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《中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)》 2018年
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中国近海寒潮影响下的灾害性海洋动力环境研究

莫冬雪  
【摘要】:寒潮,作为一种灾害性天气过程,伴有剧烈的降温、升压和大风,具有突发性、风时长、方向性强等特征。中国近海北部(包括渤海和北黄海)是一个水深较浅的半封闭海域,是全球受寒潮灾害影响最为严重的海域之一。当寒潮过境时,中国近海北部会产生显著而持续的水位升高和巨浪,对人类生活和航运造成严重影响,危害我国沿岸经济发展。本论文通过资料诊断、统计分析和数值模拟等多种手段,开展了对中国近海寒潮影响下的灾害性海洋动力环境的形成机制、发展规律和测报方法研究。首先,基于气候预报系统再分析数据CFSR,本文对2001年至2010年渤海及北黄海受寒潮大风的入侵天数进行统计,证明寒潮主要在冬半年入侵中国近海,且主要为冷锋型天气系统。通过对寒潮大风风向和风速的统计,得到其主要风向和风速的时空分布情况。结果表明,寒潮大风存在明显的季节变化,风向以偏北风为主,其中东北大风的发生频率和风速都高于西北大风。其次,本文基于区域海洋模式ROMS构建用于研究中国近海寒潮风暴潮的数值模式,对两次典型寒潮个例进行模拟,并将模拟结果与寒潮过境区六个验潮站增水情况进行对比,拟合结果良好。在此基础上,本文应用已构建的模式进行多组敏感性实验,探讨风暴潮增水与寒潮路径、寒潮强度的关系,总结寒潮风暴潮增水的时空变化特征。结果表明,风暴潮增水主要发生在垂直于风向的海岸线附近,且增水幅度和时间滞后情况与海底和大陆架的地形密切相关。寒潮引起的水位振荡峰值与风速之间存在正相关,水位振荡谷值与风速之间存在负相关,但水位振荡与风时之间不存在明显的相关性。此外,本文设计实验针对温带气旋对寒潮风暴潮增水的影响、天文潮与风暴潮的非线性相互作用进行研究,总结其在渤海及北黄海的独有特征。耦合型天气形势可根据寒潮路径和温带气旋的不同而分为横向冷锋引导、斜向冷锋引导和竖向冷锋引导的寒潮,其通常会产生更大幅度的风暴潮增水,且水位振荡呈多峰结构。天文潮与风暴潮间的非线性相互作用对风暴潮的大小和相位产生明显影响,不同阶段的天文潮产生的影响程度不同。随后,本论文对中国近海北部寒潮风浪频谱和谱参量的成长特性进行了研究。基于第三代海浪模式SWAN,论文对寒潮浪的时空变化特征进行了分析,并输出海浪谱数据。可见,寒潮风浪频谱主要为单峰谱,可由Donelan谱较好的描述。海浪谱的成长可由三个相关性较强的特征参量(峰值频率、谱峰值和谱的零阶矩)的变化综合反映。此外,本文通过最小二乘法获得谱参量相对于三类通用的影响因子(风区、逆波龄和峰值频率)的成长关系,并对其进行系统对比。结果证明,风区和峰值频率用于描述谱参量较为合适,而逆波龄描述的成长关系在不同的海域存在差异。总的来说,本文所拟合出的成长关系更适用于中国近海北部寒潮风浪频谱的实际应用,改进了前人的结果。最后,本文基于耦合系统COAWST构建中国近海寒潮影响下海洋动力灾害多致灾因子的耦合测报模式,确定适用的参数化方案和耦合方案。经验证,辐射应力方案和涡度力方案对不同风场、不同海域以及不同水位变化阶段影响不同,但总体说提高了风暴潮模拟的准确性。本文应用所建立的耦合模式开展了寒潮风暴潮与寒潮浪之间耦合作用机理研究,分析了它们之间非线性相互作用的特征及其对灾害过程的强化效应。结果表明,浪流相互作用主要影响近岸浅水区域和地形较复杂区域;浪致流效应对海表面应力、底应力均有影响,还诱生辐射应力或涡度力;流致浪效应对波高和波向的影响与水位和流场的性质有关。总之,寒潮所引起的海洋动力过程灾害性不容小觑。本论文研究在极端天气条件下的风暴潮和海浪等现象的发生、发展规律及它们之间的共振或相互作用不仅在动力学上有重要的理论意义,而且对于改进风暴潮与海浪预报模式也有重要的实践意义。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P731.2;P425.54

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