珠江河口设计潮位及预留值的思考

为了给珠江河口防洪潮工程建设提供技术依据,文章在分析气候变暖、海平面和年最高潮位上升趋势、海平面上升预测等基础上,计算了2024年新设计潮位成果,得出20年前认定的100年一遇设计潮位按新成果仅为20年一遇左右的结论,验证了IPCC“对2100年历史上每百年发生一次的局地极端海平面事件至少会每年发生一次”在珠江河口的可能性。文章汇总各先进经济体潮位预留值研究成果,论证防潮标准对应不同频率设计潮位的差值和预留值的关系,创新性地提出潮位推荐预留值和建议。

三维理想河口盐水入侵对径潮驱动变化的响应

为探究在人类活动与气候条件改变的影响下,径潮动力以及水深的改变对河口区域盐水入侵的影响,建立了三维理想河口盐水入侵数值模型,分析了纵向环流及盐度的垂向与横向沿程分布,研究了垂向与横向剪切作用以及潮泵效应引起的纵向盐输运对盐水入侵的影响以及盐分输运过程对径潮动力与水深变化的响应。结果表明:盐水上溯程度对流量与潮振幅的变化有明显响应,流量增大与潮振幅增大对盐水入侵均有抑制作用;在较浅的河口,潮驱动增大在河口上下游引起相反的潮平均盐度变化趋势,这与横向、纵向剪切与潮泵效应分别引起的纵向盐输运对径潮水深条件的响应相关。

基于高、低潮位的西江感潮河段潮汐特征分析

通过对高、低潮位数据插值和NS_TIDE模型应用,分析西江感潮河段(马口—大横琴)的潮汐特征。对比三种插值方法发现,相对于三次样条插值法和线性插值法,Hermite插值法对逐时潮位的模拟效果最佳。潮位验证结果显示NS_TIDE模型总体误差较低,异常值主要是源自台风和洪水的影响。西江感潮河段平均水位和分潮振幅存在洪、枯季差异,上游受径流的影响大于潮汐,下游则相反;径流量和潮差增大,促进上游河段平均水位增高,对分潮振幅和迟角的影响在不同河段表现不同,主要与其所处空间位置和分潮自身频率有关。

珠海市沿海风暴潮数值模拟试验研究

基于ELCIRC模型建立了适用于珠海市海域的风暴潮模型,以1713号台风“天鸽”路径为基础,通过改变台风入射角、台风登陆点、台风移速等方式构建登陆或者影响珠海市的台风路径,并进行风暴潮数值模拟计算,分析珠海市沿海风暴潮特征。结果表明:改变台风入射角时,珠海市沿海不同岸段的风暴潮将出现较大差异性;距离台风中心约15~100 km且位于台风右半圆的沿海地区将是风暴潮的重灾区;在珠海市的香洲区和斗门区沿岸,风暴增水总体随着台风移速变慢而呈现增大的趋势,但金湾区的情况则较为复杂,当台风移速为15~30 km/h时,在沿着台风“天鸽”的移动路径上会产生较强的风暴潮过程。

江苏沿海台风风暴潮特征分析

收集了1950—2022年影响江苏沿海的历史台风风暴潮过程资料,对引起江苏沿海台风风暴潮的台风路径进行了分类和分析,开展了江苏沿海台风风暴潮的月际分布和年际变化研究,提出了不同路径台风风暴潮的预报要点。结果表明:引起江苏沿海台风风暴潮次数最多的是外海转向型台风,占比高达44.3%,而正面登陆型台风最少,占比只有5.4%,但引起的增水量值最大;江苏沿海台风风暴潮在6—10月均有出现,8月出现次数最多;风暴潮强度等级为Ⅴ级(增水50~100 cm)的过程占比最多,为42.7%,而高潮位超警戒程度等级为Ⅳ级(超警戒30 cm之内或达到黄色警戒潮位值)的占比最多,为45.0%;风暴潮发生次数在近几年呈上升趋势,尤其是增水为50~100 cm的过程,高潮位超警戒或达到黄色警戒潮位值以上的过程在近20年只出现3次;在江苏沿海台风风暴潮的预报和应对中,需要重视可能正面登陆的和9—10月的外海转向型台风;8月和9月是江苏沿海出现风暴潮灾害可能性较高的月份,若这两个月的天文高潮与风暴增水叠加合适,极有可能出现达到黄色警戒潮位以上的高潮位。

