海洋所研究闡明極端天氣系統(tǒng)下波浪對(duì)風(fēng)暴潮和海流的作用機(jī)制
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所侯一筠、胡珀研究團(tuán)隊(duì)在浪流相互作用機(jī)制方面取得新進(jìn)展,闡明了不同極端天氣系統(tǒng)下波浪對(duì)風(fēng)暴潮和海流的作用機(jī)制,研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Journal of Physical Oceanography。
波浪效應(yīng)對(duì)沿岸海洋動(dòng)力學(xué)至關(guān)重要,但目前波浪對(duì)海洋動(dòng)力環(huán)境的作用機(jī)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(jī)制的參數(shù)化方案選擇較多,需要進(jìn)行評(píng)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(tái)風(fēng))期間波浪對(duì)風(fēng)暴潮和海浪的作用機(jī)制,基于數(shù)值敏感性實(shí)分析和量化了三種耦合機(jī)制對(duì)表面應(yīng)力、底應(yīng)力和三維波浪力大小和方向的影響,評(píng)估了7種參數(shù)化方案下風(fēng)暴潮和流場(chǎng)變化的顯著性,總結(jié)了3種耦合機(jī)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(huì)使極值區(qū)域的風(fēng)暴潮加強(qiáng),而波浪影響下的底應(yīng)力會(huì)改變風(fēng)暴潮的空間分布,三維波浪力對(duì)水位的影響相對(duì)于表面應(yīng)力和底應(yīng)力小得多??偟膩?lái)說(shuō),邊界層切應(yīng)力的變化和波浪引起的較大動(dòng)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(chǎng)變化會(huì)形成流渦(圖1)。氣旋、反氣旋流渦對(duì)應(yīng)著波浪減水、增水,流渦的數(shù)量和強(qiáng)度隨著風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)和旋度增加而增加。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,推薦Drennan-Styles-McWilliams參數(shù)化方案組合,更適合中國(guó)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(chǎng)變化形成的流渦(紅圈代表反氣旋流渦,藍(lán)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(gè)驗(yàn)潮站實(shí)測(cè)風(fēng)暴潮極值的對(duì)比
中國(guó)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(bào)中心李健高級(jí)工程師,研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海臺(tái)風(fēng)研究基金等項(xiàng)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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