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。

基于FVCOM的南海北部海域潮汐潮流数值模拟

基于非结构三角形网格的FVCOM(finite-volume coastal ocean model)数值模型,对南海北部海域的潮汐、潮流进行了精细化数值模拟研究,并根据模拟结果详细分析了M2,S2,K1,O1分潮的潮汐和潮流特征。研究结果表明:神泉港到甲子港海域表现为正规全日潮性质,珠江口附近海区潮汐以不正规半日潮为主,其他海域主要表现为不规则全日潮;陆架海域和深水海域主要表现为往复流,陆架坡折区存在较强的旋转流,陆架坡折区为不规则半日潮流和不规则全日潮流的分界线;东沙群岛附近海域以不规则全日潮流为主,旋转方向为顺时针;整个海域的最大流速分布与等深线基本平行,东沙群岛附近速度明显变大,最大值出现在台湾浅滩附近,最大值超过70 cm/s;南海潮波系统以巴士海峡传入的大洋潮波为主,分为三支潮流,以不同的形式进出南海北部海域;余流在台湾浅滩附近达到最大,超过6 cm/s,自南向北进入台湾海峡,近岸余流自东向西沿岸流动。本研究在东沙群岛周边的模拟结果与前人基于实测资料的分析吻合较好,并且由于采用了高精度的三角网格,本文对东沙群岛周边海域的潮汐潮流结构和性质的刻画和分析是迄今为止较为精细的,同时本研究还提高了对沿岸验潮站调和常数的模拟精度。

1409号“威马逊”台风对铁山港海域的风暴潮增水研究

1409号"威马逊"台风是1949年以来登陆我国华南地区的最强台风。本文首先以铁山港海域的潮位站和气象站实测资料为基础,对铁山港海域的风暴增水特征进行了初步分析,结果表明:铁山港湾内最大风暴增水值要大于湾口处,通过对历史增水值进行重现期推算可知1409号台风造成的最大增水强度达到了200年一遇。台风登陆期间铁山港海域发生先减水后增水的现象,是因为铁山港海域的风向发生了转变,先是吹离岸风,后改为向岸风。然后基于MIKE21和Holland台风风场建立二维风暴潮数学模型分析了1409号台风的最大增水空间分布规律,模型结果显示地形与风暴潮增水的关系十分密切,铁山港内部湾顶位置处最大风暴增水超过了3.2 m,比铁山港口门处增加了1.2 m,因此需要格外重视铁山港湾顶处的风暴潮防灾减灾工作。

典型海湾风暴潮增水特征与机理研究

以三门湾为例,基于经验模态分解方法 (EMD)将原始风暴潮增水过程进行分解,并对各个子模态进行能量谱分析,研究每种波动对应的生成机制。结果表明:半封闭海湾内的风暴潮增水较为严重,造成三门湾内强增水的台风为三门湾南侧的西北向登陆台风。EMD分解结果显示三门湾内的风暴潮增水包含6 h,12 h,20 h左右的波动,其中6 h左右的波动来源于海湾共振,共振的频率是由海湾的形状、水深等固有性质所决定的。12 h的波动是由于天文潮与风暴潮耦合作用导致,20 h左右的波动是由于台风移动过程中外海波动的传入。结果表明EMD方法为风暴潮波动增水特征的精细认知提供了一种新的思路和方法,可以加深对海湾内风暴潮波动增水特征的研究。

典型海湾风暴潮特征数值模拟与研究

铁山港海湾是一个遭受风暴潮灾害影响较为严重的半封闭型海湾,基于有限元海洋数学模型ADCIRC (Advanced Circulation Model)研究了1409号"威马逊"台风期间铁山港海湾的风暴潮特征及非线性作用。结果表明:当考虑天文潮与风暴潮之间的相互作用时,风暴潮水位的计算结果更加准确,只考虑纯台风影响时,计算结果会低估风暴潮增水值,高估减水值,对预报结果造成较大的误差。海湾内部的增水要远大于湾外,但是减水值则相差不大。通过对天文潮和风暴潮非线性作用的影响因子进行分析,风应力的浅水效应可以忽略,但底摩擦项和对流项影响较大。在海湾内部对流项占主导地位,与天文潮的耦合作用也较强;而在湾外,底摩擦项占优势,耦合作用在海湾内外都较强。天文潮与风暴潮相互作用产生的非线性水位在湾顶处最大可达0.94 m,出现在风暴潮最大减水时刻,风暴潮增水发生后有所减弱,非线性水位表现出从湾外向湾内递增的规律。

