“达维”台风作用下连云港海域台风浪数值模拟

为准确模拟"达维"台风过境期间连云港海域波浪场分布,采用Jelesnianski风场模式模拟的海面10m风速作为波浪模式MIKE-SW的驱动风场,再现1210号"达维"台风登陆连云港海域波浪变化过程。模拟计算结果表明,Jelesnianski风场模式成功复演了"达维"台风过境期间风动力变化过程,1210号"达维"台风与1209号"苏拉"台风形成明显的双台风效应;"达维"台风风暴潮期间,连云港海洋站最大风暴增水1.78m,连云港海域风暴增水现象十分明显;利用三重网格嵌套技术,考虑实时风暴潮增水效应的台风浪模型能够较好地模拟连云港近海波浪成长过程,台风过境期间徐圩海洋站处H1/3波高最大值为3.86m,近岸海域波高等值线分布较为密集,分布趋势与水下地形等深线基本一致,破波带以内水域衰减速度明显加快,与连云港海域属于淤泥质海岸类型的性质相吻合。     

波浪辐射应力对风暴增水的影响研究

波浪辐射应力引起的增水是风暴增水的重要组成部分,研究台风过程中波浪辐射应力在风暴增水中的作用对于准确预报风暴潮有十分重要的意义。选用藤田台风模型模拟台风场,采用SWAN模型模拟台风浪以及辐射应力,应用垂向积分的二维数学模型ADCIRC计算风暴潮。首先模拟理想地形条件下,规则波和不规则波斜向岸边入射过程中的波浪变化,研究波高、波浪辐射应力和增水的沿程分布特征;然后计算了台风Winnie过程中浙江沿海的波浪情况,通过计算得到了波浪辐射应力增减水的空间分布特征和随时间的变化趋势,并分析了其对风暴增水的影响。     

台风天气下通州湾港区附近海域风暴增水分布研究

为规划通州湾港区建设,考虑极端天气下海域风暴增水的影响。以Holland台风模型和ERA5再分析气象资料作为驱动,基于Delft3D模型与ADCIRC模型构建大小嵌套的风暴潮数学模型。根据移行路径对1945—2021年间影响通州湾海域的台风进行科学分类,包括北侧掠过型、东侧掠过型、南侧掠过型、西侧掠过型和直接穿过型,每类选取3场典型台风,复演选取的15场典型台风过程,计算分析极端天气下通州湾港区海域的风暴增水分布特征。研究结果表明：通州湾港区附近海域在台风风暴极端天气下最大增水为0.5～1.0 m,以大洋港深槽、冷家沙外侧水道为中心往外海逐渐减小,南侧掠过型台风期间出现风暴增水极大值。通州湾增水大小与台风风场引起的风暴流场时空变化直接相关。     

台风作用下伶仃洋波浪场的模拟计算

该文运用SWAN模型对“0814”号台风作用下伶仃洋的波浪场进行了模拟研究.计算得到从台风登陆6小时前开始至登陆6小时后的南海北部海域波浪场,并作为伶仃洋海域波浪的外边界条件.在计算珠江河口伶仃洋局部海域的波浪场时,相比之下伶仃洋海域只是一个局部小区域,故风场采用随时间变化的均匀风场.先不考虑流的影响,水位采用伶仃洋内部代表点南沙站的水位并忽略水位伶仃洋内的变化,模拟计算时全面考虑风输入项、白帽作用、底摩擦作用、破波作用、耗散作用以及三波相互作用和四波相互作用.计算结果表明,在台风登陆过程中,南海北部和伶仃洋波浪场的变化基本依赖台风风场变化,并在台风登陆时波高达到最大,波浪的传播方向与风向基本一致.最后,还考虑了在台风登陆时刻加入流场和水位场,以此分析了流场对波浪场结果的影响.     