海南岛周边海域台风风暴潮-海浪耦合作用机理研究

本文使用ADCIRC+SWAN耦合模式,针对海南岛特殊地形,建立了基于非结构网格的高分辨率风暴潮-海浪耦合模型。针对在海南省造成严重风暴潮灾害的0518号台风“达维”,开展台风期间风暴潮-海浪耦合与非耦合数值模拟实验,探讨了水位、流场对波浪的影响和台风特征参数对海南岛台风风暴潮与波浪耦合效应的影响。结果表明:(1)水位影响在近岸浅水区主要表现为使台风浪的有效波高增加;(2)当风向、流向与平均波向之间夹角为锐角时,流场作用使有效波高降低,当流向与平均波向之间夹角为钝角时,流场作用使有效波高增大;(3)波浪耦合效应对风暴潮的影响是不可忽视的,贡献率约在14.2%;(4)当台风强度达到55 m/s或台风尺度达到50 km,波浪增水效应基本达到饱和。本文的研究对台风风暴潮高质量数值模拟预警及保障沿海地区生产生活有重要意义。

台风风暴潮与上游洪水耦合作用下温州飞云江感潮河段潮水位模拟研究

在全球气候急剧变化的背景下,沿海地区风暴潮发生的频率与受灾程度逐渐增加,特别是受风暴潮与上游流域洪水共同影响下的河口感潮河段区域。尽管现有风暴潮模型也引入多种不同的边界设置,但提供的边界条件有限,且无法满足当前国内复杂水工程的概化需求。为此,文章以飞云江流域为研究对象,通过耦合上游流域水动力模型IFMS与海洋风暴潮模型ADCIRC模式,充分发挥二者各自的优势,构建河口感潮河段洪水演进模型,实现飞云江感潮河段潮水位时空模拟。该模型不仅有效地考虑了河口海洋处风暴潮上溯对感潮河段区域洪水演进的影响,也考虑了流域上游洪水对该区域的影响。首先,采用2016年台风“鲇鱼”对模型进行验证,模拟结果与实测系列吻合度较高,误差满足基本要求。然后,对台风“杜苏芮”和“卡奴”影响下的瑞安、马屿、碧山六桥及洞头4个潮位站的洪水过程进行模拟,结果显示4个站点的洪峰误差值均低于0.30m,纳什系数大于0.80,表明该模型能较好地反映高低潮位变化,可应用于河口感潮河段防灾减灾中。最后,还分析了上、下游边界的驱动作用对感潮河段3个站点(瑞安、马屿、碧山六桥)潮水位预测的影响,证明了下边界对3个站点的潮水位预报影响比上边界的影响大。研究成果不仅为河口感潮河段洪水模拟提供了一种新方法,而且通过分析给出提升模型模拟精度的方向。

潮流作用下环礁断面的流动特征研究

本文首先通过循环水槽试验测量分析了正向和反向潮流影响下概化环礁断面的流动特性,试验结果表明:在正向流和反向流作用时,礁坪上仅存在亚临界流,并可观察到经典的壁面有界流动流速剖面特征;沿礁的平均水位与各个测线上的流速随潮流幅值的增大而增大。本文随后采用雷诺平均的Navier-Stokes方程并结合标准的k-ωSST湍流模型建立数值水槽,进一步研究了多种水动力与礁型因素影响下前后礁外礁缘处的流速变化规律。数值模拟结果表明:后礁外礁缘处的平均流速均大于前礁外礁缘处;平均流速随潮流幅值的增大而增大,随礁坪水深、礁坪宽度、潟湖宽度和礁前斜坡坡度的增大而减小;最后基于数值模拟结果提出了预测各种因素影响下前后礁外礁缘处流速的幂函数型经验公式。

