围填海溃堤洪水演进数值模拟

围填海工程建于软土地基上,海堤易产生不规则沉降甚至坍塌,而在高水位期间可能发生溃堤灾害。本文采用HLL逼近Riemann解格式计算界面通量和有限体积法离散控制方程建立了数学模型,对围填海工程溃堤洪水运动进行模拟研究。针对浙南某围填海工程,成功模拟了海塘不同位置发生溃堤时的洪水演进过程:溃堤初始时刻,围区内淹没面积和淹没水深增长迅速,其后洪水推进速度放缓,平均水深则经历下降、快速增长、缓慢增长3个阶段变化;并且南堤溃决事故下同时刻平均水深较东堤溃决时高0.3～0.5m,其洪水灾害性和风险性更高。进一步分析双溃口条件下淹没水深的空间分布及其变化规律可知,洪水完全淹没围填海区仅需要60min,溃堤4h后淹没水深可达1.7m,围区东、南部两股水流迅速交汇将会造成较大的人员伤亡,其他区域居民可有15min以上逃生时间。另外,糙率参数在±15%区间变化下,计算平均水深最大变幅为20%,淹没面积最大变幅为14%。研究成果对于减少溃堤突发事故损失,提高工程建设管理水平具有重要现实意义,可为今后围填海工程的安全设计和风险评估提供技术依据。     

胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模拟

基于海表气压项改进的FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)海洋模式,研发胶州湾高分辨率三维风暴潮漫滩数值模式(JS-FVCOM).利用 JS-FVCOM 模式通过对天文潮、台风强度和径流3要素的不同组合,共设计了5个试验,分别进行风暴潮漫滩模拟实验.分析各试验结果得到如下结论:(1)随着台风最大风速的增加,风暴潮增水迅速增加,当综合水位超过防潮堤高程后增水速度明显减慢.海水淹没范围和淹没深度受综合水位超防潮堤高程时间影响明显.(2)在入海河流的河口区,当洪水位与高潮位相遇时,由于高潮位的顶托作用,洪水下泄不畅,造成综合水位上升明显,极易发生海水漫溢现象.JS-FVCOM 的模拟结果清楚地再现了海水漫堤的淹没过程,可为紧急情况下的人员疏散提供科学的基础数据.     

南海风暴潮对风场和外围海水敏感性研究

为探索来自西北太平洋台风风暴潮与南海局地生成台风风暴潮不同,本研究在假设两种台风气象条件相同情况下,研究随台风而来外围海水所形成增水对南海沿岸的影响。以0814"黑格比"强台风风暴潮为基础,使用ROMS(regional ocean modeling system)模式进行数值模拟并通过设计对比试验方法进行研究,研究发现在台风登陆时引起的增水最大,最大增水出现在台风路径右侧,其中在沿岸区域,外围海水形成增水约占总增水10%,且大约3 h后出现增水回震现象。同时,设计对比试验,研究来自西北太平洋台风风暴潮对台风路径、台风强度、台风移动速度和流入角等气象条件敏感性,并获得与前人一致的结果。     

台湾岛附近海洋对0908号台风“莫拉克”的响应特征

在模拟2009年登陆我国东部沿海的台风"莫拉克"的基础上,利用AVHRR/AMSR和SODA再分析数据和模拟结果,初步评估了GRAPES-ECOM海-气耦合模式(上海台风研究所基于GRAPES-TCM区域台风模式和ECOM海洋模式开发而成)模拟台风期间海洋响应的能力,并分析了台风期间台湾岛周围海域的海温、上升流、中尺度冷涡等的变化特点。分析结果表明,GRAPES-ECOM耦合模式较好地模拟了表层海温对台风的响应,与深水海洋响应比较,揭示了近海对台风响应的一些新特征:(1)在台湾以东海域,台风活动改变了黑潮海域海水的垂直运动,诱导黑潮南部沿岸上升流,而北部先于台风存在的上升流减弱,导致不同水深海温的最大降温位置都出现在路径左侧,与深海偏向路径右侧不同;(2)位于台湾岛东北面的彭佳屿冷涡因其形成与大陆架和黑潮有关,当台风在台湾以东洋面活动时,冷涡位于台风右前方,黑潮表层海水辐合流向大陆架,冷涡中心温度上升,强度减弱,当台风转折北上,冷涡位于台风东南侧,表层海水辐散,加强底层冷水上涌,从而增强了该冷涡的强度;(3)台风不仅加深了台湾海峡的混合层深度,还使得海水的垂直热力结构改变,并使整层海温趋于一致。     

