基于改进联合概率模型的厦门岛极端水位预测研究

摘要

厦门岛位于福建省东南沿海，濒临台湾海峡，是强台风的频发地区，强台风带来的风暴潮灾害严重威胁了厦门岛的安全，准确地预测风暴潮引起的极端水位对工程建设及海岸防护极其重要。本文建立了基于改进联合概率模型（JPM-OS）和ADCIRC-SWAN模型的计算方法，模拟并预测厦门海岸带研究区域不同潮位边界条件下台风引起的风暴潮极端水位。 本研究主要内容分为三部分：水动力模型建立及验证、改进的联合概率法（JPM-OS）重组台风、重组台风的风暴潮模拟及极端水位预测。主要工作及成果如下： （1）基于已有的研究区域地形数据建立ADCIRC模型，给定边界条件并进行天文潮模拟验证。采用藤田-高桥气压场结合梯度风公式和Ueno Takeo公式作为台风风场模型，模拟1011号强台风“凡亚比”的风场，并在有实际观测数据的站点进行风速和风向验证。用ADCIRC-SWAN波流耦合模型模拟1011号台风引起的风暴潮水位过程，提取平潭、崇武、厦门、东山四个站点的水位数据并与实际观测数据进行验证，验证结果较好。 （2）基于历史台风数据进行样本分析，用有限的参数组合作为一组合成台风，并为每个合成台风分配一个适当的权重，通过贝叶斯正交算法对台风样本进行最佳抽样，将多维积分转化为加权求和，以此减小计算负担，实现了JPM-OS法重组台风。首先收集了71个满足要求的台风样本，将台风登陆点处四个主要特征值（中心气压差、前进速度、登陆角度及台风登陆点到海岸线参照中心点的距离）作为参数进行概率分布拟合分析。然后使用贝叶斯正交算法对台风主要特征值进行最佳组合抽样及联合概率计算，给定每个特征值的相关距离参数作为权重，通过最佳抽样得到70个合成台风及各自的发生率。最后将合成台风与三种典型台风路径按比例进行匹配，得到了70个完整的台风过程，实现了JPM-OS法重组台风。 （3）将JPM-OS法得到的重组台风作为不同重现期的风暴潮驱动要素，基于登陆时所乘天文潮水位，采用ADCIRC-SWAN波流耦合模型进行水动力计算，通过对每个水动力模型计算最高水位进行排序和概率分析来确定其所对应的重现期，进而预测各研究站点较高重现期的极端水位。将鼓浪屿站50年一遇、100年一遇及200年一遇的水位预测值与传统的频率分析预测结果相比较，相对误差不超过1.83%，验证结果较好，表明整套JPM-OS法在厦门岛的极端水位预测研究中合理可行。由此预测了鼓浪屿、高崎码头、翔安、黄厝四个站点100年一遇及200年一遇的极端水位，其中鼓浪屿站100年一遇及200年一遇的极端水位预测值分别为7.78m和7.88m。

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