宁波台风风暴潮数值模拟与风险计算

基于已有潮位站的台风风暴潮历史资料,利用业务化台风风暴潮数值预报模式对影响宁波的5次较显著台风风暴潮过程进行模拟检验,分析表明模式能较好的模拟台风风暴潮过程,尤其是对最大过程增水的模拟.因此,以镇海潮位站为切入点,选用引发宁波最大风暴增水的5612号热带气旋(Wanda)的路径,平移后组合不同等级的热带气旋参数,构建出多组假想最优热带气旋进行宁波地区风暴潮风险的计算,得到从强热带风暴至超级台风共5类热带气旋登陆宁波时所可能引发的最大风暴增水,并使用皮尔逊Ⅲ型统计计算出对应的历史重现期,为宁波地区今后有效地防范各类热带气旋强度的风暴潮提供决策支持.     

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。     

Numerical storm surge model with higher order finite difference method of lines for the coast of Bangladesh

In this study, the method of lines (MOLs) with higher order central difference approximation method coupled with the classical fourth order Runge-Kutta (RK(4,4)) method is used in solving shallow water equations (SWEs) in Cartesian coordinates to foresee water levels associated with a storm accurately along the coast of Bangladesh. In doing so, the partial derivatives of the SWEs with respect to the space variables were discretized with 5-point central difference, as a test case, to obtain a system of ordinary differential equations with time as an independent variable for every spatial grid point, which with initial conditions were solved by the RK(4,4) method. The complex land-sea interface and bottom topographic details were incorporated closely using nested schemes. The coastal and island boundaries were rectangularized through proper stair step representation, and the storing positions of the scalar and momentum variables were specified according to the rules of structured C-grid. A stable tidal regime was made over the model domain considering the effect of the major tidal constituent, M₂ along the southern open boundary of the outermost parent scheme. The Meghna River fresh water discharge was taken into account for the inner most child scheme. To take into account the dynamic interaction of tide and surge, the generated tidal regime was introduced as the initial state of the sea, and the surge was then made to come over it through computer simulation. Numerical experiments were performed with the cyclone April 1991 to simulate water levels due to tide, surge, and their interaction at different stations along the coast of Bangladesh. Our computed results were found to compare reasonable well with the limited observed data obtained from Bangladesh Inland Water Transport Authority (BIWTA) and were found to be better in comparison with the results obtained through the regular finite difference method and the 3-point central difference MOLs coupled with the RK(4,4) method with regard to the root mean square error values.     

A BFG model for calculation of tidal current and diffusion of pollutants in nearshore areas

ＡＢＦＧｍｏｄｅｌｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｉｎｎｅａｒｓｈｏｒｅａｒｅａｓ￥ＳｈｉＦｅｎｇｙａｎ；ａｎｄＺｈｅｎｇ；Ｌｉａｎｙｕａｎ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ...     

灰色系统灾变预报方法在风暴潮预报中的应用

本文把灰色系统灾变预报方法应用到风暴潮预报中，对逐年最大风暴潮增水资料确定一个阈值ξ，对于年最大风暴潮位资料大于阈值ξ的年份组成一个序列，用一阶线性模型GM（1，1）预报风暴潮灾的出现年份，结果表明：用GM（1，1）模型可较好地预报风暴潮灾的出现年份。     

A1B气候情景下海平面变化对东中国海风暴潮的影响

用三维水动力模型Ecomsed,在第四次IPCC评估报告SRES A1B气候情景下,分析21世纪海平面变化对东中国海风暴潮及沿岸脆弱性的影响。在A1B气候情景海平面变化影响下,对17个台风个例进行模拟。结果表明:受海平面变化影响风暴潮增减水出现大概10 cm的变化,风暴潮增水提前,风暴潮增水时段延长;台风强度越大,海平面变化对风暴潮增水强度的影响越明显。海平面变化对海岸带脆弱性具有很大影响,苏北浅滩及环渤海海岸带脆弱性将增强,校核水位在东中国海将会增大。     

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.     