海洋沉积证据在低纬过程气候变化中的应用及展望

在国内外研究的基础上,对印太暖池区的沃克环流和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、热带辐合带(ITCZ)等低纬过程的空间分布和随时间的变化规律及其研究方法进行初步归纳,并指出研究中存在的问题。本文论述了厄尔尼诺-南方涛动变率在全新世早期及中世纪气候异常期(1 000~700 a BP)的晚期逐渐增强,介绍了热带辐合带在BA暖期(B?llingAller?d Warm Period)和前北方期(pre-Boreal,10.3~9.5 ka BP)的北移,以及在新仙女木事件(Younger Dryas Event,12.5~11.5 ka BP)和北大西洋冷期(距今7.5~5 ka BP)期间的南移。对低纬过程长时间尺度轨道周期的探讨表明,末次冰盛期赤道东太平洋出现了较偏南的热带辐合带锋面系统,甚至在1.65 Ma冰期,热带辐合带也有快速南移的证据。海洋沉积的粒度、黏土矿物、陆源粉尘、元素和同位素、有孔虫分析等研究方法在推测厄尔尼诺-南方涛动和热带辐合带位移中有很好的应用,建议以陆源生态系统对气候的响应为切入点、以孢粉为手段来探讨陆源植被、气候、火灾和海-陆大气环流等低纬过程的变化特征,进而反演沃克环流(或厄尔尼诺-南方涛动)演化和热带辐合带位移的影响。

2022年长江极端干旱下咸潮入侵对浦东新区内河水环境影响及应对措施建议

2022年由于长江流域极端干旱,上海浦东新区水环境安全遭受了巨大压力。为保障城市水环境安全,以长江口-黄浦江-浦东新区内河区域为研究对象,评估极端干旱影响下,咸潮入侵时氯化物时空分布特征及影响因素,剖析咸潮入侵后从长江和从黄浦江引水对浦东新区内河水环境的影响。结果表明,2022年受长江流域极端干旱影响,长江口水位较往年下降,咸潮入侵时间提前至8月,入侵频次增多,入侵总时长高达142 d。通过“西引东排”的引排水模式,抽调长江水和黄浦江水可应对咸潮。当咸潮入侵较为剧烈时,从长江引水受限,改从黄浦江引水补给内河水源,有助于减轻咸潮入侵风险,并改善内河水质。因此,为应对极端干旱,减少咸潮入侵对内河水环境的影响,应优化长江水和黄浦江水调配方式;同时,建议增强对内河的生态修复,通过生态扩容的方式,减少对引水的依赖,加强内河的自净能力。

长短期记忆神经网络(LSTM)对风暴潮数值模拟的优化应用

利用长短期记忆神经网络和数值模式相结合的方法,设计了两套针对粤东遮浪海洋站点台风风暴潮增水的预报优化方案。与实测资料对比结果显示,长短期记忆神经网络方法可以显著改善数值模式模拟结果的准确性,最大增水和主振过程中增水后报结果的平均绝对误差、平均相对误差和平均改善幅度分别为7.1 cm、8.2%、74%和16.1 cm、34.7%、33%。进一步分析表明,利用台风信息预测数值模拟结果的订正值可以有效改善神经网络方法的不稳定性,比直接预测风暴潮增水值更加准确、可靠。

耦合模式FGOALS-g3对全球海洋潮汐的模拟评估

潮汐在海洋能量的传递和混合过程中起着重要的作用,为维持全球热盐环流提供了主要的能量,影响着全球的海洋环流。此前已有工作在低分辨率的、单独的海洋模式中研究潮汐作用对海洋环流状态的敏感性,为进一步研究潮汐作用对环流和气候状态的敏感性,有必要将潮强迫引入到气候耦合模式中。本文成功地将8个主要平衡分潮显式地加入到耦合模式FGOALS-g3中,并评估了其对全球海洋潮汐的模拟能力,对于进一步研究潮汐对大尺度环流及气候状态的影响有重要意义。本文通过对模拟的海表面高度数据进行潮汐调和分析,得到各个分潮的调和常数,并将其与全球潮汐模型TPXO9和FES2014,以及开放海洋潮汐数据集st102进行对比。结果表明,FGOALS-g3耦合模式可以合理地模拟全球海洋中的正压潮,模拟结果与潮汐模型和实测数据集相比均比较接近。与这两套全球潮汐模型相比,均方误差均相对较小,且误差大多分布在振幅较大的区域。与st102数据集相比,FGOALS-g3模拟的8个主要分潮的平均振幅相对误差均在10%以内,且总均方误差均小于10 cm。

