渤海风暴潮特征及增水影响因素数值模拟研究

发布时间：2020-03-23 02:44

【摘要】：渤海是我国唯一的内海,沿岸地区经济发达,人口密集。由于地处北半球高纬度地区,渤海时常遭受寒潮大风、温带气旋等天气过程的侵袭,是风暴潮灾频发的地区之一。风暴潮过境时会给近岸地区造成大范围的增减水,为保障该地区人民的生活生产安全,减少灾害发生时的人员伤亡和财产损失,有必要对渤海风暴潮特性进行研究,并开发相应的数学模型,以便有关部门对风暴潮灾害进行快速预报和分析,做好防范措施。风暴潮的影响因素错综复杂,主要包括地理、气象、天文潮和波浪等因素。此外,不同类型风暴潮的特征也不尽相同。前人通过分析大量资料将渤海风暴潮主要分为四类,即冷锋配合低压类、冷锋类、强孤立温带气旋类和台风类风暴潮。本文使用三维有限体积海洋模型FVCOM和第三代波浪模式SWAN相结合,对这四类渤海风暴潮进行了数值模拟,分析了它们的特征,以及风、气压、波浪、地形因素对风暴潮增水的作用效果。将美国国家环境预报中心提供的风场数据(NCEP)和欧洲中期天气预报中心提供的风场数据(ECMWF)与渤海实测风场进行了比较,结果表明,NCEP风场数据的可信度较高,因此选择NCEP风场驱动模型。基于收集到的地形、岸线、水文、气象等基础资料建立了考虑浪-流耦合的渤海风暴潮模型,模型的范围覆盖渤海和北黄海。用实测资料对该耦合模型进行了校准和验证,结果表明,此模型可以用于后续的研究。使用风暴潮耦合模型对渤海四个典型风暴潮过程开展了数值模拟。对模拟结果进行分析,发现与冷锋配合低压类风暴潮相比,冷锋类风暴潮的气压作用效果不明显。强孤立温带气旋类风暴潮和台风风暴潮的增水影响与其低压中心的移动路径有较大关系。风是风暴潮的最主要影响因素,但海浪的影响同样不可忽略。在数值模拟时,不考虑海浪对海表粗糙度的影响会造成增水极值的低估。在地形平缓的近岸浅水区(如渤海湾西南部、莱州湾、辽东湾北部以及曹妃甸东部),波浪破碎形成的沿岸流会引发增水,但影响效果不明显。渤海湾西南部破波带内的波生沿岸流呈顺时针方向,该沿岸流在海表层有明显的向岸趋势,在海底的向岸趋势不明显;破波带外的波生流流向在海表层为离岸,底层为向岸,且底层波生流的流速较小。
【图文】：

示意图,三角形网格,示意图

8图 2-1 FVCOM 三角形网格示意图Figure 2-1 Illustration of irregular meshes used in FVCOM

σ坐标,变量

而各层的垂向速度和湍流变量 q2、q2l 则位于 σ 层间的交界处，如图2-2 所示。模型对各 σ 层的厚度没有限制，用户可以选择一致或不一致的 σ 层。图 2-2 σ 坐标下变量位置示意图Figure 2-2 Illustration of variables’location in vertical σ coordinate模态分离海洋中主要存在两种类型的流动。当流体自由表面受到扰动时，会以重力作为恢复力而产生波动，此类流动称为重力波动。这种流动所引起的海面高度变化一般与整层水体的梯度成比例，与垂向各层的流动细节无关，故此类流动可以使用垂向积分方程来进行计算。另一类流动是与密度场有关的流动，主要是由各地海水的温度和盐度不同所引起的密度差异所导致的一种变化较慢的运动。由于由密度引起流动的速度远小于由重力引起流动的速度，因此可以选择不同的时间步长对这两种流动进行处理，增加计算效率，这种方法称为模态分离算法。对前者使用时间步长较短的垂向二维模式，称为外模式，对后者使用时间步长较长的三维模式，，称为内模式。这种模态分离运算方法已成功地运用在 POM 模型中，在FVCOM 中也使用了同样的模态分离方法。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P731.23

【参考文献】