台湾海峡台风暴潮及其数值预报模式研究

摘要

本文以实测潮位资料为基础详细分析了福建沿海台风暴潮的主要特征；在分析台湾海峡风暴潮、潮汐及地形特点的基础上，研制出台湾海峡双向嵌套网格风暴潮-天文潮耦合数值预报模式，并以实测资料对该模式进行了全面检验；利用该模式研究了台湾海峡风暴潮时空分布变化特征及其形成机制、风暴潮与天文潮的非线性相互作用和风暴潮数值模式计算中的小网格尺度效应。主要研究内容及结论如下。 通过分析1960-2001年正面登陆我国东南沿海的台风在福建沿海所引起的风暴潮，揭示了福建沿海风暴潮特征及其可能形成机制。台湾海峡特殊地形对福建沿海风暴潮的时空分布有明显影响。台风大风区在台湾海峡的位置及范围对福建沿海台风增水幅度有重要作用。台风横穿台湾海峡时，易引起其中心区域附近福建沿海出现双增水峰现象，第一个增水峰出现在台风离开台湾岛进入台湾海峡后，第二个增水峰出现在台风登陆福建沿海前后。福建沿海风暴潮双增水峰现象的出现不仅与局部港湾地形有关，而且与整个台湾海峡地形有关。台风横穿台湾海峡有时会引起台湾海峡北部出现奇异增水现象，其重要特征为：增水峰值较大，峰值前后增水上升速率和下降速率都很大；水平空间影响范围较小；往往发生在低潮附近。奇异增水的发生与落潮时间缩短导致低潮时明显提前有关。 在分析福建沿海风暴潮特征和总结台湾海峡潮汐特点的基础上，针对台湾海峡地形研制出台湾海峡双向嵌套网格风暴潮-天文潮耦合数值预报模式。该模式水平方向具有较高的分辨率，并考虑了风暴潮与天文潮之间的相互作用，适合描述台湾海峡风暴潮复杂的物理过程。在辐射边界条件和局地解思想的基础上改进的开边界条件被成功应用于该模式中。计算表明：双向嵌套网格模式略优于单向嵌套网格模式；本文提出的开边界条件可以应用于天文潮和风暴潮模式。 模拟检验结果显示该模式对天文潮和风暴潮的计算都有很好的表现，对四个潮位站的检验结果表明，天文潮的模拟平均绝对误差小于15cm，标准误差小于18cm；对31个台风过程风暴潮的模拟平均绝对误差为19.5cm，标准误差为25.2cm。利用该模式成功模拟出台湾海峡实测风暴潮中的潮周期振动现象和双增水峰现象，并通过对比实验证实这种潮周期振动现象是由风暴潮与天文潮的相互作用产生的。2005年和2006年风暴潮数值预报实验表明该模式计算流程是可行的，对风暴潮具有较好的预报能力。 用该模式对台湾海峡风暴潮时空分布变化特征及其形成机制进行了数值研究，研究结果证实了利用实测资料分析得到的福建沿海风暴潮时空分布变化特征，并阐述了台湾海峡西岸增水幅度一般大于其东岸增水幅度的分布趋势及其动力机制。除台风移动路径和台风风场结构及局部风场外，台湾海峡海水体积变化和输运情况及柯氏力对台湾海峡风暴潮时空分布有重要影响作用。 影响风暴潮和天文潮相互作用的作用项主要有风应力项、二次底应力项、平流项和附加通量散度项，水深、风应力、天文潮和风暴潮在这些项中起着重要作用。数值研究发现耦合作用产生的增水会以边缘波的形式沿海岸传播，说明耦合增水具有传播特性。阐明9914号台风影响期间三沙和平潭站风暴潮的潮周期振动主要是由台风中心附近海域风暴潮与天文潮相互作用产生的耦合增水边缘波引起的。 风暴潮数值模式计算中小网格尺度效应能够产生边缘波，它可能反映了局部小地形和岸形对风暴潮的影响。其幅度只有几厘米的量级，周期约为3-6h。它的产生与台风移动路径并无直接关系，而与风应力的强弱有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2风暴潮业务化数值预报预警研究综述

1.2.1英国的温带风暴潮业务化数值预报

1.2.2美国的飓风风暴潮业务化数值预报与预警

1.2.3中国的风暴潮业务化数值预报

1.3研究目标、研究内容和技术路线

第二章福建沿海风暴潮特征的分析

2.1引言

2.2福建沿海风暴潮的时空分布

2.3台风大风区位置对台湾海峡西岸台风增水幅度的影响

2.4双增水峰现象

2.5台湾海峡北部奇异增水现象

2.6小结

第三章台湾海峡双向嵌套网格风暴潮-天文潮耦合数值预报模式

3.1引言

3.2数学模型

3.2.1基本方程

3.2.2底应力和风应力的参数化

3.2.3初始条件和边界条件

3.2.4台风气压场和风场的计算

3.3数值方案

3.3.1差分方案

3.3.2边界处理

3.3.3网格双向嵌套方案

3.4模式计算流程

3.5模式守恒性和稳定性分析

3.5.1质量守恒

3.5.2能量守恒

3.5.3稳定性分析

3.6小结

第四章风暴潮-天文潮耦合数值预报模式检验和分析

4.1引言

4.2统计量的计算

4.3天文潮的模拟

4.3.1潮汐的模拟检验

4.3.2潮流的模拟验证

4.4风暴潮的后报检验

4.4.1风暴潮后报误差的统计特征

4.4.2代表性台风个例

4.5风暴潮后报模拟实验

4.6福建沿海风暴潮数值预报实验

4.6.1 0513号台风暴潮的数值预报

4.6.2 0608号台风暴潮的数值预报

4.7风暴潮数值预报误差来源分析

4.8小结

第五章台风暴潮特性的研究

5.1引言

5.2台湾海峡风暴潮的时空分布变化特征

5.3风暴潮与天文潮的相互作用

5.3.1风暴潮与天文潮相互作用的动力学分析

5.3.2风暴潮与天文潮相互作用的数值研究

5.4小网格尺度(小尺度)效应产生的边缘波

5.5小结

第六章总结和展望

6.1总结

6.1.1研究结论

6.1.2创新点

6.2不足之处及未来展望

附：福建沿海风暴潮预警预报系统的设计

参考文献

攻读博士学位期间发表及完成的论文

致谢