典型海湾风暴潮的非线性与共振效应及其危险性评估研究

论文摘要

我国遭受风暴潮灾害最严重的地区主要集中在华南沿海和东南沿海,尤其是在沿岸海湾内建设了大量的海洋工程,这些工程改变了海湾的自然形态和水动力环境,一旦发生重大海洋灾害,后果将十分严重。因此开展沿海典型海湾内的风暴潮机理研究及危险性评估,对于提高海湾地区的防灾抗灾能力具有重要意义。本文选取广西铁山湾和浙江三门湾作为研究对象,主要研究内容及结论如下:首先基于ADCIRC二维数学模型对1409号“威马逊”台风经过铁山湾期间的天文潮-风暴潮非线性效应进行了研究,结果表明:铁山湾内天文潮和风暴潮的非线性作用较强,只考虑纯气象驱动会对预报结果造成较大误差,由天文潮与风暴潮相互作用产生的非线性水位在湾顶处达到最大。通过理论公式推导,建立了非线性水位和各影响因子之间的直接关系式。影响天文潮-风暴潮非线性效应的主要因子为风应力和底摩擦力的合力项、非线性对流项,两者对非线性效应的影响随空间和时间的变化而变化。当风暴潮峰值水位叠加不同相位天文潮时,非线性水位在高潮位达到负值最大,在落潮时达到正值最大,而且海湾内非线性作用越强,总水位峰值相对于天文潮高潮位的延迟时间就越长。其次对三门湾历史上的强风暴潮增水过程进行经验模态分解后发现三门湾风暴潮增水过程中存在共振现象。然后采用理论公式推导和边值法对共振周期及振幅变化进行了研究。结果表明三门湾内各水道共振特征有所差异,共振周期总模态不超过5个,共振周期第一模态对应的水位振幅最大,然后依次递减,共振水位振幅在湾顶处达到最大。三门湾内大量建设的围垦工程使得自然岸线和水深地形都发生了改变,利用数值模型对工程实施后的潮汐和风暴潮水位变化进行了预测研究。结果表明围垦工程使得海湾内的天文潮振幅有所下降,地形淤积导致的潮汐振幅减小幅度要远大于岸线改变产生的影响。对风暴潮水位的影响随台风路径的不同而有所差异,地形改变是影响三门湾内风暴潮峰值水位变化的主要因素。西北向台风路径下峰值水位抬升最明显,水位增加显著区域主要集中在健跳水道及三门湾湾顶处,峰值水位抬升最大可达0.4m。最后基于数值模型以可能最大热带气旋参数为基础构建了多种假想台风路径计算了三门湾内的可能最大风暴潮水位（PMSS）,结果表明沿西北向且距离三门湾中心为最大风速半径处登陆的台风使得风暴潮增水达到最大,当PMSS叠加天文高潮位时,水位已经超过了沿岸海堤高程。将三门湾沿岸陆地依照高程概化为计算区域进行漫堤计算,淹没最严重的区域出现在湾顶处,最大淹没面积达到了120 km2,三门核电厂址前沿水位与不溢流相比下降了0.5m。本研究可为三门湾沿岸围垦工程及核电厂址的安全防护提供科学依据。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 风暴潮定义与分类
•   1.2 风暴潮-天文潮非线性效应研究与应用
•   1.3 典型海湾内风暴潮灾害危险性研究
•   1.4 本文主要研究内容
• 第2章 典型海湾内天文潮-风暴潮非线性效应研究
•   2.1 引言
•   2.2 铁山湾风暴潮水位特征分析
•   2.3 铁山湾天文潮-风暴潮非线性效应研究
•     2.3.1 数值模型简介
•     2.3.2 1409号“威马逊”台风及风场模型简介
•     2.3.3 模型设置与验证
•     2.3.4 风暴潮模拟结果分析
•     2.3.5 海湾内非线性水位变化特征
•     2.3.6 天文潮-风暴潮非线性效应影响因子研究
•     2.3.7 天文潮对风暴潮峰值水位的影响研究
•   2.4 小结
• 第3章 海湾中的共振研究
•   3.1 引言
•   3.2 三门湾风暴潮中的共振现象
•     3.2.1 EMD方法简介
•     3.2.2 三门湾内风暴潮增水统计特征
•     3.2.3 风暴潮波动水位分解与研究
•   3.3 三门湾共振周期研究
•     3.3.1 FVCOM数值模型简介
•     3.3.2 海湾共振周期的理论计算
•     3.3.3 共振周期的数值计算与研究
•   3.4 小结
• 第4章 海湾内围垦工程对风暴潮水位的影响与研究
•   4.1 引言
•   4.2 台风风场参数适用性研究
•     4.2.1 Holland台风风场模型介绍
•     4.2.2风场参数组合实验
•   4.3 围垦工程对天文潮位及风暴潮影响研究
•     4.3.1 模型介绍与设置
•     4.3.2 模型验证
•     4.3.3 海湾内淤积计算
•     4.3.4 围垦工程对天文潮水位的影响
•     4.3.5 围垦工程对风暴潮水位的影响
•   4.4 小结
• 第5章 海湾内最大风暴潮极值水位计算与研究
•   5.1 引言
•   5.2 模型介绍与设置
•   5.3 模型验证
•   5.4 最大风暴潮极值水位计算
•     5.4.1 最大风暴潮计算气象参数设置
•     5.4.2 可能最大风暴潮增水计算
•     5.4.3 三门湾沿岸溢流淹没计算
•   5.5 小结
• 第6章 结论及未来工作展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨万康

导师: 尹宝树

关键词: 风暴潮,非线性效应,共振,围垦工程,可能最大风暴潮水位

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: P731.23

总页数: 144

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