TRIZ理论在提高海平面变化预测准确性中的应用研究

海平面变化是人们一直关注的话题,时刻影响着人们的生命财产安全,因此准确预测未来海平面变化以提前做好防灾减灾工作至关重要。而海平面变化序列因其非线性、非平稳性,以及多时间尺度变化的特性给海平面变化预测准确性带来了很大的困难,因此针对海平面变化预测准确性不高的问题,运用TRIZ(发明问题的解决理论)理论对海平面变化预测系统进行分析,通过创新思维分析、系统资源分析、系统功能分析、系统因果分析、系统裁剪、技术矛盾与发明原理、物理矛盾与分离原理和物-场模型及标准解,最终得到26种可行方案。通过对比确定最优方案,该方案通过优化验潮站选址,使验潮站利益最大化,根据优化后的验潮站位置将海平面分割成若干个区域,使用更高精度、更耐恶劣环境的验潮仪来监测各个区域的海平面变化,通过自适应旋转同步提取调频算法对验潮仪采集的数据进行处理分析,最后利用深度学习得到未来海平面预测模型,从而实现海平面变化预测准确性的提高,避免人民生命财产安全的损失,具有显著的经济与实用效益。

Comprehensive Risk Assessment of Sea Level Rise and Tropical Cyclones in Dongzhaigang Mangroves,China

Mangroves play a pivotal role in tropical and subtropical coastal ecosystem,yet they are highly vulnerable to the effects of climate change,particularly the accelerated global sea level rise(SLR)and stronger tropical cyclones(TCs).However,there is a lack of research addressing future simultaneous combined impacts of the slow-onset of SLR and rapid-onset of TCs on China's mangroves.In order to develop a comprehensive risk assessment method considering the superimposed effects of these two factors and analyze risk for mangroves in Dongzhaigang,Hainan Island,China,we used observational and climate model data to assess the risks to mangroves under low,intermediate,and very high greenhouse gas(GHG)emission scenarios(such as SSP1-2.6,SSP2-4.5,and SSP5-8.5)in 2030,2050,and 2100,and compiled a risk assessment scheme for mangroves in Dongzhaigang,China.The results showed that the combined risks from SLR and TCs will continue to rise;however,SLRs will increase in intensity,and TCs will decrease.The comprehensive risk of the Dongzhaigang mangroves posed by climate change will remain low under SSP1-2.6 and SSP2-4.5 scenarios by 2030,but it will increase substantially by 2100.While under SSP5-8.5 scenario,the risks to mangroves in Dongzhaigang are projected to increase considerably by 2050,and approximately 68.8%of mangroves will be at very high risk by 2100.The risk to the Dongzhaigang mangroves is not only influenced by the hazards but also closely linked to their exposure and vulnerability.We therefore propose climate resilience developmental responses for mangroves to address the effects of climate change.This study for the combined impact of TCs and SLR on mangroves in Dongzhaigang,China can enrich the method system of mangrove risk assessment and provide references for scientific management.

Risk assessment of coastal flooding disaster by storm surge based on Elevation-Area method and hydrodynamic models:Taking Bohai Bay as an example