温州近岸围堤对风暴潮漫滩影响的数值研究

利用-套基于非结构网格且能计算海水漫堤溢流的超高分辨率风暴潮漫滩数值模式模拟由9417号台风特大风暴潮引起的漫滩,结果与实测吻合良好。此外,选取超强台风强度并以9417台风路径为南路径,往北每间隔30 km为中路径和北路径设计了3条台风路径,进行了-系列数值模拟得出:近岸围堤加大了风暴潮、漫滩淹没对温州的威胁,而且由南路径引起的漫滩深度和中路径引起的漫滩面积影响最大。究其原因,近岸围堤对外海风暴潮在温州近海及瓯江口传播的阻隔和分流作用,两者综合变相加大了风暴潮往瓯江口北侧海域、瓯江北口、瓯江中上游的输送量。     

上游洪水对台风风暴潮过程期间长江口水位的影响研究

河口地区是河流与海洋相互作用的集中交汇区,也是上游洪水、天文潮和风暴潮等各种动力要素的综合作用区,该区域的水动力研究尤为复杂。长江作为我国第一大河,上游洪水对河口地区的影响尤其明显,特别是天文高潮、风暴潮与洪峰效应相叠加时(俗称"三碰头"),往往会对沿岸造成严重的海洋灾害。以长江大通水文站为上边界建立了一个适合于长江口地区的精细化天文潮、风暴潮和洪水耦合模型,通过对近年来影响长江口的典型台风风暴潮过程的模拟发现,耦合洪水后模型计算结果与实测更为吻合。通过理想数值实验,充分考虑天文潮、风暴潮和洪水的相互作用,定量分析了不同径流量对长江口不同区域的影响,并给出了在不同上游洪水流量和不同台风强度组合情景下,洪水对长江口地区水位的影响以及长江口地区可能出现的高水位。     

浙江沿海超强台风作用下风暴潮增水数值分析

基于河口海岸水动力二维数值模型,建立风暴潮与天文潮耦合作用的数值模式,通过三次强台风和二次超强台风引起的风暴潮增水模拟和分析,证实该模式可用于浙江沿海增水预测.以1949年以来登陆我国大陆沿海最强的"5612"号台风作为典型的超强台风,利用本模式计算分析了超强台风在浙北至浙南5个不同地点登陆遭遇大潮时可能出现的风暴潮增水过程和最大增水,该结果对于海岸工程的防护具有实际的意义.     

福建沿海风暴潮特征的分析

通过普查1960-2001年正面登陆我国东南沿海的台风,分析了福建沿海风暴潮的特征及其可能原因。台湾海峡特殊地形对福建沿海风暴潮的时空分布有明显影响,登陆岸段不同,台湾海峡对风暴潮的影响作用也不同,导致福建沿海风暴潮出现明显不同的分布和变化特征。当台风位于台湾海峡时,其大风区位置利范围不同,会影响福建沿海各地风暴增水的幅度。台风横穿台湾海峡时,易使福建沿海台风大风区中心岸段出现双增水峰现象,第一个增水峰出现在台风离开台湾岛进入台湾海峡后,第二个增水峰出现在台风登陆福建沿海前后。台风横穿台湾海峡有时会引起台湾海峡北部出现奇异增水现象,风暴潮与天文潮之间的相互作用可能是其重要原因。奇异增水峰往往出现在天文潮低潮附近,此时实际潮位并不高。     