近岸海浪、风暴潮及海啸灾害远程实时监测系统的现场试验及应用

利用自主研发的近岸海浪、风暴潮及海啸灾害远程实时监测系统,在广东省阳江市闸坡附近海域进行了远程实时监测试验.文章介绍了监测系统的组成,对2007年9月1日-10月3日的观测记录进行了分析,计算出台风增水、波高和波周期,采用低通滤波方法获得重力外波.实验结果表明,研发的近岸海浪、风暴潮及海啸灾害远程实时监测系统可供实际推广应用.     

海平面上升、强台风和风暴潮对厦门海域极值水位的影响及危险性预估

气候变化背景下海平面上升、强台风和风暴潮对我国东南沿海地区的洪涝灾害影响日益严重,为应对气候变化的影响,本文以位于我国东南沿海的厦门地区为例,应用多种海洋大气观测资料和数理统计及模拟方法,分析了历史上9914号和1614号两次台风对厦门海域极端海面高度(极值水位)的影响,预估了未来海平面上升情景下厦门海域极值水位的变化及其危险性。结果表明：(1) 9914号台风期间,天文大潮、风暴增水和强降水的同时出现造成了厦门沿海地区超警戒极值水位(732 cm)的出现;(2) 风(向岸强风)、雨(强降水)、浪(巨浪)、潮(高潮位)、流(急流)等多致灾因子的共同作用是厦门沿海地区发生严重灾情的重要原因;(3) 在温室气体中等和高排放(RCP4.5和RCP8.5)情景下,到2050年(2100年),当前百年一遇的极值水位将分别变为30年(2年)一遇(RCP4.5)和25年(低于1年)一遇(RCP8.5)的频繁极端事件。这表明未来厦门沿海极值水位的危险性将显著上升,应采取充分的适应措施降低洪涝灾害风险。     

Experimental study on inner slope failure mechanism of seawall by coupling effect of storm surge and wave

In the context of global climate change,the impact of group-occurring ocean dynamic disasters on China's offshore areas is becoming more and more intense.The study of the effect of existing ocean dynamic disasters on offshore hazard-bearing bodies mostly focuses on the effect of single disaster-causing factors,and it is still insufficient to study storm surge and dynamic wave coupling&reinforcement effects as well as the process of the dynamic response of such hazard-bearing bodies as seawalls.This study firstly realized the synchronous process of water level and wave through continuous tide generation and wave generation by the wave maker and tide generating device,so as to realize the dynamic coupling simulation of storm surge and wave in the laboratory.Then the physical model test of the typical seawall section was carried out under the dynamic coupling of storm surge and wave as well as at a conventional fixed water level respectively.In the process of test wave overtopping discharge and the damage process of the levee crown and backwall of seawalls were observed and compared,and their damage mechanism was also studied.     

基于证据理论的风暴潮灾害损失评估

本文提出了一种基于Dempster-Shafer证据理论的风暴潮灾害损失评估方法。鉴于风暴潮致灾过程中的不确定性, 选择合适的具有代表性指标(包括最大风暴潮增水、最大有效波高和防灾减灾能力)产生灾害损失评估的证据, 并根据所选指标和风暴潮直接经济损失之间的相关性大小确定证据权重, 最后采用改进的Murphy证据融合算法进行证据融合, 从而判断灾害损失等级。通过实证分析发现, 本文所提出的方法在判断风暴潮灾害损失等级上的正确率达到93.1%, 优于朴素贝叶斯、支持向量机、神经网络和决策树等常用方法, 同时本文方法计算简便, 且随着训练集样本量的增加, 损失评估结果可进一步精细化。     