The future inundation by storm surge on coastal areas are currently ill-defined.With increasing global sealevel due to climate change,the coastal flooding by storm surge is more and more frequently,especially in coastal lowland with land subsidence.Therefore,the risk assessment of such inundation for these areas is of great significance for the sustainable socio-economic development.In this paper,the authors use Elevation-Area method and Regional Ocean Model System(ROMS)model to assess the risk of the inundation of Bohai Bay by storm surge.The simulation results of Elevation-Area method show that either a 50-year or 100-year storm surge can inundate coastal areas exceeding 8000 km^(2);the numerical simulation results based on hydrodynamics,considering ground friction and duration of the storm surge high water,show that a 50-year or 100-year storm surge can only inundate an area of over 2000 km^(2),which is far less than 8000 km^(2);while,when taking into account the land subsidence and sea level rise,the very inundation range will rapidly increase by 2050 and 2100.The storm surge will greatly impact the coastal area within about 10-30 km of the Bohai Bay,in where almost all major coastal projects are located.The prompt response to flood disaster due to storm surge is urgently needed,for which five suggestions have been proposed based on the geological background of Bohai Bay.This study may offer insight into the development of the response and adaptive plans for flooding disasters caused by storm surge.

Trend of Storm Surge Induced by Typical Landfall Super Typhoons During 1975–2021 in the Eastern China Sea

Climate change affects the activity of global and regional tropical cyclones(TCs).Among all TCs,typical super typhoons(STYs)are particularly devastating because they maintain their intensity when landing on the coast and thus cause casualties,economic losses,and environmental damage.Using a 3D tidal model,we reconstructed the typhoon(TY)wind field to simulate the storm surge induced by typical STYs.The TY activity was then analyzed using historical data.Results showed a downtrend of varying degrees in the annual frequency of STYs and TCs in the Western North Pacific(WNP)Basin,with a significant trend change observed for TCs from 1949 to 2021.A large difference in the interannual change in frequency was found between STYs and TCs in the WNP and Eastern China Sea(ECS).Along the coast of EC,the frequency of landfall TCs showed a weak downtrend,and the typical STYs showed reverse micro growth with peak activity in August.Zhejiang,Fujian,and Taiwan were highly vulnerable to the frontal hits of typical STYs.Affected by climate change,the average lifetime maximum intensity(LMI)locations and landfall locations of typical STYs in the ECS basin showed a significant poleward migration trend.In addition,the annual average LMI and accumulated cyclone energy showed an uptrend,indicating the increasing severity of the disaster risk.Affected by the typical STY activity in the ECS,the maximum storm surge area also showed poleward migration,and the coast of North China faced potential growth in high storm surge risks.

A typhoon-induced storm surge numerical model with GPU acceleration based on an unstructured spherical centroidal Voronoi tessellation grid

Storm surge is often the marine disaster that poses the greatest threat to life and property in coastal areas.Accurate and timely issuance of storm surge warnings to take appropriate countermeasures is an important means to reduce storm surge-related losses.Storm surge numerical models are important for storm surge forecasting.To further improve the performance of the storm surge forecast models,we developed a numerical storm surge forecast model based on an unstructured spherical centroidal Voronoi tessellation(SCVT)grid.The model is based on shallow water equations in vector-invariant form,and is discretized by Arakawa C grid.The SCVT grid can not only better describe the coastline information but also avoid rigid transitions,and it has a better global consistency by generating high-resolution grids in the key areas through transition refinement.In addition,the simulation speed of the model is accelerated by using the openACC-based GPU acceleration technology to meet the timeliness requirements of operational ensemble forecast.It only takes 37 s to simulate a day in the coastal waters of China.The newly developed storm surge model was applied to simulate typhoon-induced storm surges in the coastal waters of China.The hindcast experiments on the selected representative typhoon-induced storm surge processes indicate that the model can reasonably simulate the distribution characteristics of storm surges.The simulated maximum storm surges and their occurrence times are consistent with the observed data at the representative tide gauge stations,and the mean absolute errors are 3.5 cm and 0.6 h respectively,showing high accuracy and application prospects.

