风暴潮与波浪耦合数值预报模型的研究

摘要

风暴潮的研究是现代海洋技术发展中备受关注的一个课题，因为它威胁着沿岸城市的经济与人们的生命安全。我国海岸线绵长，每年夏秋季节遭热带气旋袭击，春冬受寒潮大风影响，致使沿岸一些城市成为受风暴潮致灾的频发区。研究风暴潮的产生、发展和对海岸线侵袭过程的物理机制具有重要的理论意义，特别是精确预报风暴潮具有迫切的现实意义。
　　 本文通过分析风暴潮与波浪产生及耦合的机理，建立了风暴潮与波浪耦合数值预报模型。该模型从推导二维温带风暴潮控制方程出发，采用有限差分的ADI(Alternating Direction Implicit Method)格式对风暴潮方程进行离散和求解，建立了风暴潮数值计算模型，通过对风暴潮过程计算，实现对风暴潮潮位的实时预报。然后确定了采用动量谱方程描述的波浪模型SWAN计算模拟区域的波浪要素。利用潮流项与波浪辐射应力项将上述两个模型进行耦合，对模拟区域的风暴潮过程进行更为精确的计算。
　　 为提高风暴潮数值预报模型的控制边界精度，在计算区域陆边界处采用局部深槽、缩小水域的方法，同时提出调和分析、嵌套模型和风场作用三位一体的风暴潮数学模型水边界确定方法。将上述风暴数值预报模型、波浪模式SWAN和两者的耦合模型分别应用于渤海湾海域，通过对发生在该区域的两次风暴潮过程的模拟计算，得到了波浪辐射应力作用前后风暴潮潮流、潮位过程和潮流影响前后有效波高、辐射应力分布状况。结果表明海域潮流受到波浪辐射应力的影响整体流速加快，而区域潮位则是不同程度受到影响。在模型的边界区域是波浪辐射应力的强作用区域，使得该区域的潮流受到明显扰动。同时波浪场在受到风暴潮潮流的作用时，SWAN模拟的有效波高变化较为明显，而波浪辐射应力在潮流作用前后未表现出较大的变化。通过上述结果分析，发现耦合模型的研究对于提高风暴潮潮位预报精度具有重要的意义。