOT非线性模式求解近岸水位,可以大幅提高预报精度。     

基于数值模拟的渤海海域地震海啸危险性定量化研究

根据地震海啸产生的条件,结合渤海海域的地形特征、地质构造、地震学特征和历史地震及海啸记录对渤海海域潜在的地震海啸进行了数值模拟研究。分析了渤海可能引发地震海啸的震源区域,讨论了渤海发生海啸灾害的可能性。文中通过数值模拟再现了渤海历史上几次规模较大的地震事件可能引发的海啸情景,研究分析了可能的地震海啸在渤海及周边海域的传播过程及波动特征.地震海啸传播模型采用基于四叉树原理的自适应网格加密技术,有效解决了局部分辨率与计算效率之间的矛盾。数值计算包括地震海啸产生及传播过程。利用该模型对渤海潜在的地震海啸进行了数值计算,基于数值计算结果定量阐述了渤海海域潜在地震海啸对渤海局部岸段及北黄海沿岸的影响,给出了渤海可能地震海啸危险性划分;研究结果将为我国海啸危险性分析和海啸预警技术研究工作提供技术支持。     

廉州湾风暴潮的数值模拟

经采用二维变边界模型对影响廉洲湾浅水海域的左右号及7812号两次典型的风暴增减水过程进行数值模拟，得出的计算结果与实测值基本吻合。     

天文潮与海啸耦合数学模型研究——以东中国海温州湾为例

在COMCOT海啸数学模型中加入潮汐边界条件,建立了东中国海天文潮与海啸耦合数学模型。在琉球海沟内侧设计震级为7.6级的海底地震,根据地震板块的错动方向不同,设计正波先行与负波先行两种海啸波,通过调整海啸波发生时间,使海啸波波峰遭遇温州湾天文高潮位。将天文潮与海啸耦合模型计算结果与线性叠加计算结果进行比较,结果表明:无论正波先行还是负波先行,天文潮与海啸耦合计算相比线性叠加的结果,海啸波的到达时间均有所提前;而从海啸波波高来看,线性叠加的计算结果则比耦合计算结果偏高。     

海陆差异对一次强暴发性气旋影响的数值模拟研究

本文利用多种观测资料、再分析资料及WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式,对2017年12月23—25日发生于中国东部沿海入海加强的一个强暴发性气旋进行了研究,并探讨了海陆地形和热力差异对暴发性气旋发展的影响。该暴发性气旋的最大加深率为1.7Bergerons,其下垫面经历的“海洋-陆地-海洋”的复杂变化对其发展过程产生了显著影响。该气旋登陆朝鲜半岛时,气温降低,水平风速减小,上升运动增强,降水增加;而离开朝鲜半岛后,气温升高,上升运动减弱,降水减少。海陆差异的敏感性试验表明,陆地下垫面对气旋发展的动力作用主要是通过地面摩擦和地形抬升来实现的,而海洋对气旋发展的作用则主要表现在海表面热量和水汽传输方面。当气旋经过陆地时,由于陆地表面摩擦较大,气旋中心近地面水平风速减小。而较高的地形则会产生较强的上升运动,形成较强降水,促进类CISK（Conditional Instability of Second Kind）机制,使气旋加强。当气旋位于海面上时,冬季海面温度高于陆地,海洋向气旋输送更多的热量和水汽,从而更有利于气旋的发展。     

一次冬季平流辐射雾过程的观测分析及数值模拟研究

对2003年12月23-24日发生在黄海、渤海沿海的一次大雾过程进行了观测分析和数值模拟研究.这次大雾期间,从近海到内陆,大雾影响面积约10万km2,部分地区能见度不足200m,给海陆空交通造成严重影响.首先利用各种资料对这次大雾的生消演变过程进行了分析,认为这是一次典型的发生在海陆交界处的冬季平流辐射雾.然后利用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式模拟了本次大雾过程,计算得出了大气的水平能见度分布和云水混合比的垂直分布,结果表明,在雾区形状、雾生消时间以及雾的厚度上,模拟结果与观测资料比较一致.     

一次黄海爆发性气旋的观测分析和数值模拟研究

本文利用再分析资料和WRFV3.9模式（Weather Research and Forecasting Model）对2020年7月22－24日发生在黄海海域的一次爆发性气旋进行了研究,并对其演变过程和发展机制进行了详细分析。该气旋22日12UTC在山东南部生成,入海后开始爆发性发展,最大加深率达到1.2 Bergeron,23日在黄海中部气压降至最低990 hPa左右,24日在韩国登陆。高空强辐散、低层的暖舌结构、水汽输送和下垫面热通量的变化增强了大气斜压性,使其迅速发展。使用WRF模式对气旋进行模拟,涡度的诊断分析表明,大气低层强斜压性主要通过涡度方程的散度项对气旋的发展起作用,对流项在涡度发展旺盛的时刻也有一定影响。海温的敏感性试验表明,海温变化对气旋移动路径和中心气压影响明显。     

基于全和谐型浅水方程的有限体积海啸数值模型开发与应用

数值模拟作为海啸预报的主要研究方法在海啸预警中起着关键作用。本文采用Godunov格式的有限体积方法,使用MUSCL-Hancock格式,并利用HLLC Riemann近似求解器计算单元界面上的流体通量,建立了球坐标系下二阶精度的海啸数值模型。模型所基于的全和谐型浅水方程保证了数值的稳定性,而地形重构方法实现了干湿边界的精准模拟。本文模拟了2015年9月16日智利M_w8.3级地震海啸,通过与智利近岸14个测站和环太平洋20个DART浮标实测数据比较,验证了模型对实际越洋海啸模拟预报的能力。