条件变化对海口湾风暴增水的影响分析——以海鸥台风为例

以海口湾为例,通过建立天文潮与风暴潮耦合数值模型,以典型强台风海鸥为基础,对未来台风增强、海平面上升和填海工程对海口湾风暴潮的影响分别进行了诊断分析,并计算了三者的共同作用在未来100年对风暴增水最大值的变化幅度。结果表明:1)台风强度增强大幅度增加海口湾沿岸风暴增水最大值,台风强度增强10%时,海口湾沿岸控制点风暴增水最大值增加12%~18%;2)海口湾地区在海平面上升的影响下风暴增水最大值反而减小,仅有部分岸段风暴增水值最大增加,不同海域风暴增水变化对海平面上升的响应不同;3)不合理的人工岛建设方案会显著增加对岸风暴最大增水值;4)在台风增强、海平面上升和不合理的海湾填海共同影响下,未来100年风暴增水最大值将增加12%~28%。显然这样的风暴增水变化会引起严重的灾害和后果,本研究可为海口湾防灾减灾工作提供依据。     

海平面上升对北部湾风暴潮增水影响研究——以 2012 年台风“山神”为例

全球变暖引发的海平面上升将加剧风暴潮增水,进而危及沿海经济发展与社会安全保障。本文基于模型耦合与模型嵌套技术构建北部湾台风风暴潮数值模拟系统,以2012年台风"山神"为天气背景,通过设计7组情景模拟研究未来不同海平面上升背景下北部湾风暴潮增水变化。结果表明:风暴潮期间水位从南向北沿北部湾逐渐涌高,最高水位发生在广西沿岸,达2.4 m以上。天文潮和台风风场拖曳力是形成高水位的主要驱动力,其中天文大潮和最大风场拖曳力对最高水位的贡献率分别约占70%和30%。海平面上升对风暴潮增水的影响具有时空非线性和非均一性特征。其中,潮位波动和波-流耦合效应会改变实际最大增水发生时间,导致钦州湾附近高潮位大致提前1天半,海平面上升1.1 m使得最大风暴潮增水大致提前30 min;未来海平面上升0.66～1.1 m将导致北部湾大部分海域风暴潮增水幅度放大6%～10%,广西沿岸钦州湾和大风江河口出现负增加效应,可能与溺谷海湾地形特征有关。研究结果可为未来北部湾沿岸防御风暴潮灾害提供理论依据。     

舟山海域风暴潮增水数值分析——以台风“灿鸿”为例

基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)模式,建立了舟山海域台风风暴潮增水数值模型。通过对1509号台风"灿鸿"进行风暴潮过程模拟,验证了模型可用于舟山海域的台风风暴潮增水的模拟和分析;以1509号台风为基础,构造了9条不同路径台风分别进行风暴潮增水模拟,得到了对舟山岱山县沿海最有利增水的台风路径;在最佳路径的基础上,叠加五种不同强度的台风场,分析不同强度台风作用引起的增水情况;应用此模型探讨了未来情景下平面上升30cm和上升66cm后的水位极值分布情况以及其相对于原始海平面的变化情况。     

渤、黄海天文潮—风暴潮相互作用及其对极值水位的贡献

基于Delft3D模型建立了中国渤、黄海风暴潮数值模型,选取1979—2020年影响该海域的93场风暴过程（包括台风、寒潮和温带气旋）,模拟了所产生的风暴增水和风暴潮总水位。采用泊松—皮尔逊复合极值分布理论,推算了渤、黄海对应不同重现期的极值水位;通过数值试验,对天文潮—风暴潮非线性相互作用对极值水位的贡献进行了量化分析。研究结果表明,渤海的莱州湾、渤海湾,以及黄海的江华湾、西朝鲜湾风暴增水最大,其中江华湾北侧和渤海湾西南侧的百年一遇风暴增水可达4 m;天文潮—风暴潮非线性相互作用在潮差较大、水深较浅的河口、湾顶区域更为显著,与耦合模型结果相比,非线性作用使极值水位值偏小,天文潮、风暴潮增水的线性叠加可显著高估极值水位,高估的幅值可达0.5~0.8 m。考虑重现期极值水位是海岸灾害防护工程的关键设计参数之一,对海岸构筑物的安全和建造成本影响极大,应重视天文潮—风暴潮非线性相互作用对重现期水位的影响。     

上海沿海风暴潮历史特征分析

基于中国气象局台风最佳路径数据集和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)风场再分析资料,遴选出1979—2019年影响上海的241场历史台风事件。采用ADCIRC风暴潮模型对241场历史台风所引起的风暴潮过程进行了模拟,计算得到了上海沿海历史风暴增水数据集,由此对上海沿海代表站点的历史风暴增水进行了特征分析。结果表明,崇西闸、堡镇、吴淞口、高桥、芦潮港、金山嘴、洋山港站和绿华山等8个代表站历史最大增水在1.38~2.58 m之间,各站最大增水小于1 m的累积频率均超过0.9。尽管各站最大增水时间序列未通过Mann Kendall趋势性检验,但吴淞口站的年最高水位却呈现出显著的增加趋势,这可能与上游径流、天文潮、风暴潮和海平面变化等因素的综合影响有关。     

