海洋所在風暴潮模擬預報方面取得新進展
風暴潮是我國近海災害損失最嚴重的海洋動力災害過程,準確模擬預報風暴增水對防災減災非常重要。中國科學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應力參數(shù)化方案,顯著提高了山東沿海風暴增水的模擬精度,相關(guān)成果在海洋模擬學術(shù)期刊Ocean Modelling發(fā)表。
臺風和寒潮期間,強風引起的海水異常升降,給沿海區(qū)域的人員和財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。為減少風暴潮災害風險,通常使用數(shù)值模式來預測風暴增水。山東沿海地區(qū)風暴潮災害頻繁,特別是冬春季的寒潮和夏秋季的北上臺風期間,沿海地區(qū)會出現(xiàn)強烈的風暴增水現(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雜,增加了風暴增水的模擬預測難度。
ADCIRC-SWAN耦合模式常用于模擬近岸的風暴增水和極值波浪,被廣泛應用于科學研究和業(yè)務預報模式中。通過與實際觀測對比,發(fā)現(xiàn)使用ADCIRC模式模擬的風暴增水存在系統(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方案改進效果十分有限。研究發(fā)現(xiàn),通過一種考慮波浪影響的風應力參數(shù)化方案來替代模式原有的單純依賴風速的參數(shù)化方案,可以有效地糾正風暴增水的模擬誤差。通過模擬評估發(fā)現(xiàn),在渤海區(qū)域最大風暴增水的改進效果超過20%(圖1)。研究進一步揭示這一改進的物理機制,渤海區(qū)域獨特的海岸線形態(tài)特征對風浪演變和風應力增強具有重要影響:淺水漸變地形及限制性的的風區(qū),導致風浪的成長不充分和向岸傳播過程中的淺水效應,顯著增加了海-氣間的動量交換,從而導致風暴增水更強。目前ADCIRC模式中原有方案僅考慮風速,無法準確描述這一機制,因而低估了風應力和風暴增水的數(shù)值。

圖1 波浪的風應力增強效應對風暴增水的影響
基于改進的動力模式技術(shù),科研團隊構(gòu)建了山東沿海風暴潮-海浪耦合漫灘數(shù)值預測模型,局部最高分辨率為100米,模擬了兩次典型強臺風過程(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,臺風風暴潮會導致萊州灣沿岸大范圍的海水淹沒風險(圖2)。研究還定量評估了風場驅(qū)動、波浪增強風應力等外部驅(qū)動因素對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報中心李健高級工程師,研究得到了國家自然科學基金等項目資助。
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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