风暴潮漫滩数值预报模型的研究及其应用

论文摘要

风暴潮是世界海洋灾害中最严重的灾害之一,威胁着人类的生命财产安全。中国拥有漫长的海岸线和辽阔的海域,为经济发展提供了良好的客观有利条件,但每年夏秋遭热带气旋袭击,春冬受寒潮大风影响,致使中国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,特别是风暴潮预报方法具有迫切的现实意义。本文结合天津市海岸线和近海特征,以二维温带风暴潮数学模型为基础,同时考虑风场、波浪对风暴潮的影响,推导了二维风暴潮与漫滩控制方程。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,同时利用有限体积的无结构网格方法对漫滩控制方程进行离散和求解。据此,建立风暴潮漫滩数值预报模型,通过对风暴潮潮位过程及漫滩淹没范围的计算,可以实现对风暴潮增水过程的实时预报。为提高风暴潮漫滩数学模型的控制边界精度,本文提出采用调和分析、嵌套模型和风场作用三位一体的风暴潮漫滩数学模型边界确定方法,并考察了波浪辐射应力对风暴潮增水和漫滩过程的影响。通过对渤海湾2007年3月份和2007年8月份两次风暴潮增水过程的计算模拟,给出了渤海湾沿岸风暴潮潮位增水过程和假设海堤高度前提下沿岸漫滩过程,并将风暴潮潮位过程与塘沽验潮站实际观测资料进行了比较,结果表明风暴潮漫滩数学模型具有一定的预报功能。对天津滨海新区的风暴潮预报作了具有实用价值的探索工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 风暴潮相关介绍
• 1.1.1 风暴潮的定义及分类
• 1.1.2 风暴潮的定性分析
• 1.1.3 风暴潮的危害
• 1.1.4 风暴潮的预报模式
• 1.1.5 天津渤海湾温带风暴潮的特性分析
• 1.2 风暴潮漫滩的研究
• 1.2.1 风暴潮漫滩概述
• 1.2.2 风暴潮漫滩的研究方法
• 1.3 本文的工作及创新点
• 第二章 风暴潮数学模型的基本理论
• 2.1 浅水动力学的研究
• 2.1.1 浅水动力学的基本问题
• 2.1.2 浅水动力学的计算方法
• 2.2 网格数值方法
• 2.3 模型控制方程的建立与离散
• 2.3.1 三维非恒定流基本方程
• 2.3.2 沿水深平均的二维流动基本方程
• 2.3.3 风暴潮数学模型基本方程
• 2.3.4 模型控制方程的离散
• 2.3.5 差分方程的求解
• 2.3.6 边界条件的处理
• 2.4 本章小结
• 第三章 风暴潮数学模型的建立
• 3.1 风场模型计算模式
• 3.1.1 风场的确定
• 3.1.2 风应力的计算
• 3.2 风浪的数值计算
• 3.2.1 风浪形成的机制
• 3.2.2 风波要素的预报方法
• 3.3 波浪辐射应力的计算模式
• 3.3.1 波浪辐射应力的研究进展
• 3.3.2 波浪辐射应力的求解
• 3.4 调和分析原理
• 3.5 本章小结
• 第四章 漫滩模型的建立
• 4.1 模型构建理论
• 4.1.1 FVM 网格
• 4.1.2 无结构网格模型
• 4.2 漫滩基本方程及离散
• 4.2.1 基本控制方程
• 4.2.2 连续方程的离散
• 4.2.3 动量方程的离散
• 4.3 网格的剖分
• 4.3.1 地面型二维网格
• 4.3.2 漫滩计算网格与风暴潮计算网格的衔接
• 4.4 本章小结
• 第五章 风暴潮漫滩数值预报模型的应用
• 5.1 水流潮汐数值模型的应用
• 5.1.1 大模型海域概况
• 5.1.2 模型网格的剖分
• 5.1.3 模型边界的确定与验证
• 5.1.4 模型风场的确定
• 5.1.5 模型模拟结果及对比分析
• 5.2 风暴潮漫滩数值预报模型在渤海湾的应用
• 5.2.1 渤海湾海域概况
• 5.2.2 模型网格的剖分
• 5.2.3 模型边界的确定
• 5.2.4 模型风场确定
• 5.2.5 风暴潮数值模型模拟结果及对比分析
• 5.2.6 漫滩的模拟
• 5.3 模型预报结果总结及验证
• 5.4 模型的可视化输出
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