基于钦州湾验潮站2008-2020年潮位序列的潮汐特征研究

潮汐是钦州湾的主要海洋动力,对物质输运、海洋工程、海洋生态环境等都有重要影响。本研究基于钦州湾验潮站2008-2020年共13年的水位观测资料,利用潮汐调和分析、偏度计算和线性回归等方法,分析钦州湾长时间的潮汐变化、潮不对称性特征及海平面变化趋势。结果表明,钦州湾验潮站潮汐以O_(1)、K_(1)分潮占优,属于规则全日潮。主要分潮振幅有显著的年际变化,2008年为最小值,O_(1)为95.82 cm,K_(1)为88.18 cm,M_(2)为39.53 cm;2016年达到最大值,O_(1)为104.27 cm,K_(1)为95.15 cm,M_(2)为46.16 cm,这一变化与月赤纬角的变化有关。钦州湾潮不对称现象显著,涨潮历时比落潮历时多2-3 h,造成该现象的主要原因是受到半日分潮和全日分潮之间相互作用的影响,其中主要贡献来源于O_(1)、K_(1)、M_(2)之间的相互作用,占总潮汐偏度的80.97%-83.51%。钦州湾海平面有逐年上升的趋势,平均上升速率约为0.96 cm/a,高于同期南海沿海海平面的平均上升速率。研究成果可为钦州湾防灾减灾和港口工程建设提供科学依据。

广东沿海潮汐时空变化特征

【目的】了解广东沿海潮汐的时空分布特征,为广东沿海工程建设和潮汐利用提供参考。【方法】以广东沿海10个观测站点2020年全年水位数据作为研究对象,通过经典调和分析和数值模式模拟分析广东沿海潮汐时空分布特征。【结果】通过不同分潮数对各站点进行潮汐反演可以看出,在深圳以西,仅使用4分潮即可获得相关系数在0.9以上的反演结果,东侧区域则需要使用13分潮才可将反演结果优化至0.9以上,且气象潮对整体的优化超过0.07;潮汐特征参数的空间分布上,广东沿海的潮汐类型参数基本都维持在(0.25,1.50]区间,仅少数区域大于或小于该区间,而表征浅水效应的特征参数则仅在深圳东侧大于0.2;潮波方面平均高潮与平均低潮在数值上均呈现自东向西增强的趋势,但广东沿海的平均潮差基本维持在120~150 cm,两者增强幅度较为一致;遮浪站除6月以外气象潮SA的振幅最大(均大于50 cm)且月变化幅度也最大(变化幅度超过1 m),除1、12月外,其余各月平均潮差均在100 cm左右,较为稳定。【结论】在观测条件有限的情况下,深圳以西仅使用4分潮即可获得较好的模拟结果,以东则建议使用13分潮进行模拟,同时汕尾以东区域气象潮对模拟结果影响较大;广东沿海潮汐类型较为多样,在陆丰为正规日潮,遮浪和汕尾为不正规日潮,其他区域皆为不正规半日潮;广东附近海域的大洋潮波主要从东南角向西北方向发生累积效应,且整体上看半日分潮的的增强相较于全日分潮更为显著,其中在深圳东侧还存在较强的浅水效应;国际共享站点遮浪站除6月以外的各月份中气象潮SA的振幅最大,且月变化幅度最大的也是气象潮SA,同时遮浪站除1、12月外其余各月的高低潮变化幅度较为一致。

南海北部不同涡旋对内潮的影响

南海北部吕宋海峡是内潮最为活跃的区域之一,且涡旋种类繁多,不同特性的涡旋对内潮的影响不同。基于近岸与区域海洋共同模式(coastal and regional ocean community model,CROCO),模拟探究理想涡旋存在时,涡旋位置、极性、峰值流速和半径对内潮的影响。结果表明:涡旋位置是影响内潮的直接因素,位于涡旋区域内的内潮是主要影响对象,涡旋中心以西内潮方向变化的角度是以东的3倍。气旋涡和反气旋涡分别使潮能通量的方向向南和向北偏转,最大偏转角度超过12°,当涡旋所致背景流与内潮传播方向一致时,内潮群速度增强,反之减弱。涡旋对内潮的影响范围和幅度随着涡旋的半径和峰值流速的增大而变大。当涡旋峰值速度变大时,反气旋涡心以北的潮能通量增长量超过15 kW/m。当涡旋半径增大时,涡旋峰值速度的位置发生变化,涡旋的峰值流速和半径共同影响潮能通量水平分布结构,使其呈现纬向单峰或多峰结构。