海洋所在風(fēng)暴潮模擬預(yù)報(bào)方面取得新進(jìn)展
風(fēng)暴潮是我國近海災(zāi)害損失最嚴(yán)重的海洋動(dòng)力災(zāi)害過程,準(zhǔn)確模擬預(yù)報(bào)風(fēng)暴增水對(duì)防災(zāi)減災(zāi)非常重要。中國科學(xué)院海洋研究所侯一筠、胡珀課題組通過在海洋數(shù)值模式中引入考慮波浪影響的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案,顯著提高了山東沿海風(fēng)暴增水的模擬精度,相關(guān)成果在海洋模擬學(xué)術(shù)期刊Ocean Modelling發(fā)表。
臺(tái)風(fēng)和寒潮期間,強(qiáng)風(fēng)引起的海水異常升降,給沿海區(qū)域的人員和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為減少風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),通常使用數(shù)值模式來預(yù)測(cè)風(fēng)暴增水。山東沿海地區(qū)風(fēng)暴潮災(zāi)害頻繁,特別是冬春季的寒潮和夏秋季的北上臺(tái)風(fēng)期間,沿海地區(qū)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的風(fēng)暴增水現(xiàn)象。與東南沿海等開闊海域相比,山東近海的岸界和水深地形變化復(fù)雜,增加了風(fēng)暴增水的模擬預(yù)測(cè)難度。
ADCIRC-SWAN耦合模式常用于模擬近岸的風(fēng)暴增水和極值波浪,被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式中。通過與實(shí)際觀測(cè)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)使用ADCIRC模式模擬的風(fēng)暴增水存在系統(tǒng)誤差,數(shù)值模擬結(jié)果偏小且在渤海區(qū)域尤甚,而使用耦合模式中的wave setup方案改進(jìn)效果十分有限。研究發(fā)現(xiàn),通過一種考慮波浪影響的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)化方案來替代模式原有的單純依賴風(fēng)速的參數(shù)化方案,可以有效地糾正風(fēng)暴增水的模擬誤差。通過模擬評(píng)估發(fā)現(xiàn),在渤海區(qū)域最大風(fēng)暴增水的改進(jìn)效果超過20%(圖1)。研究進(jìn)一步揭示這一改進(jìn)的物理機(jī)制,渤海區(qū)域獨(dú)特的海岸線形態(tài)特征對(duì)風(fēng)浪演變和風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)具有重要影響:淺水漸變地形及限制性的的風(fēng)區(qū),導(dǎo)致風(fēng)浪的成長(zhǎng)不充分和向岸傳播過程中的淺水效應(yīng),顯著增加了海-氣間的動(dòng)量交換,從而導(dǎo)致風(fēng)暴增水更強(qiáng)。目前ADCIRC模式中原有方案僅考慮風(fēng)速,無法準(zhǔn)確描述這一機(jī)制,因而低估了風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)暴增水的數(shù)值。

圖1 波浪的風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)風(fēng)暴增水的影響
基于改進(jìn)的動(dòng)力模式技術(shù),科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了山東沿海風(fēng)暴潮-海浪耦合漫灘數(shù)值預(yù)測(cè)模型,局部最高分辨率為100米,模擬了兩次典型強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過程(波利和利奇馬)過境萊州灣期間的海水淹沒過程。研究發(fā)現(xiàn),在忽略海堤防御作用的情況下,臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮會(huì)導(dǎo)致萊州灣沿岸大范圍的海水淹沒風(fēng)險(xiǎn)(圖2)。研究還定量評(píng)估了風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、波浪增強(qiáng)風(fēng)應(yīng)力等外部驅(qū)動(dòng)因素對(duì)海水淹沒的影響程度。

圖2 萊州灣沿岸海水淹沒模擬結(jié)果
中國科學(xué)院海洋研究所李水清副研究員是論文通訊作者,李朝博士是論文第一作者,其他合作作者包括胡珀研究員、馮興如研究員、莫冬雪助理研究員和自然資源部北海預(yù)報(bào)中心李健高級(jí)工程師,研究得到了國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
相關(guān)論文信息:
Li Zhao, Shuiqing Li*, Po Hu, Xingru Feng, Dongxue Mo, Jian Li. 2023. Improving storm surge simulations by considering wave-steepness-dependent drag coefficient in the northern East China Sea. Ocean Modelling. doi: 10.1016/j.ocemod.2023.102283.
Li Zhao, Shuiqing Li*, Po Hu, Dongxue Mo, Jian Li, Mei Du, Jie Yan, Yijun Hou, Baoshu Yin*. 2022. Numerical study of storm surge-induced coastal inundation in Laizhou Bay, China. Frontiers in Marine Science. doi: 10.3389/fmars.2022.952406.
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