长江河口动力与台风风暴潮相互作用研究

摘要

台风风暴潮是我国频发的重大自然灾害，其造成的经济损失从上世纪90年代后已有明显增加的趋势，风暴潮的预测、预报研究是防灾减灾的重要研究课题。以往对风暴潮的研究多集中在对海洋、海湾等近岸风暴潮的研究，对台风风暴潮与河口的相互作用研究需要进一步强化。利用高精度中尺度台风风压场驱动高分辨率河口动力与台风风暴潮作用嵌套模型，是揭示风暴潮与风压场、河口动力及流域径流的相互作用规律，提高风暴潮的预测预报水平，有效抵御风暴潮灾害，减少灾害造成的损失的有效途径。
　　 本文提出利用现代多重嵌套台风数值模式驱动东中国海和长河段长江河口动力与台风暴潮相互作用嵌套模型，研究了长江、河口与海洋的风暴潮相互作用机制与过程，揭示了台风风压场结构对台风暴潮增减水过程的影响，发现了了长江径流、长江口天文潮与台风风暴潮相互作用规律，取得了如下研究成果：
　　 2.构建了长江三角洲地区基于MM5基础上三维中尺度台风移动数值模式，并对台风Winnie(1997)进行了数值模拟。对风压场结构进行了模拟和对比分析，并对台风路径进行了验证，取得了较好地数值模拟效果。
　　 3.首次提出了构建基于高精度中尺度台风驱动数值模式模拟风压场驱动下，东中国海风暴潮模型和长河段长江感潮河段风暴潮嵌套模式来研究长江河口动力与台风风暴潮相互作用机制，并建立了东中国海和长江感潮河段河口风暴潮与长江径流(洪水)的相互作用嵌套数值模式，对Winnie(1997)、Prapiroon(2000)台风风暴潮进行了验证，取得了很好的结果。
　　 4.对比分析了中尺度数值模拟与经验台风模型气压场、风场对风暴潮的影响研究表明，中尺度台风数值模式提供的高精度风压场有利于提高风暴潮模拟的精度和过程，对风暴潮的初振和余振的模拟优于经验风压场；提出了河口风暴潮模拟中改进风暴潮模拟的床面阻力的修正方法，可以提高风暴潮模拟的精度。
　　 5.对长江感潮河段长江径流(洪水)、河口风暴潮作用的研究表明，长江感潮河段径流、潮汐与风暴潮作用明显，自江阴向上游径流作用逐渐加强，高水位主要受径流控制，潮汐的顶托作用次之；向下游则径流作用逐渐减弱，潮汐作用加强，至吴淞口外，径流的作用相当微弱。最不利台风风暴潮引起长江口地区的最大增水区域位于徐六泾和天生港附近；径流增大时最大增水区有下移的趋势；径流减少，最大增水区有上移的趋势；但径流量越大，水位越高，增水值减小；从徐六泾向下游，径流对风暴潮增水的影响逐渐减弱，南支中浚附近增水受径流的影响很微弱。
　　 6.三种不同路径的台风对长江口风暴潮影响说明，浙江登陆西北向移动和海上转向北移型台风引起的长江口风暴潮增水较大；长江口附近及以北登陆的台风对长江口地区的风暴潮增水相对较小；浙江登陆西向北移动型台风对长江口地区风暴潮增水最不利。
　　 7.本文还从GIS集成的角度上，研究探讨了不同空间、不同模型之间嵌套方法和数据交换，对研究成果进行了集成与再现。本文还对进一步的研究提出了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1概述

1.2研究的意义

1.3研究的目标及主要内容

1.4研究思路与技术路线

1.5论文的篇章结构

第2章 国内外河口风暴潮研究与进展

2.1风暴潮形成机理及进展

2.2热带气旋海面气压场和风场模型研究进展

2.3风暴潮模式的发展和应用

2.4风暴潮研究存在问题

2.5本章小结

第3章 长江河口水动力条件及风暴潮特点分析

3.1长江河口动力条件

3.2长江口风暴潮特点

3.3本章小结

第4章 热带气旋风压场模型和数值模拟研究

4.1热带气旋海面风场经验模型计算方法

4.2热带气旋多重嵌套数值模式

4.3热带气旋经验模型风压场和数值模式模拟风压场对比分析

4.4本章小结与讨论

第5章 长江河口动力与台风风暴潮作用模拟系统

5.1长江河口动力与风暴潮作用模拟系统框架

5.2东中国海潮汐及风暴潮数学模型

5.3长江下游感潮河段洪水演进数学模型及验证

5.4长江下游感潮河段风暴潮数学模型风暴潮增减水验证

5.5本章小结

第6章 台风风暴潮与长江河口动力作用机理研究

6.1风暴潮作用下风拖曳力系数的改进

6.2风、压场结构对风暴潮增水研究

6.3本章小结与讨论

附图

第7章 台风风暴潮与长江河口动力相互作用规律

7.1长江口台风风暴潮与河流动力作用

7.2天文潮、径流对长江下游沿程增水的影响

7.3不同路径的台风对长江口增水分布的影响

7.4本章小结与讨论

第8章 地理信息系统支持下长江河口动力与台风风暴潮作用建模

8.1 GIS系统集成框架

8.2模式计算与GIS系统集成框架

8.3不同数学模型之间的耦合方法及数据交换与集成

8.4数值计算模块与GIS数据交换和集成

8.5本章小结与讨论

第9章 结语与展望

9.1主要研究结论

9.2展望

参考文献

本论文受到以下基金的资助及攻读博士论文期间主持的课题

致 谢