海浪与风暴潮相互作用对风暴潮影响的数值研究

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我国是一个遭受风暴潮灾害频繁的国家。渤海、黄海区域经常遭受由热带气旋和温带气旋两种天气引起的风暴潮的袭击。目前,对风暴潮的预报主要借助于经验预报和数值模拟预报。在近岸,许多情况下海浪和风暴潮这两个过程并存并且相互影响,掌握好它们的变化规律及其相互作用对做好风暴潮的数值模拟、预测、预警、采取有效防治措施非常重要。基于海浪与风暴潮间相互作用研究的重要性,本文重点讨论了渤、黄海区域海浪对由热带气旋和温带气旋两种天气诱发的风暴潮的影响。在前人对与波浪有关的海面风应力、底应力及波致辐射应力计算方法研究的理论基础上,本文从波流相互作用的几个主要方面入手,针对渤、黄海区域的风暴潮类型,选择有代表性的天气个例,结合三维海流模式POM(Princeton Ocean Model)和适用于海岸的第三代浅水海浪模式SWA(NSimulating Waves Nearshore)对风暴潮进行模拟,全面讨论研究了海浪对风暴潮的影响。只考虑与浪有关的海面风应力的影响对风暴潮进行模拟,将模拟结果与纯风暴潮模拟结果进行对比。结果显示无论是热带气旋引起的风暴潮,还是由温带气旋引起的风暴潮,与海浪成长状态有关的海面风应力对其影响都非常显著。在风暴增水时,引起水位升高,在风暴减水时,引起水位下降。对于台风引起的风暴潮,其影响主要是在水位极值处,考虑与海浪有关的海面风应力后,沿海8个水文测站中,水位极值相对变化率最大为25.95%。对于温带气旋引起的风暴潮来说,其影响体现在整个水位变化过程中,水位极值相对变化率最大为41%。只考虑波致辐射应力的影响对风暴潮进行模拟,与不考虑海浪影响的模拟结果的对比,发现对于热带气旋引起的风暴潮来说,波致辐射应力对风暴潮水位的调制作用不是很大,一般不超过6%。对于由温带气旋引起的风暴潮来说,波致辐射应力的影响更小。只考虑与浪有关的底应力的影响对风暴潮进行模拟,结果显示无论是热带气旋引起的风暴潮,还是由温带气旋引起的风暴潮,海浪通过底应力能使风暴潮水位升降振幅有所增大;海浪通过底应力对台风和温带气旋引起的风暴潮水位极值的最大调制幅度分别为12%和9%;水位值越大,水深越浅时,与浪有关的底应力对风暴潮的影响也越为显著。综合以上分析结果,海浪影响在风暴潮的数值模拟中是不可忽略的,海浪通过海面风应力、辐射应力及底应力对风暴潮产生影响,其中,与海浪有关的海面风应力对其影响最为显著,与海浪有关的底应力影响次之,而波致辐射应力的影响最弱。通过与实测结果对比发现,考虑海浪影响的模拟结果精度有明显的改善,特别是在水位极值处,模拟结果与实测值更加接近。
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