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海洋在台风的响应过程中,天文潮、风暴潮和波浪是同时存在且相互影响、相互作用的,特别在近岸区域,这种相互作用的效应更加明显。只有综合考虑这三者相互作用的效应,才能准确地模拟出台风过程的水动力情况和波浪情况,这对做好风暴潮和台风浪的数值研究、预报非常重要,对采取有效措施防范台风灾害具有指导意义;从学术价值方面,可为进一步研究近岸海域台风期间物质输运、生态响应等研究奠定动力机制的基础。本文选取台风灾害频发、受灾严重的台湾海峡、福建省沿海作为重点研究对象,利用改进的台湾海峡附加风场和基于卫星遥感风场的背景风场,构建了适合于台湾海峡、福建省沿海的台风模型,并驱动建立的二维台湾海峡及其邻近海域天文潮、风暴潮、波浪耦合数值模式,在模拟台风风场、台风浪和潮汐风暴潮的实践基础上,分析台湾海峡台风暴潮过程中波流相互作用的效应。
该耦合数值模型的可靠性和敏感性实验以理想地形条件为环境背景,除试验模型波流相互作用效应的可靠性外,分别设计和探讨了风速、水深坡度、潮差等三个要素的变化下波流相互作用的效应,检验了这三个因素对波流相互作用的影响范围、反应程度和制约情况。实验结果表明:(1)在一定风速、水深坡度、潮差条件下,研究区域内波流相互作用效应明显;(2)不同区域的波高受水动力变化的影响效果不同,在破波带内波高的变化和相对水深变化的有关,故受水位变化影响更大,破波带外波高的变化受流速变化影响更大,这与风和流的顶托作用相关;(3)波浪与水动力非线性耦合后,产生的波增水具有潮的周期性振荡,低潮时的波增水略大于高潮时的波增水,而且近岸波增水大于外海,岸边处波增水最大。此外,在破浪破碎带前端,会出现波浪减水,波浪减水的极值比波增水小,但范围更大;(4)风速、水深坡度、潮差均是影响研究区域波浪相互作用效应的因素,总体来说,研究区域的风速越大、水深坡度越大、潮差越大,该区域的波流相互作用就越强烈,且水深坡度对波流相互作用效应的影响最大。
然后本文基于ADCIRC模型建立台湾海峡及邻近海域的潮波数学模型,揭示了包括台湾海峡以及东海、南海的部分海域和台湾岛以东太平洋海域的潮波物理机制和时空分布。利用研究区域内28个沿岸观测站的实测潮汐调和常数对模型计算结果进行验证,M2、S2、K1、O1四个主要分潮振幅和迟角的平均绝对误差分别为5.74cm和4.70°、3.25cm和4.95°、2.28cm和3.35°、1.94cm和3.25°,表明模型模拟结果与实测结果比较一致。通过台湾海峡及邻近海域八个主要分潮(M2、S2、K1、O1、P1、Q1、N2、K2)同潮图的分析,表明研究区域的潮波主要是由西太平洋传入的。进入台湾海峡的半日分潮潮波存在南、北两个分支,南支为前进潮波系统,北支为退化了的旋转潮波系统,其中北支潮波强度更大,影响范围更远。影响台湾海峡的全日分潮潮波主要是由台湾岛北部海区传入的太平洋潮波分支,且穿越整个台湾海峡,传入台湾海峡后具有明显的Kelvin前进波性质。
在台湾海峡及邻近海域的潮波数值研究基础上,利用耦合模型模拟0908“莫拉克”台风过程中的风场、波浪场和潮汐风暴潮的时空变化。模型计算结果的验证分析和比较显示,模型模拟的风场、有效波高、潮汐风暴潮水位与沿岸观测站的实测值符合良好;波浪的计算考虑潮汐风暴潮作用后,波流耦合模型的计算结果要优于未耦合模型的计算结果,且有效波高的变化带有明显的潮汐振荡特性。通过台湾海峡区域“莫拉克”台风过程波流相互作用的影响进行分析表明,在影响近岸波浪变化的因素中,水位起明显作用,高潮位时有效波高的最大增幅可达0.75m,低潮位时有效波高的最大降幅可达0.67m。因此,模拟波浪在近岸浅水区的演化时应加以考虑潮汐风暴潮的影响,特别是强潮海域;另一方面,考虑海浪对潮汐风暴潮水位变化的影响后,潮汐风暴潮水位的模拟结果与各验潮站的实测值更为接近,特别是极值水位更加吻合。在近台风中心路径的区域,波致辐射应力对风暴潮增水的调制作用不可忽略,如“莫拉克”台风过程的波增水极值出现在接近台风中心路径的平潭海域,为0.28m;崇武、平潭、三沙三个验潮站的最大波增水占同时刻总增水的比例分别为10.0%,24.0%,17.2%。远离台风中心的区域,其波增水所占比例则可忽略不计。总之,运用天文潮、风暴潮、波浪耦合数值模式探讨台风过程下台湾海峡风暴潮和波浪的动力机制,由于考虑了波流作用效应的贡献,可有效地提高近岸海域台风浪波高和风暴潮水位的预报精度。