罗源湾海域台风风暴潮数值模拟研究

本文以福建罗源湾海域为重点研究区域,结合台风风暴潮数值模式,对不同强度、不同方向台风引起的风暴潮增（减） 水规律进行了数值模拟研究。通过对影响罗源湾海域的历史台风分析,确定了影响该区域的两种典型台风路径,即东南-西北移动 （NW-SE） 和南-北移动 （N-S） 路径。文中结果表明：在两种典型路径台风到达罗源湾海域时,罗源湾内的风暴增水达到极值,在超强台风 （中心气压及最大风速：945 hPa,55 km/h） 作用下,NW-SE 和 N-S 路径下增水极值分别为3.9 m 和 3.67 m。随着两种典型台风路径从湾外向湾内平移,湾内不同岸段的风暴增水表现出不同的规律：北岸和西岸增水逐渐增大且在典型台风路径过湾顶向西平移约 15 km 处达到最大;湾内南岸区域增水逐渐减小且在台风路径过湾口向湾外平移约 15 km 处达到最大;湾口站点增水极值随路径平移无明显变化。对于 N-S 典型路径方向,台风中心过罗源湾后有明显减水现象,且越靠近湾内的站点减水程度越大,超强台风作用下湾内西北角站点减水达 2.80m,而 NW-SE 路径的台风风暴减水现象不明显。     

珠江口沿岸极值增水的空间分布

利用FVCOM模式建立了珠江口区域的天文潮和风暴潮数值模型,采用调和分析方法得到该区域K_1、O_1、M_2、S_24个主要分潮的等振幅线和等迟角线的分布特征,并选取典型台风对影响珠江口附近海域的台风暴潮过程进行了模拟计算,验证了模型的准确性,并基于该模型模拟了1993—2013年影响珠江口附近海域的共48场台风过程;利用Gumbel分布,计算了百年一遇的风暴潮极值增水,珠江口门外西侧的极值增水大于东侧,其中该区域百年一遇风暴增水的最大值出现在赤溪镇和三灶镇中间的海域为3.19 m,可为珠江口沿岸地区的风暴潮防护和海岸工程设计提供参考。     

一种远海转向型台风的风暴增水特点初析——以1419“黄蜂”为例

通过浅析1419号超强台风"黄蜂"影响期间,台州沿海在偏北风作用下风暴增水持续升高的原因,并对2000年以来类似在127°~132°E之间远海转向,且在韩国或日本九州岛登陆的5个同类型台风过程的风暴潮增水进行统计分析。结果表明:在偏北风或离岸风作用下的增水,开尔文波对其作用较大;受此类台风影响,台州沿海各测站高潮位增水均达到50 cm以上,而海门站过程增水均达到1 m以上,风暴潮过程最大增水出现在台风即将登陆或登陆以后。     

珠江口伶仃洋风暴潮传播特性及影响因素数值模拟研究——以台风“山竹”为例

基于FVCOM海洋模式对珠江口伶仃洋内及周边海域的风暴潮增水传播过程进行研究。首先,建立珠江口风暴潮模型,采用超强台风“山竹”作为典型案例进行风暴潮过程模拟,并对模型的计算结果进行验证,发现模拟结果和测站潮位结果比较吻合;然后,对伶仃洋在“山竹”登陆前后的风暴潮增水过程的时空分布及变化特征进行分析。从伶仃洋湾口到湾顶选取12个点进行时间序列分析,发现除了因距离外海远近不同导致的相位差异外,基本特征相似,符合国际上类似海湾内的风暴潮增水波动特征,可分为初振段、主振段和余振段。为了进一步研究台风参数差异对伶仃洋风暴潮增水的影响,本文基于“山竹”超强台风的特征参数,设计了一系列变化条件下的数值试验,结果发现：（1）台风的登陆时间会影响到风暴潮增水和天文潮之间的相位关系,进而影响到增水的大小。如果风暴潮增水极值正好在天文潮高潮位,风暴潮增水就会削弱,而风暴潮增水正好在天文潮低潮位,风暴潮增水就会增强。（2）台风中心压差决定了台风风力的大小,从而影响风暴潮增水。但是在同一海湾内的影响在空间上并不相同,在较浅区域影响大而较深区域影响小。（3）台风路径会对风暴潮增水产生较大影响。基于“山竹”的路径,...     