渤海及辽河口湿地海域风暴潮过程的数值模拟研究

近岸潮间带湿地分布有盐沼植物,这些植被具有衰减波能、减少潮汐和波浪对岸线及岸堤的侵蚀程度,以及有效降低海洋灾害损失等重要作用。基于非结构三角形网格,该文采用有限体积法建立了深度平均二维浅水数值模型,应用Roe格式求解界面通量,并引进干湿边界技术处理风暴潮和涨潮落潮等引起的复杂动态边界问题。在动量方程的源项中加入植物拖曳力来表达植被对水流的阻碍作用,首先对孤立波和长周期波在斜坡海岸的传播进行了分析和验证;其次采用Jelesniansca 65台风模型计算9711号台风"温妮"过境期间北黄海及渤海海域的风场和气压场的变化过程,进而数值探究了9711号台风对研究海域水位和流场结构的影响;最后讨论了9711号台风"温妮"期间辽河口红海滩湿地水域风暴潮的陆地入侵和增减水特征。     

长江口登陆台风增水数值模拟——以“安比”为例

1810号强台风"安比"是1990年以来直接登陆上海的最强台风,却并未诱发较大风暴增水。采用ERAInterim数据集作为背景风场资料建立了双重嵌套的高分辨率风暴潮与天文潮耦合数学模型,研究了台风"安比"在长江口地区风暴潮增水特征及成因。结果表明:台风期间增水主要集中在长江口北支出口沿岸,而长江口南支在台风登陆后出现明显的减水过程,台风登陆位置导致了长江口南、北支增水分布的差异;移行风对台风路径右侧增水影响更大,除梯度风场的向岸风作用外,落潮期间移行风场的作用致使连兴港附近岸段风暴增水平均增幅26.8%;除台风强度外,台风路径也是影响长江口地区风暴增水大小的重要因素之一。     

SWAN模型在围头湾外海设计波浪要素推算中的应用

传统的设计波浪推算方法不适用于长期波浪观测数据匮乏的海域，近年来，波浪数值模拟方法成为推算设计波浪的重要手段。该文基于近岸波浪传播模型SWAN和参数化台风风场模型建立台湾海峡台风浪数学模型，利用201808号台风“玛利亚”影响台湾海峡期间的风速和波高观测资料检验模型合理性，通过数值模拟1996-2015年共92场影响台湾海峡的热带气旋过程波浪场计算围头湾外海E、ESE、SE、SSE向的年极值波浪要素。在此基础上利用P-Ⅲ型曲线拟合20年的年极值波高和周期，获得围头湾湾口(40 m等深线处)E、ESE、SE、SSE向各重现期的设计波浪要素。研究成果可为围头湾海域海岸工程的规划和设计提供参考。     

长江口登陆台风增水数值模拟

1810号强台风“安比”是1990年以来直接登陆上海的最强台风,却并未诱发较大风暴增水。采用ERA-Interim数据集作为背景风场资料建立了双重嵌套的高分辨率风暴潮与天文潮耦合数学模型,研究了台风“安比”在长江口地区风暴潮增水特征及成因。结果表明:台风期间增水主要集中在长江口北支出口沿岸,而长江口南支在台风登陆后出现明显的减水过程,台风登陆位置导致了长江口南、北支增水分布的差异;移行风对台风路径右侧增水影响更大,除梯度风场的向岸风作用外,落潮期间移行风场的作用致使连兴港附近岸段风暴增水平均增幅26.8%;除台风强度外,台风路径也是影响长江口地区风暴增水大小的重要因素之一。     

杭州湾及舟山海域可能最大台风风暴潮增水的数值研究

基于有限体积海洋模型(FVCOM)构建了一个覆盖中国渤海、黄海和东海的高分辨率风暴潮模型,模拟了1509号台风“灿鸿”引发的风暴潮事件,风暴潮水位模拟结果与实测数据吻合良好。基于最佳台风路径集数据集提供的风场和气压数据,建立了中国近海台风最大风速和最低中心气压的线性回归联系,相关系数达到0.96。在此基础上,以可能最大热带气旋参数为基础,构造了多种假想台风路径,计算了杭州湾和舟山海域的可能最大风暴潮增水。结果表明,沿垂直于海岸线方向登陆的台风在杭州湾和舟山海域引起的风暴潮增水极值最高。杭州湾湾顶可能最大风暴潮水位达8.76 m,舟山海域可能最大风暴潮水位达2.62 m。结果可为杭州湾和舟山海域海洋工程的风险评估和防灾减灾提供参考。     