博鳌风暴潮研究

利用与博鳌相邻的有关站位验潮资料,结合台风风暴潮数值预报模式(FbM模式)对该区的风暴潮进行了论证。结果显示,当登陆台风(或经海南省南部海上西进的台风)位于博鳌、清澜向海右侧登陆时,同一台风在博鳌引发的风暴潮过程与清澜相似。通过考察1949年以来登陆海南省的台风,以1973年的7314号台风的强度最大,经对其作模式计算,当台风以最有利于博鳌港增水的路径移动时,所引起的该港最大风暴潮是201cm。     

雷州市沿海风暴潮淹没危险性评估*

文章基于近岸海洋数值模式ADCIRC (a parallel advanced circulation model for oceanic, coastal and estuarine waters)和近海波浪数值模式SWAN (simulating waves nearshore), 建立雷州市高分辨率的风暴潮-海浪耦合漫滩数值模型, 并反演了对雷州市影响较为严重的1415号台风“海鸥”的风暴潮过程。经过对比分析得出, 波浪对雷州市沿海海域的风暴潮产生重要影响。然后以8007号台风路径为基础, 构造了7个不同等级共35组台风风暴潮案例, 计算分析出不同等级台风强度下雷州市风暴潮淹没范围及水深。900hPa等级下, 雷州市淹没面积达到463.2km²。文章还构造了60组可能最大风暴潮事件集, 计算得到雷州市可能最大台风风暴潮淹没范围及水深分布。在可能最大台风影响下, 大量海水将漫过海堤, 造成极其严重的淹没灾害, 雷州市总的淹没面积可达602.0km², 其中465.8km²的淹没面积达到了危险性等级 Ⅰ 级, 淹没水深大于3m。雷州市东岸的淹没灾害大于西岸。     

水东湾地貌形态演变数值模拟

为了研究泻湖型海湾内经常出现的湾中岛的形成机理,应用水平二维潮流、泥沙输移和地形演变耦合模型,对具有典型的沙坝泻湖地貌形态的水东湾的湾中岛的形成和演化进行了数值模拟,成功地模拟出了涨潮三角洲(大洲岛)的形成过程,计算结果与实际地貌形态总体符合。模型中分别考虑了全沙输沙和推移质输沙两种输沙情况。结果表明,水东湾湾中岛是由涨潮流引起的泻湖内泥沙不断淤积而形成的,是一种涨潮三角洲的地貌形态;全沙输沙模式比推移质输沙模式更适合这一地形演化过程的模拟。模拟结果也再现了湾中岛在25 a期间的地形变化过程,这一研究结果为通过计算数值模拟来研究一般海湾的地貌形态的形成机理和演化过程提供了实际算例。     

人工岬角和海滩养护下泥沙输运与海床演变

实施人工岬角和海滩养护的软硬措施相结合的方法是探索解决海滩侵蚀问题的新举措之一。基于验证良好的水动力模型建立了泥沙输运和海床演变模型,对秦皇岛市新开河口至南山岸线海滩经整治修复工程实施后的泥沙输运和海床演变规律进行模拟分析。结果表明:大潮与常浪耦合作用下,研究区域周围海域流速整体上落急时刻大于涨急时刻,沙坝掩护水域的流速较弱,波浪在沙坝处增强并在沙坝后破碎并减弱;在沙坝处出现高悬沙浓度区域,悬沙浓度分布主要由底床切应力控制,部分受水动力影响。大潮与强浪耦合作用下,在沙坝处出现远大于常浪时的增强水流(波生流),方向与强浪向一致,波浪在沙坝处已破碎且沙坝对强浪的削减效率大于常浪;与常浪作用下不同,悬沙浓度场在强浪作用下沙坝处没有出现明显的高浓度区域。波流耦合作用下,人工岬角单独存在时护岸效果有限,工程实施后在人工岬角和人工沙坝的配合下,沙坝处侵蚀而沙坝后侧掩护区域淤积,沙坝起到了有效养护海滩的作用。     