大小门岛海域表层潮流和余流特征分析

利用2012年4月份进行水文调查得到的实测海流数据,依据多周日观测的准调和分析原理,对大小门岛海域表层潮流进行调和分析。基于调和分析结果对大小门岛海域潮流和余流特征进行精细化研究。结果表明:大小门岛海域潮流类型为不正规半日浅海潮流,大小门岛西部海域受浅水分潮影响最大。整个海域潮流运动形式以往复流为主,由于受到多股往复流的干涉作用,大门岛西侧旋转流较强;实测落潮流要强于涨潮流,流速在瓯江口外侧达到最大。余流走向存在区域性差异,小门岛西北、瓯江口内部及黄大峡海域余流方向与涨潮流一致,其它区域与落潮流一致,余流流速大小与最大流速分布基本一致。

海岸围垦工程对三门湾内潮汐振幅的影响与研究

近年来随着三门湾内围垦工程规模的不断扩大,三门湾的岸线及水深地形发生了显著变化,有必要重新评估三门湾内的潮汐振幅特征。本研究基于ADCIRC二维潮汐模型,开展了三门湾围垦工程实施前后潮汐振幅变化规律的研究。结果表明:三门湾内以半日潮为主,湾口和湾顶处振幅相差较大。单纯考虑围垦工程引起的岸线变化时,半日潮振幅受到的影响较为明显,振幅以减小为主,M2分潮减小幅度为0.08~0.10m。采用经验公式预测了围垦工程造成的最终回淤量,围垦工程附近平均淤积为1.5~2.5m,深水区附近淤积更加严重。当考虑了回淤导致的地形变化后,围垦工程区附近的潮汐振幅会有显著的减小,半日分潮减小幅度要远大于全日分潮,在围垦区域前沿,M2分潮振幅减小幅度较为明显,然后向外侧逐步减小。与单纯岸线变化相比,水深地形改变导致的潮汐振幅变化幅度要远大于前者。

半封闭海湾共振周期计算与研究

三门湾海域水波共振现象较为显著,容易引发海洋灾害。针对三门湾这一典型半封闭海湾,分别从理论推导和数值模拟两方面研究了三门湾的共振周期。研究发现:理论推导结果可以用于对海湾整体共振周期的粗略估计,数值模拟结果更加精确,也能充分反映海湾内不同水域的共振特征。数值模拟结果表明,三门湾内各水域普遍存在3~4个共振周期模态,湾内各水道第一模态和第三模态共振周期数值解与理论值较为接近,石浦水道与外海相联通,共振周期不显著。三门湾内各水域共振周期第一模态对应的振幅最大,然后依次递减,但湾顶的青山港、蛇蟠水道第二模态共振周期及对应的振幅值与第一模态相差较小,基本呈现双峰结构。共振振幅由湾外向三门湾顶部逐渐增加,尤其是湾顶处振幅增益比较显著。通过本研究可以为三门湾的防灾减灾提供科学依据。

渔港护岸防台风能力研究与评估

台门渔港位于浙江省沿海中部,受台风影响较为频繁。本文基于最新测量的岸线和水深数据建立了风暴潮—波浪耦合模型,对台门渔港内的护岸进行防台风能力研究与评估。通过多种假想台风路径的比较,确定了东南偏东方向(ESE)在渔港南侧登陆的路径为最危险台风路径,然后结合实测护岸高程计算了不同台风等级下各段护岸的漫堤风险。研究结果表明:悬山岛一侧护岸防台风等级较低,只能抵御14级以下台风引起的漫堤,六横本岛护岸能够抵御17级台风,对面山岛的防台等级为15级,基于安全考虑,台门渔港护岸防台等级最终确定为14级。本研究可为渔港抵御台风灾害提供一定的科学依据,对沿海其他工程设施的海洋灾害风险评估也有重要的借鉴意义。

舟山岛东北部沿海实测台风浪特性

为了解影响舟山岛的台风浪特性,基于舟山岛东北部沿海水域深、浅水两个测站同步测量的6个台风过程波浪资料,统计分析了两测站的波参数变化和谱变化特性,探讨了波浪变化的原因。研究显示:1灿鸿过程的深、浅水站最大波高均大于其他5个台风浪过程;2多数台风浪过程深水站波向主要为东及东南东向,而浅水站主要为东、东北东及东北向,水下地形对波向变化起主要作用;3不同路径台风对两测站谱型有明显影响,灿鸿、巴蓬、黄蜂和天鹅过程的波浪在两站以双峰谱为主,苏迪罗和杜鹃过程深水站波浪以单峰谱居多,浅水站则多峰谱多于单峰谱。研究成果对沿海建筑物的设计以及防灾减灾有重要参考价值。

