风暴潮模型中风应力拖曳系数的优化研究

【摘要】： 风暴潮是指由于强烈的大气扰动-如强风(热带和亚热带风暴)和气压骤变,所导致的海面异常升高的现象,它与天文潮相互作用,使水位暴涨,甚至海水漫溢而造成严重灾害。我国是风暴潮发生频繁的国家之一,沿海地区经常受到西太平洋台风的侵害,造成了人员与财富的大量损失。因此,研究风暴潮的活动规律及特征,掌握风暴潮的诱发因素,及时、准确地对风暴潮做出预报,对保障人民生命财产安全,有十分重要的意义。 在风暴潮的形成中,风应力起决定性作用,风应力拖曳系数决定了气-海动量传输率。因此,对风应力拖曳系数的研究就显得非常重要。到目前为止,在风暴潮的数值模拟中,风应力拖曳系数的处理方法主要有以下两种:第一种,整个计算海域中风应力拖曳系数取为常数;第二种,依照经验公式计算风应力拖曳系数,并有学者先后给出了各种形式的、与风速线性相关的表达式。将风应力拖曳系数取为常数或者依照经验公式计算风应力拖曳系数在模式中比较容易实现,但模拟精度不能令人满意,并非最好的选择。本文借助伴随同化方法,利用实测水位资料,对风应力拖曳系数的一种新的处理方法作了反演研究。此方法假定风应力拖曳系数具有空间分布特征,即在模拟海区中均匀选取一些独立点,利用这些独立点的风应力拖曳系数线性插值得到全场的风应力拖曳系数。 文中采用五种不同的方式处理风应力拖曳系数,分别模拟了7203、7303和8509号台风风暴潮:1、风应力拖曳系数取为常数;2、依照Smith公式计算风应力拖曳系数;3、依照Wujin公式计算风应力拖曳系数;4、在计算区域内,每个1°×1°的小区域选取一个独立点(共128个点), 5、每个0 .5°×0.5°的小区域选取一个独立点(共486个点)。后两个实验,任一格点的风应力拖曳系数,均由这些独立点的风应力拖曳系数经线性插值得到,利用伴随法优化独立点的风应力拖曳系数,进而优化全场的风应力拖曳系数分布,提高风暴潮的模拟精度。实验结果表明:1、采用空间分布的风拖曳系数得到的模拟结果明显优于将风应力拖曳系数取为常数和依照经验公式计算风应力拖曳系数时的模拟结果:其中7203号台风风暴潮的绝均差分别由采用常数时的22cm、采用Smith公式时的25cm和采用Wujin公式时的25cm下降到16cm(实验4),下降幅度分别为27.3%、36.0%和36.0%,这表明,空间分布的风应力拖曳系数可以有效减小模拟水位与实测水位之间的误差,提高风暴潮的模拟精度。2、8509号台风风暴潮,实验5的绝均差略高于实验4,表明,选取独立点时,并非越多越好;3、对反演得到的风应力拖曳系数的分析表明:海岸线曲折的海域(如渤海和北黄海)风应力拖曳系数较大,开阔海域(如东海)的风应力拖曳系数较小。