岛礁附近浮式平台运动响应特性数值分析

利用基于开源平台Open FOAM自主开发的船舶与海洋工程水动力性能求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了近岛礁环境下规则波的演化特性以及带有系泊系统的浮式平台在相应波浪作用下的水动力性能。对于平台的水动力性能的研究发现,仿真结果与试验结果在平台自由衰减运动固有周期及RAO(response amplitude operator)方面吻合良好。对于波浪在近岛礁地形下的演化现象的研究,分析了波浪演化不对称性特性的成因,并分别给出了不同参数下波浪在地形上爬升时演化的具体特性,对于波高变化及波浪演化的频率成分进行量化的探究。研究发现,波浪周期越大,波高变化越明显,演化的非线性现象越明显,且波浪随着传播距离的增大演化出的阶数也在增大。     

不同地形下单浮子集成装置水动力性能研究

为探讨不同地形特征对单浮子集成装置水动力特性的影响,本文基于黏性计算流体动力学理论,应用Star-CCM+软件建立二维数值波浪水槽,研究了规则波作用下受不同地形影响的单浮子式防波堤与波能转换装置集成系统的水动力性能.结果表明:在低频区,不同地形下单浮子集成系统的波能转换效率均大于无地形影响下单浮子集成系统的波能转换效率...     

黄河口滨海区冲淤演变与潮流不对称

涨落潮不对称是河口滨海区流场的重要特征,在泥沙输运和地貌演变过程中扮演着重要的角色。本文基于实测水深地形、沉积物粒度、水文泥沙观测等资料,分析了黄河口滨海区的冲淤变化、泥沙输运和沉积物特征。同时,本文利用Delft 3D模型模拟了黄河口滨海区的流场,并计算了不同条件下涨落潮流速的不对称分布,结合上述分析,探讨了黄河口滨海区冲淤演变的动力机制。结果表明:现行黄河口至莱州湾滨海区相间分布多个淤积和侵蚀中心;黄河口滨海区存在显著的涨落潮流速不对称现象,现行河口外为涨潮优势流分布区,并呈舌状向南部莱州湾方向伸展,而近岸和莱州湾则普遍为落潮主导;黄河口滨海区的冲淤变化很大程度上受涨落潮流速不对称空间分布及涨落潮优势流转换所控制;强北风作用增强和扩展涨潮优势,促使莱州湾淤积和沉积物粗化。     

Sea ice evolution and internal wave generation due to a tidal jet in a frozen sea

The purpose of this study is to investigate the influence of tidal currents on sea ice in Spitsbergen fjords which may cause rapid decrease of the ice thickness due to erosion and melting of the ice. The effect was studied in-situ near the narrow channel connecting the Van Mijen Fjord and Lake Vallunden. The strong jet-like tidal currents in the strait driven by semidiurnal tide continue into the lake preventing ice freezing along a narrow strip during high tide and relatively warm weather. Understanding the formation of open water regions or regions with thin ice is important for the safe transportation on ice. We estimate conditions and representative time over which strong tidal current influences ice thickness along a narrow strip in solid ice. Changes of tidal phase and decrease in air temperature influence freezing of the strip in one-two days. While the tidal flow leaves the strait it overflows a shallow bar and generates internal lee waves propagating downslope and mixing the water. Tidal forcing of internal waves was measured using pressure gauges and by scanning of the ice surface during flood and ebb phases. Internal waves were measured using three types of CTD instruments and an ADCP current meter. The generation of wave packets occurs every tidal cycle when the current flows into the lake, but no generation occurs during the ebb phase of the tide because the currents over the bar slope are low. Parameters of internal waves are estimated. Model simulations confirm generation of internal wave train by the tidal current descending downslope.     

