深圳香港海域浪潮耦合模型的建立及其應(yīng)用.pdf

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1、第32卷第6期2010年11月海洋學(xué)報(bào)ACTA0CEANOI。0GICASINICAV01．32．No．6November2010深圳香港海域浪潮耦合模型的建立及其應(yīng)用姜茜1，毛獻(xiàn)忠¨(1．清華大學(xué)深圳研究生院環(huán)境工程與管理研究中心，廣東深圳518055)摘要：以河口海岸海洋模型ECOM和第三代海浪模型SWAN為基礎(chǔ)，以全球天文潮預(yù)報(bào)模式TPX06．2和臺(tái)風(fēng)參數(shù)模型風(fēng)場(chǎng)及氣壓場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)，采用海洋一陸架區(qū)一海岸三重嵌套網(wǎng)格，建立了適用于深圳香港水域天文潮一風(fēng)暴潮一臺(tái)風(fēng)浪耦合模型。以0814號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”為算例，進(jìn)行了耦合模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，天文潮、風(fēng)暴潮位和浪高與

2、實(shí)測(cè)值符合良好，天文潮的均方根誤差小于0．15m，有效波高誤差0．9m，風(fēng)暴高潮位平均誤差0．23m；并分析了風(fēng)暴潮位和波浪的相互影響，以及深港水域波浪場(chǎng)的分布，4m水深考慮風(fēng)暴潮位影響有效波高提高0．40m，沿岸波浪增水在0．20m以內(nèi)。關(guān)鍵詞：耦合模型；數(shù)值模擬；風(fēng)暴潮位；臺(tái)風(fēng)浪；深圳香港海域中圖分類號(hào)：P731．3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：0253—4193(2011)01-0056—081引言深圳香港地區(qū)受西北太平洋和南海兩大源地?zé)釒庑绊?，是我國受臺(tái)風(fēng)影響較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪是重要的致災(zāi)因素，特別是當(dāng)天文大潮遭遇到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)情況下又伴隨著

3、大浪，可能對(duì)沿岸地區(qū)產(chǎn)生重大災(zāi)害，因此，開展天文潮一風(fēng)暴潮一臺(tái)風(fēng)浪耦合模型的研究，對(duì)評(píng)估臺(tái)風(fēng)作用下該地區(qū)沿岸災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、以及預(yù)警預(yù)案具有十分重要的意義。風(fēng)暴潮與臺(tái)風(fēng)浪的耦合模型，國內(nèi)外學(xué)者有不少研究。Cheung等[13建立長波與WAM耦合模型，應(yīng)用到海岸應(yīng)急管理系統(tǒng)中評(píng)估颶風(fēng)作用下海岸淹沒情況；Funakoshi等川耦合了ADClRC模型和SWAN模式研究海浪對(duì)風(fēng)暴潮的影響；Xie等∞]耦合了POM模式和SWAN模式研究颶風(fēng)Hugo風(fēng)暴潮及其漫灘效應(yīng)；尹寶樹等[43基于改進(jìn)的WAM模式和三維風(fēng)暴潮潮汐模式，建立了渤海耦合數(shù)值模式。Huang等‘51采用MIKE模型和天

4、文潮預(yù)報(bào)模式TPX06．2建立了天文潮和風(fēng)暴潮耦合模型，評(píng)估超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下浙江沿海叮能發(fā)生的高潮位。本文采用河口海岸海洋模型ECOM和第三代海浪模式SWAN，以及全球天文潮預(yù)報(bào)模式TPX06．2，建立了適用于深圳香港水域海洋一陸架區(qū)一海岸三重嵌套網(wǎng)格的天文潮一風(fēng)暴潮一臺(tái)風(fēng)浪耦合模型，并以0814號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”為例，驗(yàn)證該耦合模型的可行性，并分析浪潮之間相互影響程度。2數(shù)值模式耦合模型中計(jì)算模塊采用國際上通用的公共模型，模擬天文潮和風(fēng)暴潮采用ECOM長波模型，模擬海浪采用SWAN模型。以下簡述二模型、強(qiáng)迫力以及它們之間的耦合關(guān)系。2．1ECOM模式ECoM(Estua

5、rineandCoastalOceanModel)模式是由Blumberg[63開發(fā)的POM模型發(fā)展起來的河／3海岸海洋模型，它適用于描述河口、海岸和海收稿日期：2010—06—02；修訂日期：2010—06—08?；痦?xiàng)目：國家教育部回國人員科研啟動(dòng)基金(2007年)；深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2008年)。作者簡介：姜菏(1985一)。女，碩士，主要從事風(fēng)暴潮臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算模擬。*通信作者：毛獻(xiàn)忠。副教授，博上，主要從事環(huán)境災(zāi)害、海洋海岸河訂水動(dòng)力和環(huán)境模擬、計(jì)算研究。E—mail：maoxz@sz．tsinghua．edu．cn6期姜茜等：深圳香港海域浪潮耦合模型的建立及

6、其應(yīng)用洋中天文潮、風(fēng)暴潮等長波運(yùn)動(dòng)。其在笛卡爾坐標(biāo)系下二維長波運(yùn)動(dòng)基本方程組，包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程如下：孳+__a(H-U)+_a(H-V)：0，(1)dtdXo’adu￡+u磊au十y丙aU一∥=--g叢3x—i1差+E+哿一壽(魯+等)，㈣adv：．卜Uadvzadvy+∥=--g霧一石1篙+F，+管一壽(等+魯)，㈣式中，z軸向東，Y軸向北；善(z，Y，￡)為相對(duì)平均海平面的潮位；H為總水深；U，V分別為垂向平均流速分量；f為科氏力參數(shù)；g為重力加速度；(Fx，F(xiàn)，)為水平方向擴(kuò)散項(xiàng)；≯為底摩擦力，由ECOM模型提供的湍流流動(dòng)產(chǎn)生的底摩擦公式計(jì)算。P為大氣壓，

7、由氣壓模式提供；≯為海面風(fēng)應(yīng)力，由ECOM模型提供的風(fēng)應(yīng)力公式計(jì)算，沒考慮波浪的影響，波浪對(duì)水表面的影響限于一個(gè)波高量級(jí)的水表層[6]，風(fēng)切應(yīng)力和氣壓梯度是風(fēng)暴潮計(jì)算中主要的強(qiáng)迫力。S。，S，，，S。是SWAN模塊提供波浪場(chǎng)計(jì)算所得的輻射應(yīng)力分量，這在近岸區(qū)域是鶯要的驅(qū)動(dòng)力。初始條件給定平均海平面及冷啟動(dòng)；邊界條件主要有陸邊界和水邊界，陸邊界卜假定法向流量為零，外海水邊界給定靜壓水位疊加由全球天文潮模型提供的天文潮位。2．2SWAN模式SWAN是第三代海浪模式，用于描述在風(fēng)場(chǎng)、潮流作用下浪的產(chǎn)生和傳播H川j。SWAN模型以作用譜密度N(a，口)守恒為