杭州湾口门中部水沙输运机制初探——以岱衢洋为例

根据2012年9月在杭州湾口门中部外侧海域岱衢洋主槽内获得的包括大、中、小潮的垂向流速和悬浮泥沙观测资料,利用机制分解方法计算了岱衢洋的水沙输移通量等特征,分析并讨论了各个输沙项对总输沙量的贡献,解释了杭州湾水沙进出外海的输运机制。研究结果表明:研究区域单宽涨潮量大潮为小潮的2.3倍,单宽落潮量大潮为小潮的1.6倍。从小潮到大潮的余流和单宽净输水量由向海变为向陆;单宽涨潮输沙量大潮为小潮的4.5倍,单宽落潮输沙量大潮为小潮的2.7倍。单宽输沙量表现为小潮和中潮向海,大潮向陆的特点,大潮单宽净输沙量约为小潮和中潮的2倍;在各输沙项中,平流输沙主要来自水体净输移(拉格朗日余流决定)对悬沙输移的贡献,平流输沙方向小潮向海,中潮和大潮向陆,其中大潮和小潮时平流输沙在各项中贡献率最大;潮泵输沙小潮和中潮向海,大潮输沙向陆,中潮时潮泵输沙贡献率在各项中贡献率最大;垂向净环流输沙方向均向陆,大中小潮悬沙含量的垂向的差异是导致小潮垂向净环流输沙量大,大潮输沙量小的主要原因;杭州湾中部通过岱衢洋通道与外海泥沙交换的主要形式是大进大出、反复搬运,而在一个完整的半月周期内外海泥沙净进杭州湾的量相对较小。

海湾内外的动态水位差模拟研究——一种全新的潮汐能开发方式的探索

首次提出了一种全新的海湾潮汐能开发方式——利用海湾内外的动态水位差进行潮汐能发电。原理是利用潮波到达海湾底部和海湾外部的相位不一致性,形成了海湾内外动态水位差,可作为潮汐能发电水头。并构建了一个理想潮汐能海湾进行水动力数值模拟研究,模拟结果显示该新型的潮汐能是存在的,且相比传统潮汐能利用方式对海湾水动力环境和通航影响更小。

渤、黄、东海8个主要分潮的数值模拟研究

应用MIKE数值模拟软件,采用无结构三角形网格,建立一套计算区域包括整个渤海、黄海、东海以及东海大陆架和琉球群岛的高分辨率数值模型,考虑了实际水深和岸线,外海开边界采用西北太平洋大模型结果的潮位提供,模拟了东中国海潮波的波动过程,对潮波垂直运动过程进行调和分析,得到了渤海、黄海、东海的M2,S2,K1,O1以及N2,K2,P1,Q1八个主要分潮的传播和分布特征。利用中国沿海14个潮位站的调和常数对模型结果进行了验证,验证结果显示模型较为准确可靠。研究结果表明:4个主要半日潮(全日潮)在渤、黄、东海的传播情形基本相似,即潮波在渤海、黄海、东海沿岸的传播性质上类似沿岸开尔文波的传播形态,并且成功再现了计算海域的4个半日分潮无潮点和2个全日分潮无潮点。全日潮振幅各无潮点附近振幅最小,而海湾的波腹区振幅最大,东海潮差呈现近岸方向振幅大、离岸方向振幅小,浙闽沿海振幅也较大,黄海振幅相对较小,渤海振幅在辽东湾和渤海湾顶最大,两个无潮点周边振幅较小。

一次南方特大暴雪灾害过程诊断分析

采用NCEP逐日0.5°×0.5°再分析资料对2008年1月发生在中国南方地区的暴雪过程进行诊断分析,通过对水汽分布、低空西南急流、切变线和垂直大气运动等气象要素分析表明:副热带高压异常偏北,低空西南急流活跃,为南方地区输送了充沛的水汽;中高纬度欧亚地区大气环流经向度偏大,冬季风偏强,导致冷空气势力较强;强冷空气与暖湿气流汇合,加上汇合带的强抬升作用,共同造成了此次南方地区的大范围降雪天气过程。

铁山湾内天文潮对风暴潮水位的影响研究

作为半封闭狭长海湾,铁山湾受风暴潮灾害的影响较为严重。根据多年观测资料和数值模型对铁山湾内的风暴潮水位特征进行了研究。观测资料表明海湾内风暴潮峰值水位受天文潮相位影响较为显著,然后基于ADCIRC风暴潮模型和1409号“威马逊”台风参数,定量评估了天文潮对风暴潮水位的影响。模拟结果表明当考虑天文潮作用时,会显著提高模拟结果精度,然后通过数值实验研究了风暴潮与不同相位天文潮相互作用时的水位变化特征。数值实验结果表明天文潮-风暴潮相互作用引起的非线性水位在涨潮阶段不明显,在高潮位时非线性水位达到负值最大;在落潮时达到正值最大。风暴潮增水峰值由于受到这种非线性效应的影响,在高潮位时数值最小。海湾内非线性作用要远大于外部,非线性效应越强,总水位峰值相对于天文潮高潮位的延迟时间也就越长。