基于Holland风场的台风浪数值计算

在海岸工程中,台风浪的影响较大。为了提高台风风场模拟精度,基于Holland台风风场模型,选取不同的最大风速半径参数和B参数进行组合,将模型构造风场与实测浮标风速资料进行比较分析,误差统计表明,Willoughby风速半径公式和Vickery的Holland B参数公式组合之后的计算误差最小,对风场的模拟效果最好。然后采用SWAN近岸波浪模型,选取最优风场参数,模拟了1323号“菲特”台风过境期间浙南地区的台风浪。模拟结果表明,最优组合参数生成的台风风场,对台风浪的模拟结果较好。当台风登陆时,温州地区的有效波高超过了10 m,明显高于其他区域,近岸波高等值线分布较为密集,台风移动方向右侧有效波高相对较大。台风进入内陆以后,波高迅速减小至4 m左右。     

Numerical simulation of typhoon-induced storm surge along Jiangsu coast,Part Ⅱ:Calculation of storm surge

The Jiangsu coastal area is located in central-eastern China and is well known for complicated dynamics with large-scale radial sand ridge systems. It is therefore a challenge to simulate typhoon-induced storm surges in this area. In this study, a two-dimensional astronomical tide and storm surge coupling model was established to simulate three typical types of typhoons in the area. The Holland parameter model was used to simulate the wind field and wind pressure of the typhoon and the Japanese 55-year reanalysis data were added as the background wind field. The offshore boundary information was provided by an improved Northwest Pacific Ocean Tide Model. Typhoon-induced storm surges along the Jiangsu coast were calculated based on analysis of wind data from 1949 to 2013 and the spatial distribution of the maximum storm surge levels with different types of typhoons, providing references for the design of sea dikes and planning for control of coastal disasters.     

潮汐河口闸下风暴潮特征模拟

潮汐河口闸下风暴潮水位对于河道防洪排水至关重要。以苏北里下河主要入海通道射阳河、黄沙河、新洋河和斗龙河等建闸河口为例,采用模型嵌套的方法,以平面二维数学模型模拟了里下河地区“9711”台风风暴潮期间闸下河段的潮汐水流和风暴潮运动过程,研究了闸下风暴潮水位相对河口风暴潮水位的变化特征。模拟结果显示,底摩擦、浅水变形、边界反射等相互作用影响,闸下风暴潮水位和潮汐水位存在一致的变化特性,即高潮位抬升,低潮位下降,潮差(增水)增加;涨潮历时缩短,落潮历时延长;风暴潮水位的变化幅度大于同时期的潮汐水位,风暴潮过程对于闸下排水具有显著影响。在与闸顶高程一致的上游水位条件下,相比天文潮过程,“9711”风暴潮过程可减少闸门过流流量的20%~25%。     

台风环境下海水抽水蓄能电站上水库超高计算评述

台风环境下海水抽水蓄能电站上水库的超高计算尚无成熟经验可循,如何合理计算超高是上水库设计急需解决的问题。在分析海水抽水蓄能电站超高计算关键问题及其特点的基础上,对台风风场、风暴潮及台风浪预报模型的研究进展进行了回顾与评述。分析指出在超高计算中应对上水库地形对台风边界层的影响、台风中心扫过上水库的极端情况、风速风向快速变化条件下风暴潮的动态响应等问题予以必要关注。为发展超高计算方法,建议加强小局域台风风场关键参数的概率分布研究和相关性分析,开展风暴潮及台风浪模型在小尺度孤立封闭水域的适应性研究,加强台风和风浪数据的观测。     

湍黏系数对浅滩海域三维风暴潮的影响

利用WRF大气模式和基于有限体积法的三维海洋数值模型FVCOM,建立了连云港及其附近浅滩海域的三维风暴潮流数学模型。运用k-ε和MY-2.5两种不同的湍流模型,对"韦帕"台风作用下的三维风暴潮流进行了数值模拟,并对计算得到的三维风暴潮流流场结果和垂向湍流黏性系数结果进行了对比分析。计算分析结果表明,两种不同湍流模型计算所得的风暴潮增水差别很小,可以忽略;但在风生流较强的时间段内,MY-2.5湍流模型计算所得的水平流速流向沿垂向分布并不一致,而k-ε湍流模型的计算结果较好,与实测分层潮流资料更为符合。研究结果表明,垂向湍流黏性系数沿水深的垂向分布对浅滩海域风暴潮流水平流速的垂向结构至关重要,建议选用k-ε湍流模型计算垂向湍流黏性系数和湍流扩散系数。     

