臺灣海峽風(fēng)暴潮過程中的波流相互作用數(shù)值分析.pdf

1、海洋在臺風(fēng)的響應(yīng)過程中，天文潮、風(fēng)暴潮和波浪是同時存在且相互影響、相互作用的，特別在近岸區(qū)域，這種相互作用的效應(yīng)更加明顯。只有綜合考慮這三者相互作用的效應(yīng)，才能準確地模擬出臺風(fēng)過程的水動力情況和波浪情況，這對做好風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪的數(shù)值研究、預(yù)報非常重要，對采取有效措施防范臺風(fēng)災(zāi)害具有指導(dǎo)意義;從學(xué)術(shù)價值方面，可為進一步研究近岸海域臺風(fēng)期間物質(zhì)輸運、生態(tài)響應(yīng)等研究奠定動力機制的基礎(chǔ)。本文選取臺風(fēng)災(zāi)害頻發(fā)、受災(zāi)嚴重的臺灣海峽、福建省沿海作為重

2、點研究對象，利用改進的臺灣海峽附加風(fēng)場和基于衛(wèi)星遙感風(fēng)場的背景風(fēng)場，構(gòu)建了適合于臺灣海峽、福建省沿海的臺風(fēng)模型，并驅(qū)動建立的二維臺灣海峽及其鄰近海域天文潮、風(fēng)暴潮、波浪耦合數(shù)值模式，在模擬臺風(fēng)風(fēng)場、臺風(fēng)浪和潮汐風(fēng)暴潮的實踐基礎(chǔ)上，分析臺灣海峽臺風(fēng)暴潮過程中波流相互作用的效應(yīng)。
　　 該耦合數(shù)值模型的可靠性和敏感性實驗以理想地形條件為環(huán)境背景，除試驗?zāi)Ｐ筒飨嗷プ饔眯?yīng)的可靠性外，分別設(shè)計和探討了風(fēng)速、水深坡度、潮差等三個要素的變

3、化下波流相互作用的效應(yīng)，檢驗了這三個因素對波流相互作用的影響范圍、反應(yīng)程度和制約情況。實驗結(jié)果表明:(1)在一定風(fēng)速、水深坡度、潮差條件下，研究區(qū)域內(nèi)波流相互作用效應(yīng)明顯;(2)不同區(qū)域的波高受水動力變化的影響效果不同，在破波帶內(nèi)波高的變化和相對水深變化的有關(guān)，故受水位變化影響更大，破波帶外波高的變化受流速變化影響更大，這與風(fēng)和流的頂托作用相關(guān);(3)波浪與水動力非線性耦合后，產(chǎn)生的波增水具有潮的周期性振蕩，低潮時的波增水略大于高潮時的

4、波增水，而且近岸波增水大于外海，岸邊處波增水最大。此外，在破浪破碎帶前端，會出現(xiàn)波浪減水，波浪減水的極值比波增水小，但范圍更大;(4)風(fēng)速、水深坡度、潮差均是影響研究區(qū)域波浪相互作用效應(yīng)的因素，總體來說，研究區(qū)域的風(fēng)速越大、水深坡度越大、潮差越大，該區(qū)域的波流相互作用就越強烈，且水深坡度對波流相互作用效應(yīng)的影響最大。
　　 然后本文基于ADCIRC模型建立臺灣海峽及鄰近海域的潮波數(shù)學(xué)模型，揭示了包括臺灣海峽以及東海、南海的部分海

5、域和臺灣島以東太平洋海域的潮波物理機制和時空分布。利用研究區(qū)域內(nèi)28個沿岸觀測站的實測潮汐調(diào)和常數(shù)對模型計算結(jié)果進行驗證，M2、S2、K1、O1四個主要分潮振幅和遲角的平均絕對誤差分別為5.74cm和4.70°、3.25cm和4.95°、2.28cm和3.35°、1.94cm和3.25°，表明模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較一致。通過臺灣海峽及鄰近海域八個主要分潮(M2、S2、K1、O1、P1、Q1、N2、K2)同潮圖的分析，表明研究區(qū)域的潮

6、波主要是由西太平洋傳入的。進入臺灣海峽的半日分潮潮波存在南、北兩個分支，南支為前進潮波系統(tǒng)，北支為退化了的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)，其中北支潮波強度更大，影響范圍更遠。影響臺灣海峽的全日分潮潮波主要是由臺灣島北部海區(qū)傳入的太平洋潮波分支，且穿越整個臺灣海峽，傳入臺灣海峽后具有明顯的Kelvin前進波性質(zhì)。
　　 在臺灣海峽及鄰近海域的潮波數(shù)值研究基礎(chǔ)上，利用耦合模型模擬0908“莫拉克”臺風(fēng)過程中的風(fēng)場、波浪場和潮汐風(fēng)暴潮的時空變化。模型計

7、算結(jié)果的驗證分析和比較顯示，模型模擬的風(fēng)場、有效波高、潮汐風(fēng)暴潮水位與沿岸觀測站的實測值符合良好;波浪的計算考慮潮汐風(fēng)暴潮作用后，波流耦合模型的計算結(jié)果要優(yōu)于未耦合模型的計算結(jié)果，且有效波高的變化帶有明顯的潮汐振蕩特性。通過臺灣海峽區(qū)域“莫拉克”臺風(fēng)過程波流相互作用的影響進行分析表明，在影響近岸波浪變化的因素中，水位起明顯作用，高潮位時有效波高的最大增幅可達0.75m，低潮位時有效波高的最大降幅可達0.67m。因此，模擬波浪在近岸淺水區(qū)

8、的演化時應(yīng)加以考慮潮汐風(fēng)暴潮的影響，特別是強潮海域;另一方面，考慮海浪對潮汐風(fēng)暴潮水位變化的影響后，潮汐風(fēng)暴潮水位的模擬結(jié)果與各驗潮站的實測值更為接近，特別是極值水位更加吻合。在近臺風(fēng)中心路徑的區(qū)域，波致輻射應(yīng)力對風(fēng)暴潮增水的調(diào)制作用不可忽略，如“莫拉克”臺風(fēng)過程的波增水極值出現(xiàn)在接近臺風(fēng)中心路徑的平潭海域，為0.28m;崇武、平潭、三沙三個驗潮站的最大波增水占同時刻總增水的比例分別為10.0％，24.0％，17.2％。遠離臺風(fēng)中心的區(qū)