磨刀门口夏冬季沿岸流特征及成因分析

根据2011—2012年磨刀门口的夏、冬季大、中、小潮定点观测资料,对欧拉余流、斯托克斯余流以及拉格朗日余流进行分析。结果表明:（1）外海测点的欧拉余流和拉格朗日余流,冬季在各潮型下均为一致的西南沿岸方向,夏季除东、西汊道点在强径流下表现为顺汊道指向外海方向,其余外海各点仍以西南沿岸方向为主;（2）斯托克斯余流远小于欧拉余流,夏季明显大于冬季,方向基本与欧拉余流相反;（3）冬季磨刀门口海域具有稳定西南向沿岸流特征,南海东北季风的驱动作用是其形成的主要原因;夏季磨刀门口各潮型下沿岸流特征各异,其影响的主要因素为径流和风,同时地形的影响不可忽略,特别是拦门沙形成的汊道分流作用,对强径流作用下水沙输移影响十分显著。     

Wave-induced Maintenance of Suspended Sediment Concentration during Slack in a Tidal Channel on a Sheltered Macro-tidal Flat,Gangwha Island,Korea

A field campaign was conducted to better understand the influence of wave action, in terms of turbulence and bed shear stress, on sediment resuspension and transport processes on a protected tidal flat. An H-frame was deployed in a tidal channel south of Gangwha Island for 6 tidal cycles during November 2006 with instrumentation including an Acoustic Doppler Velocimeter, an Acoustic Backscatter System, and an Optical Backscatter Sensor. During calm conditions, the current-induced shear was dominant and responsible for suspending sediments during the accelerating phases of flood and ebb. During the high-tide slack, both bed shear stress and suspended sediment concentration were reduced. The sediment flux was directed landward due to the scour-lag effect over a tidal cycle. On the other hand, when waves were stronger, the wave-induced turbulence appeared to keep sediments in suspension even during the high-tide slack, while the current-induced shear remained dominant during the accelerating phases of flood and ebb. The sediment flux under strong waves was directed offshore due to the sustained high suspended sediment concentration during the high-tide slack. Although strong waves can induce offshore sediment flux, infrequent events with strong waves are unlikely to alter the long-term accretion of the protected southern Gangwha tidal flats.     

沙脊沙波泥沙数学模型的研究

在剪切水流条件下,基于水沙两相流动量方程,推导出描述海底沙脊沙波内在演变规律的基本方程。将此方程与二维浅水环流方程、波浪折射-绕射方程进行耦合,建立大范围海区平面二维波、流、泥沙数学模型,并结合海区实际观测水文地质、潮汐、波浪、泥沙资料进行模型验证。通过对比分析发现,数值模拟值与实测站位观测值二者吻合较好,表明了模型的可靠性。应用此模型对东方1-1气田穿越的大范围海底沙脊沙波在相应海动力条件下的移动规律及演变趋势进行定量预测,结果显示,随着时间的推移,沙脊沙波移动距离逐年递增,但发展变化趋势基本稳定。     

Effect of River Discharge on Bay of Bengal Circulation

The seasonal circulation and mixed layer depths in Bay of Bengal is modeled using the three-dimensional Princeton Ocean Model (POM). Along the coastal boundaries a higher resolution is accomplished using the curvilinear orthogonal grid. Model uses a free-surface and terrain following sigma coordinates. The initial climatological salinity and temperature fields for the model are derived from the World Ocean Atlas-2001(WOA01). The Model is forced with wind stress derived from COADS wind climatology. Bilinear interpolation is used to obtain the initial fields and wind stress to the required model specification. Using the seasonal fields and wind stress the model is integrated for simulating Bay of Bengal circulation. The numerical simulations on climatological scale for monsoon months were conducted to study the evolution of dynamics. The simulations bring out not only the typical characteristic features of fresh water plume along the coast but also intensification of the flow over the monsoon period. The increase in the fresh water flow found to affect only the western parts of the BoB. The opposing currents due to monsoon winds and southward flowing fresh water discharge (FWD) were also delineated. The model results show that the wind stress induced turbulence process is subdued in the presence of strong vertical salinity stratification due to the influence of FWD. The simulated mixed layer depths are in agreement with the reported analytical energy required for mixing values.