南通沿海台风风暴潮分析及其经验预报初探

利用2000—2011年台风资料、吕泗海洋站水文气象观测资料,对影响南通沿海的台风以及台风风暴潮进行分析。结果表明,近十年影响南通沿海的台风可分为四类,分别为:第一类南通外海北上、第二类浙江外海转向、第三类内陆北上进入江苏并从江苏沿海出海、第四类在浙江一带登陆后又转出海;不同路径的台风引起的风暴增水具有不同特征,相应的经验预报公式亦具有不同形式,其中,第三类台风对南通沿海造成的风暴增水较其他类别的要小;第二类浙江外海转向的台风引起的风暴增水具有显著的半日振荡周期,研究时需考虑风暴潮与天文潮的耦合作用;第一类和第三类台风暴潮极值预报公式经验证后,效果较好。     

波流耦合作用下渤海及北黄海风暴潮增水及海浪过程的数值模拟

本文基于三维波流耦合FVCOM-SWAVE数值模式,采用Jelesnianski参数化风场与再分析数据集ECMWF风场数据叠加而成的合成风场作为外力驱动力,模拟了1818号"温比亚"台风引起北黄海及渤海海域风暴潮增减水及波浪的生长与消减过程,进而分析该海域在"温比亚"台风作用下波浪对流速垂向分布的影响。研究结果表明:合成风场得到的风速最大值及出现时刻与实测数据符合较好,合成风场较为合理,能够为模拟波流耦合机制下海域水动力变化提供准确的风场条件;几个测站的风暴潮增水模拟结果与实测数据较为吻合,FVCOM-SWAVE耦合系统合理地再现了"温比亚"台风在黄渤海引发的风暴潮增水以及台风浪过程。此外,计算结果显示"温比亚"期间黄渤海海域最大有效波高分布于台风中心外围,且位于台风前进方向上,波浪最大有效波高值与台风强度有关;在台风过境期间,波流相互作用对近岸海域流速的垂向分布具有一定影响,考虑波流相互作用可有效提高台风风暴潮数值模拟精度。研究结果对台风灾害预报、防灾减灾及港口建筑选址具有一定的参考意义。     

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。     

江苏近海风暴潮增水数值模拟研究

为研究江苏近海海域风暴潮的特性以及为该海域风暴潮增水变化机理及后报做铺垫,本文基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)海洋模式和Jelesnianski圆形台风风场模型,建立了江苏近海风暴潮数值模型,并对江苏近海的天文潮以及1109号台风和1210号台风引起的风暴潮进行模拟。结合验潮站水位观测,研究了连云港站和吕泗站的天文潮和风暴潮增水过程。我们将风暴潮与天文潮非线性作用下的风暴潮增水和纯风暴潮增水过程进行对比,讨论了天文潮与1109号和1210号台风风暴潮之间的非线性作用引起的增水特征。结果均表明,在天文潮高潮时,天文潮和风暴潮之间的非线性作用可以抑制增水,在天文潮低潮时,天文潮和风暴潮之间的非线性作用有利于增水。除了气象因子以及天文潮和风暴潮之间的非线性作用外,该海区的地理环境也对台风风暴潮增水产生影响。因此对江苏近海的海岸线变化和浅滩地形变化进行敏感性试验,结果表明,本文所设计的海岸线变化对该海域的风暴潮增水影响较小,江苏沿海岸线的向外推移使得江苏海域风暴潮的增水略微上涨,而本文所设计的地形的变化对风暴潮增水影响较大。     

厦门风暴潮淹没风险预警系统研究

为提高厦门防御台风风暴潮灾害风险的能力,辅助政府部门开展海洋防灾减灾工作,文章基于风暴潮数值模型开发厦门风暴潮淹没风险预警系统,并以1521号台风为例模拟其淹没风险。研究结果表明：风暴潮数值模型能较好地刻画影响厦门的台风风暴潮过程,满足风暴潮淹没风险分析需求;厦门风暴潮淹没风险预警系统采用按警戒潮位预警和按高程预警2种方法分析风暴潮淹没风险,可对影响程度不同的岸段采取不同的预警和防御措施;基于数值模型的风暴潮淹没范围与实地调查区域的淹没范围基本一致,可对未开展实地调查区域的淹没范围进行补充;今后须进一步完善厦门风暴潮淹没风险预警系统,同时建立厦门风暴潮风险评价体系。     

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0.5R(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。     

Numerical study on effect of tidal phase on storm surge in the South Yellow Sea

Because of the special topography and large tidal range in the South Yellow Sea,the dynamic process of tide and storm surge is very complicated.The shallow water circulation model Advanced Circulation(ADCIRC)was used to simulate the storm surge process during typhoon Winnie,Prapiroon,and Damrey,which represents three types of tracks attacking the South Yellow Sea,which are,moving northward after landing,no landing but active in offshore areas,and landing straightly to the coastline.Numerical experiments were carried out to investigate the effects of tidal phase on the tide-surge interaction as well as storm surge.The results show that the peak surge caused by Winnie and Prapiroon occurs 2-5 h before the high tide and its occurring time relative to high tide has little change with tidal phase variations.On the contrary,under the action of Damrey,the occurring time of the peak surge relative to high tide varies with tidal phase.The variation of tide-surge interaction is about 0.06-0.37 m,and the amplitude variations of interaction are smooth when tidal phase changes for Typhoon Winnie and Prapiroon.While the interaction is about 0.07-0.69 m,and great differences exists among the stations for Typhoon Damrey.It can be concluded that the tide-surge interaction of the former is dominated by the tidal phase modulation,and the time of surge peak is insensitive to the tidal phase variation.While the interaction of the latter is dominated by storm surge modulation due to the water depth varying with tide,the time of surge peak is significantly affected by tidal phase.Therefore,influence of tidal phase on storm surge is related to typhoon tracks which may provide very useful information at the design stage of coastal protection systems.