海洋所研究闡明極端天氣系統(tǒng)下波浪對風(fēng)暴潮和海流的作用機制
近日,中國科學(xué)院海洋研究所侯一筠、胡珀研究團隊在浪流相互作用機制方面取得新進展,闡明了不同極端天氣系統(tǒng)下波浪對風(fēng)暴潮和海流的作用機制,研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Journal of Physical Oceanography。
波浪效應(yīng)對沿岸海洋動力學(xué)至關(guān)重要,但目前波浪對海洋動力環(huán)境的作用機制(包括波浪調(diào)制表面應(yīng)力、波浪調(diào)制底應(yīng)力和三維波浪力等)尚不完全清楚。此外,每種機制的參數(shù)化方案選擇較多,需要進行評估。該研究基于COAWST耦合模擬系統(tǒng)在渤黃海建立了三維浪-流耦合數(shù)值模式,探究了該半封閉海域的三種典型極端天氣系統(tǒng)(冷空氣、溫帶氣旋和臺風(fēng))期間波浪對風(fēng)暴潮和海浪的作用機制,基于數(shù)值敏感性實分析和量化了三種耦合機制對表面應(yīng)力、底應(yīng)力和三維波浪力大小和方向的影響,評估了7種參數(shù)化方案下風(fēng)暴潮和流場變化的顯著性,總結(jié)了3種耦合機制下波浪增水和浪致余流的異同。
研究發(fā)現(xiàn),波浪影響下的表面應(yīng)力會使極值區(qū)域的風(fēng)暴潮加強,而波浪影響下的底應(yīng)力會改變風(fēng)暴潮的空間分布,三維波浪力對水位的影響相對于表面應(yīng)力和底應(yīng)力小得多??偟膩碚f,邊界層切應(yīng)力的變化和波浪引起的較大動量通量主要發(fā)生在近岸淺水區(qū)域。此外,該研究發(fā)現(xiàn)極端天氣下,波浪引起的流場變化會形成流渦(圖1)。氣旋、反氣旋流渦對應(yīng)著波浪減水、增水,流渦的數(shù)量和強度隨著風(fēng)場強度的增強和旋度增加而增加。通過統(tǒng)計分析,推薦Drennan-Styles-McWilliams參數(shù)化方案組合,更適合中國近海北部(圖2)。?

圖1?波浪影響下最大風(fēng)暴增水和表面流場變化形成的流渦(紅圈代表反氣旋流渦,藍圈代表氣旋流渦)?

圖2?典型極端天氣系統(tǒng)下不同組合參數(shù)化方案模擬所得風(fēng)暴潮極值與18個驗潮站實測風(fēng)暴潮極值的對比
中國科學(xué)院海洋研究所莫冬雪助理研究員是論文第一/通訊作者,李水清特聘研究員為共同通訊作者,其他合作者包括胡珀研究員、侯一筠研究員和自然資源部北海預(yù)報中心李健高級工程師,研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海臺風(fēng)研究基金等項目的共同資助。
論文信息:
Mo, D.*, Hu, P., Li, J., Hou, Y., & Li, S.* (2024). Effect of wave-dependent mechanisms on storm surge and current simulation during three extreme weather systems. Journal of Physical Oceanography, 54(7): 1519-1543. https://doi.org/10.1175/JPO-D-23-0190.1
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