NUMERICAL SIMULATION OF SEA SURFACE DIRECTIONAL WAVE SPECTRA UNDER TYPHOON WIND FORCING

Numercial simulation of sea surface directional wave spectra under typhoon wind forcing in the South China Sea （SCS） was carreid out using the WAVEWATCH-Ⅲ wave model. The simulation was run for 210 h until the Typhoon Damrey （2005） approached Vietnam. The simulated data were compared with buoy observations, which were obtained in the northwest sea area of Hainan Island. The results show that the significant wave height, wave direction, wave length and frequency spetra agree well with buoy observations. The spatial characteristics of the signifciant wave height, mean wave period, mean wave length, wave age and directional spectra depend on the relative position from the typhoon center. Also, the misalignment between local wind and wave directions were investigated.     

风拖曳力系数和曼宁系数对风暴潮流模拟的影响

利用0205号威马逊台风期间实测风暴增水和风暴潮流数据,采用NCEP FNL和台风模型风场的融合风场作为驱动项,建立了覆盖东海的三维风暴潮流数值模型,研究风拖曳力系数和曼宁系数对风暴增水和风暴潮流的影响。计算结果表明:(1)风拖曳力系数取值应考虑随风速变化。表层风暴潮流受风拖曳力系数影响较大,中层和底层风暴潮流基本不受影响。(2)风暴潮流结构在一定程度上取决于曼宁系数;曼宁系数对中层和底层风暴潮流影响大于表层,曼宁系数越大,底摩擦阻力越大,风暴潮流垂向分层越明显。(3)风暴增水和风暴潮流对曼宁系数的响应不同,建立模型时,应同时率定风暴增水和风暴潮流。     

海平面上升对长江江阴以下河段风暴潮增水的影响

随全球气候变暖,海平面呈加速上升态势。长江口地处西北太平洋风暴盆地的西北缘,地势低洼,被评估为风暴潮灾害影响下的脆弱区。为研究海平面上升后长江江阴以下河段风暴潮位的变化,建立了精细化长江口天文潮-风暴潮耦合数学模型。该模型模拟分析了海平面上升后,在9711号“芸妮”和1509号“灿鸿”这两种典型台风作用下,长江口近岸天文潮和风暴增水的响应规律。研究结果表明:预计未来100年,海平面抬升70 cm后,长江口平均潮位上升50～80 cm。长江口江阴以下河段及近岸区域增水极值略微下降。增水极值自上游江阴到下游牛皮礁先增后减,增水极值沿程最大值的具体位置与台风路径、台风强度密切相关。研究可为中长期长江口沿岸城镇防洪排涝提供一定的理论依据。     

Coupled modelling of storm surge,circulation and surface waves in a large stratified lake

The wind-driven nature of large lakes suggests that the accuracy of meteorological inputs is essential for hydrodynamic modelling. Moreover, coupling between the meteorological inputs and density stratification may also influence the simulated lake behavior. To investigate wind-driven large lake processes, a high-resolution coupled Delft3D-SWAN model was applied to Lake Ontario to simulate storm surges, surface waves, and circulation during two recent storm events. In both events, the sustained wind speeds approached 20 m s^?1; however, variations in wind direction and duration altered the lake's surface wave and storm surge responses. The influence of different atmospheric inputs was investigated by comparing results from two spatially varied atmospheric models: the Rapid Refresh (RAP) and the High-Resolution Deterministic Prediction System (HRDPS). Hydrodynamic simulations using HRDPS were marginally better, with maximum root mean squared errors (RMSE) between modelled and observed water levels of 0.07 m, compared to 0.08 m with RAP. Predictions of the magnitude and timing of the maximum wave heights varied based on wind fields, with differences between predicted peak wave heights of up to 0.4 m. Both events occurred during a stratified period, allowing for a comparative evaluation of the influence of baroclinic and barotropic processes on the simulated surface wave and storm surge results. Simulations including the vertical density gradient gave a better representation of current velocities with depth and resulted in an improved prediction of peak storm surge magnitudes and surface water level behavior following the storms, reducing the RMSE by up to 12%.