波浪作用对风暴潮水位影响的研究

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风暴潮是一种极具破坏力的自然灾害。若近岸堤坝高度低于风暴潮登陆时的水位,海水将携带巨大能量快速冲击并越过堤坝,涌入内陆,直接作用于沿海城市居民与建筑,造成巨大灾害与损失。因此,风暴潮登陆时水位的准确预测在海岸带防灾减灾工作中至关重要。风暴潮水位主要由天文潮潮位,台风低气压、台风风场和波浪作用产生的增水这四部分组成。自1950s以来,风暴潮预报模型为了提升计算速度,均忽略了波浪作用引起的水位增加(简称“波浪增水”)。从1980s开始,随着计算机硬件与数值模型的改良与优化,许多学者通过研究风暴潮模型与波浪模型的耦合过程,开始考虑波浪作用对风暴潮水位的影响,包括波浪产生的辐射应力、表面剪切力、底床剪切力、垂向紊动混合等。为研究波浪作用对我国沿海登陆的风暴潮水位的影响,本研究选取中国东南沿岸海域某典型地形与水动力条件,运用Delft3D-Flow和Delft3D-Wave双向耦合模型,模拟台风卡努(Khanun)的发展过程,分析登陆前九、六、三小时和登陆时,台风风场、有效波高、台风水位、波浪增水的空间分布规律。研究表明不同于波高和水位的围绕台风中心分布,波浪增水最早出现在近岸海域。根据台风登陆时的波浪增水分布,对近岸海域进行分区,取特征点,对比其地理位置与台风水位与波浪增水的大小,总结归纳影响水位与增水的三个因素:距台风中心的距离、距岸线的距离、和风速方向与岸线方向的夹角。特征点中的最大波浪增水可达0.36m,其与台风水位的最大比值可达43.3%,说明波浪增水是风暴潮水位的重要组成部分,不可忽略。在设计近岸防护结构物高度时,应该考虑波浪增水作用和波高对台风水位的加成,使之不仅能抵挡台风最大水位,还可以保留一定的富余高度,对于海岸带防护有十分重大的意义。此外,本论文模拟了八组理想的台风条件,进行了不同开边界涌浪和台风强度的波浪增水敏感性分析。研究表明风暴潮的波浪增水绝大部分来源于台风风场生成的风浪作用,而自然条件下的涌浪作用十分微弱。波浪增水与台风水位会随着台风强度的增强而同步增大,在台风登陆时刻潮位测站点海门的增水占比维持在10%左右。
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