风暴潮—天文潮—波浪耦合模型及其在杭州湾的应用

【摘要】：风暴潮灾害是严重威胁沿岸人民生命财产的自然灾害。研究风暴潮及其致灾因素的动力学特征是沿岸防灾减灾工作的必然要求。由于风暴潮过程影响因素的复杂性,相关研究还远不能满足实践的需要。为此,需要综合考虑风暴潮、天文潮和波浪之间的相互作用,构建合适的耦合数学模型,采用数值计算的方法研究各种物理因子的动力学特征,并对其与风暴潮之间的相互作用规律和机理进行分析。 本文针对风暴潮过程物理因素众多,相互作用关系复杂的特点,首先研究了台风特征、天文潮、以及波浪与风暴潮之间的特征关系和影响规律。在此基础上,本文基于模块化思想,建立了在台风作用下,综合考虑风暴潮、天文潮和波浪三者相互作用的耦合数值模型。将模型应用到杭州湾地区,分别模拟了典型的实际台风过程以及设计最不利台风过程下的台风浪和风暴潮变化过程。 台风作用是影响风暴潮的主要因素。论文以均匀斜坡地形模拟大陆架,模拟台风垂直岸线登陆,得到了不同台风特征参数对风暴增水的影响规律;并分析对比了风应力与低气压作用在台风增水中所占的比重。天文潮与风暴增水之间的非线性作用也是风暴潮模拟中不容忽视的因素,论文分别在理想地形和实际地形中计算了典型台风过程下相应的风暴潮位,分析得到了非线性作用下的风暴增水分布规律,并进一步研究了台风在不同天文潮相位登陆时的风暴增水特征。台风浪既是台风过程中致灾的重要方面,同时也与风暴潮之间存在复杂的相互作用。论文计算了典型的实际台风过程中杭州湾内台风浪的演变情况,分析了波浪与风暴潮的相互影响作用特征及其分布规律。 论文将耦合模型应用到杭州湾地区,计算了典型台风过程下的风暴潮过程。对比分析表明,耦合模型能够很好地模拟台风过程中的风暴潮和台风浪。在上述研究成果的基础上,结合历年台风资料设计了对杭州湾最不利的台风过程,模拟该情况下杭州湾内的风暴潮过程,指出了杭州湾内可能的最危险区域,对实际的防灾工作具有重要的参考价值。