浙江沿海超强台风风暴潮灾害的影响及其对策

对浙江省历史台风基本资料进行分析后发现,近年来台风严重影响浙江的趋势和登陆浙江的台风个数均有明显的增强和增加.浙江省沿海各测站的历史最高潮位均由台风暴潮引起,其中"9417"号、"9711"号两次台风与天文大潮遭遇引起的风暴潮次数占了绝大多数.受台风暴潮影响时,岸边观测到的潮位由天文潮和台风引起的增水两部分组成.采用潮波与风暴增水耦合的非线性效应模型研究了风暴潮.在验证"5612"号、"9417"号、"9711"号、"0414"号、"0509"号和"桑美"6场台风暴潮的基础上,模型以1949年以来我国大陆沿海最强的一次台风("5612"号台风)参数为基础,设计了台风在浙北(穿山)、浙中北(石浦)、浙中(椒江)、浙中南(坎门)和浙南(琵琶门)登陆的5条路径,以反映超强台风在浙江沿海不同地点登陆与天文高潮位"碰头"时可能造成的最高潮位,它可以基本代表超强台风登陆浙江沿海时的风暴潮位.根据两潮耦合模型计算得到的沿海高潮位与海塘塘顶高程进行比较,分析沿海海塘发生漫顶甚至溃堤的可能性.通过对海塘可能损毁机理的分析,根据不同登陆线路的超强台风在遭遇天文大潮高潮位时对浙江沿海可能造成的威胁程度进行淹没风险分析.在上述计算分析的基础上,结合浙江沿海的实际情况,提出相应的防御超强台风风暴潮的工程和非工程措施.     

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。     

热带气旋资料长度对风暴潮危险性评估结果的影响

热带气旋历史样本数不足一直困扰着风暴潮风险评估研究,本文基于西北太平洋62 a(1949-2010年)历史观测热带气旋事件集资料和用随机模拟方法构造的1000 a模拟热带气旋随机事件集,以福建省连江县为例,开展了资料长度对风暴潮灾害危险性评估结果的影响分析。文中用ADCIRC模型模拟了两种数据集强迫下的风暴潮增水,采用极值Ⅰ型分布法得到了典型重现期的风暴潮增水,经过对计算结果分析发现典型重现期的风暴潮增水计算结果与所用数据资料长度有着密切相关性,数据资料越长,结果越稳定。对于1000 a一遇的风暴潮增水值,使用500 a长度的资料已经趋于稳定,并接近用1000 a资料计算得到的结果。在进行风暴潮危险性评估时,相比用几十年尺度的热带气旋历史数据集,1000 a的热带气旋模拟数据集的计算结果更具实际意义。     

风暴潮、大潮对广西涠洲岛西南沙滩侵蚀的影响分析

本文统计分析了广西涠洲岛沿海气候、潮汐和风暴潮等历史资料,利用耿贝尔方法推算了涠洲岛多年一遇年极值高潮位,并估算了其漫滩范围分布,指出近几年高潮位出现的频次和极值均越来越高是涠洲岛西南部沙滩侵蚀愈加严重的重要原因,最后结合风暴潮-海浪耦合数值模拟了研究区域内"0312"号台风风暴潮漫滩的情况,分析了风暴潮和大潮对涠洲岛西南部沙滩侵蚀的影响,对当地岸滩修复和防护具有一定的指导意义。     

海平面上升对北部湾风暴潮增水影响研究——以 2012 年台风“山神”为例

全球变暖引发的海平面上升将加剧风暴潮增水,进而危及沿海经济发展与社会安全保障。本文基于模型耦合与模型嵌套技术构建北部湾台风风暴潮数值模拟系统,以2012年台风"山神"为天气背景,通过设计7组情景模拟研究未来不同海平面上升背景下北部湾风暴潮增水变化。结果表明:风暴潮期间水位从南向北沿北部湾逐渐涌高,最高水位发生在广西沿岸,达2.4 m以上。天文潮和台风风场拖曳力是形成高水位的主要驱动力,其中天文大潮和最大风场拖曳力对最高水位的贡献率分别约占70%和30%。海平面上升对风暴潮增水的影响具有时空非线性和非均一性特征。其中,潮位波动和波-流耦合效应会改变实际最大增水发生时间,导致钦州湾附近高潮位大致提前1天半,海平面上升1.1 m使得最大风暴潮增水大致提前30 min;未来海平面上升0.66～1.1 m将导致北部湾大部分海域风暴潮增水幅度放大6%～10%,广西沿岸钦州湾和大风江河口出现负增加效应,可能与溺谷海湾地形特征有关。研究结果可为未来北部湾沿岸防御风暴潮灾害提供理论依据。     