考虑溢流条件下的核电厂址风暴潮模拟与研究

基于ADCIRC建立了三门湾风暴潮模型,模型模拟结果与实测数据吻合较好。以可能最大热带气旋参数为基础构建了多种假想台风路径来计算三门核电厂址处的可能最大风暴潮增水。结果表明,NW向登陆且距离核电厂址左侧为R(最大风速半径)时的假想台风使得三门核电厂址处的增水达到最大,风暴潮增水最大值为4.58m。将可能最大风暴潮增水叠加天文高潮位进行计算,厂址前沿处水位达到了7.75m,而三门湾顶附近的最高水位已经达到9m,超出了三门湾沿岸海堤高程。将三门湾沿岸陆地依照高程概化为计算区域进行漫堤计算,当天文高潮位叠加可能最大风暴潮水位时,三门湾沿岸会发生漫堤溢流现象,淹没范围最严重的区域出现在湾顶处,最大淹没面积达到了120km^2。此时厂址前沿最高潮位为7.25m,与不溢流相比下降了0.50m。本研究可为三门核电厂址的安全防护提供科学依据。

杭州湾北部实测波浪特征

为了解杭州湾北部波浪特性,利用杭州湾北部一年实测波浪资料,统计分析该地区的波参数变化特征,运用回归分析获得波参数之间的相关关系,并用谱参数及波谱形态分析了实测波浪频谱的变化特性。结果表明,与杭州湾南部海域波浪特性明显不同之处是热带气旋对本观测水域波浪的影响强度大于冬季季风的影响强度,较大波浪主要由热带气旋引起,并且路径相似的热带气旋在杭州湾南、北部测点引起的最大波浪其参数较为接近。研究水域常浪向分布在东东北至东南向,强浪向主要分布在东东北方向。研究成果可为河口海湾相关工程的设计建造和沿海防灾减灾提供重要参考。

花场湾水交换能力计算与研究

花场湾为海南岛北部的一个半封闭海湾,随着周边工程的建设,湾内水质有所恶化。基于MIKE21软件建立了花场湾海域的二维水动力数值模型,对花场湾的纳潮量及水交换特征进行了研究,模型结果与实测数据吻合较好。结果表明:纳潮量占花场湾固有水容量的比例较大,说明花场湾受湾外水动力影响较为显著,具有良好的水交换特性,利于污染物的扩散。然后采用保守物质扩散方法来定量分析花场湾的水交换周期,得到花场湾的半交换周期大约为3 d,15 d后基本完成了全部水交换,保守物质浓度随涨落潮过程呈现波动变化。该研究为花场湾的环境保护提供了科学依据。

海湾水交换对取排水工程的响应

建立三门湾附近海域的水动力和水质模型,研究核电站取排水工程对海湾水交换的影响。计算得到取排水工程建立后三门湾海域40d的海水交换率由51.60%变为51.06%,降低了0.54%。将三门湾海域分区分析,结果发现靠近排水工程的汊道水交换率降低最多,降低了5.36%,其余区域水交换率也都有所降低,但是降低幅度不大。结果表明:取排水工程的建立使得湾内水流状况发生变化,不同区域的水交换率变化相差较大;排水工程切断了附近汊道水流与外海的交换,导致排水口附近海域水交换率降低最多。

海岛核电厂址的设计基准洪水位研究

随着滨海核电厂址的开发利用日趋饱和,选取海岛作为核电厂址成为一种新思路。针对海岛厂址易受台风灾害影响的问题,本文通过对天文高潮位、海平面上升、可能最大风暴潮增水和最大台风浪四个增水因子的研究来确定厂址的设计基准洪水位。结果表明:该区域10%超越概率的天文高潮位为3.14 m,未来80 a海平面上升幅度为0.31 m。基于MIKE21数值模型,以可能最大热带气旋参数为基础构建了多种假想台风路径,发现:当台风移动方向为NW向,距离厂址中心左侧0.5 R(R为台风最大风速半径)时,风暴潮增水达到最大,增水最大值为2.99 m;当台风移动方向为W向,且距离厂址左侧R处时,台风浪波高达到最大,厂址前沿H_(1/100)波高最大值达到了8.02 m;岛屿东侧遭受的风暴潮和波浪威胁较其他方向更为严重。各水位影响因子组合叠加后海岛核电厂址设计基准洪水位可达11.25 m。相对于其他滨海厂址,海岛厂址的风暴潮增水相对偏小,但受波浪的影响更为显著。