2018年秦皇岛风暴潮前后岸基站及浮标主要水质参数变化分析

对2018年8月秦皇岛风暴潮期间3个入海口岸基站及邻近海域浮标的监测数据进行分析,结果显示:风暴潮导致入海口水体中COD、总磷、总氮和氨氮含量均明显升高;风暴潮2 d之后,3个入海口邻近海域均发生赤潮,此次赤潮的发生与风暴潮导致陆源入海污染物骤然大幅升高有关。此次风暴潮导致秦皇岛人造河口、大蒲河口和七里海3个岸基监测站的COD监测日均值最高分别达到15.83 mg/L、8.70 mg/L和7.92 mg/L,约升高至前期的2倍、1.5倍和2倍;人造河口总氮变化不大,大蒲河口和七里海总氮升高30%左右;大蒲河口总磷变化不大,人造河口总磷为前期的3.5倍,升高幅度最大,七里海总磷为风暴潮之前两日的2倍,但未超过前一周的最高浓度;风暴潮当天及第二天,人造河口、大蒲河口、七里海氨氮日均值陆续达到最高,分别为2.34 mg/L、1.11 mg/L和0.12 mg/L,分别为风暴潮前两日的7倍、3.5倍和10倍。风暴潮过后,入海口临近海域发生赤潮,浮标监测到叶绿素a最高值为76.4μg/L,pH和溶解氧也大幅升高。分析表明,此次风暴潮导致的入海口污染物突然大幅升高为风暴潮之后的赤潮发生提供了充足的营养基础。     

江苏中部海岸全新世中期温暖期风暴潮频率的研究

通过对采集于江苏省盐城市上冈镇的三个柱状沉积剖面(W,M,E)的岩性特征及其对比关系的分析、沉积物14C年代的测定以及沉积物样品的粒度、磁化率特征的分析,结合有孔虫和颗石藻的分析结果,判定研究沉积层段为全新世中期的潮滩沉积.孢粉分析结果显示当时的气候较现在温暖.以潮汐层理的周期性特征为依据,对以泥为主的潮滩沉积剖面中每隔10~20cm有规律出现的一层砂作了分析,结果表明这一沉积特征为季节性的潮滩沉积旋回.在此基础上,观察沉积剖面中的风暴潮事件的记录状况,估算出剖面中记录的与9711号台风风暴潮强度相当的风暴潮的发生频率为二至四年一遇,而依据盐城市东台梁垛河闸多年的现代最高潮位资料,应用耿贝尔(Gum-bel)曲线拟合法计算出的9711号台风所引起的风暴潮频率为十二年一遇,即全新世中期温暖期的台风风暴潮的频率比现在大.据此推测全球变暖后台风风暴潮的频率将会增加.     

A simplified hindcast method for the estimation of extreme storm surge events in semi-enclosed basins

Human presence, coastal erosion, and tourism activities are increasing the attention to coastal flooding risk. To perform risk assessments, long time series of observed or hindcast wave parameters and tide levels are then necessary. In some cases, only a few years of observation are available, so that observed extreme data are not always representative and reliable. A hindcast system aimed to reconstruct long time series of total tide levels may be of great help to perform robust extreme events analysis and then to protect human life, activities as well as to counteract coastal erosion by means of risk assessments. This work aims to propose a simplified method to hindcast storm surge levels time series in semi-enclosed basins with low computational costs. The method is an extension of a previous work of some of the authors and consists of a mixed approach in which the estimation of storm surge obtained by using the theory of linear dynamic system is corrected by using a statistical method. Both steps are characterized by low computational costs. Nevertheless, the results may be considered reliable enough also in view of the simplicity of the approach. The proposed method has been applied to the Manfredonia case study, a small village located in the Southern Adriatic Italian coast and often prone to coastal flooding events. The comparison of extreme events estimated on the basis of hindcast levels time series is satisfactorily similar to those estimated on the basis of observed tide series.